“ESTUDIO DE LA COORDINACIÓN DE AISLACIÓN EN LA
SUBESTACIÓN ARANJUEZ”
UNIV. TERAN MORALES ALBERT JAVIER
PROYECTO DE GRADO
UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER CHUQUISACA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
INTRODUCCIÓN
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
ASPECTOS PRELIMINARES
OBJETIVO GENERAL
Realizar el Estudio de Coordinación de Aislación en la Subestación Aranjuez, para que tenga las condiciones óptimas de funcionamiento.
OBJETIVOS
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar un estudio de las sobretensiones en la Subestación Aranjuez.
Caracterizar los distintos tipos de aislamiento.
Seleccionar y ubicar los dispositivos de protección.
Determinar los niveles de aislamiento.
Realizar la simulación de la nueva configuración propuesta mediante software.
MARCO TEÓRICO
SOBRETENSIONES
Sobretensiones Temporales:
Sobretensiones de Frente Lento:
Sobretensiones de Frente Rápido:
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN
PARARRAYOS TIPO RESISTENCIA NO LINEAL
CLASIFICACIÓN
PARARRAYOS DE CARBURO DE SILICIO
PARARRAYOS DE ÓXIDO METÁLICO
COORDINACIÓN DE AISLACIÓN
Aislamiento Externo
Aislamiento Interno
INGENIERÍA DEL PROYECTO
SOBRETENSIONES EN LA S/E ARANJUEZ
NIVELES DE TENSIÓN EN LA S/E ARANJUEZ
10 kV 24,9 kV 69 kV
Parámetro ValorTensión nominal (kV, rms, fase - fase) 69Frecuencia nominal (Hz) 50Número de fases 3Neutro del sistema Sólidamente puesto a tierraTensión más elevada del sistema Vs (kV) 72,5
Tensión base (kV, pico, fase – tierra de Vs) 59,19
Parámetro ValorTensión nominal (kV, rms, fase - fase) 24,9Frecuencia nominal (Hz) 50Número de fases 3Neutro del sistema Sólidamente puesto a tierraTensión más elevada del sistema Vs (kV) 30
Tensión base (kV, pico, fase – tierra de Vs) 24,49
Parámetro ValorTensión nominal (kV, rms, fase - fase) 10Frecuencia nominal (Hz) 50Número de fases 3Neutro del sistema Sólidamente puesto a tierraTensión más elevada del sistema Vs (kV) 12
Tensión base (kV, pico, fase – tierra de Vs) 9,798
SOBRETENSIONES TEMPORALES
Falla Monofásica a Tierra
Conexión del neutro k
Neutro sólidamente puesto a tierra 1,4
Neutro no sólidamente puesto a tierra 1,7
Neutro aislado 1,9
Sobretensión Temporal = 1,4 * 59,19 kVpico f-t
Sobretensión Temporal = 82,87 kVpico f-t
SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO
Energización y Recierre de Líneas
• Porcentaje de Compensación en Paralelo
% Compensación ≤ 50 %
• Red de Alimentación
10 kV 69 kV 69 kV
ARANJUEZ SUCRE
L/T ARJ - SUC
Red de tipo Inductiva
Sobretensión de Frente Lento = 2,2*59,19 kVpico f-t
Sobretensión de Frente Lento = 130,23 kVpico f-t
• Características de los Disyuntores
• Maniobras a considerar
SELECCIÓN DEL PARARRAYOS
Características Eléctricas
Voltaje de Operación Continua del Pararrayos Vc
Tensión Asignada o Nominal Vr
𝑽𝒓,𝒎𝒊𝒏 = 𝟓𝟒,𝟗𝟒 𝒌𝑽𝒓𝒎𝒔 𝒇−𝒕
Tensión Nominal en Función de la Sobretensión
𝑽𝒓′ = 𝟓𝟖,𝟓𝟗 𝒌𝑽𝒓𝒎𝒔 𝒇−𝒕
La Tensión Nominal Será
Corriente Nominal de Descarga In
Valores de corriente nominal de descarga estandarizados.
