DISEÑO DE UNA SUBESTACION EN 138 Kv
SANTIAGO JARAMILLO V.
8vo ELÉCTRICA
JUNIO 2010
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DISEÑO DE UNA SUBESTACION
CARACTERISTICAS DE LA SUBESTACION “SEP II” La subestación “SEP II” está diseñada como subestación de seccionamiento y transformación. RELES DIFERENCIALES
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.
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CONSIDERACIONES DEL DISEÑO Depende de Factores como:
- nivel de voltaje - capacidad de carga DIFERENCIALES - consideracionesRELES ambientales - limitaciones de espacio en el terreno.
a) Aspectos económicos Para el sistema de barras de una subestación, se la debe configurar tomando en cuenta :
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.
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ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO COORDINACION DEL AISLAMIENTO RELES DIFERENCIALES
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 considerable .
afecta el costo en forma
El descenso de un nivel básico de aislamiento (BIL) puede reducir el costo del equipo electrico en importantes miles de dolares
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COORDINACION DEL AISLAMIENTO
Nivel 1: También llamado nivel alto. Se utiliza en losRELES aislamientos DIFERENCIALES internos,(sin contacto con el aire niveles de sobretensión considerados en la coordinación de aislamiento
Nivel
2:
Nivel
3:
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. También llamado bajo o de protección. Esta constituido por el nivel de operación de los explosores de los pararrayos de protección.
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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 RELES DIFERENCIALES 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:
Ka = e
H −1000 m 8150
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DETERMINACION DEL AISLAMIENTO
Ka = e
H −1000 m 8150
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 Los equipos deberán resistir
para 2.640 m 1,222902332 x 550 kv 662.03 kv pico
pico
a nivel del mar para soportar 550 kVpico en la altura de instalación y hasta los 3500 msnm aproximadamente.
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DETERMINACION DEL AISLAMIENTO
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Tabla 5: niveles de aislamiento normalizado por IEC.
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.
SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA
Pruebas de un aislador en un laboratorio de alta tensión
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SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA 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;
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SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA Distancias mínimas fase-tierra y fase-fase 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 faseneutro como para 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.
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SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA 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 smogRELES de DIFERENCIALES 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
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DISTANCIAS DE SEGURIDAD Se entiende como distancia mínima de seguridad aquellos espacios que se deben conservar en las subestaciones para que el personal RELES DIFERENCIALES pueda circular y efectuar maniobras sin que exista riesgo para sus vidas. 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
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DISTANCIAS DE SEGURIDAD
DISTANCIA MINIMA PARA VEHICULOS
DISTANCIA MINIMA PARA AREA DE TRABAJO
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
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
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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.
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ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO La altura mínima hs, de caso debe ser inferior barreras de protección. soportan partes vivas no
las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningún a 3 metros, si no se encuentran aisladas por La altura mínima de la base de los aisladores que 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 = 2.5 + 0.0105*Um hs = 2.30 + 0.0105*138kV = 3.749 m
hs
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ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO 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. 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
he
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ALTURA DE REMATE DE LAS LINEAS DE TRANSMISION 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:
he= 5.0 + 0.006 x Um he = 5.0 + 0.006 x 138kV he = 5.82 m he
he
CONSTRUCCION DE LA MALLA A TIERRA RELES DIFERENCIALES
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Introducción.La malla de tierra de una subestación permite brindar seguridad al personal ante la eventualidad de una falla fase a tierra además de RELES DIFERENCIALES preservar la integridad de los equipos y de proporcionar la referencia de potencial cero para toda la instalación. 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.
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DISEÑO DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRA El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables: • 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.
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E P = K s .K i .
• Tensión Permisible de Paso.
