4. CARACTERÍSTICAS GENERALES
4.6. DISTANCIA MÍNIMA ENTRE FASES POR CAUSA DEL TIPO DE
A la hora de la disposición de la aparamenta en la subestación, es preciso tener en cuenta las limitaciones impuestas por los distintos fabricantes de aparamenta de los datos de partida de los parques:
4.6.1. Seccionadores
Para un seccionador tripolar de tres columnas con apertura horizontal, y comprobando entre distintos fabricantes, se tiene:
Tensión (kV) Tensión (kV) Tensión (kV)
Tensión (kV) Mínima m Máxima m Longitud m
245 3.5 4.5 3.63
145 2.5 4.5 2.73
72.5 1.5 1.5 1.59
Para los seccionadores pantógrafos, tomando como fabricante MESA, no tengo limitación más restrictiva que la expuesta para los seccionadores horizontales.
4.6.1. Interruptores
En el caso de los interruptores y dado que se tomará solamente un interruptor tripolar para 245 de Siemens, es obligatorio mantener:
- Distancia entre polos: 2.8 m. - Longitud: 0.8 m
- Alto: 5.22 m - Ancho: 6.6 m
4.6.2. Pararrayos o autoválvulas
En el caso de los autoválvulas, las distancias fase-fase y fase tierras a respetar, con anillo de guarda incluido son:
Tensión kV Distancias mínimas m
245 2
145 1.4
72.5 0.8
5.
Aparamenta
A continuación se describirán los aparatos utilizados en las distintas posiciones. - Seccionadores
- Autoválvulas - Interruptores
- Transformadores de intensidad - Transformadores de tensión
- Tranformadores (a la hora del estudio de la estructura de soporte, este transformador no será tenido en cuenta ya que para su soporte se
utiliza una bancada y este tipo de soporte no es objeto de este proyecto).
5.1.
Transformadores
Los transformadores son uno de los elementos más importantes de la subestaciones de transporte y distribución ya que permiten elevar o descender el valor de la tensión según sea conveniente en cada caso.
Normalmente, a los niveles de tensión considerados en este proyecto, es el cliente el que da las especificaciones técnicas del transformador al fabricante para que éste pueda suministrarlo, debido a que según el tipo de subestación que se realice se necesitará un transformador de unas características determinadas.
5.2.
Aparamenta convencional
Como aparamenta convencional se entienden aquellos aparatos de corte, maniobra y medida.
5.2.1. Interruptor
Es el elemento más importante, debe ser capaz de poder abrir el circuito en condiciones de carga y en condiciones de falta.
A la hora de seleccionar el tipo de interruptor que se instalará en la subestación, hay que tener en cuenta una serie de parámetros.
1. Tensión nominal de la subestación
2. Corriente nominal que circulará por la posición, si el interruptor se localiza en una posición, o por los embarrados, si el interruptor se encuentra entre barras.
3. Nivel de aislamiento: que fija el aislamiento que deben soportar los elementos dependiendo de la tensión a la que se opere en la subestación.
4. Frecuencia de operación de la red.
En este proyecto se usarán interruptores de intemperie para tensiones superiores a 66 kV.
Nivel de tensión (kV) 230 132 66
Interruptor 3AP1-F1 245 de Siemens
ABB LTB-D 170kV ABB EDF SK36 84 kV
Las esecificaciones técnicas se adjuntan en el anexo A.
5.2.2. Seccionador
Los seccionadores son elementos que aseguran un corte visible entre circuitos. Estos elementos no pueden abrir en carga.
A. Seccionadores giratorios de tres columnas:
Las estructuras soportes estudiadas serán para seccionadores giratorios de tres columnas. La siguiente tabla muestra las características generales de los seccionadores Mesa. MESA MESA MESA MESA Seccionador de 3 Columnas Seccionador de 3 Columnas Seccionador de 3 Columnas Seccionador de 3 Columnas Modelo Modelo Modelo Modelo SG3CT 72/1250 SG3CT 145/2000 SG3CT 245/2000 Tension nominal kVkVkVkV 72.572.572.572.5 145145145145 245245245245 Intensidad nominal AAAA 1250 2000 2000
Valor cresta de la intensidad kAkAkAkA 80 100 125 Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros
Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros
A tierra kVkVkVkV 325 650 1050
entre contactos kVkVkVkV 375 750 1200
Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 minTensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min
A tierra kVkVkVkV 140 275 460 entre contactos kVkVkVkV 160 315 530 Aislador Aislador Aislador Aislador C4-325 C4-650 C4-1050
Altura según CEI Altura según CEI Altura según CEI
Altura según CEI mmmmmmmm 770 1500 2300
Peso Peso Peso
Peso kgkgkgkg 580 1505 2160
B. Seccionadores Pantógrafos:
Se usan cuando en una subestación, se deben conectar aparatos a varios embarrados o tendidos altos en paralelo. El seccionador pantógrafo permite establecer una derivación, además ocupa menos superficie que el de columnas ya que se coloca directamente debajo de las barras. El seccionador pantógrafo se suele usar para niveles de tensión superiores o iguales a 132 kV, en este proyecto
para el nivel de tensión de 66 kV se tiene una configuración de Simple barra, por estas dos razones no se incluye en la aparamenta ni de 132 ni de 66kV.
