El documento describe los procedimientos para dimensionar subestaciones eléctricas, incluyendo cómo se determinan las distancias básicas y de seguridad entre componentes. Explica cómo se calculan las distancias entre fases y a tierra considerando factores como el voltaje, contaminación ambiental y condiciones atmosféricas. También cubre el cálculo de distancias de aislamiento y entre barras colectoras.

1. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Resumen En este documento, se da a conocer como se selecciona la especificación del aislamiento externo, y como se determinan y definen las distancias básicas y de seguridad que se deben tener en una subestación eléctrica,

2. Algunas definiciones. Conductor eléctrico. Se dice que es un conductor eléctrico, aquel material que permite pasar a través de él, cargas eléctricas. Aislador eléctrico . Contrario a lo indicado anteriormente, se dice que es un aislador eléctrico aquel material que no permite el paso de cargas eléctricas a través de el. Por lo general, todos los metales son buenos conductores eléctricos.

3. Algunas definiciones . Aislamiento eléctrico . Aplicado a sistemas eléctricos, se puede definir aislamiento, a todo aquel material, sólido o gaseoso que impide el paso de la corriente eléctrica al aplicarle una tensión eléctrica. Un aislamiento, tiene la capacidad de soportar lo esfuerzos dieléctricos que se le apliquen, sin que sufra deterioro alguno .

4. Algunas definiciones En sistemas eléctricos se aplican y conocen dos grandes grupos de aislamientos: los aislamientos internos instalados en equipos y aparatos eléctricos, y los aislamientos externos instalados en los conductores o accesorios que se usan en las instalaciones eléctricas visibles, ocultas, a la intemperie o de forma subterránea.

5. Algunas definiciones Subestación eléctrica. Una instalación compuesta de dispositivos y equipos eléctricos, donde convergen líneas de Transmisión, de sub transmisión y distribución y cuyo propósito es funcionar como punto de conmutación o de transformación de algún o algunos de los parámetros de energía eléctrica, se define como subestación eléctrica. A este tipo de instalaciones se les denomina también estaciones transformadoras.

6. Algunas definiciones Voltaje Nominal (Rated Voltaje). - Es el voltaje para el cual un equipo esta diseñado, al cual están referidas sus características. Voltaje máximo de operación permitido. Voltaje Nominal (Voltage Rating). - Es el voltaje r.m.s. máximo, a la frecuencia del sistema, que se puede aplicar a un equipo. Voltaje Máximo de Diseño del Equipo.- Es el valor de tensión máximo entre fases para el cual está diseñado el equipo con relación a su aislamiento, como para otras características que se refiere a ésta tensión en las normas relativas al equipo.

7. Algunas definiciones Sobretensión.- Cualquier valor de tensión (en función del tiempo entre una fase y tierra o entre fases que tenga un valor cresta o valores que lo excedan), obtenido de la tensión máxima de diseño del equipo Voltaje Que Soporta Un Aislamiento .- Es el valor del voltaje más alto que soporta un aislamiento. Nivel Básico De Aislamiento (NBAI, BIL).- Es el valor cresta de una onda normalizada de prueba al impulso (1.5 x 40 µs ó 1.2 x 50 µs), el cual se puede aplicar a un sistema sin causar daño en los aislamientos. El NBAI es independiente del voltaje nominal del sistema.

8. Algunas definiciones Sobretensión Por Rayo .- Para una sobre tensión de fase a tierra o de fase a fase en un punto dado del sistema, debido a una descarga atmosférica (rayo). La forma como puede referirse para los propósitos de coordinación de aislamiento, es semejante a aquella del impulso normalizado usado para las pruebas de impulso por rayo. Tales tensiones son por lo general unidireccionales y de muy corta duración.

9. Algunas definiciones Sobre tensiones por Maniobra .- Para una sobre tensión de una fase a tierra o de fase a fase en un punto dado del sistema, debido a una operación específica de maniobra de Interruptores, falla u otra causa. Tales Sobretensiones tienen por lo general un alto amortiguamiento y corta duración (la onda normalizada es de 250/2,500 Microsegundos).