EP
ρI L
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)
• Tensión Permisible de contacto. Et = K m .K i . Et
Km
ρI L
Tensión de contacto en voltios Coeficiente que tiene características de la malla
en
cuenta
las
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• 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 longitud de la malla
B
B ancho de la malla L longitud total del conductor n número de conductores en paralelo de long A
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
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Determinación de Km
1 D2 Km = ln 2π 16 hd
Determinación de Ks
Ks =
Determinación de Ki
1 3 5 7 + ln . . .......... π 4 6 8
n-2 términos
1 1 1 1 1 + + + + .......... π 2h D + h 2 D 3D
Ki = 0,65 + 0,172 n
n≤7
Resistividad del terreno Se lo puede realizar por el método de Laurent y Niemann R = 0,443 ρ
1 + Aγ L 1
R
resistencia en ohmios
Aγγ
area de la malla de puesta a tierra en m2
ρ
resistividad del suelo (Ω-m)
L
longitud del conductor (m)
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CALCULO DE MALLA A TIERRA El cálculo de la malla de tierra se hará siguiendo las recomendaciones de la norma IEEE 80 RELES “IEEE Guide for Safety in DIFERENCIALES AC Substation Grounding”. Datos de entrada Resistividad del suelo (ρ): Área del terreno(A) Tiempo de duración de una falla a tierra (tf) Profundidad a la que se entierra el conductor (h) Resistividad de la grava (ρs) Altura de la capa de grava (hs) Máxima corriente de cortocircuito fase-tierra(3I0) Factor de división de corriente (Sf)
25 Ωm 32000 m2 1s 0,6 m 2500 Ωm 0,15 m 15000 A 0,6
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CALCULO DE MALLA A TIERRA I. DE CORTOCIRCUITO
IK = IK =
0 ,165 t 0 ,165
E paso = (1000 + 6 ⋅ C s ⋅ ρ s ) ⋅
0 ,157
Etoque = (1000+ 1,5 ⋅ Cs ⋅ ρ s ) ⋅
IG = S f ⋅ I f ⋅ D f I G = 0 , 6 ⋅ 15000 ⋅ 1 I G = 9000 [ A ] // DEL POTENCIAL DEL SUELO
)] ⋅
RESISTENCIA DE
0 ,157 1
t
Etoque = [1000+ (1,5 ⋅ 0,65⋅ 2500)] ⋅
0,157 1
Etoque = 539,6875[V ] //
MALLA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD
1 1 1 Rg = ρ ⋅ + 1+ L 20 A 1 + h 20 A 1 1 1 1+ Rg = 25⋅ + 2023 20⋅ 32000 1+ 0,6 20⋅ 32000 Rg = 0,2055[Ω] //
GPR= Rg ⋅ I G GPR= 0,2055⋅ 9000 GPR= 1849,5[V ] > 763,23[V ] //
0,157
t
E paso = 1687 , 75 [V ] //
MALLA
ELEVACION
TENSION DE TOQUE
E paso = [1000 + (6 ⋅ 0 , 65 ⋅ 2500
1
I K = 165 [mA ] //
I.
TENSION DE PASO
COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD DEL TERRENO
K ii =
1
(2n )
2 n
→ K ii =
1 2 19
(2 ⋅ 19)
→ K ii = 0,6818785 //
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CALCULO DE MALLA A TIERRA COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAS CARACTERIZTICAS DE LA MALLA 2 1 D2 8 ( D + 2h ) h K ii + + − ln Km = ln 2 ⋅ π 16hd 8Dd 4d K h π (2n − 1)
(4 + 2 ⋅ 0,6)2 − 0,6 + 0,6818785 ln 42 8 ln + 1,4936691 π ⋅ (2 ⋅ 19 − 1) 16 ⋅ 0 , 6 ⋅ 0 , 0105 8 ⋅ 4 ⋅ 0 , 0105 4 ⋅ 0 , 0105 K m = 0,6675 // Km =
1 2 ⋅π
COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LA INFLUENCIA DE LA PROFUNDIDAD DE LA MALLA
1 + ln(n −1) − 0,423 2(n −1) 1 W= + ln(19 −1) − 0,423 2 ⋅ (19 −1) W = 2,4951495// W=
11 1 1 Ks = + + W π 2h D + h D 1 1 1 1 Ks = ⋅ + + ⋅ 2,4951495 π 2 ⋅ 0,6 4 + 0,6 4 Ks = 0,5330137//
POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA
Em =
ρ ⋅ IG ⋅ Km ⋅ Ki
L 25 ⋅ 9000 ⋅ 0,6675 ⋅ 3,236 Em = 2023 E m = 240,240608[V ] //
Es =
ρ ⋅ I G ⋅ K s ⋅ Ki
L 25 ⋅ 9000 ⋅ 0,5330137⋅ 3,236 Es = 2023 Es = 191,8375062[V ] //
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CALCULO DE MALLA A TIERRA POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA
Em =
ρ ⋅ IG ⋅ K m ⋅ Ki
L 25 ⋅ 9000 ⋅ 0,6675 ⋅ 3,236 Em = 2023 E m = 240,240608[V ] //
Es =
ρ ⋅ IG ⋅ K s ⋅ Ki
L 25 ⋅ 9000⋅ 0,5330137⋅ 3,236 Es = 2023 Es = 191,8375062[V ] //
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
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APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION OBJETIVO 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.
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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.
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CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO H = altura del mástil = 17,50 m √5 x 17,5 = 39.13 m
3H = 52.5 m
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 α = 37.73°° cos α = 0.7908 cos-1 α = 0.2091
M
3H H L
h
√5 H
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 La distancia hasta la cual el apantallamiento cubre una altura de 6,00 m es de 14.75 m.
