CONTRATO 4500000997 CONSTRUCCIÓN DEL SEGUNDO CIRCUITO A 115 kV ENTRE LAS SUBESTACIONES SURIA - PUERTO LÓPEZ – PUERTO GAITÁN

CIRCUITO PUERTO LÓPEZ – PUERTO GAITÁN 115 kV SELECCIÓN DE AISLAMIENTO

DOCUMENTO IEB-792-12-D110

REVISIÓN 0

Medellín, Abril de 2013

SELECCIÓN DE AISLAMIENTO PUERTO LÓPEZ – PUERTO GAITÁN 115 kV

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Las observaciones que resulten de su revisión y aplicación deben ser informadas a IEB S.A.

CONTROL DE REVISIONES Revisión No. 0

Aspecto revisado

Fecha

Emisión Inicial

04/04/2013

CONTROL DE RESPONSABLES NÚMERO DE REVISIÓN Nombre Elaboración

Nombre

2

JSB

25/03/2013 AMG

Firma Fecha Nombre

Aprobación

1

Firma Fecha

Revisión

0

01/04/2013 JPC

Firma Fecha

04/04/2013

Participaron en la elaboración de este informe: JSB

Juan Sebastián Botero

AMG

Andrés Mauricio Garcia

JPC

Jaime Posada Caicedo

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TABLA DE CONTENIDO 1. 2. 3. 4.

5.

6.

7.

8.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 OBJETO ................................................................................................................. 1 CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO....................................................................... 1 INFORMACIÓN DE ENTRADA .............................................................................. 2 4.1. DATOS DE LA LÍNEA Y DEL SISTEMA .................................................... 2 4.2. DATOS METEOROLÓGICOS ................................................................... 2 4.3. CONDUCTOR DE FASES Y CABLE DE GUARDA .................................. 2 4.4. ESTRUCTURAS ........................................................................................ 3 4.5. AISLADORES ............................................................................................ 5 4.6. VARIABLES DE ENTRADA IEEE FLASH 2.0 ........................................... 5 METODOLOGÍA ..................................................................................................... 6 5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL ......................................... 6 5.2. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ................... 8 5.2.1. FALLAS DEL AISLAMIENTO ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ..... 8 5.2.2. NIVEL DE AISLAMIENTO ....................................................................... 10 5.2.3. DISTANCIAS EN AIRE ............................................................................ 11 5.3. AISLAMIENTO FRENTE A SOBRETENSIONES POR MANIOBRAS ..... 12 5.3.1. AISLAMIENTO ENTRE FASE Y ESTRUCTURA .................................... 12 5.3.2. AISLAMIENTO ENTRE FASES ............................................................... 14 5.4. RESISTENCIA ELECTROMECÁNICA DE AISLADORES PARA SUSPENSIONES Y RETENCIONES.................................................................... 15 RESULTADOS ..................................................................................................... 15 6.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL ....................................... 15 6.1.1. DISTANCIAS DE FUGA .......................................................................... 15 6.1.2. DISTANCIAS EN AIRE ............................................................................ 15 6.2. NÚMERO DE AISLADORES DE LA CADENA ........................................ 16 6.3. AISLAMIENTO FRENTE A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ................. 16 6.3.1. FALLAS DEL AISLAMIENTO ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 16 6.3.2. NIVEL DE AISLAMIENTO Y DISTANCIA EN AIRE................................. 17 6.4. LONGITUD ESTIMADA DE LA CADENA DE SUSPENSIÓN ................. 18 6.5. LONGITUD ESTIMADA DE CADENAS DE RETENCIÓN ....................... 19 6.6. AISLAMIENTO FRENTE A SOBRETENSIONES POR MANIOBRAS ..... 19 6.6.1. DISTANCIAS EN AIRE ............................................................................ 21 6.7. ÁNGULOS MÁXIMOS DE BALANCEO Y DEFLEXIÓN DE LA LÍNEA.... 22 CONCLUSIONES ................................................................................................. 22 7.1. SOBRETENSIONES A FRECUENCIA INDUSTRIAL.............................. 22 7.2. SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .................. 22 7.3. SOBRETENSIONES POR MANIOBRA ................................................... 22 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 23 8.1. CADENAS DE AISLADORES.................................................................. 23 8.2. DISTANCIAS EN AIRE ............................................................................ 23 8.3. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA .................................................. 23

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9.

