Diseno de una subestacion

DISEÑO DE UNA SUBESTACION
EN 138 Kv
SANTIAGO JARAMILLO V. 8vo ELÉCTRICA JUNIO 2010

RELES DIFERENCIALES
CARACTERISTICAS DE LA SUBESTACION “SEP II”
DISEÑO DE UNA SUBESTACIONDISEÑO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
La subestación “SEP II” está diseñada como subestación de
seccionamiento y transformación.
Los equipos en 138 Kv son aislados en aire, la parte de 4 kV es el
voltaje de generación que a su vez se deriva para el servicio de
estación por un transformador de 300 Kva de 4.0/ 0,40 v de
donde se contiene en cabinas tipo interior con interruptores de
vacío.
Los transformadores de potencia son de 10/12 MVA enfriado por
aire forzado por aire (FA).
OBJETIVOS DEL DISEÑO
El objetivo es proporcionar máxima confiabilidad, flexibilidad
continuidad del servicio , alta seguridad operacional y
durabilidad de manera que satisfagan las necesidades del sistema.

RELES DIFERENCIALES
CONSIDERACIONES DEL DISEÑO
Depende de
Factores
como:
- nivel de voltaje
- capacidad de carga
- consideraciones ambientales
- limitaciones de espacio en el terreno.
a) Aspectos económicos
b) Importancia de la subestación en el sistema
eléctrico de potencia al que está sirviendo.
c) Confiabilidad o sea alta probabilidad de
ejecutar todas las funciones previstas.
d) Costos bajos en la operación y en el
mantenimiento.
Para el sistema
de barras de
una subestación,
se la debe
configurar
tomando en
cuenta :

RELES DIFERENCIALES
ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO
Comprende la selección de la soportabilidad o resistencia eléctrica
de un equipo y su aplicación en relación con las tensiones que
pueden aparecer en el sistema en el cual el equipo será utilizado,
teniendo en cuenta las características de los dispositivos de
protección disponibles,
La selección de niveles de aislamiento afecta el costo en forma
considerable .
El descenso de un nivel básico de aislamiento (BIL) puede
reducir el costo del equipo electrico en importantes miles de
dolares
COORDINACION DEL AISLAMIENTO

RELES DIFERENCIALES
Nivel 1: También llamado nivel alto. Se
utiliza en los aislamientos internos,(sin
contacto con el aire
Nivel 2: También llamado medio o de
seguridad, que están en contacto con el aire.
Este nivel se adecua de acuerdo con la altura
sobre el nivel del mar de la instalación y se
utiliza en todos los aisladores de aparatos,
barrajes y pasamuros de la subestación que
están en contacto con el aire.
Nivel 3: También llamado bajo o de
protección. Esta constituido por el nivel de
operación de los explosores de los pararrayos
de protección.
COORDINACION DEL AISLAMIENTO
niveles de
sobretensión
considerados en
la coordinación
de aislamiento

RELES DIFERENCIALES
ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO
El voltaje máximo del Sistema Nacional de transmisión, por
regulación del CONELEC, no puede ser superior al 5% del valor
nominal , para el caso de 138 kv, el valor máximo será de 145 Kv
La norma IEC 60071-1 establece que solamente dos clases de
sobretensiones son suficientes para caracterizar el nivel de
aislamiento del equipo cuando está en el rango de 1 a 250 Kv .
En la misma norma se asignan los valores de 450 – 550 y 650 kV
pico para equipo de 145 kV, se ha elegido 550 kV pico como nivel
de impulso que los equipos deben resistir en el sitio de instalación.
La norma IEC 60071-2 establece
la siguiente expresión para
corregir el valor de tensión de
impulso por altura:





 −
= 8150
1000H
m
a eK

DETERMINACION DEL AISLAMIENTO





 −
= 8150
1000H
m
a eK
Ka = el factor de corrección
m = 1,0 para impulso y frecuencia industrial
H = altura de la instalación sobre el nivel
del mar (m)
Ka = 1,222902332 para 2.640 m
Los equipos
deberán
resistir
1,222902332 x 550 kv pico
662.03 kv pico
a nivel del mar para soportar 550 kVpico en la altura de instalación y
hasta los 3500 msnm aproximadamente.

El valor normalizado más próximo es 750 Kv pico para el impulso y la
correspondiente onda de frecuencia industrial de corta duración
será 325 kVrms.
DETERMINACION DEL AISLAMIENTO Tabla 5: niveles de aislamiento normalizado por IEC.

SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA
Pruebas de un aislador en un laboratorio de alta tensión

Tabla 6: distancias mínimas entre partes energizadas F-F normalizado por IEC.
Según la norma IEC 60071-2 establece las distancias mínimas entre partes
energizadas y partes conectadas al potencial de tierra;

Así, para 750 kVpico una distancia de
seguridad de 155 cm es suficiente tanto
para un arreglo estructura-conductor o
para estructura-varilla tanto para fase-
neutro como para fase-fase.
Distancias mínimas fase-tierra y fase-fase
En el diseño de la subestación, el arreglo
de equipo no solo mantiene una distancia
superior a la de norma sino que permite la
circulación de equipo motorizado necesario
para las labores de montaje,
mantenimiento y eventuales retiros.

RELES DIFERENCIALES
La subestación está ubicada en un sitio que no es densamente
poblado, pero a futuro se ha considerado la construcción de una
carretera en donde el polvo, el smog de la maquinaria, ensuciará
los aisladores disminuyendo su capacidad de aislamiento y
aumentando la probabilidad de que se produzcan corrientes de fuga.
Según la norma IEC 60815
que establece 2,50 cm/kV,
tomando el máximo voltaje
fase-fase
Así se tiene que para 138 kV
la distancia será 345 cm
(2.5 x 138 kv) y 10 cm
para 4 kV.
min 345 cm

RELES DIFERENCIALES
Se entiende como distancia mínima de seguridad aquellos espacios
que se deben conservar en las subestaciones para que el personal
pueda circular y efectuar maniobras sin que exista riesgo para sus
vidas.
DISTANCIAS DE SEGURIDAD
Las distancias mínimas
de seguridad se pueden
expresar con las
siguientes relaciones:
D = d + 0.9
H = d + 2.25
D, distancia horizontal en metros que se debe respetar en
todas las zonas de circulación.
H, distancia vertical en metros que debe respetarse en todas
las zonas de circulación. Nunca debe ser menor de 3 metros.
d, es la distancia mínima de fase a tierra correspondiente al
BIL de la zona

DISTANCIAS DE SEGURIDAD
DISTANCIA
MINIMA PARA
VEHICULOS
D = (d+0.7) + 0.9
= (2.5+0.7) + 0.9 = 4.1m
H =(d+0.7) + 2.25
=(2.5+0.7) + 2.25 = 5.15m
DISTANCIA
MINIMA PARA
AREA DE TRABAJO
D = (d+1.75) + 0.9
= (2.5+1.75) + 0.9 = 5.15m
H =(d+1.25) + 2.25
=(2.5+1.25) + 2.25 = 6 m

DISTANCIAS DE DISEÑO
Se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivas
que se requieren en instalaciones convencionales.
La determinación de
estas dimensiones se
efectúa mediante el
calculo de las
distancias dieléctricas
entre las partes vivas
del equipo y entre
estas y las
estructuras, muros,
rejas y el suelo.
1 Altura de los equipos
sobre el nivel del suelo.
2 Altura de las barras colectoras
sobre el suelo.
3 Altura de remate de las líneas
de transmisión que llegan a la
subestación.

ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO
hs = 2.5 + 0.0105*Um
hs = 2.30 + 0.0105*138kV
= 3.749 m
La altura mínima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningún
caso debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas por
barreras de protección. La altura mínima de la base de los aisladores que
soportan partes vivas no debe ser menor de 2.25 metros.
La altura mínima de las partes
vivas de cualquier equipo se
calcula de acuerdo con la
siguiente expresión:
hs

La expresión que proporciona
la altura de las barras
colectoras (he), considerando
la sensación de campo
eléctrico es la siguiente:
he= 5.0 + 0.0125 x Um
he = 5.0 + 0.0125 x 138kV
he = 6.72 m
La altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar la
posibilidad de que al pasar una persona por debajo de las barras, esta
reciba la sensación del campo eléctrico.
ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVEL DEL
SUELO
he

he= 5.0 + 0.006 x Um
he = 5.0 + 0.006 x 138kV
he = 5.82 m
Los conductores de las líneas de transmisión que llegan o salen de una
subestación no deben rematar a una altura hi inferior a 6m. Dicha altura se
puede obtener de la relación:
ALTURA DE REMATE DE LAS LINEAS DE TRANSMISION
he
he

RELES DIFERENCIALES
CONSTRUCCION DE LA MALLA A TIERRA

RELES DIFERENCIALES
La malla de tierra de una subestación permite brindar seguridad al
personal ante la eventualidad de una falla fase a tierra además de
preservar la integridad de los equipos y de proporcionar la
referencia de potencial cero para toda la instalación.
Introducción.-
La seguridad de personal,
especialmente durante el
desarrollo de fallas a tierra, se
obtiene al asegurar que las
diferencias de potencial a las que
se someta al cuerpo humano, al
caminar en la subestación o al
tocar un elemento metálico, sean
sustancialmente menores que
aquellas que se consideran
peligrosas para la vida.

