DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kv ENTRE S.E. OCOA Y LAS S.E. GUAMAL Y SAN FERNANDO COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

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1 1 Adición de aisladores tipo Line Post J. Castañeda A. Martínez A. Martínez 2013/07/12 0 Emisión Inicial J. Mahecha J. Mahecha A. Martínez 2013/03/15 Rev. Descripción Diseñó Revisó Aprobó Fecha DISEÑO LÍNEA DE TRANSMISIÓN A 115 kv ENTRE S.E. OCOA Y LAS S.E. GUAMAL Y SAN FERNANDO COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Diseñó: Revisó: Aprobó: Documento Nº.: Rev. J. Mahecha J. Mahecha A. Martínez 750-LTM Fecha: Fecha: Fecha: Codigo cliente: Rev Cliente. 2013/03/ /03/ /03/15

2 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO DATOS BÁSICOS DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA DATOS METEOROLÓGICOS CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA ESTRUCTURAS AISLADORES METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Determinación de la distancia de fuga Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso Distancias de seguridad CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA ANEXO 1. MAPA DE LA TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 2 de 27

3 1. INTRODUCCIÓN En este documento contiene el estudio de coordinación de aislamiento de la línea de transmisión a 115 kv entre la subestación Ocoa en el municipio de Villavicencio y las subestaciones Guamal y San Fernando ECP, en el municipio de Guamal en el departamento del Meta, que hace parte del plan de mitigación de la demanda no atendida por falla simple en el sistema de 115 kv, hacia el sur del departamento en la zona Ariari, de la Electrificadora del Meta S.A. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 3 de 27

4 2. OBJETIVO El presente documento tiene por objetivo presentar la metodología y resultados de la coordinación de aislamiento de la línea de transmisión a 115 kv, del proyecto anteriormente mencionado. El diseño de aislamiento tiene como objetivo definir las siguientes características de la línea: - Número de aisladores por cadena - Distancias de aislamiento - Distancias mínimas de fuga 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 4 de 27

5 3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO Sobretensiones a frecuencia industrial y por descargas atmosféricas. Debido a que el voltaje máximo del sistema para la línea se ubica en el rango I según la norma IEC (1 kv <Um 245 kv), se analizan las distancias eléctricas en términos de su soportabilidad ante impulsos de frente rápido (tipo rayo) y de frecuencia industrial (Ver recuadro a continuación): Nivel ceráunico: De acuerdo al mapa de niveles ceráunicos para Colombia según la NTC La densidad de descargas a tierra se calculará de acuerdo a la metodología planteada en la Norma Técnica Colombia NTC Tipo y dimensiones típicas de las estructuras previstas para el proyecto. Aisladores estándar tipo campana y Line Post para zonas con presencia de cultivos de palma. Conductor y cable de guarda definidos para el proyecto (Ver Numeral 4.3). Nivel de contaminación I (ligero) según Norma IEC-60815, que corresponde a una distancia de fuga específica mínima de 16 mm/kv (Ver Numeral 5.2.1). Corrección de niveles de aislamiento según las condiciones atmosféricas propias del proyecto (humedad, temperatura y densidad relativa). Criterio de comportamiento de la línea ante descargas atmosféricas: Para el nivel de tensión de 115 kv, no hay regulación en torno a la exigencia de determinado número de salidas de las líneas por descargas atmosféricas (No. Salidas/100 km-año). Sin embargo, considerando las altas resistividades de los 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 5 de 27

6 terrenos de instalación de la línea (referirse al documento No. 750-LTM-006 Informe Medidas de Resistividad), se propone dejar un valor de máximo 10 fallas por 100 km de línea al año. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 6 de 27

7 4. DATOS BÁSICOS 4.1. DATOS DE LAS LÍNEAS Y DEL SISTEMA Para el cálculo del área del cable de guarda a utilizar en la línea se tuvo en cuenta la siguiente fórmula dada en la Norma IEEE : CARACTERÍSTICA VALOR Tensión nominal fase fase, Vn f-f, en kv 115 Máxima tensión de servicio fase-fase, Vmax f-f, en KV 123 Frecuencia nominal, en Hz 60 Altura sobre el nivel del mar, en m 467 Nivel de contaminación (Norma IEC 60815) Ligero 4.2. DATOS METEOROLÓGICOS A continuación se relacionan los parámetros relevantes para la coordinación de aislamiento: CARACTERÍSTICA VALOR Nivel ceráunico (días tormenta / año) 120 (*) Humedad relativa (%) 85 (*) Temperatura promedio ( C) 28 (*) (*) Ver Anexos 4.3. CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA El conductor de fase existente y el cable de guarda seleccionado tienen las siguientes características principales: 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 7 de 27

