MEMORIA DE CÁLCULO DE DISTANCIAS MÍNIMAS Y DE SEGURIDAD
Empresa: MAGUST Jefe Ingeniero de Proyecto: Omar Steinegger. Ingenieros de Proyectos: Matías Mason – Felipe Guglielmi Fecha: 09 de mayo de 2018
Índice 1.
Alcance. ................................................................................................................................. 3
2.
Objetivos. .............................................................................................................................. 3
3.
Consideraciones generales y referencias. ............................................................................. 3
4.
Normas y referencias. ........................................................................................................... 3
5.
Condiciones ambientales y de sistema eléctrico. ................................................................. 4 5.1.
Condiciones ambientales. ............................................................................................. 4
5.2.
Características del sistema eléctrico ............................................................................. 5
6.
Determinación de la aislación. .............................................................................................. 6 6.1.
Aislador Considerado .................................................................................................... 6
6.2.
Densidad relativa del aire.............................................................................................. 7
6.3.
Sobrevoltaje de maniobras ........................................................................................... 7
6.4.
Voltaje Equivalente de Impulso (Vi). ............................................................................. 8
6.5.
Sobrevoltaje a Frecuencia Industrial (Vfi). .................................................................... 9
6.6.
Efecto de la Contaminación. ......................................................................................... 9
7.
DISTANCIA DE DISEÑO......................................................................................................... 11 7.1.
Condiciones Partes Rígidas.......................................................................................... 11
7.2.
Condición Partes Flexibles........................................................................................... 12
7.3.
Distancia de fuga ......................................................................................................... 14
7.4
Distancia de Mínimas de Seguridad ................................................................................ 14
7.4.1
Zona de circulación de personal.............................................................................. 14
7.4.2
Zona de circulación de vehículos............................................................................. 15
7.4.3
Zona de circulación de personal.............................................................................. 15
8.
Resumen de distancias a adoptar para el diseño................................................................ 17
9.
Anexos ................................................................................................................................. 18 9.1.
10.
Datasheet de aislador seleccionado............................................................................ 18 Bibliografía ...................................................................................................................... 19
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1. Alcance. Definir todas las distancias eléctricas mínimas en aire requeridas en el proyecto de ampliación Subestación Púa 66/23/13.2 kV. De acuerdo a la reglamentación nacional e internacional.
2. Objetivos. Esta memoria de cálculo tiene como objetivo principal determinar el dimensionamiento de las distancias eléctricas mínimas de separación entre las partes vivas de los equipos, entre estos y las estructuras, muros, rejas y el suelo. Analizar las mínimas distancias de segurid ad de “S/E Púa”.
3. Consideraciones generales y referencias. Este proyecto consiste en la instalación y conexión de una subestación de energía eléctrica, transformadora de voltaje de 66/23/13.2 kV, con una potencia de 6.25 MVA. La cual es una infraestructura compuesta por un equipamiento eléctrico que esencialmente consiste en un transformador de poder, equipos de protección, equipos de medida, equipos de control y comunicación.
4. Normas y referencias. - Criterios de Diseño para Subestaciones del Sistema de Transmisión Nacional. - NSEG 5 E.n. 71 Reglamento de Instalaciones Eléctricas de Corrientes Fuertes. - IEC 60815, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions - IEC 60071-2 1996, Insulation co-ordination –Part 2: Application guide - Subestaciones de alta y extra alta tensión. Mejías y Villegas. HMV INGENIEROS Ltda.
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5. Condiciones ambientales y de sistema eléctrico. 5.1.
Condiciones ambientales.
Las condiciones Ambientales de Operación de la Subestación serán las siguientes:
Localización Al poniente de la Ruta 5 Sur, Km 620.4, inicio del camino Púa-Quino, frente a la localidad de Púa.
Latitud: -38,33762° Longitud: -72,384795°
Altura del predio: 325 msnm
Temperatura promedio anual: 12°C
Tabla 1. Coordenada de ubicación, subestación Púa
Características del terreno
Superficie del terreno: 5000 en total. Superficie utilizada por equipamientos: 1347 .
Áreas de influencia del proyecto
Agua: No existen cauces naturales ni espejos de agua en las áreas cercanas al área de emplazamiento del proyecto.
