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ANTECEDENTES GENERALES INTRODUCCIÓN La Empresa ENGIE, ha encomendado a Office For You SpA el desarrollo del estudio de cálculo de distancias eléctricas para la obra Nueva Línea 2x500kVA Parinas – Likanantai, energizada en 220kV. OBJETIVO Este estudio tiene como finalidad determinar la cantidad de aisladores a utilizar en la cadena de aisladores de suspensión y anclaje, además de determinar las distancias eléctricas mínimas entre elementos energizados y a tierra a considerar en el diseño del proyecto. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Cantidad aisladores: Se considera la cantidad mayor de aisladores derivados del cálculo en función del grado de contaminación, sobretensión de maniobra y sobretensión a frecuencia industrial. Distancias eléctricas: Se consideran las condiciones de emplazamiento para así determinar las distancias mínimas asociadas a los diferentes elementos que conforman la subestación. Además, se considera la circulación de personal y vehículos para así obtener distancias que salvaguarden la integridad de los operadores. UBICACIÓN DE LA SUBESTACION La Subestación Likanantai se deberá emplazar aproximadamente a 30kM al este de la S/E nueva Zaldívar, siguiendo el trazado de la línea seccionada, y dentro de un radio de 100km respecto a este punto.

Zona V1

19 J NORTE

ESTE

7.7.321.130

515.886

REFERENCIAS -

[1] IEC/TS-60815, 2008, “Selection and dimensioning of high-voltage insulators for polluted conditions - Part 2: Ceramic and glass insulators for a.c. systems”, International Electrotechnical Commission, 2008. (s.f.).

-

[2] ANSI C37.32-2002, “American National Standard for High Voltage Switches, Bus Supports, and Accessories Schedules of Preferred Ratings, Construction Guidelines, and Specifications”, American National Standards Institute, Inc., 3 Park Avenue, New York, . (s.f.).

-

[3] IEC 60137, 2008, “Insulated bushings for alternating voltages above 1000 V”, International Electrotechnical Commission. (s.f.).

-

[4] IEEE STD 1119-1988, "Guide for fence safety clearances in electric-supply stations". . (s.f.).

INFORMACIÓN SUBESTACIÓN DATOS BÁSICOS DE PARTIDA Parámetro

Unidad

Patio

Tensión nominal de servicio

kV

220

Tensión máxima de servicio

kV

245

BIL

kVcr

1050

Frecuencia

Hz

50

Puesta a tierra del sistema

-

Directa

Nivel de contaminación del sistema IEC 60815

-

V

Altitud geográfica

m.s.n.m

3100

Clase de descarga

-

4

Temperatura máxima

°C

40

Tabla 1: Datos básicos de la subestación.

DENSIDAD RELATIVA DEL AIRE La ecuación que rige la densidad relativa es: δ=

3,92 ⋅ b 273 + t

Donde: b

:

presión barométrica (cm-Hg).

t

:

T es la temperatura ambiente máxima (°C).

La altitud y presión barométrica se relacionan mediante la siguiente ecuación: h

log(b) = log(76) – 18,336 Donde: h

:

altitud de la instalación en metros

Para obtener la densidad relativa se debe evaluar la relación de altura y presión para así contar con la variable b y calcular dicha densidad. Despejando se tiene que b = 51.49 cm-Hg. Entonces la densidad del aire a 40°C y altura de 3100 m.s.n.m. es 𝛿 = 0,70088. NÚMERO DE AISLADORES La cantidad de aisladores se determina en función de la contaminación, sobretensión de maniobra o frente lento y sobretensión a frecuencia industrial. Se considera la cadena con mayor cantidad de aisladores para sobrellevar todas las condiciones de operación. NÚMERO DE AISLADORES POR CONTAMINACIÓN El cálculo esta en directa relación al grado de contaminación dado por la norma IEC-60815. Para la subestación se tiene un grado de V, lo que implica que la distancia de fuga unitaria mínima para una densidad del aire igual a 1 es de 31 mm/kV. Este valor se utilizará en los cálculos. La cantidad se determina mediante la siguiente ecuación: N=

V ⋅ Df df ⋅ √δ

Donde: N

:

número de aisladores en función del grado de contaminación.

