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Estudio Definitivo Nuevo Suministro de Energía 138kV

CALCULO DE LAS DISTANCIAS DE AISLAMIENTO EN AIRE

Línea de Transmisión 138 kV

1.0 Cálculos de las distancias de aislamiento en el aire

1.1 Por sobretensiones de maniobra

Tensión de sostenimiento:

V S=(aV n)k t√2√3

Donde:

Vs : Tensión de sostenimientoVn : Tensión Nominal de la reda : Porcentaje máximo de tensión permitido en condiciones normales = +5%Kt : Factor de sobretensión de maniobra = 2.5

V S=(1 .05 x 138)2. 5 √2√3

Vs = 295.8 kVp

Tensión crítica disrruptiva en condiciones estándar:

CFO=V s

(1−ND )

CFO : Tensión crítica disruptiva

N : Número de desviaciones estándar alrededor de la media = 3 (Probabilidad de descarga del 95%)D : Desviación estándar = 6%

CFO = 360.7 kVp

Corrección por factores atmosféricos:

CFO c1 =CFO( hδ )n


Donde:

CFOC1 : Tensión crítica disrruptiva corregida por condiciones atmosféricash : Coeficiente de corrección por humedadn : factor de corrección exponencialð : Densidad relativa del aire

Del Gráfico 1, con humedad relativa de 70% y temperatura 12°C, se obtiene la humedad absoluta = 7.5 gr/m³

Gráfico 1

Del Gráfico 2, se obtiene el valor de h = 1.042

Gráfico 2


Para obtener el valor de n, se toma la distancia fase tierra de una cadena de 14 aisladores de 2.70 m de longitud,n = 0.76 (Gráfico 3).

Gráfico 3

Densidad relativa del aire:


δ= 3.92b273+θ

Donde:b : Presión barométrica

b = 52.1 cmHg (3000 – 4000 msnm)b = 43.2 cmHg (4000 – 4500 msnm)

θ : Temperatura = 12°C

δ = 0.594 (3000 - 4000 msnm))

δ = 0.594 (4000 - 4500 msnm))

Por lo tanto:

CFOC1 = 479.3 kVp (para 3000msnm)

CFOC1 = 552.7 kVp (para 4500msnm)

Corrección por factores meteorológicos:

CFO c 2=CFOc 1( ra )Donde:r : resistividad de la lluvia a : coeficiente por lluvia

Asumiendo que la resistividad del agua es 200 Ω-m, r = 0.86 (atmósfera rural)Para lluvia intensa; a = 0.75

CFOC2 = 549.6 kVp (3000 – 4000 msnm)

CFOC2 = 633.7 kVp (4000 – 4500 msnm)

Distancia mínima a masa:De la curva tensión disrruptiva v/s airgap de EPRI (Gráfico 4)D = 1.3 m


Gráfico 4

1.2 Sobretensiones de impulso 1.2/50 (atmosférico)

Tensión crítica disruptiva:

CFO= BIL(1−ND )

Donde:BIL : Nivel básico de aislamiento = 650 kVpN : Número de desviaciones estándar alrededor de la media = 1.3D : Desviación estándar = 3%



CFO c1 =CFO( hδ )n

CFOC1 = 889 kVp (3000 – 4000 msnm)

CFOC1 = 1024.9 kVp (4000 – 4500 msnm)

Corrección por factores meteorológicos

CFO c 2=CFOc 1( ra )CFOC2 = 1019.3 kVp (3000 – 4000 msnm)

CFOC2 = 1175.3 kVp (4000 – 4500 msnm)

De acuerdo a curvas típicas de los fabricantes de aisladores (Gráfico 5)

D = 1.8 m Distancia de seguridad al impulso de rayo, correspondiente a conductor - placa.