U.P.S.U.P.S.
• Tensión Permisible de Paso.
• Tensión Permisible de contacto.
• Configuración de la malla.
• Resistividad del terreno
• Tiempo máximo de despeje de la falla.
• Conductor de la malla.
• Profundidad de instalación de la malla.
DISEÑO DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRA
El diseño de una malla a tierra está afectado por las
siguientes variables:
DISEÑO DE UNA SUBESTACIONDISEÑO DE UNA SUBESTACION

U.P.S.U.P.S.
• Tensión Permisible de Paso.
• Tensión Permisible de contacto.
L
I
KKE isP
ρ
..=
PE Tensión de paso real en voltios
Ks Coeficiente que tiene en cuenta la influencia
combinada de la profundidad y del
espaciamiento de la malla
Ki Coeficiente de irregularidad del terreno
ρ Resistividad del suelo (Ω-m)
I Corriente máxima de falla (Amp)
L Longitud del conductor (m)
L
I
KKE imt
ρ
..=
tE Tensión de contacto en voltios
Km Coeficiente que tiene en cuenta las
características de la malla

U.P.S.U.P.S.
• Configuración de la malla. Determinación de los coeficientes Km , Ki, Ks
Para la determinación de los coeficientes es
necesario tener en cuenta las siguientes
definiciones
A
B
A longitud de la malla
B ancho de la malla
L longitud total del conductor
n número de conductores en paralelo de long A
m número de conductores en paralelo de long B
D espaciamiento entre conductores (m)
h profundidad del enterramiento (m)
d diametro del conductor (m)
La longitud del conductor esta dada por L = n * A + m * B

U.P.S.U.P.S.






+





= ..........
8
7
.
6
5
.
4
3
ln
1
16
ln
2
1 2
ππ hd
D
Km
Determinación de Km n-2 términos






+++
+
+= ..........
3
1
2
11
2
11
DDhDh
Ks
π
Ki = 0,65 + 0,172 n n ≤ 7Determinación de Ki
Determinación de Ks
Resistividad del terreno Se lo puede realizar por el método de Laurent y Niemann








+=
LA
R
11
443,0
γ
ρ
R resistencia en ohmios
Aγγγγ area de la malla de puesta a tierra en m2
ρ resistividad del suelo (Ω-m)
L longitud del conductor (m)

RELES DIFERENCIALES
CALCULO DE MALLA A TIERRA
El cálculo de la malla de tierra se hará siguiendo las
recomendaciones de la norma IEEE 80 “IEEE Guide for Safety in
AC Substation Grounding”.
Resistividad del suelo (ρ): 25 m
Área del terreno(A) 32000 m2
Tiempo de duración de una falla a tierra (tf) 1 s
Profundidad a la que se entierra el conductor (h) 0,6 m
Resistividad de la grava (ρs) 2500 m
Altura de la capa de grava (hs) 0,15 m
Máxima corriente de cortocircuito fase-tierra(3I0) 15000 A
Factor de división de corriente (Sf) 0,6
Datos de entrada

[ ]//165
1
165,0
165,0
mAI
I
t
I
K
K
K
=
=
=
( )
( )[ ]
[ ]//75,1687
1
157,0
250065,061000
157,0
61000
VE
E
t
CE
paso
paso
sspaso
=
⋅⋅⋅+=
⋅⋅⋅+= ρ ( )
( )[ ]
[ ]//6875,539
1
157,0
250065,05,11000
157,0
5,11000
VE
E
t
CE
toque
toque
sstoque
=
⋅⋅⋅+=
⋅⋅⋅+= ρ
[ ]//9000
1150006,0
AI
I
DISI
G
G
fffG
=
⋅⋅=
⋅⋅=
[ ]//2055,0
32000206,01
1
1
3200020
1
2023
1
25
201
1
1
20
11
Ω=














