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PROYECTO AMPLIACIÓN 17 SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS REQUERIMIENTOS GENERALES

SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV Y FRIASPATA 220 kV GIS

DOCUMENTO PE-AM17-GP030-GEN-D048

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0 Emisión inicial. 2015-09-28

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Doc.: PE-AM17-GP030-GEN-D048

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ESPECIFICACIONES TÉCNICAS – REQUERIMIENTOS GENERALES

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TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETIVO .................................................................................................................. 5

2. UBICACIÓN DEL PROYECTO .................................................................................... 5

3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................... 5

4. CRITERIOS DE DISEÑO Y RESULTADOS ................................................................ 6

4.1 CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO ...................................................................... 6

4.2 DISPOSICIÓN FÍSICA ................................................................................................ 7

5. REQUERIMIENTOS SÍSMICOS ................................................................................ 13

5.1 CRITERIOS Y PARÁMETROS .................................................................................. 13



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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Localización geográfica en coordenadas UTM Datum WGS84. ............................... 5 Tabla 2: Alternativas para el cambio de configuración del proyecto. ...................................... 5 Tabla 3: Características eléctricas del sistema 220 kV. ......................................................... 6 Tabla 4: Sistemas de servicios auxiliares. .............................................................................. 7 Tabla 5: Características ambientales. .................................................................................... 7 Tabla 6: Parámetros para selección de distancias críticas y de seguridad. ............................ 8



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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Espectro de respuesta requerido. (Espectro de servicio) ...................................... 14



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1. OBJETIVO

Este documento tiene como objetivo describir los requerimientos generales del proyecto para el cambio de configuración y ampliación de la Subestación Friaspata 220 kV.

Para el cambio de configuración de la subestación se contempla dos alternativas:

- Cambio de configuración utilizando equipos aislados en gas SF6, tecnología GIS.

- Cambio de configuración utilizando equipos aislados en aire, equipos convencionales.

La opción a implementar en el desarrollo del proyecto será definida por ISA-REP.

2. UBICACIÓN DEL PROYECTO

El proyecto está ubicado en el departamento de Huancavelica. En la siguiente tabla se muestra la localización geográfica de la subestación:

Tabla 1: Localización geográfica en coordenadas UTM Datum WGS84.

DESCRIPCIÓN VALOR

Zona 18 L

Este (m) 505 160

Norte (m) 8 586 682

3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

A continuación se describen los alcances del proyecto.

- Obras asociadas al cambio de configuración de la subestación. Ver alternativas de

desarrollo en la Tabla 2.

- Adecuación de dos (02) celda de transformación existente en 220 kV con la nueva

configuración de la subestación.

- Adecuación de dos (02) celdas de líneas existentes en 220 kV con la nueva configuración

de la subestación.

- Implementación de tres (03) celdas de línea en 220 kV.

- Espaciamiento para dos (02) celdas de línea futuras en 220 kV.

Tabla 2: Alternativas para el cambio de configuración del proyecto.

TECNOLOGÍA DE EQUIPOS

CONFIGURACIÓN ACTUAL CONFIGURACIÓN FINAL

Equipos convencionales AIS

Simple barra Doble barra con seccionador de

transferencia

Equipos GIS Simple barra Doble barra.



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4. CRITERIOS DE DISEÑO Y RESULTADOS

En este numeral se describen los principales criterios y metodologías para el diseño. Se conservarán las características del sistema existente.

4.1 CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO

4.1.1 Características eléctricas

Tabla 3: Características eléctricas del sistema 220 kV.

* Los niveles de aislamiento se encuentran corregidos para la altitud de instalación del proyecto.

PARÁMETROS UNIDAD VALOR

a. Tensión de operación del sistema. kV 220

b. Tensión máxima de operación. kV 245

c. Frecuencia asignada. Hz 60

d. Nivel de aislamiento:

Tensión asignada de soportabilidad a frecuencia industrial

(Ud), a la altura de la instalación. (*) kV -

Tensión asignada de soportabilidad al impulso tipo rayo

(Up), a la altura de la instalación. (*) kV 1 300

Tensión asignada de soportabilidad de maniobra entre

fases (Uw), a la altura de la instalación. (*) kV 950

e. Puesta a tierra (sólido / a través de alta impedancia /

aislado). Tipo Sólido

f. Corriente de corta duración admisible asignada.

Para especificación de equipos. kA 40

Para diseño de la instalación. kA 40

g. Máxima duración admisible del cortocircuito.

Para especificación de equipos. s 1

Tiempo de aclaración de la falla para protección principal. ms 100

Tiempo de aclaración de la falla para protección de

respaldo. ms 300

h. Distancia de fuga mínima, fase – fase. mm/kV 25

i. Identificación de fases. - R, S, T



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Tabla 4: Sistemas de servicios auxiliares.

DESCRIPCIÓN VALOR

Sistema de corriente alterna.

Tensión, 3 fases - cuatro hilos, (Vca). 380/220

Margen de tensión, (%). 85-110

Frecuencia asignada, (Hz). 60

Sistema de corriente continua.

Tensión asignada, (Vcc). 220

Margen de tensión, (%). 85-110

4.1.2 Características ambientales

Tabla 5: Características ambientales.

PARÁMETROS UNIDAD VALOR

a. Altura sobre el nivel del mar. m.s.n.m. 3 730

b. Temperatura:

Mínima anual. oC 3

Media anual. oC

9,2

Máxima anual. oC

16

c. Nivel ceráunico días/año 60

d. Velocidad máxima del viento km/h 104

e. Características sísmicas.

Aceleración horizontal g 0,5

Aceleración vertical g 0,3

Nota: Estos datos fueron extraídos de la página www.senamhi.gob.pe y CNE – Suministro 2011.

4.2 DISPOSICIÓN FÍSICA

4.2.1 Coordinación de aislamiento

La coordinación de aislamiento se basará en la aplicación de los criterios básicos del método convencional de coordinación de aislamiento establecidos en la última revisión de la norma IEC-60071, “Insulation coordination” parte 1 de 2006, "Definitions, principles and rules" y parte 2 de 1996 “Application guide. Las sobretensiones máximas se calcularán considerando



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la puesta a tierra del sistema y las características de protección y localización de los pararrayos.

4.2.2 Selección de distancias críticas y de seguridad

Se calcularán a partir de los niveles de aislamiento resultantes del estudio de coordinación de aislamiento, y siguiendo las recomendaciones de las siguientes normas en sus últimas disposiciones:

IEC 60071-1, “Insulation coordination, Part 1: Definitions, principles and rules”.

IEC 60071-2, “Insulation coordination, Part 2: Application guide”.

IEC 61936-1, “Power installations exceeding 1 kV a.c. – Part 1: Common rules”

IEC 60815-1, “Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions - Part 1: Definitions, information and general principles”.

IEC 60815-2, “Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions - Part 2: Ceramic and glass insulators for a.c. systems”.

Código Nacional de Electricidad del Perú (CNE – Suministro 2011).

A continuación se presenta un resumen con los valores obtenidos para el diseño de la disposición física de las ampliaciones de las subestaciones asociadas al proyecto:

Tabla 6: Parámetros para selección de distancias críticas y de seguridad.

DESCRIPCIÓN VALOR PARA 220 kV

a. Distancia fase – tierra (mm)

Punta – estructura 2 900

Conductor – estructura 2 400

b. Distancia fase – fase (mm)

Punta – conductor 3 600

Conductor paralelo 3 100

c. Características de los pararrayos.

Tensión asignada, Ur. 198 kV

Tensión continua de operación, Uc. 158 kV

Corriente nominal de descarga, Ir. 10 kA

d. Tasa de falla aceptable en equipos (número de

fallas/año). 1/100

e. Tasa de salida de líneas aéreas por año en los

primeros 100 kilómetros de la subestación

(fallas/[100 km.año]).

1

Nota: Para el caso del equipo GIS 220 kV, será el fabricante el encargado de verificar y garantizar las distancias eléctricas.



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4.2.3 Diseño eléctrico

4.2.3.1 Selección y dimensionamiento de conductores, barrajes, aisladores, terminales y conectores.

El diseño de los barrajes donde aplique, se basará en las recomendaciones del CIGRÉ, grupo de trabajo WG-02-SC23 (1987) "The mechanical effects of short circuit currents in open air substations" y en la norma IEC 60865 "Calculation of the effects of short - circuit currents" y en los diferentes estudios de flujos de carga.

El cálculo de cargas electromecánicas en barrajes y equipos se harán teniendo en cuenta los efectos de cortocircuito, viento y sismo, para determinar las características de soportabilidad mecánica en los aisladores y terminales de los equipos.

4.2.3.2 Selección de equipos de patio.

En la revisión de selección de equipos de patio se tendrá en cuenta lo siguiente:

Niveles de aislamiento.

Corriente de servicio y corriente de cortocircuito asignadas.

Distancias de fuga.

Tensiones auxiliares.

Espectro sísmico.

