“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