La tabla siguiente muestra las características generales de los seccionadores pantógrafos elegidos. Mesa Mesa Mesa Mesa Seccionador Pantógrafo Seccionador Pantógrafo Seccionador Pantógrafo Seccionador Pantógrafo Modelo Modelo Modelo Modelo SP-132/2000 SP-245/4000 Tensión nominal kVkVkVkV 145145145145 245245245245 Intensidad nominal AAAA 2000 2000
Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 microsTensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros Tensión de ensayo soportada a impulso rayo 1.2/50 micros
a tierra kVkVkVkV 650 1050
entre contactos kVkVkVkV 750 1200 Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 minTensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min Tensión de ensayo soportada a frecuencia industrial 1 min
a tierra kVkVkVkV 275 460
entre contactos kVkVkVkV 315 530
Aislador AisladorAislador
Aislador C4-650 C4-1050
Altura según CEI Altura según CEIAltura según CEI
Altura según CEI mmmmmmmm 1500 2300 Peso
PesoPeso
5.2.3. Transformadores de Intensidad
Su función es la medida y la protección. El tipo de transformador que se utilizará será normalmente de doble secundario.
La relación de transformación será aquella que se ajuste a la intensidad nominal del sistema. La forma de ajustar es que se mida en el último cuarto de escala la tensión nominal del sistema, sin sobrepasar la intensidad nominal del aparato. La intensidad nominal del secundario será de 5 A de forma estándar, que es el valor común en España, también se podría usar el valor de 1 A como se hace de forma habitual en otros países.
Los equipos de medida, se montarán en uno de los secundarios. Se utilizarán normalmente equipos de una clase de precisión de 0.2S, para poder medir ente el 20% y 120% con error asegurado.
Los equipos de protección irán instalados en un secundario distinto a los de medida. La clase de precisión que se utilizará normalmente será de 5P20, pudiendo variarse el límite superior en función de la corriente de cortocircuito.
En el proyecto los transformadores de intensidad que se han elegido para realizar el estudio de la estructura son:
230 kV 132 kV 66 kV
Transformadores de intensidad
5.2.4. Transformadores de tensión.
Los transformadores de tensión tendrán varios secundarios para poder separar los circuitos de medida de los de protección.
La tensión nominal del primario será la tensión nominal del sistema fase-tierra, y la del secundario 110/√3 para cada uno de los secundarios, salvo que se indique lo contrario. El tipo de transformador a usar será de tipo inductivo hasta una tensión de 66 kV y capacitivo para tensiones mayores de 66 kV. En este proyecto se ha cogido tanto un transformador de tensión capacitivo como inductivo para cada tensión y como se verá más tarde a nivel de estructura no influye el tipo de transformador de tensión tomado porque las estructuras son iguales. Los transformadores de tensión elegidos son:
230 kV 132 kV 66 kV
Transformador Inductivo
UTF 245 Arteche UTE 145 Arteche UTC 72 Arteche
Transformador Capacitivo
DFK 245 Arteche DBD 145 Arteche DBD 72 Arteche
5.2.5. Autoválvulas
Los pararrayos o autoválvulas escogidos en este proyecto, son suministrados por siemens. Salvo que se indique lo contrario, y según la recomendación de CEI 99-5, Recomendación para la selección y utilización de pararrayos, se utilizarán pararrayos preferentemente con una capacidad nominal de descarga de 10 kA. Los pararrayoe elegidos son:
230 kV 132 kV 66 kV
6.
Embarrados
Los embarrados deben ser diseñados en cada paso , en función de las características de la subestación. Los parámetros que más influyen a la hora de diseñar los embarrados son:
- Tensión nominal
- Intensidad de cortocircuito - Nivel de asilamiento
En este proyecto se ha elegido la opción de utilizar tubo en lugar de cable. Antes de tomar esta solución se hizo un estudio de lo más utilizado en las subestaciones que se ofertan en la empresa Soluziona y también se consultó a personas especializadas en subestaciones.