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Suelo: El suelo del terreno donde se emplazará el proyecto es de propiedad de CODINER Ltda., este suelo se encuentra en abandono actualmente cuya vegetación está compuesta por malezas; se hace necesario el cambio de uso de suelo una vez tramitada la presente DIA. Vegetación: El terreno no cuenta con vegetación nativa, tampoco en las áreas circundantes. Fauna: No existe fauna en lugar de emplazamiento de la Subestación Eléctrica, el área de influencia del proyecto está altamente intervenida ya que el predio del proyecto se encuentra a un costado de la carretera 5 Sur. Población: No hay poblaciones aledañas al predio del proyecto. Aéreas protegidas: No existen áreas protegidas cercanas al proyecto. Patrimonio cultural: En el lugar donde se emplazará el proyecto, no se encontraron elementos culturales (arqueológico-históricos) o paleontológicos, protegidos por la Ley de Monumentos Nacionales, tal como se señala en el estudio arqueológico. Clima: Precipitaciones distribuidas por todo el año, con una estación relativamente seca de no más de 3 a 4 meses (menor concentración de agua caída con respecto a meses que registran la mayor concentración de agua caída que es sobre los 200mm). El total anual de agua caída es mayor a 2000mm. Temperatura media anual es de 12°C aproximadamente.
5.2.
Características del sistema eléctrico
subestación: Subestación transformadora de voltaje de 66/23/13.2 KV, con una potencia de 6.25MVA. La SE seccionará la línea COLLIPULLI-VICTORIA frente a la localidad de PÚA, con una configuración TAP-OFF en 66KV, quedando COLLIPULLI-PÚA Y PÚA-VICTORIA. Parte del diagrama unilineal se muestra en la Figura 1 donde se muestra lo antes mencionado.
Listado de equipos que componen la subestación: -
Pararrayos 66 Kv Desconectador tripolar 72.5 Kv-1600 A con puesta a tierra. Transformador de potencial Transformador de corriente Interruptor tripolar 66 kV – 2000 A – 20 kA Desconectador tripolar 72.5 kV – 1600 A Aislador de pedestal, clase 72.5 kV. Transformador de poder 8 MVA 66/13.2 kV Transformador de potencial 13.2 √ 3 ∶ 0.115 √ 3 . Transformador de SS.Aux 50 kVA – 13.2 – 0.4 – 0.231 kV Interruptor exterior 15 kV – 1250 A Desconectador monopolar fusible 15 kV Desconectador tripolar manual 15 kV – 800 A 5
-
Banco de condensadores 13.2/ √ 3 2.4 (3.6)( ) Desconectador tripolar fusible 15 kV
6. Determinación de la aislación. 6.1.
Aislador Considerado
Las solicitaciones eléctricas a las que puede estar sometida la aislación de los conductores aéreos son las siguientes:
Sobretensión de origen interno (Transitorios por Maniobras y a Frecuencia Industrial).
Sobretensión de origen externo (Descargas Atmosféricas).
Solicitaciones producidas en condiciones de servicio normal (Contaminación).
Según el estándar IEC 60815-1 [1], la selección y dimensionamiento del aislador se puede realizar bajo tres enfoques distintos, el primero es en función de la experiencia o pruebas de 6
sitio para verificar si la aislación existente en las instalaciones se ha comportado de forma satisfactoria, el segundo indica que se deben usar mediciones y pruebas de la severidad de la contaminación de sitio y el tercero permite dimensionar la aislación a partir del nivel estimado de la severidad de contaminación de sitio. Los aisladores utilizados en nuestra subestación tendrán las siguientes características: -
Fabricante: SGD
-
Tipo de aislador: E100
Tabla 2. Ficha técnica de aislador seleccionado.
6.2.
Densidad relativa del aire
En el capítulo 9 del documento [CIGRE WG 22.12 (1992)], la densidad relativa del aire está definida como:
= (−.
)
[1]
Entonces considerando los datos del apartado 5.1, se obtiene una densidad relativa del aire de 0.96.
6.3.
Sobrevoltaje de maniobras
7
El capítulo 3 punto 3.3.5.3 del apartado [6], indica que se justifica técnicamente caracterizar la amplitud como el valor pico de la tensión nominal fase- tierra ((√2) *U/ (√3)), multiplicado por 2 si es con interruptores sin re-encendido (reconexión), y por 3 si es con re-encendido. Por otro lado, en maniobra de seccionador es 3 veces.