⋅+
+
⋅
+⋅=












+
++⋅=
g
g
g
R
R
AhAL
R ρ
[ ] [ ]//23,7635,1849
90002055,0
VVGPR
GPR
IRGPR Gg
>=
⋅=
⋅=
( ) ( )
//6818785,0
192
1
2
1
19
22
=→
⋅
=→= iiii
n
ii KK
n
K
I. DE CORTOCIRCUITO TENSION DE PASO TENSION DE TOQUE
I. MALLA
RESISTENCIA DE MALLA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD
ELEVACION DEL POTENCIAL DEL
SUELO
COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD DEL TERRENO

( )
( )
( )
( )
//6675,0
1192
8
ln
4936691,1
6818785,0
0105,04
6,0
0105,048
6,024
0105,06,016
4
ln
2
1
12
8
ln
48
2
16
ln
2
1
22
22
=














−⋅⋅
+







⋅
−
⋅⋅
⋅+
+
⋅⋅⋅
=








−
+







−
+
+
⋅
=
m
m
h
ii
m
K
K
nK
K
d
h
Dd
hD
hd
D
K
ππ
ππ
( )
( )
( )
( )
//4951495,2
423,0119ln
1192
1
423,01ln
12
1
=
−−+
−⋅
=
−−+
−
=
W
W
n
n
W
//5330137,0
4951495,2
4
1
6,04
1
6,02
11
11
2
11
=






⋅+
+
+
⋅
⋅=






+
+
+=
s
s
s
K
K
W
DhDh
K
π
π
[ ]//240608,240
2023
236,36675,0900025
VE
E
L
KKI
E
m
m
imG
m
=
⋅⋅⋅
=
⋅⋅⋅
=
ρ
[ ]//8375062,191
2023
236,35330137,0900025
VE
E
L
KKI
E
s
s
isG
s
=
⋅⋅⋅
=
⋅⋅⋅
=
ρ
COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAS CARACTERIZTICAS DE LA MALLA
COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LA
INFLUENCIA DE LA PROFUNDIDAD DE LA
MALLA
POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA

[ ]//240608,240
2023
236,36675,0900025
VE
E
L
KKI
E
m
m
imG
m
=
⋅⋅⋅
=
⋅⋅⋅
=
ρ
[ ]//8375062,191
2023
236,35330137,0900025
VE
E
L
KKI
E
s
s
isG
s
=
⋅⋅⋅
=
⋅⋅⋅
=
ρ
POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA
En resumen, la malla principal de la subestación se construirá
con cable de cobre 2/0 AWG, enterrado 0,6m, formando
cuadriculas de aproximadamente 4 m. La longitud mínima
aceptable total sera de 2023 m.

APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION

OBJETIVO
APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION
El apantallamiento tiene por objeto evitar que ocurran descargas
atmosféricas directas sobre las barras o sobre el equipo de la subestación.
El apantallamiento
es un sistema
compuesto por
cables denominados
de guardia y
mástiles metálicos,
ambos conectados
directamente a la
malla de tierra.

CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO
Las estructuras metálicas de los pórticos de la subestación terminan
en mástil.
Utilizando el método
descrito por la norma
DIN VDE 0101,
Se determina que las
barras, para estar
protegidas por el
apantallamiento, deberían
estar como máximo a
13.50 m de altura.

CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO
√5 H
M
3H
H
L h
El ángulo entre el punto M y el punto
de altura h que esta a 7.0 m desde el
eje del mástil se calcula como:
L = 39.13 m-7.0 m = 32.13 m
sen α = 32.13/52,5 = 0.616
La altura hasta la que el apantallamiento cubre a una distancia de 7.0 m
del eje del mástil es: h = 0.2091 x 52.5 m = 10.98 m
α = 37.73°°°°
cos α = 0.7908
cos-1 α = 0.2091
La distancia hasta la cual el apantallamiento cubre una altura de 6,00 m
es de 14.75 m.
H = altura del mástil = 17,50 m
√5 x 17,5 = 39.13 m 3H = 52.5 m

RELES DIFERENCIALES
De acuerdo al detalle de cargas a servir, consideraciones de
crecimiento de la demanda y reserva, se instalará dos
transformadores que se derivan desde el primario del
transformador de potencia.
TRANSFORMADORES PARA SERVICIOS AUXILIARES 4000/440 V
La estimación
de carga de
los sistemas
auxiliares es
de 71.9 KVA
- La demanda eléctrica para las servicios
auxiliares del transformador de potencia a
instalarse y futuro, es de 16.64 KVA
- La estimación de carga de la subestación para
calentadores, motores, iluminación y tomas de
equipos y alumbrado interior y exterior de la sala
de control es de 47.53 KVA
- Finalmente, la alimentación redundante a dos
cargadores de baterías tiene una demanda de
8.75 KVA.
CARGA TOTAL 16.64+ 47.53 + 8.75 = 72.92 KVA 75 kVA