Para calcular los embarrados se deberá determinar el diámetro del tubo, su sección y las distancias entre fase y tierra. Se deberá realizar un cálculo eléctrico y mecánico del conductor. Este estudio se incluye en los cálculos realizados en el proyecto ya que uno de los esfuerzos que influyen a la hora de dimensionar una estructura es el esfuerzo producido por cortocircuitos.
7.
Estructuras
Una vez que se tienen definidos los aparatos que constituirán la subestación y los tubos que formarán los embarrados, se pasará al cálculo de las estructuras soporte de la aparamenta.
El estudio de la estandarización de las estructuras soporte de la aparamenta se ha basado en la estandarización de las estructuras soporte de subestaciones realizadas por la empresa Soluziona. Del estudio de las subestaciones ofertadas por Soluziona se llegó a determinadas conclusiones:
1. La configuración de embarrados en cada nivel de tensión es: 230 kV 230 kV230 kV 230 kV 132 kV132 kV132 kV132 kV 66 kV66 kV66 kV66 kV Configuración de Configuración de Configuración de Configuración de embarrados embarrados embarrados embarrados
Doble Barra Doble Barra Simple Barra
2. Las estructuras sobre las que se va a hacer el estudio, serán estructuras en apresillado . Se ha elegido esta opción sobre la opción de alma llena debido, a que estas estructuras son más ligeras y suponen un menor coste en acero. El caso de estructuras de celosía no se ha considerado debido a que no se ha encontrado ningún modelo de perfil sobre el cual hacer los estudios para la posterior estandarización.
3. Un vez elegido el tipo de perfil que tendrá la estructura, se pasa al cálculo de los esfuerzos que habrá que tener en cuenta para la estandarización de ésta. Este apartado será desarrollado con mayor detalle en la sección de cálculos.
4. Tras saber los esfuerzos a tener en cuenta para poder realizar el análisis de la estructura, se procederá a realizar dicho análisis. EL estudio de cada estructura, se ha llevado a cabo calculando los esfuerzos en tres caso diferentes: -.Caso uno: Tomando la normativa para estructuras metálicas de España: Velocidad del viento = 120km/h
Sin esfuerzo sísmico
Fuerza de cortocircuito correspondiente a cada nivel de tensión y teniendo en cuenta las distancias de separación.
-. Caso dos: Tomando normativa para estructuras metálicas de México: Velocidad del viento = 160km/h
Sin esfuerzo sísmico
Fuerza de cortocircuito correspondiente a cada nivel de tensión y teniendo en cuenta las distancias de separación.
-. Caso tres: Tomando normativa para estructuras metálicas de México: Velocidad del viento = 160km/h
Con esfuerzo sísmico y una sobrecarga sísmica de 0.5g, considerado para la zona B que se corresponde con grado de peligrosidad sísmica medio o alto y una seguridad media. Sobre la estructura se tomarán seis modos. En el estudio por sismo se considera que los esfuerzos verticales son despreciables frente a los horizontales que actúan en las direcciones X e Y.
Fuerza de cortocircuito correspondiente a cada nivel de tensión y teniendo en cuenta las distancias de separación.
La normativa empleada en cada caso es la que fija los coeficientes de ponderación que asignan la importancia que cada uno de estos esfuerzos tendrá en las distintas situaciones estudiadas. Atendiendo a la normativa empleada, los coeficientes de ponderación serán:
Caso uno: 1.33* Peso propio + 1.33* sobrecargas de uso + 1.5*esfuerzos de viento.
Caso dos: 1.1*Peso propio + 0.583*sobrecargas de uso + 1.1*esf de viento.
Caso tres: Este caso requiere dos comprobaciones de la estructura:
- Cuando la dirección de vibración del suelo es en el eje X más acusada que en el eje Y:
- 1.1*Peso propio + 0.583*sobrecargas de uso + 0*esf de viento - 1.1*esfuerzos eje X (sismo) - 0.33*esfuerzos eje Y
- Cuando la dirección de vibración del suelo es en el eje Y más acusada que en el eje X:
- 1.1*Peso propio + 0.583*sobrecargas de uso + 0*esf de viento - 1.1*esfuerzos eje X (sismo) - 0.33*esfuerzos eje Y
Terminado el análisis de las estructura, se comprueba que la estructura diseñada cumple los tres casos. Existen algunos casos en los que se obtiene una estructura distinta para el primer caso que para los otros dos, esto es debido a que las condiciones de los esfuerzos en el primer caso son mucho más leves que en el segundo y en el tercero. Cuando se ha dado esta situación se ha hecho un estudio del peso de la estructura y se ha comprobado que coger la estructura más resistente no suponía un encarecimiento muy grande en el coste del proyecto por lo que se ha procedido a la extrapolación de la estructura más resistente a los tres casos como se mostrará en los cálculos del proyecto.
