PROYECTO AMPLIACIÓN 17 SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kv

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1 DOCUMENTO PE-AM17-GP030-HUA-D005 REVISIÓN No. 0 Revisión Modificaciones Fecha 0 Emision inicial Elaboración Revisión Aprobación Elaborado por: Revisado por: Aprobado por: Revisión Nombre Firma Nombre Firma Nombre Firma 0 HAMH JRV AJM Los derechos de autor de este documento son de HMV INGENIEROS LTDA., quien queda exonerada de toda responsabilidad si este documento es alterado o modificado. No se autoriza su empleo o reproducción total o parcial con fines diferentes al contratado.

2 TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETIVO ALCANCE DEFINICIONES PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO APANTALLAMIENTO EN EL PATIO DE LA SUBESTACIÓN CÁLCULO DE LA PROBABILIDAD DE DESCARGA CÁLCULO DEL RIESGO DE FALLA DEL APANTALLAMIENTO UBICACIÓN DE LOS CABLES DE GUARDA EN LA SUBESTACIÓN SELECCIÓN DE CABLE DE GUARDA CONCLUSIONES REFERENCIAS NORMAS DE REFERENCIA DOCUMENTOS DE REFERENCIA ANEXOS ANEXO 1. RESULTADO DE CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO EN ESTRUCTURAS PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 2 de 16

3 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Parámetros eléctricos del sistema... 6 Tabla 2. Dimensiones proyectadas de la subestación... 6 Tabla 3. Cuadro resumen de cálculo de altura de cable de guarda Tabla 4. Cuadro resumen de cálculo de probabilidad de descarga Tabla 5: Resultado de apantallamiento Patio 220 kv, Templa superior PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 3 de 16

4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Visualización del apantallamiento Figura 2. Radio de haz de conductores... 8 Figura 3. Altura efectiva del apantallamiento Figura 4. Curva empírica de apantallamiento con dos cables de guarda para las templas de salida de línea Figura 5. Distribución de cable de guarda vista de planta PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 4 de 16

5 1. OBJETIVO Diseñar el sistema de apantallamiento para la adecuada protección de equipos y elementos contra descargas atmosféricas directas en el cambio de configuración y la ampliación de la subestación Friaspata 220 kv. 2. ALCANCE Se realiza el diseño del apantallamiento siguiendo el método electrogeométrico, de acuerdo con lo indicado en la norma de referencia [1]. Se realiza el cálculo de riesgo de falla del apantallamiento con base en las descargas por año que se tiene en la zona según lo mencionado en la norma de referencia [1]. Se realiza el diseño de apantallamiento de edificaciones siguiendo el procedimiento descrito en la norma de referencia [2]. 3. DEFINICIONES Distancia de descarga, S m : longitud del último paso de la guía de un rayo, bajo la influencia de la tierra o de un terminal que lo atrae. Corriente de retorno, I C : corriente que circula entre la tierra y la nube, una vez la guía de un rayo establece una ruta ionizada por la cual la tierra trata de neutralizar la carga de la nube. Riesgo de falla del apantallamiento, R t : número esperado de años antes de que el apantallamiento de la subestación permita incidir un rayo en las partes energizadas, de tal forma que se produzca flameo en el aislamiento. Porcentaje de exposición, P e : porcentaje de rayos que se espera no sean efectivamente apantallados. Tensión critica de flameo, CFO: tensión que aplicada como una onda negativa de impulso normalizada 1,2 x 50 μs, produce un flameo en el aislante bajo prueba en el 50 % de los casos. Altura efectiva del apantallamiento, h e : altura sobre la parte superior del pórtico que sostiene los conductores de fases más elevados de la subestación, a la cual debe instalarse el cable de guarda para un apantallamiento efectivo. Altura mínima, h min : altura a la cual debe instalarse el cable de guarda por encima de las partes energizadas, de tal forma que si se ubica a una altura menor, se producirá una zona de no apantallamiento. Nivel ceráunico, N: número promedio de días por año durante los cuales se escuchen truenos en una zona específica. Densidad de rayos a tierra, GFD: número promedio de descargas a tierra por unidad de PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 5 de 16