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TRANSFORMADORES PARA SERVICIOS AUXILIARES 4000/440 V
De acuerdo al detalle de cargas a servir, consideraciones de crecimiento de la demanda y reserva, se instalará dos transformadores que se derivanRELES desde el primario del DIFERENCIALES transformador de potencia. - 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 los sistemas auxiliares es de 71.9 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
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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 RELES DIFERENCIALES 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. ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA BATERIAS Y CARGADORES 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
ESQUEMAS UNIFILARES DE LA SUBESTACION “SEP II ”
DIAGRAMA UNIFILAR BARRA 1
S 1
S 3
L / T 2
L / T 1
S 2
S 4
BARRA 2
10 / 12 MVA
10 / 12 MVA
138 /4.2 kv
138/4.2 kv 4.2 kv
480 v
Y
480 v
Y 75 KVA
G 1
Y
4 .2kv
Y SERVICIO DE ESTACION A
SERVICIO DE ESTACION B
75KVA
G 2
TRANSF. 4/ 0,44Kv 75 KVA DY1 152-A
DIAGRAMA UNIFILAR
G 87 G
152-1
52-1
89-1
Y 87 T
TRANSF. 4/138 Kv 10/12 MVA DY1
Y BARRA 1
51
S-34
S-14
PT x 3 138 / 0,01Kv
D-1
L-1
138 KV
D-3
S-18
S-38 L-1
BARRA 2
S-24
S-44
D-2
D-4
S-28
S-48
51
138 KV
Y
TRANSF. 4/138 Kv 10/12 MVA DY1
87T
89-2 87G
Y
SERVICIO DE ESTACION A
152-2
52-2
G
TRANSF. 4/ 0,44Kv 75 KVA DY1
152-B SERVICIO DE ESTACION B
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SIMULACION DE LA SUBESTACION EN “POWERWORLD”
* U.P.S.
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CALCULO DEL RENDIMIENTO 2
Z BASE
Z CARACTERISTICA DE LA LINEA
V = BASE S BASE
Zo 2 −5 =
(138 ⋅10 )
3 2
Z BASE = Z BASE
6
100 ⋅ 10 = 190,44[Ω] //
XL ⋅ XC
Zo 2 −5 = 0,1732051[Ω. p.u.] //
2
SIL2−5
n=
(138 ⋅10 )
3 2
SIL2−5 = SIL2−5
32,9851756 = 577,3502692[MVA] //
Zo 2 − 5 = 0,1732051 ⋅ 190 , 44
Zo 2 −5 = 0,03 ⋅ 1
RENDIMEINTO DE LA LINEA
V = FF Zo2−5
2-5
2-5
S 2 −5 ⋅ 100 SIL2−5
28,8675135 ⋅ 100 577,3502692 n = 5% // n=
Zo 2 − 5 = 32 ,9851756 [Ω ] //
* U.P.S.
*
DISEÑO DE UNA SUBESTACION
CALCULO DEL RENDIMIENTO Z CARACTERISTICA DE LA LINEA
Zo3−5 =
XL ⋅ XC
3-5
Zo 3 − 5 = 0 ,1732051 ⋅ 190 , 44 Zo 3 − 5 = 32 ,9851756 [Ω ] //
Zo3−5 = 0,03 ⋅ 1 Zo3−5 = 0,1732051[Ω. p.u.] //
RENDIMEINTO DE LA LINEA 2
SIL3−5
n=
V = FF Zo3−5
SIL3−5
n=
32,9851756 = 577,3502692[MVA] // Z CARACTERISTICA DE LA LINEA
Zo 2−6 =
XL ⋅ XC
Zo 2−6 = 0,03 ⋅ 1 Zo 2−6 = 0,1732051[Ω. p.u.] //
S 3− 5 ⋅ 100 SIL3−5
28,8675135 ⋅ 100 577,3502692 n = 5% //
(138 ⋅ 10 )
3 2
SIL3−5 =
3-5
2-6
Zo 2−6 = 0,1732051 ⋅ 190,44 Zo 2−6 = 32,9851756[Ω] //
U.P.S.
*
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CALCULO DEL RENDIMIENTO RENDIMEINTO DE LA LINEA
2
SIL 2 − 6
V = FF Zo 2 − 6
n=
(138 ⋅ 10 )
3 2
SIL 2 − 6 = SIL 2 − 6 Zo 3− 6 =
XL ⋅ XC
S 2−6 ⋅ 100 SIL2−6
34,6410162 ⋅ 100 577,3502692 n = 6% // n=
32 ,9851756 = 577 ,3502692 [MVA ] // Z CARACTERISTICA DE LA LINEA
2-6
3-6
Zo 3 − 6 = 0 ,1732051 ⋅ 190 , 44
Zo 3− 6 = 0,03 ⋅ 1
Zo 3 − 6 = 32 , 9851756
[Ω ] //
Zo 3− 6 = 0,1732051 [Ω. p.u.] // RENDIMEINTO DE LA LINEA
3-6
2
SIL 3 − 6
V = FF Zo 3 − 6
n =
(138 ⋅ 10 ) 3
SIL 3 − 6 = SIL 3 − 6
2
32 , 9851756 = 577 ,3502692
34 , 6410162 ⋅ 100 577 , 3502692 n = 6 % // n =
[MVA ] //
S 3− 6 ⋅ 100 SIL 3 − 6
GRACIAS POR SU ATENCION