Tensión nominal 66KV 66KV 66KV 13.2Kv 13.2Kv 13.2Kv
Maniobra Maniobra interruptores sin re-encendido Maniobra interruptores con re-encendido Maniobra de seccionador Maniobra interruptores sin re-encendido Maniobra interruptores con re-encendido Maniobra de seccionador Tabla 3. Niveles de sobre tensión.
sobretensión 107.7KV 161.6KV 161.6KV 21.5KV 32.3KV 32.3KV
Luego la sobretensión de maniobra máxima será 161.6KV (para 66KV) y 32.3KV (para 13.2KV).
6.4.
Voltaje Equivalente de Impulso (Vi).
El BIL (Basic Impulse Level) se puede obtener de la tabla N°1 del pliego técnico normativo de la SEC RPTD05 “aislación” de la cual se muestra un extracto a
continuación: Ya que es una S/E que tiene un transformador de poder para distribución, se tiene dos niveles de tensión, los cuales son 13.2 y 66 KV. Entonces los BIL’s seleccionados son 75 y 325 KV respectivamente.
Tabla N°4. RPTD05
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6.5.
Sobrevoltaje a Frecuencia Industrial (Vfi). =
.∗∗ √
[2]
Donde: Kfi: Factor a frecuencia industrial V: Tensión nominal entre líneas, en KV Considerando Kfi 1.5, el Vfi es 62,8 y 12.57KV para 66 y 13.2KV respectivamente.
6.6.
Efecto de la Contaminación.
La contaminación afecta la distancia de Fuga mínima entre fase-fase se calcula:
= ∗
(mm)
[3]
Donde: Um: Tensión línea-línea máxima del sistema en KV USDC: Distancia de fuga específica unificada [mm/KVf-f ] Se necesita obtener USDC
= ∗ ∗
(mm/KVf-f )
[4]
Donde: RUSCD: Distancia de fuga específica unificada de referencia [mm/KVf-f ] Ka: Factor de corrección por altura Kad: Factor de corrección debido al diámetro promedio del aislador
9
Para la obtención del RUSCD, de acuerdo al anexo N°4.3.1 “Grados de contaminación” de la
norma IEC 815, en donde se describe el ambiente y su nivel de contaminación y su respectiva distancia de fuga nominal mínima:
Tabla N°5 De acuerdo al estudio agrológico del proyecto que indica lluvias frecuentes, y al mapa de la ubicación donde se puede apreciar baja densidad de casas e industrias, además cercana a áreas agrícolas, el nivel de contaminación es Ligero (nivel 1) con una distancia de fuga nominal mínima RUSCD= 16 [mm/KV f-f ]. El factor de corrección por altura es distinto de 1 para niveles mayores a 1500 metros sobre nivel del mar, y dado que la subestación se encuentre entre 300 a 350 msnm según el estudio agrológico. Implica así Ka = 1. Para el factor de diámetro del aislador, este es distinto de 1 cuando el diámetro promedio (DA) es menor a 300 (mm), y ya que el nivel de tensión es de 66KV máximo, el aislador tiene un diámetro promedio menor a 300(mm). Kad = 1. Luego USCD = RUSCD = 16 (mm/KV f-f ) 10
Entonces la distancia de fuga mínima fase-fase es: (66KV)
= 16 ∗ 66 = 1066.94
(mm)
(13.2KV)
= 16 ∗ 13.2 = 213.39
(mm)
7. DISTANCIA DE DISEÑO 7.1.
Condiciones Partes Rígidas
Se determina distancias mínimas para partes rígidas tanto fase-tierra (d f-t-r) como para fasefase (d f-f-r), según la guía técnica del coordinador, donde la norma IEC 61936-1 dispone de una tabla (Tabla A.1) en la cual según el nivel el BIL (nivel básico de aislamiento) del sistema, el cual se obtuvo en el punto 6.4 de esta MC, corresponde una distancia de mínima entre barraestructura y conductor-estructura.
TABLA N°6 – EXTRACTO DE LA TABLA A.1
En este caso vemos que conductor-estructura no tiene asignado ningún valor, pero en la Nota en la parte inferior indica que el valor de distancia mínima de barra-conductor se puede utilizar tanto para fase-fase, como para fase-tierra. Entonces:
Para 13.2KV
d f-f-r = d f-t-r = 120 (mm).
