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PROYECTO AMPLIACIÓN 17SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV - GIS

MEMORIA DE CÁLCULO - APANTALLAMIENTO

DOCUMENTO PE-AM17-GP030-HUA-GIS-D005

REVISIÓN No. 1

Revisión Modificaciones Fecha0 Emisión inicial 2015-09-301 Actualización disposición física S.E. Friaspata - GIS 2015-11-09

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PROYECTO AMPLIACIÓN 17SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV – GIS

Doc.:PE-AM17-GP030-HUA-GIS-D005

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TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETIVO.....................................................................................................................52. ALCANCE......................................................................................................................53. DEFINICIONES..............................................................................................................54. PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO......................................................65. APANTALLAMIENTO EN EL PATIO DE LA SUBESTACIÓN.......................................66. CÁLCULO DE LA PROBABILIDAD DE DESCARGA..................................................117. CÁLCULO DEL RIESGO DE FALLA DEL APANTALLAMIENTO...............................128. UBICACIÓN DE LOS CABLES DE GUARDA EN LA SUBESTACIÓN.......................149. SELECCIÓN DE CABLE DE GUARDA.......................................................................1410. CONCLUSIONES........................................................................................................1511. REFERENCIAS............................................................................................................1611.1 NORMAS DE REFERENCIA.......................................................................................1611.2 DOCUMENTOS DE REFERENCIA.............................................................................1612. ANEXOS......................................................................................................................1712.1 RESULTADO DE CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO.............................................17

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla Nº 1: Parámetros eléctricos del sistema.........................................................................6Tabla Nº 2: Dimensiones proyectadas de la subestación.........................................................6Tabla Nº 3: Cuadro resumen del cálculo de altura de instalación del cable de guarda..........11Tabla Nº 4: Cuadro resumen del cálculo de probabilidad de descarga..................................12Tabla Nº 5: Resultado de apantallamiento en patio de llaves................................................17




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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura Nº 1. Visualización del apantallamiento.........................................................................7Figura Nº 2. Radio de haz de conductores...............................................................................8Figura Nº 3. Altura efectiva del apantallamiento.....................................................................11Figura Nº 4. Curva empírica de apantallamiento con dos cables de guarda para las

templas de salida de línea.................................................................................13Figura Nº 5. Distribución de cable de guarda vista de planta.................................................14




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1. OBJETIVO

Diseñar el sistema de apantallamiento para la adecuada protección de las instalaciones de la Subestación Friaspata 220 kV - GIS contra las descargas atmosféricas directas.

2. ALCANCE

Se realiza la verificación del apantallamiento existente, siguiendo el método electrogeométrico, de acuerdo con lo indicado en la norma de la 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].

3. DEFINICIONES

Distancia de descarga, Sm: 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, Ic: 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, Rt: 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, Pe: 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, he: 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, hmin: 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.




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Densidad de rayos a tierra, GFD: Número promedio de descargas a tierra por unidad de área y por unidad de tiempo en un sitio determinado.

4. PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO

Tabla Nº 1: Parámetros eléctricos del sistema

PARÁMETROS UNIDAD VALORa. Tensión de operación del sistema kV 220b. Tensión máxima del equipo kV 245c. Frecuencia asignada Hz 60d. Nivel de aislamiento

Tensión asignada soportada al impulso tipo rayo (Up)* kVp 1 300 Tensión asignada soportada de maniobra entre fase-tierra (Us)* kVp 950

e. Puesta a tierra Sólidof. Corriente de corta duración admisible asignada kA 40g. Máxima duración admisible del cortocircuito s 1h. Distancia de fuga mínima mm/kV 25i. Tiempo normal de aclaración de la falla ms 100j. Tiempo de aclaración de la falla en respaldo ms 300k. Identificación de fases R,S,T

*Los valores se encuentran corregidos por altitud. Ver documento de la referencia [6].