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REFERENCIAS ....................................................................................... 24 LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Datos de la línea y del sistema ............................................................................. 2 Tabla 2. Datos meteorológicos ........................................................................................... 2 Tabla 3. Caracteristicas conductor de fase y cables de guarda .......................................... 3 Tabla 4. Posición de conductores estructura doble circuito h=48,2 m ................................ 4 Tabla 5. Posición de conductores estructura doble circuito h=46,4 m ................................ 4 Tabla 6. Posición de conductores estructura doble circuito h=41,9 m ................................ 5 Tabla 7. Especificaciones técnicas aislador suspensión tipo Cuenca y Bola ...................... 5 Tabla 8. Datos entrada Flash doble circuito h=48,2 m ........................................................ 6 Tabla 9. Distancia mínima de fuga de los aisladores ........................................................ 15 Tabla 10. Distancia en aire fase-estructura y fase-fase .................................................... 15 Tabla 11. Número de salidas por 100 km-año .................................................................. 16 Tabla 12. Distancia de arco seco y ángulo de apantallamiento para cálculo de número de salidas de línea ................................................................................................................ 17 Tabla 13. Distancias en aire para sobretensiones por descargas atmosféricas línea doble circuito.............................................................................................................................. 17 Tabla 14. Características elementos de la cadena de suspensión ................................... 18 Tabla 15. Características elementos cadena de retención para doble circuito.................. 19 Tabla 16. Máximas sobretensiones Fase-Fase esperadas por maniobras ....................... 20 Tabla 17. Máximas sobretensiones Fase-Tierra esperadas por maniobras ...................... 20 Tabla 18. Distancias en aire fase-estructura para sobretensiones de maniobra línea doble circuito.............................................................................................................................. 21 Tabla 19. Distancias en aire fase-fase para sobretensiones de maniobra línea doble circuito.............................................................................................................................. 21 Tabla 20. Características de las cadenas de aisladores linea doble circuito ..................... 23 Tabla 21. Distancias en aire de acuerdo al tipo de sobretensión ...................................... 23

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Silueta torre doble circuito ................................................................................... 3 Figura 2. Modelo electrogeométrico IEEE 1243 ................................................................ 9 Figura 3. Configuración típica cadena de suspensión ..................................................... 18 Figura 4. Configuración típica cadena de retención ......................................................... 19

LISTA DE ANEXOS Anexo A: Modelamiento del sistema en ATP para el análisis por sobretensiones tipo maniobra Anexo B: Cálculo de salidas de línea por descarga atmosférica para doble circuito h=48,2 m Anexo C: Cálculo de salidas de línea por descarga atmosférica para doble circuito h=46,4 m Anexo D: Cálculo de salidas de línea por descarga atmosférica para doble circuito h=41,9 m Anexo E: Plano de distancias eléctricas

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1. INTRODUCCIÓN Con el fin de mitigar eventuales situaciones de indisponibilidad ante falla simple de esta infraestructura, la electrificadora del Meta S.A. ESP proyecta la construcción de un segundo circuito a 115 kV entre las subestaciones Suria, Puerto López y Puerto Gaitán, en una longitud aproximada de 180 km, de manera complementaria se proyecta la ampliación de las subestaciones de salida y llegada de este segundo circuito.

2. OBJETO Presentar los resultados de los estudios realizados para la selección del aislamiento de la línea de transmisión Puerto López- Puerto Gaitán. El diseño de aislamiento tiene como objetivo definir las siguientes características de las líneas: • Ángulo de apantallamiento para minimizar las descargas atmosféricas directas sobre los conductores de fase. • Distancia de arco seco de las cadenas de aisladores. • Distancia mínima de fuga. • Resistencia de puesta a tierra. • Dimensionamiento eléctrico de las estructuras y ángulo de balanceo de las cadenas de aisladores.

3. CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO El dimensionamiento eléctrico de las estructuras se definirá mediante combinación de las distancias mínimas, entre fase y la cara exterior de los perfiles estructurales componentes de las cabezas de las torres, correspondientes a las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas, a las sobretensiones de maniobra, al comportamiento a baja frecuencia y al efecto de la contaminación. En esa medida se contemplaran los siguientes criterios: - Se calcularán las distancias de fuga con base en la norma IEC 60815 para nivel de contaminación II, que corresponde a una distancia de fuga específica de 27,7 mm/kV. - El nivel de falla aceptable para la línea aérea debido a descargas atmosféricas podría estar en el rango de 0,1 salidas/100 km-año hasta 20 salidas/100 km-año, de acuerdo a lo recomendado por la norma IEC 60071-2, numeral 3.2. - Para un adecuado comportamiento ante descargas atmosféricas se considerará como máximo una resistencia de puesta a tierra de 20 Ω, valor límite recomendado por el RETIE. - Se calculará el comportamiento de la línea de transmisión frente a las sobretensiones tipo maniobra, permitiéndose una (1) falla por cada cien (100) operaciones de maniobra de la línea, conforme lo recomienda la resolución CREG 098-2000 [1].