Para 66KV
d f-f-r = d f-t-r = 630 (mm). 11
7.2.
Condición Partes Flexibles
Para la distancia mínima entre partes flexibles con niveles de tensión fase-fase se utiliza la ecuación del punto 5.2 del “Criterio de diseño SE STN_V2” del coordinador:
= + 2 ∗ ∗ sin()
[5]
Donde: L es la longitud de la cadena de aisladores. α es el ángulo máximo de desplazamiento de los elementos móviles (cadenas, puentes,
chicotes). Como se ilustra en la siguiente imagen
Figura 2 α es 15° que es normal para cálculos según indica el libro “SE de alta y extra alta tensión”
capítulo 4 punto 4.5.1. Para encontrar L es necesario saber primero el número de aisladores para la cadena, el cual se obtiene según la ecuación:
=
[6]
Donde: Dfmff: Es la distancia de fuga mínima fase-fase, obtenida en el punto 6.6. df: distancia de fuga de cada aislador, para el aislador seleccionado es 315 mm. (datasheet) Reemplazando se obtiene 3.38 y 0.67 para 66KV y 13.2KV respectivamente, estos se aproximan al entero superior y según criterio de ENDESA se suma 1 unidad, quedando así con 5 y 2 para cada nivel de tensión respectivamente. Se procede a multiplicar el número de aisladores calculados por la longitud de cada uno (paso 146 mm, datasheet), lo cual da por resultado: 12
L66= 730 mm.
Para 66KV
L13.2= 292 mm. Para 13.2KV Luego reemplazando en la ecuación [5], se obtiene:
= + 2 ∗ ∗ sin() = 630 + 2 ∗ 730 ∗ sin(15) . = . + 2 ∗ . ∗ sin() = 120 + 2 ∗ 292 ∗ sin(15)
Dfff 66= 1007.87 mm
Para 66 KV
Dfff 13.2= 271.15 mm
Para 13.2 KV
Para la distancia mínima entre partes flexibles con niveles de tensión fase-tierra se utiliza la ecuación del punto 5.3 de “Criterio de diseño SE STN_V2” del coordinador:
= + ∗ sin()
[7]
Donde: L es la longitud de la cadena de aisladores. α es el ángulo máximo de desplazamiento de los elementos móviles (cadenas, puentes,
chicotes). Como se ilustra en la siguiente imagen
Figura 3 Dftr se obtuvo en el apartado 7.1, y L se obtuvo en el cálculo anterior, reemplazando queda: Dftf 66= 818.9 mm
Para 66 KV
Dftf 13.2= 195.57 mm
Para 13.2 KV
13
7.3.
Distancia de fuga
Como se calculó anteriormente en el punto 6.6 la distancia de fuga mínima fase-fase es: (66KV)
= 16 ∗ 66 = 1066.94
(mm)
(13.2KV)
= 16 ∗ 13.2 = 213.39
(mm)
La cual se calculó para el grado de contaminación y nivel de tensión, ahora con el número de aisladores obtenidos y la distancia de fuga mínima por aislador se puede encontrar la distancia de fuga que realmente se tendrá: (66KV)
á = 5 ∗ 315 = 1575
(mm)
(13.2KV)
á = 2 ∗ 315 = 630
(mm)
7.4 Distancia de Mínimas de Seguridad Las distancias mínimas de seguridad se refieren a los espacios libres que permiten circular y efectuar maniobras al personal dentro de una subestación, estas distancias serán calculadas por las recomendaciones de la norma IEC 61936-1.
7.4.1
Zona de circulación de personal.
La distancia horizontal (dh) se calcula mediante la ecuación [8]:
dh = 900 + Dftr
(mm)
[8]
Donde, los 900 mm corresponden a la aproximación de un brazo extendido en forma vertical Y Dftr que fue calculado en el punto 7.1 de la presente MC. Reemplazando se tiene que dh es 1530 y 1020 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente. La distancia vertical (dv) se calcula mediante la ecuación [9]:
dv = 2500 + Dftr
(mm)
[9]
Donde, 2500 es la distancia mínima para la altura de partes vivas que indicada la norma NCH4. Reemplazando se tiene que dv es 3130 y 2620 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente. 14
7.4.2 Zona de circulación de vehículos. La distancia horizontal (dhv) a respetar en las zonas de circulación vehicular se calcula utilizando la ecuación [10].
dhv = 700 + 900 + Dftr
(mm)
[10]
Reemplazando se tiene que dhv es 2230 y 1720 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente.