8 CARACTERÍSTICA CONDUCTOR DE FASE CABLES DE GUARDA Tipo ACSR OPGW Calibre 605 kcm - Peacock 113 mm 2 Cantidad subconductores 1 1 Diámetro (mm) Peso unitario (kg/km) Tensión rotura (kg) ESTRUCTURAS Para los cálculos del aislamiento se consideraron estructuras metálicas de acero galvanizado y estructuras tipo poste para doble circuito, con un cable de guarda AISLADORES Para las estructuras de suspensión y retención se utilizan los mismos tipos de aisladores, esto es, aisladores estándar de porcelana o vidrio templado en forma de campana, con las siguientes características: CARACTERÍSTICA TIPO ESTÁNDAR CADENAS DE SUSPENSIÓN CADENAS DE RETENCIÓN Tipo Suspensión disco cuenca Suspensión disco cuenca y bola y bola Material Porcelana o vidrio Porcelana o vidrio templado templado Diámetro D (mm) Espaciamiento S (mm) Distancia mínima de fuga (mm) LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 8 de 27

9 a) Aislador tipo estándar b) Aislador tipo Line Post Para el caso particular de las estructuras tipo poste, a instalar en las zonas con presencia de cultivos de palma, se utilizarán aisladores Line Post cuyas dimensiones deberán garantizar el cumplimiento de las distancias eléctricas calculadas en este documento. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 9 de 27

10 5. METODOLOGÍA PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO A continuación se presenta una breve descripción de la metodología de cálculo considerada para la ejecución del diseño de coordinación de aislamiento de la línea de transmisión AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL Se seguirá la metodología recomendada por el EPRI, Referencia 5: V60HzF-N = VmáxF-N * Fs * Fy * Fden * Fh (kvrms) (1) Donde: V60HzF-N = Sobrevoltaje de 60 Hz Vmáx F-N = Voltaje máximo de operación Fase Neutro Vmax F-N = 71 kv Fs = Factor de sobre voltaje por tensiones temporales. Debido a que el sistema se considera sólidamente aterrizado. Fs = 1.4 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5) Fy = Factor de contaminación y mantenimiento Fy = 1.1 (acorde con el capítulo 10 de la referencia 5) Fden = Factor de densidad del aire Fden = 1 / densidad relativa del aire Fh = Factor por humedad (ver Figuras A y A10.1.3) 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 10 de 27

11 Densidad Relativa: 0.93 Fden = 1/0.93 Fden = 1.06 Fh = Factor por humedad (ver Figuras A y A10.1.3) Fh = (para 28 C de temperatura promedio y 85% de humedad relativa del aire) 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 11 de 27

12 Reemplazando en (1) tenemos: V60HzF-N = 103 kv Con este valor se obtiene de la Gráfica No. 1 de esta memoria la distancia mínima en aire, correspondiente al voltaje de soporte en húmedo, para aisladores estándar de diámetro 254 mm (10") y paso de 146 mm por campana. Dist. mín. en aire para sobrevoltaje de baja frecuencia. = 45 cm Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las cuales se obtienen las distancias de separación conductor-estructura en condición de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 12 de 27