20 kA 10 kA 5 kA 2,5 kA 1,5 kA
Tensión Asignada
Vr (kVr.m.s f-f)360 <Vr≤756 3 < Vr ≤ 360 Vr ≤ 132 Vr ≤ 36
Recalculo de Vc
Nivel de Protección del Pararrayos
Opciones PararrayosVr
(kVrms)Clase
Vps (kVpico)
30/60 µs y 2 kA
Vpl (kVpico)
8/20 µs y 20 kA
Ubicación
Primera opción
ABB EXLIM R ó PEXLIM R
60 2 135 175Líneas y Transformador
Segunda opción
Siemens 3EP5 ó 3EQ1
60 2 134 178Lineas y Transformador
Características Mecánicas
Revestimiento
El revestimiento del pararrayos será PEXILIM R para ABB, y 3EQ1 para siemens, que son de silicona
Requerimientos
del sistema
Primera OpciónPararrayos ABB
Segunda OpciónPararrayos SIEMENS
Tercera OpciónPararrayos Existentes
Modelo -PEXLIM R -72-
YV0723EQ1 060 - 1PB21 -
43EQ1 060 - 1PB21 -
4Q060 - CV072
Ubicación - L/T y Trafo Líneas Transformador L/T y TrafoCARACTERÍSTICAS ELÉCTRICASVoltaje de operación continua Vc (kVrms) ˃ 47,008 48 48 48 48
Tensión asignada o nominal Vr (kVrms) ˃ 58,76 60 60 60 60
Corriente nominal de descarga In (kA) 10 10 10 10 10
Capacidad de absorción de energía (kJ/kV) 3,95 5,1 kJ/kV (clase 2) 8 kJ/kV (clase 2) 8 kJ/kV (clase 2)7,8 kJ/kV (clase
3)Capacidad de corto circuito (kA) - 50 40 40 63
Nivel de protección Vpl (kVpico) a 20 kAEl menor posible
175 178 153 156
Nivel de protección Vps (kVpico) a 20 kAEl menor posible
135 134 119 124
CARACTERÍSTICAS MECÁNICASTensión soportada a impulsos tipo rayo
(kVpico)295,96 310 348 348 347
Distancia de fuga (mm) 1812,5 1863 2075 2075 2290Material del revestimiento Polimérico Silicona Silicona Silicona Porcelana
Carga dinámica por el viento (Nm) - 1600 6000 6000 6000Comportamiento ante sismos Se requiere Adecuado Adecuado Adecuado Adecuado
DATOS ADICIONALESAltura (mm) - 641 885 885
Peso (kg) - 14 27 27
Selección del Pararrayos
PROCEDIMIENTO DE COORDINACIÓN DE AISLACIÓN
Sobretensiones Representativas
Sobretensión Temporal Representativa
Sobretensión de Frente Lento Representativa
Sobretensión de Frente Lento = 130,23 kVpico f-t
Tensiones Soportadas de Coordinación Vcw
Kc = 1
Vcw para Sobretensiones Temporales
Vcw para Sobretensiones de Frente Lento
Para Aislamiento Externo
Para Aislamiento Interno
Vcw para Sobretensiones de Frente Rápido
T4 T5
25 MVA
B521
B550ARJ -SUC
ARJ -MAR
B532
B534
B540
B535
B533
B501 CAP
B531
PR1
PR2
PR3
PR4
ARJ -SUC
ARJ -MAR
B532
B534
B540
B535
T4 T5
25 MVA
B521
B550 T10
B533
B501 CAP
B531
PR1
PR2
PR3
PR4
Vpl A n L Lsp Ra Rkm Vcw
Trasformador T 4 175 kV 4500 kV 1 15 mts 500 mts 0,002 0,002 220 kV pico f-t
Trasformador T 5 175 kV 4500 kV 1 15 mts 500 mts 0,002 0,002 220 kV pico f-t
Trasformador T 10 175 kV 4500 kV 1 21 mts 500 mts 0,002 0,002 238 kV pico f-t
Trasformador T 25 MVA 175 kV 4500 kV 1 18 mts 500 mts 0,002 0,002 229 kV pico f-t
Resto de los Equipos PR1 175 kV 4500 kV 1 27 mts 500 mts 0,0025 0,00125223,6 kV pico f-
t
Resto de los Equipos PR2 175 kV 4500 kV 1 29 mts 500 mts 0,0025 0,00125227,2 kV pico f-
t
Tensiones Soportadas Requeridas Vrw
Para Aislamiento Externo
Para Aislamiento Interno
Corrección Atmosférica KaH = 2790m = 1, para ST Atmosféricas y Temporalesm = 1,1, para ST de maniobra
Para Sobretensiones Atmosféricas y Temporales
Para Sobretensiones de maniobra
Sobretensiones Temporales
Sobretensiones de Maniobra
Aislamiento Externo
76,91 191,024
Aislamiento Interno
67,39 160,31
Sobretensiones AtmosféricasTransf.
4Transf.
5Transf.
10Transf. 25
MVAResto de los
Equipos PR1Resto de los
Equipos PR2Aislamiento Externo
288,75 288,75 312,38 300,56 293,48 298,2
Aislamiento Interno
253 253 273,7 263,35 257,14 261,28
Resultado del Cálculo de Vrw
Factor de Seguridad
Para aislamiento interno = 1,15 Para aislamiento externo = 1,05
Nivel de Aislamiento Normalizado o Asignado Vw
Voltaje Máximo para los equipos Vm kV
r.m.s.
Tensión soportada de corta duración,
frecuencia industrial, kV r.m.s.