V

:

tensión máxima fase-fase, kV.

Df

:

distancia de fuga unitaria mínima para densidad relativa del aire igual a 1.

df

:

distancia de fuga del aislador seleccionado, mm.

δ

:

densidad relativa del aire.

Se utiliza un aislador con distancia de fuga de 445 mm, esto en base a la experiencia. Al evaluar todos los parámetros se tiene una cantidad de 18,31 aisladores para el nivel de 220 kV a 3100 msnm, por lo que se selecciona una cantidad de 19 aisladores.

NÚMERO DE AISLADORES POR SOBRETENSIÓN DE MANIOBRA Se calcula en primera instancia la tensión crítica requerida por la aislación en seco y en condiciones meteorológicas normales bajo la siguiente ecuación:

𝑉𝑠 =

1,1⋅√2⋅𝐾𝑡 ⋅𝐻⋅𝑉 √3⋅(1−0,05⋅𝑘)⋅𝛿 𝑛 ⋅𝐾𝐼𝐼

Donde: Vs

:

tensión crítica en condiciones normales y en seco, kV.

V

:

tensión nominal fase-fase, kV.

H

:

factor de corrección por humedad. Se considera 1,15 para un escenario desfavorable.

K II

:

factor de corrección por lluvia. Se considera con valor 1.

Kt

:

factor de sobretensión de maniobra. Se considera igual a 2,5 para una onda impulso

normalizada de 175µs/3200µs. δ

:

densidad relativa del aire.

n

:

exponente empírico que depende del nivel de tensión. Se considera como 0,7 para nivel

:

número de desviaciones normales con probabilidad de 99,87% de resistir sobretensiones

220 kV. k

en toda la línea de transmisión. Se considera igual a 3. Evaluando todos los parámetros se tiene una tensión crítica de 857 kV para el nivel de 220 kV. Con dicha tensión se debe ingresar al gráfico de la Figura 1 para obtener la cantidad de aisladores (recomendación ENDESA).

Figura 1: Relación entre aisladores normales necesarios y tensión crítica (50%) de maniobra. Se considera una relación L/D = 1,3. Con esto se tiene igual probabilidad tanto para ruptura por aire como por los aisladores (cadena). Ingresando en la curva de color azul se obtiene una cantidad de aisladores en torno a 13. Para obtener el espaciamiento en aire entre conductor-estructura en nivel 220 kV se debe considerar la Figura 2. Se ingresa en la curva W/D = 1 (caso más desfavorable) con la tensión obtenida.

Figura 2: Espaciamiento conductor-estructura. Con una tensión de 857 kV se ingresa a la curva y se obtiene un espaciamiento en torno a 1700 mm. Para el caso de tensiones inferiores a 220 kV se recomienda proceder al igual que en la determinación de la cantidad de aisladores, es decir, adicionar un 15% al valor de tensión crítica, considerar esta como una tensión impulso equivalente e ingresar en el gráfico de la Figura 3.

Figura 3: Espaciamiento conductor-estructura con tensión menor a 220 kV. Donde: V

:

curva para onda tipo rayo.

Vfi

:

curva para frecuencia industrial.

NÚMERO DE AISLADORES POR SOBRETENSIÓN A FRECUENCIA INDUSTRIAL Para calcular la cantidad se obtiene en primera instancia un voltaje crítico solicitado por la aislación bajo condiciones meteorológicas normales. La ecuación que rige dicha tensión es: Vfi =

1,1⋅Kfi ⋅H⋅V √3⋅(1−0,02⋅k)⋅δn

Donde: Vfi

:

sobretensión a frecuencia industrial máxima fase-tierra, kV.

V

:

tensión nominal fase-fase, kV.

K fi

:

factor de sobretensión a frecuencia industrial. Se recomienda como 1,5 (ENDESA).

H

:

factor de corrección por humedad. Se considera como 1,22 para condición desfavorable.

k

:

número de desviaciones normales con probabilidad de 99,87% de resistir sobretensiones

en toda la línea de transmisión. Se considera igual a 3. δ

:

densidad relativa del aire.

n

:

exponente empírico que depende del nivel de tensión. Se considera como 0,7 para nivel

de 220 kV. Al evaluar se tiene una sobretensión a frecuencia industrial de 348 kV para el nivel de 220 kV,. Al igual que en el caso de impulso de tipo maniobra se puede ingresar en una tabla estándar de voltajes críticos a frecuencia industrial para aisladores de disco. Si se quiere un cálculo más conservador entonces las condiciones más desfavorables deben ser utilizadas en el cálculo, como parámetros asociados a lluvia, entre otros. Bajo esta premisa se realiza una estimación de 15 aisladores para el nivel de 220 kV.

NÚMERO DE AISLADORES La cantidad de aisladores se rige por aquella que debido al origen de solicitación necesita entonces mayor aislación o distancia de fuga. La cantidad resulta ser de 19 aisladores para 220 kV, esto debido al nivel de contaminación presente en la subestación. Con esa cantidad se asegura cumplir con distancias de fuga

suficientes para los niveles de tensión. Para la cadena de anclaje se puede agregar un aislador extra como factor de seguridad. Se resumen a continuación los resultados. Origen

Anclaje

Suspensión

Contaminación

20

19

Sobretensión Temporal

22

21

Impulso tipo rayo

16

15

Tabla 2: Cantidad de aisladores para cadena de suspensión 220 kV. En base a Tabla 2 se tienen los siguientes resultados: Tipo distancia

Nivel 220 kV, mm

Distancia de fuga mínima cadena aisladores

9072

Longitud mínima de cadena de aisladores

3266

Tabla 3: Distancias mínimas de fuga y longitud de cadena de aisladores. Los resultados consideran una distancia de fuga de aislador de 445 mm y una altura de aislador de 146 mm. DISTANCIAS DE ESPACIAMIENTO Se resumen las distancias mínimas de espaciamiento entre conductor y estructura en Tabla 4. Solicitación

Para 220 kV, mm

Sobretensión a frecuencia industrial 700 Sobretensión de maniobra

1700

Tabla 4: Distancia de espaciamiento entre conductor y estructura.

DISTANCIAS ELÉCTRICAS MÍNIMAS DISTANCIAS DE CERCOS A PARTES VIVAS La norma IEEE Std 1119 provee de distancias entre cercos y partes vivas de acuerdo al nivel de tensión. La normativa define dos distancias, una vertical definida como A y otra horizontal definida como B, generando una zona de seguridad de acuerdo con Figura 4.

Figura 4: Zona de seguridad en función del nivel de tensión y cerca.

En virtud de la norma se tienen las distancias para los niveles de tensión de la Subestación Likanantai en Tabla 5. Distancia

Nivel 220 kV, mm

A

5800

B

4900

Tabla 5: Distancias entre partes vivas y cerca para 220kV.

DISTANCIA DE FUGA Se utilizan las recomendaciones de la norma IEC 60815 que definen el grado de contaminación. En el contexto de la subestación se tiene una contaminación de categoría V, lo que implica una distancia de fuga unitaria 𝐷fo de 31 mm/kV. El efecto de la densidad del aire repercute directamente en la distancia de fuga necesaria. Es por ello que se define una distancia de fuga con derrateo: Dfu =

Dfo √δ

Donde: Dfo

:

distancia de fuga unitaria mínima para d = 1 y grado de contaminación, 31 mm/kV para

este caso. Dfu

:

distancia de fuga unitaria mínima derrateada mm/kV.

δ

:

densidad relativa del aire.

El resultado de Dfu es de 37.03 mm/kV para todas las tensiones. De este modo se tienen los siguientes resultados: Nivel 220 kV, mm Distancia mínima de fuga

11740

Tabla 6: Distancia de fuga mínima por contaminación.

DISTANCIAS RÍGIDAS La norma IEC-60071 provee de las distancias mínimas para partes rígidas en función del BIL. Por otro lado se recomienda que estas distancias fase-fase sean un 15% mayor. De este modo se tiene: Nivel 220 kV, mm Distancia fase-tierra normada

2718

Distancia fase-fase +15%

3126

Tabla 7: Distancias normadas para niveles 220 kV.

DISTANCIAS FLEXIBLES En base a las distancias rígidas se calculas las distancias flexibles fase-tierra y fase-fase considerando además un ángulo θ para desviación de la cadena de suspensión. Este ángulo se considera de 15° respecto a la vertical.