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El diseño de la línea se realizará con el fin de asegurar el servicio continuo permanente ante sobretensiones a frecuencia industrial.

4. INFORMACIÓN DE ENTRADA 4.1. DATOS DE LA LÍNEA Y DEL SISTEMA En la Tabla 1 se muestran los principales datos de la línea de transmisión objeto del presente proyecto.

Tabla 1. Datos de la línea y del sistema Característica

Valor

Tensión nominal fase–fase, Vn f-f (kV) Máxima tensión de servicio fase-fase, Vmax f-f , (kV) Frecuencia nominal, ( Hz) Altura media sobre el nivel del mar, (m) Nivel de contaminación, (mm/kV)

115 123* 60 200 27,7** mm/kV

* De acuerdo con la norma IEC 60071-1 ** De acuerdo con la norma IEC 60815-2

4.2. DATOS METEOROLÓGICOS Del estudio correspondiente, código IEB-792-12-D104, se relacionan solo aquellos parámetros relevantes para el diseño del aislamiento:

Tabla 2. Datos meteorológicos Característica

Valor

Altura promedio sobre el nivel del mar (m) Nivel ceráunico T

200 120*

Densidad relativa del aire (p.u.)

0,98

Humedad relativa (%)

81

Temperatura media (°C)

26,2

*Valor tomado del mapa isoceráunico de la norma NTC 4552-1.

4.3. CONDUCTOR DE FASES Y CABLE DE GUARDA Los conductores de fases y los cables de guarda fueron determinados mediante el documento IEB-792-12-D105 “Verificación Conductor de Fases” y IEB-792-12-D106 “Verificación de los Cables de Guarda”. Las principales características del conductor de fase y los cables de guarda se presentan en la Tabla 3.

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Tabla 3. Caracteristicas conductor de fase y cables de guarda Característica Tipo Calibre

Conductor de fases

Cable de guarda 1

Cable de guarda 2

ACSR- FLICKER

ALUMOWELD (AW)

OPGW

477 MCM

7 No. 8

MC-98/517

Diámetro (mm)

21,49

9,78

13,10

Peso unitario (kg/m)

0,9136

0,3896

0,671

Tensión rotura (kgf)

7784

7230,63

7031

---

---

12

Número de fibras

4.4. ESTRUCTURAS Para los cálculos del aislamiento se consideró torres doble circuito, en configuración vertical la Figura 1:

Figura 1. Silueta torre doble circuito En la Tabla 4, Tabla 5 y Tabla 6, se presenta la posición (X, Y) de los conductores y cables de guarda en las estructuras:

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Tabla 4. Posición de conductores estructura doble circuito h=48,2 m Estructura Doble Circuito Descripción Distancia (m) Posición Y Cable de Guarda 1

48,2

Posición Y Cable de Guarda 2 Posición Y Fase A

48,2 46,2

Posición Y Fase B

42

Posición Y Fase C

37,8

Posición Y Fase C'

46,2

Posición Y Fase B'

42

Posición Y Fase A'

37,8

Posición X Cable de Guarda 1

3,75

Posición X Cable de Guarda 2

-3,75

Posición X Fase A

3,75

Posición X Fase B

3,75

Posición X Fase C

3,75

Posición X Fase A'

-3,75

Posición X Fase B'

-3,75

Posición X Fase C'

-3,75

Tabla 5. Posición de conductores estructura doble circuito h=46,4 m Estructura Doble Circuito Descripción Distancia (m) Posición Y Cable de Guarda 1

46,4

Posición Y Cable de Guarda 2

46,4

Posición Y Fase A

44,4

Posición Y Fase B

40,2

Posición Y Fase C

36

Posición Y Fase C'

44,4

Posición Y Fase B'

40,2

Posición Y Fase A'

36

Posición X Cable de Guarda 1 Posición X Cable de Guarda 2

3,75 -3,75

Posición X Fase A

3,75

Posición X Fase B

3,75

Posición X Fase C

3,75

Posición X Fase A'

-3,75

Posición X Fase B'

-3,75

Posición X Fase C'

-3,75

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Tabla 6. Posición de conductores estructura doble circuito h=41,9 m Estructura Doble Circuito Descripción

Distancia (m)

Posición Y Cable de Guarda 1

41,9

Posición Y Cable de Guarda 2

41,9

Posición Y Fase A

39,9

Posición Y Fase B

35,7

Posición Y Fase C

31,5

Posición Y Fase C'

39,9

Posición Y Fase B'

35,7

Posición Y Fase A'

31,5

Posición X Cable de Guarda 1 Posición X Cable de Guarda 2

4 -4

Posición X Fase A

4

Posición X Fase B

4

Posición X Fase C

4

Posición X Fase A'

-4

Posición X Fase B'

-4

Posición X Fase C'