El fabricante deberá garantizar los parámetros eléctricos a la altura de instalación especificada de la subestación.

Los equipos de patio AIS, sus accesorios y equipos GIS, deberán ser diseñados y garantizados de acuerdo con los parámetros ambientales (altura sobre el nivel del mar, temperatura ambiente, humedad relativa, nivel ceráunico, presión atmosférica, precipitación anual, presión básica de viento y radiación solar) y parámetros del sistema.

Todos los equipos de patio y materiales de conexión tendrán que cumplir con lo especificado en los siguientes documentos:

Especificaciones técnicas – Diseño, fabricación y pruebas de equipos de alta tensión y materiales de conexión.

Características técnicas garantizadas – Diseño, fabricación y pruebas de equipos de alta tensión y materiales de conexión.

Especificaciones técnicas – Diseño.

4.2.4 Diseño mecánico

4.2.4.1 Condiciones sísmicas de equipos.

La verificación del cumplimiento y cualificación sísmica de los equipos de la subestación, se hará mediante un procedimiento de cálculo en donde se demuestre, mediante una verificación analítica, que los equipos son aptos para soportar movimientos sísmicos, ajustándose a los criterios de aceptación estipulados en la norma IEEE Std. 693-2005.



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Los cálculos para la verificación sísmica se ejecutarán con el espectro sísmico de diseño propio de cada subestación. Se utilizará para los cálculos la frecuencia y el porcentaje de amortiguamiento propios garantizados de los equipos; en caso de no disponerse de estos valores se debe utilizar 2,5 Hz y 2 %, respectivamente. Las aceleraciones máximas verticales deben ser consideradas como el 67 % de las máximas horizontales.

4.2.4.2 Estructuras metálicas

4.2.4.2.1 Generalidades

Se debe configurar, dimensionar y diseñar las diferentes estructuras para los soportes de equipos como de las columnas para pórticos de subestaciones de acuerdo con las dimensiones y requerimientos de los equipos, los requerimientos eléctricos en cuanto a distancias de seguridad, disposición física, alturas de conexión y niveles de adecuación del terreno y ajustándose a los requerimientos del manual No 52 "Guide for Design of Steel Transmission Towers" de la "American Society of Civil Engineers (ASCE)" y/o del manual "Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings" del “American Institue Steel Construction (AISC)”.

Para garantizar seguridad en las maniobras de operación de los patios de las subestaciones se debe considerar la altura mínima de soportes de equipos de 2,3 m, en los casos donde aplique se puede considerar la parte metálica en la base que poseen algunos equipos para cumplir con esta altura mínima.

Los pórticos de entrada, pórticos de barrajes y estructuras de soportes para equipos serán del tipo celosía en acero galvanizado en caliente y se deben configurar, dimensionar y diseñar de acuerdo con las dimensiones nominales y con los requerimientos mínimos de rigidez y resistencia para soportar las cargas de tiro, viento, cortocircuito, peso propio (incluido equipos, conductores, herrajes, etc.) y sismo.

4.2.4.2.2 Cargas

Las estructuras metálicas para los pórticos y los soportes de equipos de patio de la subestación estará sometido a cargas de tensión estática y electrodinámica de cortocircuito sobre los conductores en templas y barrajes, cables de guarda y conductores de conexionado entre los equipos; cargas asociadas a las estructuras como equipos, accesorios de anclaje (cadenas de aisladores y herrajes), plataformas, mandos, cargas de accionamiento de equipos y las cargas de peso propio, viento, sismo, montaje y mantenimiento.

4.2.4.2.2.1 Cargas de conexión sobre estructuras de pórticos y soportes de equipos.

Para el cálculo de cargas de conexión sobre pórticos de líneas y barrajes, se utilizará toda la información necesaria sobre las características del conductor, de los aisladores y herrajes de los anclajes; así como los datos de temperatura ambiente (máxima, media y mínima), altura sobre el nivel del mar, separación entre fases, desnivel entre los puntos de conexión, velocidad básica del viento, parámetros eléctricos y físicos para definir los efectos de cortocircuito de acuerdo con la publicación del Cigré “The mechanical effects of short circuit currents in open air substations” 1997/2002.



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4.2.4.2.2.2 Cargas de peso propio.

Se deben estimar las cargas de peso propio de las estructuras de acuerdo con las propiedades asignadas en la etapa de diseño a los elementos que conformarán las columnas y soportes de equipos, adicionando el peso de las platinas, elementos de conexión y galvanizado.

Los pesos propios de los equipos que serán soportados por las estructuras deben ser determinados con base en las propiedades de los equipos a suministrar. Así mismo se deben considerar los pesos propios y la ubicación de las cajas de mando y de los mecanismos de accionamiento, entre otros.

4.2.4.2.2.3 Cargas de viento.

Para la estimación de las cargas de viento sobre las estructuras se debe seguir la metodología ilustrada en el documento de "Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading", Manual No 74 de la ASCE y la velocidad de viento asociada al sitio del Proyecto de acuerdo con la última versión del CNE (Código Nacional de Electricidad).

4.2.4.2.2.4 Cargas de sismo.

Para el cálculo de las cargas de sismo horizontal sobre las estructuras se debe utilizar un método de análisis dinámico reconocido, empleando los espectros últimos de diseño para el 5% de amortiguamiento, definidos en el estudio de amenaza sísmica realizado para el sitio del Proyecto a partir de una aceleración esperada en terreno firme de 0,5 g.

Las componentes verticales de los movimientos sísmicos de diseño se deben tomar como las dos terceras partes de los valores correspondientes a los efectos horizontales y se aplicarán tanto en la dirección de la gravedad como en la dirección contraria a ésta, las cargas serán aplicadas en dirección transversal y vertical en un caso y en dirección longitudinal y vertical en otro caso.

Para pórticos y soportes de equipos, el factor de reducción de respuesta R debe ser igual a 2,5 y 1,0 respectivamente salvo un análisis elastoplástico de conexiones de la estructura que permita estimar la magnitud de la disipación de la energía.

4.2.4.2.2.5 Cargas de montaje y mantenimiento.

Se tendrán en cuenta dentro del diseño de las estructuras las cargas debidas al montaje y mantenimiento de los conductores, cables de guarda y equipos.

4.2.4.2.3 Combinaciones de carga y factores de sobrecarga.

Todas las estructuras metálicas para las subestaciones del Proyecto deben ser diseñadas para la combinación más crítica de carga a tiro unilateral. Los eventos de carga correspondientes a las combinaciones de peso propio, viento, tiro, cortocircuito y sismo horizontal y vertical, deben tener los siguientes factores de sobrecarga:

P1 = 1,5 Pp + 1,7 Ct

P2 = 1,2 Pp + 1,7 Ct + 1,3 Cv



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P3 = 1,2 Pp + 1,3 Ct + 1,0 Csx,y + 0,3 Csx,y +/- 1,0 Csv

P4 = 1,2 Pp + 1,1 Cc

Para los estimativos de las deflexiones máximas y cargas en servicio a nivel de fundación en las estructuras, se deben considerar las siguientes combinaciones:

P6 = 1,0 Pp + 1,0 Cc

P7 = 1,0 Pp + 1,0 Ct + 1,0 Cv

P8 = 1,0 Pp + 1,0 Ct + 0,7 Csx,y +0,21 Csx,y +/- 0,7 Csv

Donde:

Pi : Combinación de carga

Pp : Peso propio de la estructura, equipos, accesorios y conductores de la conexión

Cv : Cargas de viento sobre equipos y estructuras

Ct : Cargas por tiro de los conductores de conexión, se debe considerar tiro unilateral (un solo sentido, caso más desfavorable).

Cc : Cargas sobre conductores por efecto de cortocircuito

Cs : Cargas por sismo horizontal sobre conductores, equipos y estructuras, obtenidos con coeficientes sísmicos últimos.

Csv : Cargas por sismo vertical sobre conductores, equipos y estructuras, obtenidos con coeficientes sísmicos últimos.

4.2.4.2.4 Diseños estructurales.

El diseño de las estructuras será tal que se busque la sencillez de construcción y por consiguiente la facilidad de transporte, montaje e inspección. Se evitarán las cavidades y depresiones en donde se pueda acumular el agua. En caso de que algunas no puedan ser evitadas, se proveerán orificios de drenaje apropiados.

En los casos en que se requieran diseños especiales como soportes para interruptores es posible la utilización de perfiles de alma llena, proporcionando la rigidez necesaria para el adecuado funcionamiento de los equipos. Se utilizarán los siguientes tipos de aceros:

Acero de alta resistencia (ASTM A-588, A-572 ó A-242), para los elementos principales (montantes y diagonales), en caso que los esfuerzos calculados demuestren la necesidad de dichos materiales.

Acero de resistencia normal (ASTM A-36) para elementos secundarios. Se considerará aceptable el uso de este material para los elementos principales siempre y cuando se justifique satisfactoriamente en las memorias de cálculo.