Figura 5: Distancia fase-tierra flexible.

Figura 6: Distancia fase-fase flexible.

Las expresiones que permiten calcular las distancias flexibles son: dftf = dftr + L ⋅Sin(θ) dfff = dffr + 2⋅L ⋅Sin(θ) dftf

:

distancia fase-tierra flexible, mm.

dfff

:

distancia fase-fase flexible, mm.

dftr

:

distancia fase-tierra rígida, mm.

dffr

:

distancia fase-fase rígida, mm.

L

:

largo de la cadena de suspensión, mm.

θ

:

ángulo de desviación de la cadena de aisladores.

Se tiene que la cadena de aisladores mide L = (21⋅146) + 0,2 mm = 3266 mm para nivel de 220 kV. Se evalúan las distancias y se tiene para 220 kV: dftf = 5186 mm. dfff = 7655 mm.

PUNTO MÁS BAJO ENERGIZADO Es la altura mínima de las partes energizadas sobre el nivel del suelo. Nunca debe ser inferior a 3000 mm, salvo si es estrictamente necesario y tomando las medidas correspondientes. Para obtener la altura mínima se debe evaluar esta ecuación: ℎ𝑝 = 2500+Dftr Donde: ℎ𝑝

:

Altura mínima del punto más bajo energizado.

Dftr

:

Distancia fase-tierra entre partes rígidas, mm.

Al evaluar se tiene que para el nivel de 220 kV ℎ𝑝 = 5350 mm.

ALTURA MÍNIMA DE BASE DE SOPORTE DE EQUIPOS La altura mínima de la base de los aisladores que soportan las partes energizadas no debe ser inferior a 2500 mm, acorde al reglamento de instalaciones eléctricas de corrientes fuertes. Esta distancia representa la altura de una persona cuando levanta la un brazo. ALTURA MÍNIMA DE LAS BARRAS Esta distancia se calcula mediante la siguiente ecuación: hp = 5000+6⋅Vmax Donde: hp

:

altura mínima de las barras, mm.

Vmax

:

tensión máxima de diseño kV.

Al evaluar se tiene para los niveles de tensión: hp = 6710 mm .

ALTURA MÍNIMA DE LÍNEAS La altura de remate de las líneas nunca debe ser menor a 6500 mm. El cálculo de esta distancia se realiza en base a la siguiente ecuación: ℎ𝐿 = 6500+6⋅𝑉𝑚𝑎𝑥 hL

:

altura mínima de las líneas de remate mm.

Vmax

:

tensión máxima de diseño kV.

Evaluando: hL = 8210 mm.

ZONAS DE CIRCULACIÓN DE PERSONAL Estas distancias se calculan para salvaguardar la integridad de los operarios. Se consideran espacios libres dentro de la subestación para que puedan realizar trabajos y maniobras de manera segura. Se calcula en base a las ecuaciones: dh = dftf +900 dv = dftf +2500 Donde: dh

:

distancia horizontal que se debe respetar en las zonas donde circula personal.

dv

:

distancia vertical que se debe respetar en todas las zonas de circulación.

dftf

:

distancia mínima de fase-tierra para partes flexibles.

Evaluando las expresiones: dh = 3890 mm. dv = 5490 mm.

ZONAS DE CIRCULACIÓN DE VEHÍCULOS Se definen distancias verticales y horizontales en este contexto: dh = (dftf +700)+2500 dv = (dftf +500)+4000 Evaluando se tiene: dh = 6890 mm. dv = 7490 mm.

ZONAS DE TRABAJO Para brindar mayor seguridad a los operarios cuando realicen actividades en las inmediaciones de la subestación, se definen las distancias verticales y horizontales de tal manera que realicen dichas labores de manera segura. Se tiene dh = (dftf +1750)+900 dv = (dftf +1250)+2500 Evaluando: dh = 4740 mm. dv = 4240 mm.

En los casos en que, por alguna razón, no se puedan lograr las distancias mínimas de seguridad, todas las partes vivas de la sección deben aislarse del contacto humano por medio de barreras de protección que impidan los acercamientos peligrosos.

Figura 7: Distancia mínima de vehículos a partes energizadas

Figura 8: Distancias de seguridad en zonas de trabajo.