Tensión soportada a impulsos
atmosféricos. kV pico
3,6 102040
7,2 204060
12 28607595
17,5 387595
24 5095
125145
36 70145170
52 95 25072,5 140 325
100(150)185
(380)450
123(185)230
450550
145(185)230275
(450)550650
170(230)275325
(550)650750
245
(275)(325)360395460
(650)(750)8509501050
Vw Para Sobretensiones Temporales
Vw Para Aislamiento Externo
Vw Para Aislamiento Interno
Vw Para Sobretensiones de Frente Rápido
Vw Para Aislamiento Externo
Para Equipos Directamente Protegidos T 4, T 5, T 10, T 25 MVA
Para el resto de los Equipos Pararrayos 1 y Pararrayos 2
Para el resto de los Equipos Pararrayos 1 y Pararrayos 2
Nivel de Aislamiento Para 69 kV
NIVEL DE AISLAMIENTO (kVpico f-t)
Aislamiento Externo Aislamiento InternoSobretensiones temporales para todo el equipo
140 140
Sobretensiones de frente rápido o atmosféricas
325 325
Vw Para Aislamiento Interno
Para Equipos Directamente Protegidos T 4, T 5, T 10, T 25 MVA
NIVEL DE AISLAMIENTO (kVpico f-t)
Aislamiento Externo Aislamiento InternoSobretensiones temporales para todo el equipo
70 70
Sobretensiones de frente rápido o atmosféricas para el transformador
170 145
Nivel de Aislamiento Para 24,9 kV
Nivel de Aislamiento Para 10 kV
NIVEL DE AISLAMIENTO (kVpico f-t)
Aislamiento Externo Aislamiento InternoSobretensiones temporales para todo el equipo
28 28
Sobretensiones de frente rápido o atmosféricas para el transformador
95 75
SIMULACIÓN EN EL PROGRAMA ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM (ATP)
Modelación de Sobretensiones de Frente Rápido
Líneas de Transmisión
Equipos de la Subestación
Pararrayos
Fuente Tipo Rayo
FUENTE CORRIENTET1
[µs]T2
[µs]Tipo Rayo 20 1,2 50
Resultados Obtenidos
• Fase A: 1047 kV• Fase B: 697 kV• Fase C: 678 kV
Impacto del Rayo
• Fase A: 317 kV• Fase B: 190 kV• Fase C: 302 kV
Pararrayos a la Entrada de la Subestación
• Fase A: 310 kV• Fase B: 185 kV• Fase C: 315 kV
Pararrayos Cerca al Transformador T 4
• Fase A: 318 kV• Fase B: 191 kV• Fase C: 317 kV
Tensiones en las Fases del Transformador
Estas tensiones se encuentran por debajo del nivel de aislamiento para impulsos atmosféricos calculado (325 kV), por lo que se establece que la instalación no tendrá inconvenientes ante rayos de 20 kA.
ANÁLISIS TÉCNICO
Selección de los Niveles de Aislamiento
Nivel de Tensión en la Instalación [kV]
BIL [kV]
69 45024,9 17010 110
Nivel de tensión
de la instalación
Nivel de Aislamiento a
Frecuencia Industrial [kV]
Nivel de Aislamiento a Impulso Tipo
Rayo [kV]69 kV 140 32524,9 70 17010 28 95
BIL Actuales de la Subestación
Nivel de Aislamiento del procedimiento
ANÁLISIS ECONÓMICO
Detalle CantidadPrecio $us
Unit. TotalPararrayos ABB de 60 kV 6 1500 9000
Montaje de Pararrayos 6 147 882Total 1647 9882
Costo de Inversión del Proyecto
Innovación de los Pararrayos
Detalle CantidadPrecio $us
Unit. TotalPararrayos ABB de 60 kV 9 1500 13500
Pararrayos de 48 kV 9 900 8100Pararrayos de 21 kV 9 300 2700
Montaje de Pararrayos 27 147 3969Total 2847 28269
CONCLUSIONES
Desarrollando un estudio de las sobretensiones en todos los niveles de tensión en la Subestación Aranjuez se identificó diferentes tipos de sobretensiones y se estimo sus valores, a partir de estos se desarrollo la selección de los pararrayos y los niveles de aislamiento.
Se caracterizó los distintos tipos de aislamiento que existen en la Subestación Aranjuez, a partir de los cuales se seleccionó adecuadamente los niveles de aislamiento.
Se seleccionó los pararrayos a partir de las sobretensiones estimadas anteriormente para los diferentes niveles de tensión, satisfaciendo los requerimientos del sistema, además se recomendó añadir pararrayos en dos transformadores T 4 y T 5 del patio de 69 kV, logrando de esta manera una configuración óptima que proteja eficientemente los equipos de la Subestación Aranjuez en todos sus niveles de tensión.
Desarrollando el estudio de Coordinación de Aislación se determinó los Niveles de Aislamiento para la Subestación Aranjuez en todos sus niveles de tensión, con los pararrayos adicionales en dos transformadores T 4 y T 5 del patio de 69 kV, logrando un nivel de aislamiento óptimo para los equipos de la Subestación, garantizando su funcionamiento y protección ante sobretensiones.
Desarrollando la simulación mediante el programa ATP, se verificó que los niveles de aislamiento seleccionado en el estudio de coordinación de aislación son los correctos ya que soportan eficientemente ante una descarga de 20 kA.
RECOMENDACIONES
Se recomienda una innovación tecnológica en la Subestación Aranjuez para los equipos que ya están cumpliendo su vida útil, para de esta manera tener mejores características eléctricas y mecánicas, mayor seguridad y calidad de servicio.
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN