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PROYECTO AMPLIACIÓN 17SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV

CADENA DE AISLADORES Y AISLADORES DE SOPORTE – MEMORIA DE CÁLCULO

DOCUMENTO: PE-AM17-GP030-HUA-D006

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PROYECTO AMPLIACIÓN 17 SUBESTACIÓN FRIASPATA 220 kV

Doc.: PE-AM17-GP030-HUA-D006

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CADENAS DE AISLADORES Y AISLADORES DE SOPORTE – MEMORIA DE CÁLCULO

TABLA DE CONTENIDO1 OBJETO.........................................................................................................................52 ALCANCE......................................................................................................................53 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA.............................................................................54 SELECCIÓN DE AISLADORES....................................................................................64.1 CÁLCULO DE DISTANCIA DE FUGA MÍNIMA.............................................................64.2 DISTANCIA DE ARCO...................................................................................................84.3 CADENA DE AISLADORES..........................................................................................94.3.1 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AISLADORES COMPONENTES DE UNA ..............

CADENA........................................................................................................................94.3.2 TENSIÓN DE ROTURA Y ESFUERZOS EN LAS CADENAS DE AISLADORES ........

DE VIDRIO TEMPLADO................................................................................................94.3.3 SELECCIÓN DE LAS CADENAS DE AISLADORES DE VIDRIO TEMPLADO..........104.4 AISLADORES DE SOPORTE TIPO POSTE...............................................................104.4.1 ESFUERZOS EN AISLADOR SOPORTE...................................................................104.4.2 SELECCIÓN DE LOS AISLADORES DE SOPORTE.................................................105 CONCLUSIONES........................................................................................................105.1 CADENA DE AISLADORES........................................................................................105.2 AISLADOR DE SOPORTE..........................................................................................116 DOCUMENTOS DE REFERENCIA.............................................................................116.1 DOCUMENTOS EXTERNOS......................................................................................116.2 DOCUMENTOS INTERNOS........................................................................................117 ANEXOS......................................................................................................................127.1 ANEXO Nº1. CÁLCULO DE TENSIÓN DE ROTURA EN CADENA DE.........................

AISLASDORES............................................................................................................127.2 ANEXO Nº2. CÁLCULO DE ESFUERZOS EN AISLADORES DE SOPORTE ..............

TIPO POSTE................................................................................................................137.3 ANEXO Nº3. DATOS TÉCNICOS DE AISLADORES COMERCIALES......................15

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Características eléctricas............................................................................................5Tabla 2. Características ambientales........................................................................................6Tabla 3. Especificaciones mínimas requeridas para cadenas de aisladores en 220 kV........10Tabla 4. Especificaciones para aisladores de soporte tipo poste para 220 kV.......................10Tabla 5. Características cadena de aisladores para 220 kV..................................................11Tabla 6. Características de aislador de soporte tipo poste para 220 kV................................11




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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Valor del RUSCD en función de la clasificación SPS................................................7Figura 2. Aislador soporte tipo poste, diámetro promedio........................................................7Figura 3. Aislador para cadena de aisladores para 220 kV....................................................15Figura 4. Aislador de soporte tipo poste para 220 kV.............................................................16




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1 OBJETOVerificar y justificar la selección de los aisladores componentes de las cadenas de aisladores y aisladores soporte tipo poste para el cambio de configuración y la ampliación de la subestación Friaspata 220 kV.

2 ALCANCEEl presente documento contiene los cálculos necesarios para justificar la selección de los aisladores soporte y aisladores de vidrio templado componentes de la cadena de aisladores para la ampliación de la subestación Friaspata 220 kV.

3 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Tabla 1. Características eléctricas.

PARÁMETROS UNIDAD VALOR

a. Tensión de operación del sistema. kV 220

b. Tensión máxima del equipo kV 245

c. Frecuencia asignada. Hz 60

d. Nivel de aislamiento:

Tensión asignada soportada al impulso tipo rayo (Up) (*) kV 1 300

Tensión asignada soportada a la frecuencia industrial (Ud) (*) kV -

Tensión asignada soportada de maniobra entre fases (Uw) (*) kV 950

e. Puesta a tierra. - Sólido

f. Corriente de corta duración admisible asignada. kA 40

g. Máxima duración admisible del cortocircuito. s 1

h. Nivel de contaminación de la zona, según IEC 60815. - Pesado

i. Tiempo normal de aclaración de la falla. ms 100

j. Tiempo de aclaración de la falla en respaldo. ms 300

k. Identificación de fases. - R,S,T

(*) Los valores se encuentran corregidos para la altura de instalación de la subestación Friaspata.




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Tabla 2. Características ambientales.

PARÁMETROS UNIDAD VALOR

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

b. Temperatura:

Máxima. oC 16

Media anual. oC 9,2

Mínima. oC 3

c. Nivel ceráunico. días/año 60

d. Velocidad viento promedio. km/h 104

e. Radiación solar. W/m2 900

f. Características sísmicas:

Aceleración horizontal g 0,5

Aceleración vertical g 0,3

Nota: Estos valores fueron extraídos del documento de referencia [5].

4 SELECCIÓN DE AISLADORES. La selección de aisladores se realizó tomando como base lo indicado en las referencias [1], [2] y [5]. En la ampliación de la subestación Friaspata 220 kV se utilizarán aisladores de soporte tipo poste de porcelana para la conexión entre equipos de patio, para las cadenas de aisladores se utilizarán aisladores de vidrio templado con recubrimiento de silicona.

4.1CÁLCULO DE DISTANCIA DE FUGA MÍNIMA La distancia de fuga mínima se determina con base a los documentos de las referencias [1] y [2], con base a la distancia de fuga nominal para el nivel de contaminación seleccionado, la tensión máxima del sistema y las características geométricas del perfil del aislador. En el numeral 3, se indica el nivel de contaminación de la zona como “Pesado”, de acuerdo con la referencia [2], la definición del SPS (severidad de polución en el sitio), le corresponde la clasificación tipo “d”.

De la Figura 1, se determina el valor de RUSCD (distancia de fuga específica de referencia) en función del SPS. Se obtiene un valor para RUSCD de 43,3 mm/kV (fase - tierra).

Según la altitud de la zona ubicación de la subestación y las características geométricas de los aisladores, se realiza la corrección del RUSCD como se indica a continuación:

USCD corregido = RUSCD x Ka x Kad




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Donde:

RUSCD : Distancia de fuga especifica referencial [43,3 mm/kV] (fase – tierra).

Ka : Factor de corrección por altitud.

Kad : Factor de corrección por diámetro promedio (Aplica solo para aisladores soporte).

Figura 1. Valor del RUSCD en función de la clasificación SPS.

De acuerdo a la referencia [2] la constate de corrección por altura, Ka = 1,257 correspondiente a una altitud de instalación de 3 730 m.s.n.m.

Para obtener el valor de la constante Kad (para aisladores soporte tipo poste); se halla el valor del diámetro promedio según el documento de referencia [2].

Figura 2. Aislador soporte tipo poste, diámetro promedio.

Para el cálculo el valor del diámetro promedio Da:




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Da = (Ds1 + Ds2 + 2 x Dt)/4

Si Da < 300 mm, entonces: Kad = 1

Si Da ≥ 300 mm, entonces: Kad = 0,0005 x Da + 0,85

a) Cadena de aisladores de vidrio templado en 220 kV para anclaje (retención):

Se tiene Ka = 1,257

El valor del USCD corregido = 43,3 x 1,257 = 54,43 mm/kV.

La distancia de fuga mínima se obtiene:

Distancia de fuga mínima [mm] = Um√3

xUSCD = 7 699,72mm.

Donde:

Um: Tensión máxima del sistema [245 kV].

b) Aislador de soporte tipo poste para 220 kV

Se ha tomado las dimensiones del aislador tipo poste que se muestra en el Anexo Nº3, Figura 4 .

Diámetro promedio Da = 270 mm ≤ 300 mm.

Por lo tanto, valor de Kad = 1

El valor del USCD corregido = RUSCD x Ka x Kad será:

USCD = 43,3 x 1,257 x 1 = 54,43 mm/kV.

La distancia de fuga mínima se obtiene:

Distancia de fuga mínima [mm] = Um√3

xUSCD = 7 699,72 mm.

Donde:

Um : Tensión máxima del sistema [245 kV].

4.2DISTANCIA DE ARCOLa distancia de arco, es la distancia mínima fase-tierra requerida por el nivel de aislamiento del sistema.

El valor de la distancia de arco de la cadena de aisladores para 220 kV debe ser igual o superior a la distancia mínima fase tierra de 2 400 mm, correspondiente al nivel de aislamiento (LIWL) de 1 300 kV, tomado de la referencia [5].




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4.3CADENA DE AISLADORES 4.3.1CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE AISLADORES COMPONENTES DE UNA CADENAPartiendo de la distancia de fuga calculada y la distancia de fuga de un aislador componente de la cadena, se calcula la cantidad de aisladores que conformarán las cadenas de aisladores para anclaje, por medio de la siguiente expresión:

N = Dfdf

Donde:

N : Número de unidades de la cadena requerida por distancia de fuga.

Df : Distancia de fuga requerida.

df : Distancia de fuga de una unidad (variar según diseños de fabricantes).

Las cadenas de aisladores se conformarán con “N” aisladores como mínimo. En el diseño del proyecto se considerarán “N+1” unidades por cadena para cumplir los requerimientos mínimos ante ruptura de una de las unidades.

Con la cantidad de aisladores obtenida se realizará la verificación de la longitud de la cadena de aisladores, verificando que se cumpla con la distancia mínima fase-tierra requerida.

Para el cálculo de la cantidad de aisladores se tomó como referencia las dimensiones del aislador comercial mostrado en el Anexo N º3, Figura 3 donde:

a) Dimensiones del aislador:

La distancia de fuga mínima de un aislador = 445 mm.

La distancia de paso de aislador = 146 mm.

b) Valores calculados:

Para 220 kV

Cantidad de aisladores en una cadena = 19 unidades

Distancia de arco de la cadena = 2 774 mm.

Se concluye que para cumplir los requisitos de distancia de fuga, distancia de arco y criterio de “N+1”, la cadena de aisladores para 220 kV debe estar compuesta como mínimo por 19 unidades.

4.3.2TENSIÓN DE ROTURA Y ESFUERZOS EN LAS CADENAS DE AISLADORES DE VIDRIO TEMPLADO

La mínima tensión de rotura en la cadena de aisladores se establece a partir de la combinación de los esfuerzos en condiciones estáticas, viento y cortocircuito, obteniéndose




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una mínima tensión de rotura de 102,15 kN para las cadenas de aisladores para 220 kV. Los resultados de los cálculos se muestran en el Anexo Nº1.

4.3.3SELECCIÓN DE LAS CADENAS DE AISLADORES DE VIDRIO TEMPLADO.En las Tabla 3, se indica las especificaciones mínimas requeridas para las cadenas de aisladores de vidrio templado que se instalarán en la ampliación de la subestación Friaspata 220 kV.

Tabla 3. Especificaciones mínimas requeridas para cadenas de aisladores en 220 kV.

Tensión máxima del

sistema(kV)

LIWL(kV)

Distancia de fuga mínima(mm)

Distancia de arco

(mm)

Tensión de rotura mínima

(kN)

245 1 300 7 699,72 2 400 102,15

En los planos de referencia [4] y [6], se muestran la ubicación y ensamble y despiece de las cadenas de aisladores respectivamente.

4.4AISLADORES DE SOPORTE TIPO POSTE4.4.1ESFUERZOS EN AISLADOR SOPORTEEn el Anexo Nº2, se muestran los datos de entrada y los resultados detallados de la metodología de cálculo utilizada para la obtención de los esfuerzos presentes en los aisladores soporte tipo poste de instalación vertical.

4.4.2SELECCIÓN DE LOS AISLADORES DE SOPORTE.En la Tabla 4, se indica las especificaciones requeridas para los aisladores de soporte tipo poste que se instalarán en la ampliación subestación Friaspata 220 kV.

Tabla 4. Especificaciones para aisladores de soporte tipo poste para 220 kV.

Ítem ConexiónTipo de

instalación

LIWL(kV)

Distancia de fuga mínima (mm)

Distancia de arco (mm)

Denominación

aisladorIEC 60273

1 Conexiones de patio Vertical 1 300 7 699,72 2 400 C8 – 1300

2 Conexiones en vigas Invertido 1 300 7 699,72 2 400 C8 – 1300

5 CONCLUSIONESSegún los resultados obtenidos se indican para:

5.1CADENA DE AISLADORESCon la finalidad de unificar las tensiones de rotura de las cadenas de aisladores 220 kV se selecciona aisladores con tiros de rotura nominal de 120 kN.




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Los características requeridas para las cadenas de aisladores, ver Tabla 5, fueron obtenidos tomando como base el aislador tipo fog mostrado en el Anexo Nº3.

Tabla 5. Características cadena de aisladores para 220 kV.

Tensión máxima del

sistema (kV)

TipoCantidad de aisladores por cadena

Longitud de la cadena

(mm)

Distancia de fuga en la cadena

(mm)

Tensión de rotura

nominal(kN)

245 Vidrio templado 19 2 774 8 455 120

5.2AISLADOR DE SOPORTE Las características requeridas para el aislador de soporte tipo poste se indican en la Tabla 6. En el Anexo Nº3 se muestra equipos típicos.

Tabla 6. Características de aislador de soporte tipo poste para 220 kV.

Tipo de instalación Clase Distancia de fuga

(mm)LIWL(kV)

Distancia de arco (mm)

Vertical C8 7 699,72 1 300 2 400

Invertido C8 7 699,72 1 300 2 400

6 DOCUMENTOS DE REFERENCIA6.1 DOCUMENTOS EXTERNOS[1] IEC 60815-1, “Guide for selection of insulators in respect of pulluted conditions”.

[2] IEC 60815-2, “Selection and dimensioning of hig-voltage insulators intended for use in polluted condition – part2: Ceramic and glass insulators for a.c. systems”.

[3] IEC 60273, “Characteristics of indoor and outdoor post insulators for systems with nominal voltages greater than 1000 V”.

6.2 DOCUMENTOS INTERNOS[4] PE-AM17-GP030-HUA-K003, “Subestación Friaspata 220 kV- Disposición física -

Planta y cortes patio”.

[5] PE-AM17-GP030-GEN-D001, “Criterios de diseño – Electromecánica”.

[6] PE-AM17-GP030-HUA-K002, “Subestación Friaspata 220 kV- Cadena de aisladores y herrajes para cable de guarda - Detalles de ensamble y despiece”.




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7 ANEXOS

7.1ANEXO Nº1. CÁLCULO DE TENSIÓN DE ROTURA EN CADENA DE AISLASDORES

CASO: En cadena de aisladores para 220 kV




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7.2ANEXO Nº2. CÁLCULO DE ESFUERZOS EN AISLADORES DE SOPORTE TIPO POSTE.

CASO: Aislador de soporte tipo poste C8–1300 instalación vertical. Conexiones de Patio 220 kV




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7.3ANEXO Nº3. DATOS TÉCNICOS DE AISLADORES COMERCIALES.

Figura 3. Aislador para cadena de aisladores para 220 kV.




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Figura 4. Aislador de soporte tipo poste para 220 kV.


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