13 5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS A continuación se realiza el cálculo de sobrevoltaje producido por descargas atmosféricas y de su distancia de aislamiento en aire, en función de la resistencia de puesta a tierra de la estructura o estructuras que reciben la descarga. Dado el carácter probabilístico del comportamiento de las magnitudes de las descargas atmosféricas y su caída sobre la línea, para la determinación de los niveles de sobrevoltaje debido a las descargas atmosféricas, se tienen en cuenta los modelos de estructuras, longitudes de vanos, niveles de tensión y niveles ceráunicos, con los cuales, mediante la definición y determinación de los parámetros de las líneas y con la longitud de los aisladores apropiados, en función de la resistencia de puesta a tierra, se definirá la tensión de flameo para las descargas atmosféricas y garantizando un nivel de salidas aceptable (menos de cinco (5) salidas por 100 km/año) para la línea Determinación de la distancia de fuga Por estar localizada la línea de transmisión Ocoa Guamal-San Fernando en áreas sin industrias, una baja densidad de casas, sometida a vientos y/o lluvias frecuentes, áreas agrícolas y montañosas, se consideró un nivel liviano de contaminación ambiental, al que le corresponde una distancia nominal de fuga específica mínima (Kf) de 16 mm por kv (ver Tabla 1 Recommended Creepage Distances de la norma IEC 71-2, ). Dfmin = Kf * V F-Fmáx * Kd, donde: Dfmin = Distancia de fuga mínima nominal en mm Kf = Distancia de fuga específica mínima nominal KF = 16 mm/kv V F-Fmáx = 123 kv Kd = Factor de corrección que depende del diámetro de las aletas de los aisladores 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 13 de 27

14 Para la constante Kd, se toma como referencia un aislador tipo estándar de 254 mm (10 ) de diámetro y 146 mm (5¾ ) de paso. Entonces: Kd = 1 (para diámetro de aisladores menor a 300 mm) Reemplazando: Dfmin = 1968 mm Cálculo del voltaje crítico de flameo inverso Para el caso del nivel de contaminación liviano, con una distancia de fuga mínima calculada de 1968 mm, teniendo presente que la distancia de fuga de un aislador tipo estándar es de 292 mm, le corresponde una cantidad de aisladores de 7 unidades, así: Por lo tanto: W = longitud del aislamiento, correspondiente a 7 aisladores. Sin embargo, para ser consecuentes con el aislamiento comúnmente utilizado para este tipo de líneas de transmisión, se dejan 8 unidades aisladoras. W = 0,146 m x 8 = 1,1680 m 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 14 de 27

15 A continuación se presenta el cálculo del voltaje crítico de flameo inverso CFO (por sus siglas en ingles) con la longitud de aislamiento calculada anteriormente: CFO = ( /t 0.75 ) x W, donde: CFO = voltaje de flameo en kv t = tiempo de flameo en µs t = 6 µs W = longitud del aislamiento W = 1,1680 m Por lo tanto, el valor del voltaje crítico de flameo, CFO es: CFO = 684 kv A continuación se presenta el número de unidades de aisladores para suspensión y el CFO (Voltaje crítico de flameo) normalizado, junto con la distancia de fuga total: N DE UNIDADES (Aislador de 292 mm de Distancia CFO* dist. de fuga y 146 mm de paso) de fuga (kv) para cadenas de suspensión (mm) *CFO: Voltaje impulsivo de flameo con una probabilidad del 50% Acorde con norma ANSI C29.1 Como se observa en la anterior Tabla, se tiene una distancia de fuga mayor a la mínima requerida para cada caso, según lo mostrado en el Numeral Para determinar la longitud del espacio en aire se realizaron los cálculos partiendo de la distancia de paso de cada unidad aisladora y el número de aisladores por cadena, antes indicadas. Considerando una distancia de paso de 146 mm por cada unidad, se tiene: 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 15 de 27

16 Distancia de arco en seco con aislador de 146 mm de paso (mm) 1168 Finalmente, se anota que para las cadenas de retención se dejan 9 unidades aisladoras, ya que para ellas se acostumbra dejar un aislador de más, con el fin de prever acercamientos debidos a la curvatura que puede presentarse en las mismas por el peso en su posición horizontal. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 16 de 27

17 6. DISTANCIAS DE SEGURIDAD Las distancias de seguridad son de obligatoria aplicación entre conductores de líneas de transmisión y cualquier otro tipo de infraestructura o elemento en cercanías de la línea como redes, edificaciones o estructuras en general, pasos vehiculares o peatonales, nivel del terreno, etc. Así, se deberán respetar las distancias de seguridad horizontal y vertical a mantener entre conductores de las líneas y elementos físicos existentes a lo largo de su trazado, según lo establecido en el ARTÍCULO 13. DISTANCIAS DE SEGURIDAD del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas - RETIE. Distancias mínimas de seguridad en metros para diferentes lugares y situaciones Tipo de área o cruce [m] Distancia mínima al suelo en cruces con carreteras, calles, callejones, zonas 6.1 peatonales, áreas sujetas a tráfico vehicular Distancia mínima al suelo desde líneas que recorren avenidas, carreteras y 6.1 calles Distancia mínima al suelo en bosques, arbustos, áreas cultivadas, pastos, 6.1 huertos, etc. Distancia mínima al suelo en cruces con ferrocarriles sin electrificar o 8.6 funiculares. Distancia vertical en cruce con ríos, canales navegables o flotantes 10.6 adecuados para embarcaciones con altura superior a 2 m y menor de 7m 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 17 de 27