6 área y por unidad de tiempo en un sitio determinado. 4. PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO Tabla 1. Parámetros eléctricos del sistema PARÁMETROS UNIDAD VALOR a. Tensión de operación del sistema. kv 220 b. Tensión máxima del equipo kv 245 c. Frecuencia asignada. Hz 60 d. Nivel de aislamiento: Tensión asignada soportada al impulso tipo rayo (U p ). kvp 1300 (*) Tensión asignada soportada al impulso tipo maniobra (U s ). kv 950 (*) Tensión asignada soportada a frecuencia industrial (U d ). kv - e. Puesta a tierra. Sólido f. Corriente de corta duración admisible asignada. ka 40 g. Máxima duración admisible del cortocircuito. s 1 h. Nivel de contaminación de la zona -- Pesado i. Tiempo normal de aclaración de la falla. ms 100 j. Tiempo de aclaración de la falla en respaldo. ms 300 k. Identificación de fases. R,S,T (*) Los valores se encuentran corregidos para la altura de instalación de la subestación Friaspata. Tabla 2. Dimensiones proyectadas de la subestación DESCRIPCIÓN UNIDAD 220 kv Altura de tercer nivel de conexión (templas superiores). m 18 Altura de segundo nivel de conexión (conexión de barras). m 13,5 Ancho de campo m 21 Longitud de vano mas largo m APANTALLAMIENTO EN EL PATIO DE LA SUBESTACIÓN El apantallamiento del patio de llaves se realizará mediante el uso de cables de guarda ubicados en la parte superior de los pórticos. PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 6 de 16

7 Para el diseño del apantallamiento se seguirá la metodología del Modelo Electrogeométrico desarrollado en la referencia [1]. El método se basa en el hecho de que los rayos son atraídos hacía los elementos apantalladores en vez que a los objetos protegidos. Esto se logra determinando la distancia de descarga S m, que determina la posición de la estructura apantalladora con respecto al objeto que se quiere proteger tomando en cuenta la altura de cada uno con respecto a tierra. En la práctica, el método consiste en visualizar una esfera de radio igual a la distancia de descarga girando al alrededor de la superficie y equipos a proteger. Cualquier estructura por debajo de los arcos quedará protegida y cualquier objeto que sea tocado por el arco o sobre éste, estará expuesto a descargas directas. Ver Figura 1 a continuación. Figura 1. Visualización del apantallamiento. Este método, permitirá seleccionar la altura efectiva del apantallamiento, teniendo ya definidas las dimensiones de los pórticos, las alturas de conexión y longitud de vanos dentro de la subestación. El cálculo de la altura del apantallamiento y el dimensionamiento de los castilletes, se realiza empleando los siguientes pasos: Cálculo de la altura promedio de los barrajes (templas superiores), h av. hav 1 2 = h max + h min, 3 3 m PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 7 de 16

8 h max : Altura de las templas superiores, m. h min : Altura a mitad de vano, m. Considerando una flecha de 3 % de la longitud del vano. Cálculo del radio corona Para el caso de un sólo conductor por fase, el radio corona R C, se encuentra definido mediante la solución de la ecuación: 2hav Vc R c * ln 0 Rc Eo R C : Radio corona para un sólo conductor, m E O : Gradiente de tensión en la superficie del conductor. V C : Máxima tensión soportada por el aislamiento de los aisladores, kv. La solución de Rc, se encuentra aplicando el método de Newton Raphson, tomando la siguiente solución inicial: R 1,2 10 V 4 c c, Para encontrar el radio equivalente de un haz de conductores. m Ro n n r R n1 Figura 2. Radio de haz de conductores. r: Radio del conductor, m. R: Radio del haz de conductores, m. n: Número de conductores en el haz. Para el cálculo del radio corona de un haz de conductores: PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 8 de 16

9 Rc Rc Ro R C : Radio corona para un sólo conductor, m. R C : Radio corona para el haz de conductores, m. R O : Radio equivalente del haz de conductores, m. Cálculo de la impedancia de las templas superiores, Z O. 2hav 2hav Zo 60 ln ln, Rc r h av : Altura promedio, m. R C : r : Radio corona, m. Radio corona de un conductor ó calculado para un haz de conductores. Radio del conductor (para fase conformada por un conductor) ó radio equivalente para un haz de conductores, m. Cálculo de la corriente crítica de descarga, I C. La referencia [1], indica dos expresiones para su cálculo. Tomando en cuenta que el apantallamiento protege un barraje soportado por cadenas de aisladores, el cálculo se realizará con la tensión crítica de flameo (CFO) de las cadenas. 2,068CFO Ic, ka Zo Z O : Impedancia característica del barraje a proteger (templas superiores),. CFO: Tensión crítica de flameo de los aisladores, kv. El valor de CFO puede ser estimado por la fórmula de Anderson. Ver referencia [2]: CFO 0,94585 w, kv w: Longitud de la cadena de aisladores en metros. Para 220 kv, se tiene, w = 3,212 m. Se obtiene un CFO = 1 766,2 kv. Cálculo de la distancia crítica de descarga S m, (radio de la esfera). PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 9 de 16