Gráfico 5

1.3 Por Sobretensiones a frecuencia industrial

Tensión de sostenimiento:

V S=(aV )nk t√2√3

Donde:Vs : Tensión de sostenimientoVn : Tensión Nominal de la reda : Porcentaje máximo de tensión permitido en condiciones normales = +5%Kt : Factor de sobretensión a frecuencia industrial = 1.1


V S=(1 .05 x 138)1. 1 √2√3

Vs = 130.1 kVp

Tensión crítica disruptiva en condiciones estándar:

CFO=V s

(1−ND )

Donde:

CFO : Tensión crítica disruptivaN : Número de desviaciones estándar alrededor de la media = 3.5 (Probabilidad de descarga del 95%)D : Desviación estándar = 2%

CFO = 139.9 kVp


CFO c1 =CFO( hδ )n

CFOC1 = 185.9 kVp (3000 – 4000 msnm)

CFOC1 = 214.4 kVp (4000 – 4500 msnm)

Corrección por factores meteorológicos

CFO c 2=CFOc 1( ra )CFOC2 = 213.2 kVp (3000 – 4000 msnm)

CFOC2 = 245.9 kVp (4000 – 4500 msnm)

De acuerdo a la curva establecida por el EPRI para sobretensión v/s air gap (Gráfico 6) se tiene:


D = 0.5 mEsta distancia de seguridad, será considerada para dimensionar la cabeza de La torre con viento máximo.

Gráfico 6

1.4 Resumen

Las distancias mínimas en aire que resisten las sobretensiones que se han establecido en este análisis son:Distancia estándar (Impulso de rayo) : 1.8Distancia media : 1.15Distancia mínima (Frecuencia Industrial) : 0.5

En el diseño de la configuración geométrica de la torre de suspensión se adopta lo siguiente:


Distancia estándar: 2.0 m, para un ángulo de oscilación de la cadena de hasta 20°, para sobretensiones a impulso de rayo.

Mínima distancia: 0.45 m, para un ángulo de oscilación de 60° y viento máximo,para sobretensiones a frecuencia industrial.

Para el diseño de la configuración geométrica del pórtico angular y terminal se adopta:

Distancia estándar: 2.0 m, para un ángulo de oscilación de la cadena de hasta 15°, para sobretensiones a impulso de rayo.

Mínima distancia: 0.45 m, para un ángulo de oscilación de 50° y viento máximo, para sobretensiones a frecuencia industrial.

2.0 Selección de aislamiento en la línea

2.1 Aislamientos por esfuerzos mecánicos

2.1.1 Cadenas de suspensión

Para cada cadena de suspensión deberá cumplirse la siguiente relación:

CR≥fs×√Ctt ²+Cvt ²Donde:

CR = Carga de rotura de la cadena de aisladoresfs = Factor de seguridad 3 Ctt = Carga transversal totalCvt = Carga vertical total

El cálculo se realiza para el conductor seleccionado AAAC 304 mm², y los valores de carga calculados para la elaboración del diagrama de cargas de estructuras.

Ctt = 3013 daNCvt = 865 daN


Considerando la carga de rotura del aislador CR = 120 kN, el factor de seguridad obtenido es: fs = 3.8

2.1.2 Cadenas de Anclaje

En las cadenas de anclaje debe cumplirse la relación:

CR≥fs×Cl

Donde:

CR = Carga de rotura de la cadena de aisladoresfs = Factor de seguridad 2 Cl = Carga longitudinal máximaPara: Cl = 8213 daN y CR = 210 kN Se obtiene un factor de seguridad fs = 2.6

2.2 Nivel de aislamiento

2.2.1 Para altitud entre: 4000 - 4500 msnm:

Nivel de aislamiento al Impulso (BIL) : 1175 kVp

Nivel de aislamiento para sobretensiones de frecuencia industrial : 246 kV

Desviación estándar para sobretensiones de impulso : 3%

Desviación estándar para sobretensiones a frecuencia industrial : 2%

El tratamiento del cálculo de la tensión crítica disruptiva es similar al utilizado para evaluar las distancias de aislamiento en aire. El número de aisladores se ha establecido en concordancia con las curvas dadas por los fabricantes de aisladores de acuerdo a la Norma IEC.