En el caso de las estructuras de los seccionadores pantógrafos, se han seleccionado de alma llena porque son aparatos donde los esfuerzos debidos al viento son considerables y hacer una estructura en apresillado no supondría un gran ahorro en acero y además ocuparía bastante más espacio que el apresillado.
Para el caso del autoválvulas de 66kV no es factible hacer una estructura en apresillado, debido a que generaría problemas, a la hora de montar la estructura ya que las uniones entre los perfiles superiores horizontales y las columnas serían muy complicadas usando perfiles en L.
Indice:
1. CÁLCULOS DE EMBARRADO... 47 2. CÁLCULO ESTRUCTURAS ... 57 2.1. ESFUERZOS POR VIENTO ... 59 2.2. ESFUERZOS POR CORTOCIRCUITO ... 60 2.3. PESO PROPIO ... 60 2.4. PESO DEL APARATO... 61
2.5. ESFUERZOS PRODUCIDOS POR TERREMOTOS (SISMOS) ... 61
3. ESFUERZOS EN APARATOS... 61 3.1. SECCIONADORES ... 62 3.2. AUTOVÁLVULAS... 64 3.3. SECCIONADORES PANTÓGRAFOS ... 65 3.4. 3.4. 3.4. 3.4. INTERRUPTORES... 67 3.5. TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD... 68 3.6. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN... 69 4. ESTRUCTURAS PARA 66 KV ... 72 5. ESTRUCTURAS PARA 132 KV ... 73
1.
Cálculos de Embarrado
Para realizar el cálculo de los embarrados el estudio se ha basado en un documento existente en UNION FENOSA; “Normalización del diseño de Subestaciones Convencionales. Selección de conductores y aisladores”
Las normas aplicabas para la elaboración de este documento son:
- Reglamento sobre centrales eléctricas, centrales y centros de transformación. R.C.E
- Reglamento de líneas aéreas de alta tensión R.L.A.A.T.
A Características de los materiales a instalar.
Los embarrados que se utilizarán en este proyecto serán de tubo de Aluminio. El tubo se utiliza por las razones expuestas en la memoria en el apartado 7 de embarrado y el material utilizado será el Aluminio por ser un material mas ligero que el cobre y más barato.
B Datos de Partida.
1. Se empleará tubo en las barras principales y en las conexiones entre el aparellaje de las posiciones. En el caso de emplear cable se utilizará en los pendolones, en los tendidos altos y en las conexiones de los transformadores de potencia.
2. El nivel de contaminación de las instalaciones será fuerte o menor, excluyendo el caso de nivel de contaminación muy fuerte, según normas UNE.
3. La tensión máxima de los tendidos de conductores será de 2000 kg/fase, con una flecha máxima en general menor a 4% de la luz.
4. La flecha teórica máxima de los tubos debido a su propio peso será como máximo de 1/300 de la luz.
5. Las intensidades tanto nominales, como de cortocircuito se resumen en la siguiente tabla:
230 132 66
Intensidad nominal (A) Intensidad nominal (A) Intensidad nominal (A)
Intensidad nominal (A) 4000 2000 1250 Intensidad Intensidad Intensidad Intensidad cortocircuito (kA) cortocircuito (kA) cortocircuito (kA) cortocircuito (kA) 32 25.2 25.2 Tabla 1
Sabiendo la intensidad nominal podemos obtener el diámetro del tubo introduciéndonos en el gráfico de la figura 1 y que a su vez proviene de una estandarización de los diámetros de tubo comerciales según las intensidades admisibles que éstos soportan.
Figura 1
Tomando las intensidades nominales dadas en la tabla anterior se obtiene que:
Tensión (kV) Tensión (kV)Tensión (kV)
Tensión (kV) 230 132 66
Intensidad nominal (A) Intensidad nominal (A)Intensidad nominal (A)
Intensidad nominal (A) 4000 2000 1250 Diámetros exterior del
Diámetros exterior delDiámetros exterior del Diámetros exterior del tubo (mm)
tubo (mm)tubo (mm) tubo (mm)
150 100 80
Diámetros interiores Diámetros interioresDiámetros interiores Diámetros interiores (mm) (mm)(mm) (mm) 134 94 77 Tabla 2
Una vez que se tiene el diámetro exterior, el diámetro interior viene estandarizado como se puede ver en la siguiente tabla de tubos comerciales 6063-T6 según datos de INACASA.