10 8* k * Ic 0,65 Sm, m k : Constante, k=1 para cables de guarda. Determinación de la altura efectiva del apantallamiento, h e. he = Sm - S 2 m - d 2, m S m : Distancia de descarga crítica. 2d: Ancho del campo (ancho de barras). La altura efectiva del apantallamiento h e, es la altura del mismo sobre el sistema que está protegiendo, tal como se muestra en la Figura 3. Figura 3. Altura efectiva del apantallamiento. Los resultados obtenidos en los cálculos se presentan en el Anexo Nº1. En la Tabla 3, se muestra la comparación entre los valores de las alturas mínimas de diseño calculadas y la altura de diseño de los castilletes en la subestación. En el Anexo Nº 1 se muestra el resultado de los cálculos. Tabla 3. Cuadro resumen de cálculo de altura de cable de guarda PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 10 de 16

11 Nivel de tensión Distancia de descarga crítica. S m (m) Altura efectiva, h e (m) Altura mínima de diseño, de castillete calculada (m) Altura de diseño, Castillete (m) El diseño cumple con la altura requerida 220 kv 36,64 1,54 2,04 3,00 * Si * Altura similar a castilletes existentes. 6. CÁLCULO DE LA PROBABILIDAD DE DESCARGA Con el valor de corriente crítica de descarga I C (Anderson 1987), se estima la probabilidad de que el valor de corriente crítica I C, sea excedido. Para ello se utiliza la siguiente ecuación: 1 P ( Ic) Ic 1 31 Para calcular la probabilidad que la corriente crítica I C no sea excedida, se utiliza la siguiente ecuación: 1 P( Ic) Ver resultados del cálculo en la siguiente Tabla 4: 2,6 Tabla 4. Cuadro resumen de cálculo de probabilidad de descarga. Nivel de tensión Ic (ka) P(Ic) 1-P(Ic) 1-P(Ic) (%) 220 kv 10,39 0,94 0,06 6 % 7. CÁLCULO DEL RIESGO DE FALLA DEL APANTALLAMIENTO El riesgo de falla de apantallamiento se define como el número de años durante los que se espera no ocurra una falla del mismo. El cálculo del riesgo de falla se realiza de la siguiente manera: - Se cálcula la densidad de rayos a tierra (GFD) en el sitio de la subestación, empleando la expresión. GFD 0, 12 Ni PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 11 de 16

12 N i : Nivel ceraúnico. GFD: Número promedio de descarga a tierra por unidad de área y por unidad de tiempo en un sitio determinado. Se tiene una densidad de rayos a tierra en el sitio de la subestación de 7,2 descargas / km 2 / año: Para el patio de llaves de 220 kv se tiene: Se calcula el número de descargas para un área de m 2, correspondiente a la zona de la subestación Friaspata 220 kv: Ns GFD A/ (7,215000)/ ,108 descargas/año Luego calculamos el número de descargas que penetran el apantallamiento: SP N s Pe N s : Número de descargas en el área de la subestación. P e : Porcentaje de exposición. Para hallar el valor de P e, utilizaremos la altura del cable de guarda h y las relaciones S/h y d/h, dichas relaciones se verifican en la Figura 4, extraídas de la referencia [1]. Para el patio de llaves de 220 kv se tiene: Altura del cable de guarda h = 22 m, Altura de templas superiores d = 19 m, Ancho de campo S = 21 m, se obtiene lo siguiente: d h 19 0,86 22 S 21 h Según las relaciones existentes en la subestación, se obtiene que el nivel de exposición P e más próximo es 0,1 %. Se calcula el número de descargas que penetrarán el apantallamiento: Para el patio de llaves de 220 kv se tiene: SP N P 0,108 0,001 0, s e años / desc arg a Se calcula el número de años en el que una descarga penetra el apantallamiento: N f 1 SP 1 0, , años / desc arg a PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 12 de 16

13 Figura 4. Curva empírica de apantallamiento con dos cables de guarda para las templas de salida de línea. El valor de falla de apantallamiento estima que cada años cae un rayo que producirá una falla en la subestación. 8. UBICACIÓN DE LOS CABLES DE GUARDA EN LA SUBESTACIÓN La distribución de los cables de guarda se muestra en forma ilustrativa en la siguiente Figura 5: Figura 5. Distribución de cable de guarda vista de planta. PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 13 de 16