4.2.4.3 Obras civiles e infraestructura básica

En general los diseños se harán ajustándose en lo pertinente a los requisitos establecidos en el Reglamento Nacional de Construcciones, normas técnicas aplicables, E.030 Diseño



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Sismo-resistente y con base en las normas de la IEEE, ACI, ASCE, AASHTO y ASTM; en las ampliaciones de subestaciones, se conservarán los diseños existentes.

5. REQUERIMIENTOS SÍSMICOS

Los equipos y las estructuras deben cumplir los requisitos de resistencia y desempeño sísmico de acuerdo con las condiciones sísmicas del sitio de las subestaciones. El uso de amortiguadores o sistemas de aislamiento en la base podrán ser requeridos para mejorar el desempeño sísmico de los equipos, con el fin de cumplir con los requisitos de esta especificación.

5.1 CRITERIOS Y PARÁMETROS

Se debe suministrar la verificación sísmica de cada equipo mediante un procedimiento analítico, con su correspondiente memoria, la cual debe ser entregada a ISA-REP para su aprobación. Dicha verificación sísmica se debe realizar con base en la publicación IEEE Std. 693-2005 “Recommended Practice for Seismic Design of Substations”.

Las solicitaciones sísmicas deben ser determinadas a partir del espectro respuesta que se muestra en la Figura 1, que corresponde a “High required response spectrum”, Figura A1 de IEEE Std. 693-2005, con aceleración pico del suelo para periodo cero (Peak Ground Acceleration, ZPA) de 0,5 g.

Adicionalmente, el espectro de respuesta debe ser amplificado por un factor de 1,2 con el fin de considerar los efectos locales de suelo.

Para la verificación sísmica de los equipos, únicamente serán aceptables métodos dinámicos, tales como análisis dinámico espectral y análisis dinámico de Tiempo-Historia o pruebas en mesa vibratoria. En ningún caso será aceptable el método de análisis estático.

Algunos aspectos de especial importancia a tener en cuenta son:

Las características dinámicas de cada equipo, tales como la frecuencia natural de vibración y el porcentaje de amortiguación, deben ser demostradas mediante las pruebas de oscilación. En caso de no disponer de dichas pruebas se deberá utilizar en los cálculos una frecuencia de 2,5 Hz y un porcentaje de amortiguamiento respecto al crítico del 2 %.

La resistencia mecánica del equipo debe ser evaluada y demostrada mediante protocolos de prueba de resistencia mecánica a la flexión (MBL) para definir la resistencia o esfuerzo último de rotura, el cual se tomará como el promedio de los resultados obtenidos menos dos veces la desviación estándar (ds) del lote ensayado (MBL – 2ds).

Para el caso de materiales no dúctiles, tales como porcelanas, polímeros y elementos metálicos de fundición, los esfuerzos o fuerzas aplicadas deberán ser inferiores o iguales al 50 % de su esfuerzo o fuerza última (rotura). Es decir, se debe considerar un factor de seguridad mayor o igual a 2, como se indica en la norma IEEE Std. 693-2005 A.2.

Para el caso de materiales dúctiles, tales como el acero, los esfuerzos deberán ser inferiores o iguales al 80 % de su esfuerzo de fluencia. Es decir, se debe considerar un factor de seguridad mayor o igual a 1,25.



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Se debe considerar el efecto de la estructura de soporte. En caso de no considerarse el efecto de la estructura de soporte en el modelo de análisis, el espectro de respuesta debe ser amplificado por un factor de 1,5.

La aceleración horizontal deberá ser tomada a partir del espectro de respuesta que se muestra en la Figura 1 y la aceleración vertical se deberá considerar como el 80 % de la aceleración horizontal máxima. Se realizarán los análisis considerando la aplicación de la carga en la dirección más desfavorable, considerando las componentes horizontales y verticales de manera.

Para la verificación sísmica de los equipos se deberá considerar las siguientes combinaciones de carga:

P1 = Pp + Ct + Cc P2 = Pp + Ct + Csh + Csv

Figura 1: Espectro de respuesta requerido. (Espectro de servicio)

(IEEE Std. 693-2005, Figura A1) Dónde: Pi : Combinación de carga.



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Pp : Peso propio.

Ct : Cargas por tiro de los conductores de conexión.

Cc : Cargas sobre conductores por efecto de cortocircuito.

Csh : Cargas por sismo horizontal.

Csv : Cargas por sismo vertical.

Para la estimación de las cargas inducidas por cortocircuito, se deben considerar los criterios de la norma IEC 60865, “Short-Circuit Currents calculation of effects”.

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