-4

4.5. AISLADORES Las estructuras de suspensión y retención utilizaran los mismos tipos de aisladores, es decir, aisladores tipo suspensión, cuyas características según norma IEC 305 [13], son las siguientes:

Tabla 7. Especificaciones técnicas aislador suspensión tipo Cuenca y Bola Característica

Aislador para cadenas de suspensión y retención

Tipo

Cuenca y bola

Material

Vidrio

Diámetro (mm)

255

Espaciamiento (mm)

146

Distancia mínima de fuga (mm)

295

Flameo crítico al impulso negativo (kV)

130

Clase IEC

IEC U120 BS

4.6. VARIABLES DE ENTRADA IEEE FLASH 2.0 A continuación se presentan las variables requeridas para el programa de la IEEE FLASH 2.0 [11], con el objetivo de estimar las salidas de línea por descargas atmosféricas.

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Tabla 8. Datos entrada Flash doble circuito h=48,2 m Datos de Entrada para el programa Flash doble circuito Descripción

Unidad 2

Valor

rayos Km * año

3**

m

400

* Fase superior A

m

-3,75

* Fase media B

m

-3,75

* Fase inferior C

m

-3,75

* Fase superior C'

m

3,75

* Fase media B'

m

3,75

* Fase inferior A'

m

3,75

* Fase superior A

m

46,2

* Fase media B

m

42

* Fase inferior C

m

37,8

* Fase superior C'

m

46,2

* Fase media B'

m

42

* Fase inferior A'

m

37,8

Vano promedio de la línea

m

400

Número de subconductores

un

1

Diámetro del conductor

mm

21,49

Largo de la cadena de aisladores- Espaciamiento (SI)

m

1,460*

Distancia Horizontal del cable de guarda 1

m

3,75

Distancia Horizontal del cable de guarda 2

m

-3,75

Altura de la cruceta del cable de guarda

m

48,2

Diámetro del cable de guarda

mm

13,1

Resistencia de puesta a tierra

Ohms

20 a 25

Densidad de descargas a tierra Vano medio entre estructuras Distancia horizontal entre conductores de fases

Altura de las crucetas de la torre

*Estos valores son calculados en el numeral 6.3.1 de este documento. ** Valor calculado con base al nivel isoceráunico de la zona (norma NTC 4552-1).

5. METODOLOGÍA A continuación se presenta una breve descripción de la metodología de cálculo considerada para la ejecución del diseño y coordinación de aislamiento de la línea.

5.1. AISLAMIENTO A FRECUENCIA INDUSTRIAL Para determinar la longitud del aislamiento para sobretensiones a frecuencia industrial se considera su distancia de fuga, el cual se calcula mediante la siguiente expresión:

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 = á ∗  ∗

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1

_

Dónde: DFuga: Distancia de fuga mínima de la cadena de aisladores (mm) Vmáx: Tensión máxima del sistema (kVfase-tierra) Kf: Distancia de fuga específica-(mm/kV) Ka_pf: Factor de corrección por condiciones atmosféricas a frecuencia industrial-(mm/kV). De acuerdo con la referencia [9], el factor Ka_pf de corrección del nivel de aislamiento a frecuencia industrial, a causa de las condiciones atmosféricas es: 

_ =  

Dónde:

A: Altura sobre el nivel del mar (km). El factor Kf depende del nivel de contaminación de la zona por donde cruza la línea de transmisión, el cual está dado en la tabla 1 de la norma IEC 60815-2 [4]. Para el cálculo de las distancias de seguridad en el aire por sobretensiones de frecuencia industrial se utilizan las ecuaciones 2.55 y 2.56 indicadas en la referencia [5]:
_ = 1,64 ∗ exp
_



− 1(

750 ∗ √3 ∗ $% ∗ &$% ∗ __

),*++

),*++

 = 1,64 ∗ ,exp − 1750 ∗ $% ∗ &$% ∗ __

Dónde: Dpf_pe: Distancia en aire fase- estructura para sobretensiones de frecuencia industrial (m). Dpf_pp: Distancia en aire fase- fase para sobretensiones de frecuencia industrial (m). Us: Tensión máxima de operación fase-fase, con sobretensiones temporales (kV). kz_pf: Factor de desviación para frecuencia industrial. Kg_pf_pe: Factor de gap para frecuencia industrial distancia fase-estructura. Kg_pf_pp: Factor de gap para frecuencia industrial distancia fase-fase. Ka_pf: Factor de corrección por condiciones atmosféricas en frecuencia industrial. Según la referencia [9] para la tensión máxima de operación con sobretensiones

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transitorias se usa la expresión:

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 = ./0  ∗ 1,3

El número de aisladores se calcula como: 1ú34 6 789:76439 =


89;7