Diámetro exterior De (mm)
Diámetro interior Di (mm)
Peso Qpi (kg/m) Momento de inercia (m4) 40 37 0.489 3.367 E-8 60 57 0.745 1.18 E-7 80 77 1 2.85 E-7 100 94 2.468 1.076 E-6 120 106 6.710 3.982 E-6 150 134 9.631 9.024 E-6 Tabla 3
Esfuerzos mecánicos en tubos
Es el factor básico a la hora de seleccionar el tipo de tubo a emplear que se puede descomponer en:
- Solicitaciones verticales: 1. Peso del tubo
2. Pesos adicionales (como pueden ser manguitos de hielo)
- Solicitaciones Horizontales
Transversales (esfuerzos de viento y cortocircuitos) Longitudinales (esfuerzos térmicos)
A la hora de cuantificar la carga a la que se ve sometido un tubo, a efectos de respetar la flecha máxima permitida 1/300 de la luz (por su propio peso), no se tendrán en consideración los esfuerzos de cortocircuito por su corta duración, ni la dilatación o contracción por esfuerzos térmicos ya que estos son absorbidos mediante el empleo de conexiones elásticas.
Los esfuerzos de cortocircuito si que se tendrían en cuenta a la hora de calcular el vano máximo. En este proyecto se tendrán en cuenta para el cálculo de estructuras, ya que es un esfuerzo que tendrá que soportar el aparato que sostiene la estructura soporte y por tanto será transmitido a ésta.
A continuación, se pasa a calcular los esfuerzos que soportará el embarrado:
2 2
)
(
*
1000
vi c pi ti c pi viQ
Q
Q
Q
Q
Q
P
De
Q
+
+
=
=
Qvi = carga debida al viento sobre los tubos
Qpi = Carga debida al peso propio
Qc = Carga debida al cable que va por el interior del tubo del embarrado, ocupa 4/3
del vano y tiene como fin el amortiguamento de posibles vibraciones que puedan producirse en el tubo. En nuestro caso tomaremos como cable un Rail Duplex cuyo peso = 1.59kg/m
Qti = Carga total mecánica que soportará el embarrado.
P: presión debida al viento para conductores de diámetro mayor de 16mm según R.L.A.A.T.(50 kg/m2) para una velocidad de 120 km/h.
El efecto del hielo se dijo que no se tendría en cuenta para el cálculo de las estructuras porque no era significativo frente a los pesos de los distintos aparatos, pero en el caso de los tubos del embarrado, el hielo si hay que tenerlo en cuenta porque aumenta mucho el peso del tubo cuando se forma un manguito de hielo. El valor de la carga debida al manguito de hielo Qh (kg/m.) se ha calculado de acuerdo con R.L.A.A.T. mediante las siguientes expresiones:
- Para una altura sobre el nivel del mar desde 500 hasta 1000 m: Qh1=180*SQR(Di) E3 Di: Diámetro exterior (mm.)
- Para una altura sobre el nivel del mar superior a 1000 m.:
Qh2=360*SQR(Di) E3 Di: Diámetro exterior (mm.)
Dado que siempre se emplea una conexión elástica en un extremo del tubo y la otra fija, el modelo a emplear será de viga libremente apoyada en un extremo y empotrada en el otro. En este caso, la expresión de la flecha máxima es:
I
E
L
Q
f
*
*
185
*
4=
3 1*
*
*
185
=
Q
f
I
E
L
f: flecha máxima (m.)Q: carga total exceptuando cortocircuito (kg/m.) L: longitud máxima del vano (m.)
E: módulo de elasticidad del tubo (70*108 kg/m2)
I: momento de inercia de la sección respecto a un eje perpendicular a la dirección del esfuerzo (m4)
Valorando primero la limitación impuesta para la flecha máxima de 1/300 de la luz por causa de los pesos propios del tubo (Qpi ) y del cable interior a él (1.443 kg/m2) se obtiene una primera limitación para las longitudes máximas de los vanos de tubos comerciales más usuales por esfuerzos estáticos, esto es:
Di (mm). 80 100 150
Di (mm) 77 94 134
Q (kg/m) 2.443 3.911 11.064
L (m) 7.95 10.58 15.21
Tras el cálculo de la longitud de vano se pasa a comprobar los valores de flecha