RELES DIFERENCIALES
BANCO DE BATERIAS
Como respaldo, habrá un banco de baterías con baterías de plomo-acido
que suministrará corriente continua de 125 Vcc a los circuitos de control y
motores de equipos de protección y seccionamiento en caso de falla de la
alimentación a los cargadores de baterías.
Se ha definido un solo banco que satisfaga la demanda de los servicios
auxiliares de la casa de máquinas y de la subestación.
Comprende la provisión de :
- Un (1) banco de baterías plomo-acido, de 125 V, 200 Ah, 8 hs.
- Dos (2) rectificadores autoregulados, dimensionados para 35 A.
La fabricación y funcionamiento se regirá a las normas IEC 623 o 896-1.
Se aplicará siempre la última versión vigente de la norma
ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA BATERIAS Y CARGADORES

ESQUEMAS UNIFILARES DE LA SUBESTACION “SEP II ”

S 1
S 2
S 3
S 4
L / T 1 L / T 2
BARRA 2
BARRA 1
4.2 kv 480 v
75 KVA
Y
10 / 12
MVA
G 1
138 /4.2 kv
Y
138/4.2 kv
10 / 12
MVA
G 2
Y
75KVA
4 .2kv480 v
Y
SERVICIO DE
ESTACION B
SERVICIO DE
ESTACION A
DIAGRAMA UNIFILAR

BARRA 1 138 KV
SERVICIO DE
ESTACION B
BARRA 2 138 KV
Y
G
TRANSF.
4/138 Kv
10/12 MVA
DY1
52-2
89-2
Y
TRANSF.
4/ 0,44Kv
75 KVA
DY1
152-2 152-B
Y
G
TRANSF.
4/138 Kv
10/12 MVA
DY1
52-189-1
Y
TRANSF.
4/ 0,44Kv
75 KVA
DY1
152-1152-A
SERVICIO DE
ESTACION A
D-1
D-2
S-14
S-18
S-24
S-28
L-1
D-3
D-4
S-34
S-38
S-44
S-48
L-1
87 G
87 T
87G
87T
51
51
PT x 3 138
/ 0,01Kv
DIAGRAMA UNIFILAR

SIMULACION DE LA SUBESTACION EN “POWERWORLD”

( )
[ ]//44,190
10100
10138
6
23
2
Ω=
⋅
⋅
=
=
BASE
BASE
BASE
BASE
BASE
Z
Z
S
V
Z
[ ]//...1732051,0
103,0
52
52
52
upZo
Zo
XXZo CL
Ω=
⋅=
⋅=
−
−
−
[ ]//9851756,32
44,1901732051,0
52
52
Ω=
⋅=
−
−
Zo
Zo
( )
[ ]//3502692,577
9851756,32
10138
52
23
52
52
2
52
MVASIL
SIL
Zo
V
SIL FF
=
⋅
=
=
−
−
−
−
//%5
100
3502692,577
8675135,28
100
52
52
=
⋅=
⋅=
−
−
n
n
SIL
S
n
*
CALCULO DEL RENDIMIENTO
Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 2-5
RENDIMEINTO DE LA LINEA 2-5

DISEÑO DE UNA SUBESTACIONDISEÑO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.*
[ ]//...1732051,0
103,0
53
53
53
upZo
Zo
XXZo CL
Ω=
⋅=
⋅=
−
−
−
[ ]//9851756,32
44,1901732051,0
53
53
Ω=
⋅=
−
−
Zo
Zo
( )
[ ]//3502692,577
9851756,32
10138
53
23
53
53
2
53
MVASIL
SIL
Zo
V
SIL FF
=
⋅
=
=
−
−
−
−
//%5
100
3502692,577
8675135,28
100
53
53
=
⋅=
⋅=
−
−
n
n
SIL
S
n
*
[ ]//...1732051,0
103,0
62
62
62
upZo
Zo
XXZo CL
Ω=
⋅=
⋅=
−
−
−
[ ]//9851756,32
44,1901732051,0
62
62
Ω=
⋅=
−
−
Zo
Zo

( )
[ ]//3502692,577
9851756,32
10138
62
23
62
62
2
62
MVASIL
SIL
Zo
V
SIL FF
=
⋅
=
=
−
−
−
−
//%6
100
3502692,577
6410162,34
100
62
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⋅=
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−
−
n
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SIL
S
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