Tabla Nº 2: Dimensiones proyectadas de la subestación

DESCRIPCIÓN UNIDAD 220 kV

Altura templa superior (nivel de conexión más alto) m 26

Altura de primer nivel de conexión (conexión de equipos). m 6

Ancho de campo (con nivel de conexión más alto) m 17

Longitud de vano más largo (con nivel de conexión más alto) m 59

5. 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.

Para el diseño del apantallamiento se seguirá la metodología del Modelo Electrogeométrico desarrollado en la referencia [1].




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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 Sm, 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 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 Nº 1 a continuación.

Figura Nº 1. Visualización del apantallamiento.

Este método, permitirá verificar 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), hav.

h av = 13

h max + 23

h min , m

Donde:

hmax: Altura de las templas superiores, m.




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hmin: 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 Rc, se encuentra definido mediante la solución de la ecuación:

R c *ln ( 2hav

R c )−V c

E o=0

Donde:

RC: Radio corona para un sólo conductor, m.

EO: Gradiente de tensión en la superficie del conductor.

VC: 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 c=1,2×10−4 V c , mPara encontrar el radio equivalente de un haz de conductores.

Ro=n√n×r×Rn−1

Figura Nº 2. Radio de haz de conductores.

Donde:

r: Radio del conductor, m




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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:

Rc ´=Rc+RoDonde:

RC: Radio corona para un sólo conductor, m.

RC’: Radio corona para el haz de conductores, m.

RO: Radio equivalente del haz de conductores, m.

Cálculo de la impedancia de las templas superiores, ZO.

Z o=60√ ln 2h av

R cln 2h av

r, Ω

Donde:

hav : Altura promedio, m.

RC: Radio corona, m. Radio corona de un conductor ó calculado para un haz de conductores.

r : 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, IC.

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.

Ic=2 ,068∗CFOZo

, kA

Donde:

ZO: Impedancia característica del barraje a proteger (templas superiores), Ω.




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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 ,94∗585∗w , kVDonde:

w: Longitud de la cadena de aisladores en m.

Cálculo de la distancia crítica de descarga Sm, (radio de la esfera).

S m=8∗k∗Ic0 ,65 , mDonde:

k: Constante, k=1 para cables de guarda.

Determinación de la altura efectiva del apantallamiento, he.

h e = S m - √S m2 - d2 , mDonde:

Sm: Distancia de descarga crítica.

2d: Ancho del campo (ancho de barras).

La altura efectiva del apantallamiento he, es la altura del mismo sobre el sistema que está protegiendo, tal como se muestra en la Figura Nº 3.




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Figura Nº 3. Altura efectiva del apantallamiento.

Los resultados obtenidos en los cálculos se presentan en los Anexos. En la Tabla Nº 3, se muestra los valores de las alturas mínimas calculadas y de diseño.

Tabla Nº 3: Cuadro resumen del cálculo de altura de instalación del cable de guarda

Distancia de descarga crítica.

Sm (m)

Altura efectiva, he

(m)

Altura mínima de diseño, de

castillete calculada (m)

Altura del castillete proyectada y existente (m)

El diseño cumple con la

altura requerida

32,80 1,12 1,62 3,00 Si

6. CÁLCULO DE LA PROBABILIDAD DE DESCARGA

Con el valor de corriente crítica de descarga IC (Anderson 1987), se estima la probabilidad de que el valor de corriente crítica IC, sea excedido. Para ello se utiliza la siguiente ecuación:

P( Ic)= 1

1+( Ic31 )

2,6




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Para calcular la probabilidad que la corriente crítica Ic no sea excedida, se utiliza la siguiente ecuación:

1−P( Ic )

Ver resultados del cálculo en la siguiente Tabla Nº 4:

Tabla Nº 4: Cuadro resumen del cálculo de probabilidad de descarga.

Ic (kA) P(Ic) 1-P(Ic)1-P(Ic)

(%)

8,76 0,964 0,036 3,6

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 calcula la densidad de rayos a tierra (GFD) en el sitio de la subestación, empleando la expresión.