A continuación se indican el resultado de este análisis:

a) Por sobretensión de Impulso


Tensión crítica disruptiva (kVp) = 1175El número de aisladores estándar de porcelana requerido por sobretensiones de impulso, es trece (13), ver guía técnica de NGK (Tabla 1).

b) Por sobretensión a frecuencia industrial bajo lluvia

Tensión crítica disruptiva (kVp) = 246El número de aisladores de porcelana requerido por sobretensiones a frecuencia industrial es siete (07), ver guía técnica de NGK (Tabla 1).

c) La atmósfera de la zona donde se encuentra la línea de 138 kV se considera que tiene contaminación media, sin embargo las lluvias son periódicas entre los meses de enero a marzo y limpian los aisladores. Por tanto se puede establecer una línea de fuga específica de 20 mm/kV de acuerdo a Norma IEC-815- Tabla II.

Df = lf x Vmax x kd

Donde:

lf : línea de fuga específica = 20 mm/kVVmax : Tensión máxima Kd : factor de corrección debido al diámetro, para D < 300, kd = 1

Df=20 x [ 145 ] x1=2900mm

Considerando el aislador de 254 x 146 mm con una línea de fuga de 292 mm, el número de aisladores requeridos es 09.

d) Conclusión: De acuerdo a los ítems a), b) y c) se concluye que:El número de aisladores de porcelana tipo normal 254 x 146 mm que conforma la cadena de suspensión es trece (13) y para la cadena de anclaje es catorce (14).

e) Tensión de aislamiento de las cadenas de aisladores del tipo normal.

Cadena de suspensión (13 aisladores) :

- A impulso de onda 1.2 / 50 positiva 1185 kV- A impulso de onda 1.2 / 50 negativa 1190 kV


Cadena de anclaje (14 aisladores) :

- A impulso de onda 1.2 / 50 positiva 1265 kV- A impulso de onda 1.2 / 50 negativa 1275 kV 2.2.2 Para altitud entre: 3000 - 4000 msnm:

Nivel de aislamiento al Impulso (BIL) : 1019 kVp

Nivel de aislamiento para sobretensiones de frecuencia industrial : 213 kV

Desviación estándar para sobretensiones de impulso : 3%

Desviación estándar para sobretensiones a frecuencia industrial : 2%

El tratamiento del cálculo de la tensión crítica disruptiva es similar al utilizado para evaluar las distancias de aislamiento en aire. El número de aisladores se ha establecido en concordancia con las curvas dadas por los fabricantes de aisladores de acuerdo a la Norma IEC.

A continuación se indican el resultado de este análisis:

c) Por sobretensión de Impulso

Tensión crítica disruptiva (kVp) = 1019El número de aisladores estándar de porcelana requerido por sobretensiones de impulso, es doce (12), ver guía técnica de NGK (Tabla 1).

d) Por sobretensión a frecuencia industrial bajo lluvia

Tensión crítica disruptiva (kVp) = 213El número de aisladores de porcelana requerido por sobretensiones a frecuencia industrial es siete (05), ver guía técnica de NGK (Tabla 1).

c) La atmósfera de la zona donde se encuentra la línea de 138 kV se considera que tiene contaminación media, sin embargo las lluvias son periódicas entre los meses de enero a marzo y limpian los aisladores. Por tanto se puede establecer una línea de fuga específica de 20 mm/kV de acuerdo a Norma IEC-815- Tabla II.


Df = lf x Vmax x kd

Donde:

lf : línea de fuga específica = 20 mm/kVVmax : Tensión máxima Kd : factor de corrección debido al diámetro, para D < 300, kd = 1

Df=20 x [ 145 ] x1=2900mm

Considerando el aislador de 254 x 146 mm con una línea de fuga de 292 mm, el número de aisladores requeridos es 09.

d) Conclusión: De acuerdo a los ítems a), b) y c) se concluye que:El número de aisladores de porcelana tipo normal 254 x 146 mm que conforma la cadena de suspensión es doce (12) y para la cadena de anclaje es trece (14).

e) Tensión de aislamiento de las cadenas de aisladores del tipo normal.

Cadena de suspensión (12 aisladores) :


Cadena de anclaje (13 aisladores) :


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