La distancia vertical (dvv) a respetar en las zonas de circulación vehicular se calcula utilizando la ecuación [11].
dvv = 500 + 4000 + Dftr
(mm)
[11]
Donde, se supone una altura de vehículo de 4 metros como máximo. Reemplazando se tiene que dvv es 5130 y 4620 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente.
Figura 4
7.4.3
Zona de circulación de personal.
Durante las mantenciones a efectuar en una subestación, una vez desconectado los interruptores y desconectadores (pero no las secciones contiguas), el operador podrá realizar labores de mantención respetando las distancias mínimas horizontal y vertical a Criterios de Diseño para Subestaciones del Sistema de Transmisión Nacional. respetar respectivamente (como mínimo una distancia de 3 metros) en base a las recomendaciones de la norma IEC 61936-1. 15
Figura 5 Donde los 1750 mm es la estatura de un operador promedio, 2500 corresponde a altura de ambos brazos extendidos de forma vertical
dth = 1750 + 900 + Dftr
(mm)
[12]
Reemplazando se tiene que dth es 3280 y 2770 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente. Dth de 13.2KV se elige el mínimo de 3 metros por norma.
dtv = 1250 + 2500 + Dftr
(mm)
[13]
Reemplazando se tiene que dtv es 4380 y 3870 mm para las tensiones de 66 y 13.2 KV respectivamente.
Figura 6 16
8. Resumen de distancias a adoptar para el diseño Tabla de resumen de distancias para tensión de 66KV. Descripción Distancia de fuga Distancia partes rigidas fase-fase (dffr) Distancia partes rigidas fase-tierra (dfft) distancia partes flexibles fase-fase (dfff) distancia partes flexibles fase-tierra (dftf) Distancia horizontal circulación de personal (dh) Distancia vertical circulación de personal (dv) Distancia horizontal vehículos (dhv) Distancia vertical vehículos (dvv) Distancia de trabajo horizontal (dth) Distancia de trabajo vertical (dtv)
Distancia calculada (mm) 1066.94 630
Distancia Adoptada (mm) 1575 630
630
630
1007.87
1007.87
818.9
818.9
1530
1530
3130
3130
2230 5130 3280
2230 5130 3280
4380 Tabla N° 7
4380
Tabla de resumen de distancias para tensión de 13.2KV. Descripción Distancia de fuga Distancia partes rigidas fase-fase (dffr) Distancia partes rigidas fase-tierra (dfft) distancia partes flexibles fase-fase (dfff) distancia partes flexibles fase-tierra (dftf) Distancia horizontal circulación de personal (dh) Distancia vertical circulación de personal (dv) Distancia horizontal vehículos (dhv) Distancia vertical vehículos (dvv) Distancia de trabajo horizontal (dth) Distancia de trabajo vertical (dtv)
Distancia calculada (mm) 213.39 120
Distancia Adoptada (mm) 630 120
120
120
271.15
271.15
195.57
195.57
1020
1020
2620
2620
1720 4620 2770
1720 4620 3000
3870 Tabla N° 8
3870
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9. Anexos 9.1.
Datasheet de aislador seleccionado.
Tabla 6. Ficha técnica del fabricante del aislador.
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10.
Bibliografía
[1] International Electrotechnical Commission, IEC/TS-60815 – Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions – Part 1: Definitions, information and general principles. Genevè, 2008. [2] Criterios de Diseño para Subestaciones del Sistema de Transmisión Nacional. [3] NSEG 5 E.n. 71 Reglamento de Instalaciones Eléctricas de Corrientes Fuertes. [4] IEC 60815, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions [5] IEC 60071-2 1996, Insulation co-ordination –Part 2: Application guide [6] Subestaciones de alta y extra alta tensión. Mejías y Villegas. HMV INGENIEROS Ltda. [7] seia.sea.gob.cl, declaración de impacto ambiental. [8] IEC 61936-1
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