GFD=0 ,12∗Ni

Donde:

Ni: 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 / km2 / año:

Se calcula el número de descargas para un área de 23 508 m2, correspondiente a la zona de la subestación Friaspata 220/60 kV:

Ns=GFD⋅A /10002=(7,2∗(23 508 ))/10002=0,1692576 descargas/año

Luego calculamos el número de descargas que penetran el apantallamiento:




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SP=Ns∗P e

Donde:

Ns: Número de descargas en el área de la subestación.

Pe: Porcentaje de exposición.

Para hallar el valor de Pe, utilizaremos la altura del cable de guarda h y las relaciones S/h y d/h, dichas relaciones se verifican en la Figura Nº 4, extraídas de la referencia [1].

Altura del cable de guarda h = 28 m, Altura de templas superiores d = 25 m, Ancho de campo S = 17 m, se obtiene lo siguiente:

dh=26

29=0 ,897

Sh=17

29=0 ,586

Figura Nº 4. Curva empírica de apantallamiento con dos cables de guarda para las templas de salida de línea.

Según las relaciones existentes en la subestación, se obtiene que el nivel de exposición Pe más próximo es 0,1 %.

Se calcula el número de descargas que penetrarán el apantallamiento:

SP=Ns∗Pe=0 ,1692576∗0 ,001=0 ,000169257 años /desc argaSe calcula el número de años en el que una descarga penetra el apantallamiento:




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Nf = 1SP

= 10,000169257

=5908 ,18≈5909 años /desc arga

El valor de falla de apantallamiento estima que cada 5 909 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 proyectado, existente y la zona apantallada se muestra en forma ilustrativa en la siguiente Figura Nº 5:

Figura Nº 5. Distribución de cable de guarda vista de planta.

9. SELECCIÓN DE CABLE DE GUARDALa 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 I2R 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.




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Para el apantallamiento de la subestación Friaspata 220 kV-GIS se plantea el uso de cable Alumoweld 7 No.6 AWG, para lo cual se realizará una verificación de su capacidad de soportabilidad de corriente mediante la siguiente ecuación característica (IEC 60865-1):

I=√ 4 ,185 Ac 2 ρ k cp ln(1+α (θe−θb ))

ρ c α t k, A

Donde:

I: Corriente eficaz, A

ρc: Resistividad, [8,5*10-6 Ωcm]

Ac: Sección nominal del conductor, [0,931 cm2]

kcp: Calor específico, [0,1180 cal/g ºC]

ρ: Densidad, [6,66 gr/cm3]

α: Coeficiente de temperatura, [0,0036/ºC]

θe: Temperatura final, [400 ºC]

θb: Temperatura inicial, [20 ºC]

tk: Tiempo de duración de la corriente, [2 ms]

Del cálculo se obtiene que el cable de guarda seleccionado es capaz de soportar una corriente eficaz (I) de 202 kA. Según referencia la referencia [4], la magnitud promedio de una descarga atmosférica es de 31 kA, con lo cual se verifica que el cable seleccionado tendrá la capacidad de soportar el nivel de corriente requerido.

10. CONCLUSIONES.

La zona donde se ubica el proyecto corresponde a un sitio con nivel ceráunico alto, se estiman 60 días con tormenta por año. Debido a la importancia de las instalaciones, se considera necesario implementar un adecuado sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas directas para garantizar la protección los equipos e instalaciones.

Se verifica que el apantallamiento proyectado y el existente en el patio de maniobra protegerán las instalaciones que se instalarán en el proyecto.

El apantallamiento del proyecto se efectuará con cable de guarda Alumoweld 7 No. 6 AWG.




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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-62305-2, “Part 2: Risk management”.

[4] IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 3, Julio 1989. "Temperature rise of optical fiber ground wires subjected to short duration-high current transients".

11.2 DOCUMENTOS DE REFERENCIA

[5] PE-AM17-GP030-HUA-GIS-K003, “Disposición física - Planta y cortes patio”.

[6] PE-AM17-GP030-HUA-GIS-D002, “Memoria de cálculo - Coordinación de aislamiento”.




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12. ANEXOS

12.1 RESULTADO DE CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO

Tabla Nº 5: Resultado de apantallamiento en patio de llaves.


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