18 Distancias mínimas de seguridad en metros para diferentes lugares y situaciones Tipo de área o cruce [m] Distancia vertical en cruce con ríos, canales navegables o flotantes no 5.6 adecuados para embarcaciones con altura mayor a 2 m Distancia vertical al piso en cruce por 12 campos deportivos abiertos Distancia horizontal en cruce por 7 campos deportivos abiertos Tabla 1. Distancias de seguridad a sitios en el terreno Distancias verticales mínimas con líneas de diferentes tensiones en metros Descripción [m] Líneas eléctricas a 115/110 kv 2.2 Líneas eléctricas a 66 kv 1.9 Líneas eléctricas a 57,5 kv 1.8 Líneas eléctricas a 44/34,5/33 kv 1.7 Líneas eléctricas a 13,8/13,2/11,4/7,6 kv 1.7 Líneas eléctricas <1 kv 1.7 Líneas de Comunicaciones 2.3 Tabla 2. Distancias de seguridad en cruce con líneas de diferentes tensiones 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 18 de 27

19 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De acuerdo con los resultados obtenidos, se recomienda adoptar los siguientes parámetros de diseño electromecánico: Para sobrevoltajes por baja frecuencia: V 60Hz = 450 mm Distancias mínimas en aire para sobrevoltajes de baja frecuencia, por medio de las cuales se obtienen las distancias de separación conductor estructura, en condiciones de viento máximo, considerando el ángulo de balanceo por deflexión. Para descargas atmosféricas: Distancia de arco en seco Distancia de fuga (mm) (mm) Longitud del espacio en aire para sobrevoltajes por descargas atmosféricas, por medio de la cual se obtiene la distancia conductor estructura sin viento y considerando el ángulo de balanceo por deflexión. En la siguiente tabla se muestra un resumen de los parámetros obtenidos, los cuales deben ser cumplidos tanto por las cadenas de aisladores como por los aisladores tipo Line Post: 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 19 de 27

20 RESUMEN DE PARÁMETROS Distancia de arco Distancia de Nro. Aisl. Nro. Aisl. Voltaje a en seco para Distancia CFO aislamiento para en en frecuencia descargas de fuga (kv) baja frecuencia Suspensión Retención industrial (kv) atmosféricas (mm) (mm) (mm) En el 750-LT Plano de verificación de distancias eléctricas, se muestran las distancias eléctricas para las estructuras de suspensión y retención de las líneas asociadas al proyecto. 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 20 de 27

21 8. DOCUMENTACIÓN DE REFERENCIA 1- Principles of Insulation Design For Overhead Transmission Line. NGK Technical Note No. TN 680 April 26, Estimating Lighting Performance of Transmission Lines. J.M. Clayton, F-S. Young, IEEE Transactions, Pág Nov./64 3- International Electrotechnical Commission - Publication 71-1 Insulation Coordination Part 1: Definitions, principles and rules Publication 71-2 Insulation Coordination Part 2: Application Guide Subestaciones de alta y extra alta tensión Mejía Villegas S.A. Ingenieros Consultores HMV Ingenieros Segunda Edición Transmission Line Reference Book 34.5 kv and Above Second Edition Electric Power Research Institute EPRI 3412 Hillview, Palo Alto, California RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas Resolución No Agosto 06 de LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 21 de 27

22 ANEXO 1. MAPA DE TEMPERATURA MÁXIMA PROMEDIO DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 22 de 27

23 Zona del proyecto 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 23 de 27

24 ANEXO 2. MAPA DE HUMEDAD RELATIVA DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 24 de 27

25 Zona del proyecto 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 25 de 27

26 ANEXO 3. MAPA DE NIVELES CERÁUNICOS DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA 750-LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 26 de 27

27 Zona del proyecto Mapa de niveles ceráunicos para Colombia del Anexo A.5, de la Norma Técnica Colombiana NTC LTM-010 Coordinación de aislamiento Página 27 de 27