10. Confiabilidad del servicio eléctrico Durante la operación de los sistemas eléctricos, se debe tratar de que el servicio tenga la calidad requerida para los usuarios, debiendo básicamente cumplir con: Mantener la frecuencia dentro de los límites establecidos por la Ley y que son de ± 0,8%. Tener un mínimo de interrupciones en el servicio. Mantener lo más limpio posible de contaminación de armónicas el sistema de suministro.

11. Confiabilidad del servicio eléctrico Con relación al número de interrupciones en el servicio, ¿Que índice de confiabilidad debe tener el sistema eléctrico?. Este índice debe mantenerse lo más alto posible no importa la zona que alimente el sistema, es decir, si es zona “limpia” (sin contaminación) o una zona contaminada. las instalaciones.

12. Confiabilidad del servicio eléctrico La pregunta anterior se debe contestar, en virtud de que la robustez mecánica y eléctrica del aislamiento de los equipos de las Plantas generadoras, de las subestaciones eléctricas, de las líneas de transmisión y de distribución y en general de todo el sistema eléctrico, dependerá de la zona que se alimente o de la zona en que están instaladas.

13. Diseño de subestaciones eléctricas Enfocando el tema a la subestaciones eléctricas, cuando se diseña una S.E., es conveniente que el ingeniero se pregunte ¿en qué tipo de sistema se va a conectar la subestación que se va a diseñar?. Este punto se refiere al tipo de sistema ya existente, si es sistema radial, si es sistema en anillo o es sistema tipo red o combinación de algunas de ellos.

14. Diseño de subestaciones eléctricas Dependiendo del tipo de sistema se deberá escoger el material y equipo adecuado. ¿Qué tan continuo se desea el servicio?. No obstante, que la respuesta a esta pregunta se contestaría dando el valor del índice de confiabilidad indicado anteriormente, se hace para resaltar los tipos de protección que se deberán escoger en la S.E., tanto desde el punto de vista físico como eléctrico.

15. Diseño de subestaciones eléctricas Desde el punto de vista físico, que las instalaciones estén resguardadas de contactos accidentales de personas ajenas o idóneas; desde el punto de vista eléctrico seleccionar la protección técnico económica más óptima, (protección de: sobrecorriente, diferencial por temperatura, Buchholz etc.).

16. Diseño de subestaciones eléctricas En cada región se tienen características muy particulares de contaminación que hay que considerar al momento de diseñar la subestación eléctrica, ya que la confiabilidad de la instalación interviene desde luego la confiabilidad de cada uno de los equipos que la componen (Transformador, interruptores, Apartarrayos, Aislamiento externo etc

17. Diseño de subestaciones eléctricas A nivel de sistema, existen estadísticas de fallas de cada uno de los componentes y exceptuando a las plantas generadoras, se puede citar que en general las partes más “débiles” de los sistemas son las líneas de transmisión y subestaciones eléctricas .

18. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Para poder dar las dimensiones a una S.E. hay que considerar prácticamente 4 distancias básicas que son la que dete r minan las separaciones entre los elementos, equipos y conductores que componen las S.E. A las cuales se les agregan las distancias de trabajo:

19. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas a) Distancias a Tierra . b) Distancias Entre Fases . c) Distancia de Fuga de los Aislamientos . d) Distancias Entre Equipos o Secciones . e) A las distancias anteriores se les agregan las distancias de trabajo.

20. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas El concepto de la tensión crítica de Flameo El valor de la tensión crítica de flameo (V.C.F) se determina experimentalmente en laboratorio utilizando generadores de impulso mediante los cuales se pueden aplicar voltajes similares a los presentados por descargas atmosféricas o por maniobras en los sistemas de potencia

21. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Histograma de distribución de voltajes 20 40 60 80 100 80 60 40 N° de veces que flamea (frecuencia de ocurrencia)

22. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Tensión en kV % de probabilidad 50 % VCF  

23. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Distancias de diseño. Por investigaciones realizadas, se llegó al establecimiento de las distancias de diseño más convenientes de fase a tierra y de fase a fase basadas en configuraciones propias de electrodos, llegando a identificar 3 tipos principales de distancias en aire. a) Distancia entre conductores. b ) Distancia de aislamiento entre conductores y equipos. c) Distancia entre aisladores y aparatos.

24. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Las configuraciones entre electrodos que se manejan en estos casos y que más se aproximan a la realidad son: a) Anillo - Anillo.. b) Punta - Punta. c) Punta – Placa. d) Conductor - Estructura.

25. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas La relación entre el NBA (BIL) y el voltaje critico de flameo (V.C.F.) se indica en las expresiones matemáticas siguientes: Por impulso o rayo: --------- (1) Donde: VCF = Voltaje crítica de Flameo por descarga atmosférica o rayo

26. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Por maniobras en el sistema suministrador --------- (2) Donde: V.C.S = Voltaje de flameo, por disturbio provocado por maniobras en el sistema del suministrador.

27. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Para otras presiones barométricas, otra temperatura y otras condiciones de humedad se hace necesario corregir estos valores, empleando la siguiente ecuación: Siendo en la ecuación anterior:

28. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas V.C.F NO ESTÁNDAR Tensión crítica de flameo por impulso por rayo, a diferentes condiciones de temperatura, de humedad y de presión barométricas. V.C.F. ESTÁNDAR . Tensión crítica de flameo por impulso por rayo, en condiciones estándar Kh = Factor de corrección por humedad atmosférica.

29. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas = Factor de corrección por densidad relativa del aire, el cual puede ser determinado en la tabla 6 del apéndice, o mediante la ecuación siguiente: Siendo : b = Presión atmosférica en cm de mercurio T = Temperatura ambiente en °C

30. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Distancias de diseño . Son las distancias de fase a tierra, (de no flameo) distancia entre fases (entre centros de conductores) y distancias de seguridad. Las distancias de fase a tierra y entre fases se calcularán sobre el nivel del mar en condiciones estándar de presión y temperatura.

31. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de fase a tierra Para voltajes hasta 230 kV. La ecuación mediante la cual se determina la distancia de fase a tierra en sistemas hasta de 230 kV es:

32. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de fase a fase Para voltajes hasta 230 kV las distancias de fase a fase se determinan mediante la siguiente ecuación:

33. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de fase a tierra Para voltajes mayores de 230 kV . Para sistemas cuyas tensiones son mayores de 230 kV. la ecuación para determinar la distancia de fase a tierra es:

34. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de fase a fase El cálculo de la distancia de fase a fase para sistemas de voltajes mayores de 230 kV se determina mediante las ecuaciones siguientes: Estando V.C.S. en megavolt

35. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de fuga en aislamientos. Se entenderá como distancia de fuga de un aislamiento externo, como la distancia en mm o cm que tendría el perfil del contorno del aislador, si este pudiera extenderse longitudinalmente. Efectos ambientales . Se entenderá por efectos ambientales, a los producidos por la contaminación ambiental, sobre los aislamientos externos, a los cuales afectan durante su operación normal, a la frecuencia y voltaje nominales del sistema

36. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas En la tabla N° 6 del apéndice, se dan a conocer las recomendaciones de la Comisión Internacional de Electrotécnica para identificar las características contaminantes de una región y establecer las distancias de fuga correspondientes.

37. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Mediante la ecuación siguiente, se puede calcular la distancia de fuga de los aislamientos: Siendo: d f = Distancia de fuga del aislamiento externo en cm kV max = Voltaje máximo de diseño en kV Dff = Distancia de fuga recomendada en cm

38. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias entre barras. Para el caso de las distancias entre centros de fases en las barras colectoras de la S.E. se calculan para dos condiciones: 1) Subestaciones con barras y/o conexiones rígidas. 2) Subestaciones con barras colectoras flexibles (cables).

39. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas En ambos casos, estas distancias se obtienen de las distancias calculadas de fase a tierra, agregando a estas distancias el diámetro de las barras colectoras, y se deberá considerar el aspecto Electrodinámico por efecto de corrientes de corto circuito, las distancias mínimas para mantenimiento dimensiones generales de los equipos etc. Tomando en consideración lo anterior, en la práctica se han determinado las distancias indicadas en la tabla n° 8 del apéndice

40. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas 2,0 a 2,25 1,8 400,0 1,8 a 2,0 1,5 123,0 N ° de veces la distancia mínima de fase a tierra a la altura correspondiente 1,8 a 2,0 1,6 34,5 a 115 -------- 1,7 2,4 o menor Barras flexibles Barras rígidas Distancias entres centros de fases Voltaje nominal de operación de las subestaciones Eléctricas (volaje entre fases En kV)

41. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de la altura de los equipos. La altura de la parte viva o energizada de los equipos tales como los transformadores, TC, TP, interruptores, etc., y en general de los elementos que integran una S.E. no deberá ser menor a 3 m y debe calcularse de acuerdo a la ecuación (14) en m, en instalaciones cuyos voltajes nominales sean mayores a 69kV y a 1000 m sobre el nivel del mar.

42. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas He = 2.30 + 0.0105 E m m ---- (14) Donde: He = Altura de la parte energizada de los quipos o elementos sobre el nivel del suelo E m = Tensión máxima de diseño de la subestación eléctrica

43. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas La altura de las L.T. a la llegada de la S.E. no deberá ser menor a 6 m y se calcula con la fórmula: H L.T. · 5 + 0.006 E m m -------- (15) Donde: H L.T . = Altura mínima de llegada a la S. E. de la L.T. en m E m = tensión máxima de diseño en kV.

44. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Cálculo de las distancias de seguridad. La Comisión Internacional de Electrotecnia en su reporte del comité de estudios Nº 23 recomienda la adopción de distancias de seguridad en las S.E. para el personal que opera y que da mantenimiento a las instalaciones, así también, en nuestro País, tomando como base las distancias mínimas determinadas con las ecuaciones anteriores se establecen en la Norma Oficial Mexicana de instalaciones eléctricas (utilización) vigente las distancias mínimas de fase a tierra, entre fases, etc., que se deben de adoptar y respetar en la S.E.

45. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas El comité de estudios número 23, de la Comisión Internacional de Electrotecnia recomienda que en la determinación de las distancias de seguridad se deben considerar: a) Las maniobras de los operadores en cualquier punto de la instalación b) Circulación del personal en la instalación. c) Circulación de vehículos en la S.E.

46. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Las distancias mencionadas se adoptan tomando como base que las partes energizadas deben quedar fuera del alcance del personal y para lo cual se recomienda se tomen las siguientes recomendaciones:

47. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas a) Las partes energizadas de los equipos y elementos que componen la S.E., deben quedar fuera del alcance del personal usando distancias en las zonas de trabajo y circulación suficientemente grandes para evitar contactos eléctricos. b) Las partes energizadas se pueden hacer inaccesibles usando barreras de protección para aislar físicamente a los elementos o equipos y éstas barreras de protección deberán tener una altura no inferior a 2,10 m

48. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas c)Las partes energizadas pueden encapsularse o encerrarse en gabinetes o instalaciones especialmente idóneas para ello. d) El uso de carteles que marquen el peligro de partes energizadas en aquellos casos en el que no se puedan aumentar las distancias calculadas de acuerdo con las fórmulas anteriormente citadas.

49. Dimensionamiento de subestaciones eléctricas Las distancias de seguridad quedan entonces constituidas por: 1) La distancia mínima de fase a tierra. 2) Una distancia adicional que depende de las dimensiones adoptadas en las zonas de circulación y de trabajo para mantenimiento, así como de lo alto de las personas que trabajan en las S.E.