14 9. SELECCIÓN DE CABLE DE GUARDA La selección del cable de guarda se realiza con base en los criterios de tensionado, corrosión y soportabilidad ante las corrientes originadas por descargas atmosféricas. El factor que debe tenerse en cuenta para la selección del cable de guarda desde el punto de vista técnico es su capacidad de soportabilidad ante las sobrecorrientes. A medida que la corriente fluye a través de los cables de guarda, las pérdidas I 2 R hacen que el material del cual fue construido se caliente, por encima de cierta temperatura, dependiendo del material, el conductor fallará y/o perderá resistencia mecánica. Para el apantallamiento de la subestación Friaspata 220 kv se plantea el uso de cable EHS 5/8, para lo cual se realizará una verificación de su capacidad de soportabilidad de corriente mediante la siguiente ecuación característica (IEC ): I I: Corriente eficaz, A ρ c : 4,185 A 2 c Resistividad, [1,34*10-5 Ω*cm] kcp ln(1 ( e b)), A t A c : Sección nominal del conductor, [1,51 cm 2 ] k cp : Calor específico, [0,1180 cal/g ºC] ρ: Densidad, [6,66 gr/cm 3 ] α: Coeficiente de temperatura, [0,0035/ºC] θ e : θ b : Temperatura final, [400 ºC] Temperatura inicial, [40 ºC] t k : Tiempo de duración de despeje de falla, [0,5 s] c Para 220 kv, del cálculo se obtiene que la corriente eficaz I que es capaz de soportar el cable es 17,6 ka, valor superior a la corriente crítica de descarga (I c ) de 10,47 ka. Lo que verifica que el cable cumple con la capacidad de corriente requerida. 10. CONCLUSIONES. k La zona donde será ubicada la subestación corresponde a un sitio con nivel ceráunico alto, se estiman 60 días con tormenta por año. Debido a la importancia de las instalaciones del proyecto, se considera necesario implementar un adecuado sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas directas para garantizar la protección los equipos e instalaciones. PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 14 de 16

15 El apantallamiento para los patios de maniobra se efectuará con cable de guarda EHS 5/8 ubicado sobre los castilletes de la subestación. Se verificó que el apantallamiento planteado en la disposición física, protege a la caseta de control, por lo cual no se considera necesario la instalación de puntas Franklin. 11. REFERENCIAS 11.1 NORMAS DE REFERENCIA [1] IEEE Std. 998, Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations. [2] IEC-62305, Protection Against Lightning. [3] IEC , Part 2: Risk management DOCUMENTOS DE REFERENCIA [4] PE-AM17-GP030-GEN-D001. Criterios de diseño - Electromecánica [5] PE-AM17-GP030-HUA-K003, Subestación Friaspata 220 kv- Disposición física - Planta y cortes patio. PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 15 de 16

16 12. ANEXOS 12.1 ANEXO 1. RESULTADO DE CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO EN ESTRUCTURAS Tabla 5: Resultado de apantallamiento Patio 220 kv, Templa superior. Cálculo de apantallamiento de barraje flexible con cable de guarda - IEEE Std REPORTE DE PROGRAMA HMV Tools Proyecto: Subestación: Caso: Ingeniería básica de subestaciones - Proyecto Ampliación 17 SE Friaspata 220 kv Trazabilidad: 2845-C SE Friaspata 220 kv Documento: Anexo Metodología de Cálculo: DATOS DE ENTRADA Nivel de Tensión SE Friaspata 220 kv Cable Cowslip - AAC Calibre 2000 kcmil Sección, (mm²) 1, Diámetro externo, (mm) Número de cables de una fase, (Haz) 1 Separación entre cables del haz, (m) 0.00 Tensión soportada al impulso tipo rayo, CFO., (kv) 1, Altura conductor a proteger, (m) Flecha del cable a proteger, (%) 3.00 Longitud del vano, (m) Distancia efectiva entre cables de guarda, (m) Margen seguridad, (m) 0.50 DATOS DE SALIDA Altura promedio de los cable de fase, (m) Radio corona, (kv/m) 0.24 Impedancia característica, (ohms) Corriente critica de flameo, (ka) Distancia de descarga crítica, (m) Altura efectiva del cable de guarda, (m) 1.54 Altura efectiva incluyendo factor de seguridad, (m) 2.04 Probabilidad que la corriente del rayo exceda corriente Is, (%) PE-AM17-GP030-HUA-D005_Rev 0 16 de 16