SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ASOCIADAS AL IPC SUBESTACIÓN 230 kV PROYECTO: SM-123-1 DOCUMENTO No.: MC-E003 DISCIPLINA: Electricidad REVISION: A FECHA: 2008 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DOCUMENTOS DE REFERENCIA: OBSERVACIONES: A 04 / 08 PARA APROBACIÓN REV. FECHA EMISIÓN C.A ELAB. POR: A.B. REV. POR: C.S. APROB. POR: APROB. CLIENTE: APROB. CLIENTE: SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO CONTENIDO 1. OBJETIVO .......................................................................................................................... 3 2. CRITERIOS ........................................................................................................................ 3 3. CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO ........................................................................... 3 4. PROTECCIÓN A NIVEL DE 230 kV ................................................................................ 4 5. DISPOSICIÓN DE CABLES DE GUARDA ..................................................................... 6 6. CONCLUSIÓN ................................................................................................................... 6 ANEXO No. 1: Corriente Mínima de Choque ................................................................................ 7 ANEXO No. 2: Principio Básico de la Esfera ................................................................................. 9 ANEXO No. 3: .............................................................................................................................. 10 Solución aproximada de la ecuación (2) para el diámetro de corona. ........................................... 10 ANEXO No. 4: Cálculo de Apantallamiento Altura de Protección de 8 m, ................................. 11 Cable de Guarda instalado a 18,90 m. ........................................................................................... 11 ANEXO No. 5: Cálculo de Apantallamiento Altura de Protección de 17,62 m, .......................... 12 Cable de Guarda instalado a 18,90 m. ........................................................................................... 12 (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 2 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO 1. OBJETIVO El presente documento tiene como finalidad establecer los criterios y mostrar los resultados de los cálculos efectuados para el sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas, a ser considerados durante la ejecución de la Ingeniería de Detalle de la nueva Subestación 230 kV. 2. 3. CRITERIOS Se utilizará el método de la “Esfera Rodante”, aplicando el modelo electrogeométrico, para el diseño del sistema de apantallamiento, de acuerdo con la norma IEEE-9981996 “Guide for direct lightning stroke shielding of substations”. La corriente de choque típica I s para un BIL de 1050 kV pico es de 7 kA, correspondiente al cálculo en el área de 230 kV, según la norma IEEE-998-1996. Ver anexo No. 1. El gradiente de corona limitante será 1500 kV/m, según la norma IEEE-998-1996. Se utilizará guaya de acero guaya de acero de extra alta resistencia de 7/16” de diámetro. Para protección del cuarto de control se utilizará lo señalado por la norma COVENIN 599:1973 para inmuebles con techos de dos aguas. CÁLCULO DE APANTALLAMIENTO El cálculo para la protección contra descargas atmosféricas tendrá como objetivo determinar si los equipos en el área de 230 kV, quedan protegidos por el cable de guarda. El método consiste en calcular las siguientes variables: Impedancia del rayo bajo la corona, Z s . I Corriente de choque permitida, s . Distancia de choque o radio de la esfera, S . Distancia Horizontal del Origen de la Esfera a la guarda, R . Distancia Horizontal del origen de la esfera a la barra, T . Distancia Horizontal entre el cable de guarda y la barra o equipo, C . El principio básico de la esfera es mostrado en el Anexo No. 2. (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 3 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO 4. PROTECCIÓN A NIVEL DE 230 kV a. Cálculo de la impedancia del rayo bajo la corona, Z s . 2*h 2*h * Z s 60 * ln R c r Donde: Rc : Radio de la corona en metros. h: Altura Promedio de la barra o Equipo a proteger en metros. r: Radio del conductor metálico en metros. (1) El radio de la corona viene expresado por la siguiente ecuación: 2 * h Vc 0 Rc * ln R c Eo (2) Esta ecuación se puede resolver por métodos numéricos (computadora) o a través de una solución aproximada dada en la Figura No. C.1 del Anexo No. 3. Donde: Rc : Radio de la corona en metros. h: Altura Promedio de la barra o Equipo a Proteger en metros. Vc : Nivel de aislamiento (BIL) en kV. E 0 : Gradiente de corona limitante, (valor recomendado 1500 kV/m) b. c. Corriente de choque permitida, I s . BIL I s 2,2 * Zs I s : Corriente en kA. (3) Distancia de choque o radio de la esfera, S. S 8 * k * I s0, 65 (4) Donde: S: Radio en metros. k: Coeficiente para diferentes distancia de choque al mástil, cable de guarda o tierra (k=1, para cable de guarda o k =1,2 para mástil). (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 4 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO d. Distancia Horizontal del Origen de la Esfera a la guarda, R. R S 2 S H 2 (5) Donde: H : Altura de instalación asumida del cable de guarda. e. Distancia Horizontal del origen de la esfera a la barra, T. T S 2 S A 2 (6) Donde: A: Altura de barra o del equipo. f. Distancia Horizontal entre el cable de guarda y la barra o equipo, C. C R T (7) Figura No. 1: Representación Gráfica de las Variables a Determinar Los resultados de los cálculos para la ampliación en las áreas de 230 kV se muestran en los Anexos No. 4 y 5 respectivamente, en estos cálculos se han considerado las alturas de 8 m y 17,62 m. (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 5 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO 5. DISPOSICIÓN DE CABLES DE GUARDA Los cables de guarda se ubicarán e instalarán de acuerdo a las dimensiones (alturas) de los equipos a instalar, tomando en cuenta los cálculos recomendados en la norma IEEE-998. El cable de guarda se instalará a una altura de 18,90 m entre los topes de los castilletes de los pórticos de 230 kV y los postes de salida línea de la Subestación. En el plano PL-E100 “SISTEMA DE APANTALLAMIENTO. PLANTA.” se muestra la disposición en planta de los cables de guarda, y el área de cobertura de las mismas. 6. CONCLUSIÓN De acuerdo al análisis técnico del sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas para la subestación 230 kV, se tienen las siguientes conclusiones: Los cables de guarda se instalarán a una altura de 18,90 m con respecto al nivel del terreno. Los descargadores de sobretensión de 230 kV instalados a 17,62 m establecen la altura máxima de los equipos que requieren ser protegidos y las barras de 230 kV serán instaladas a 14,90 m. El cuarto de control queda fuera del área de protección. Para la protección del mismo se instalarán varillas de puesta a tierra en el techo, conectadas entre sí y con la malla de tierra a través de conductor de cobre desnudo calibre #4/0 AWG. (COVENIN 599:1973) (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 6 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 1: Corriente Mínima de Choque (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 7 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 1: Corriente Mínima de Choque (continuación) (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 8 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 2: Principio Básico de la Esfera (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 9 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 3: Solución aproximada de la ecuación (2) para el diámetro de corona. (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 10 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 4: Cálculo de Apantallamiento Altura de Protección de 8 m, Cable de Guarda instalado a 18,90 m. CÁLCULO APANTALLAMIENTO MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE CON CABLE DE GUARDA MODELO ELETROGEOMÉTRICO TERMOZULIA 230 KV SUBESTACIÓN: NIVEL DE VOLTAJE EQUIPOS: ÁREA DE AMPLIACIÓN 230 kV, ALTURA DE PROTECCIÓN DE 8 m, CABLE DE GUARDA INSTALADO A 18,90 m 2000 MCM AL TIPO DE CONDUCTOR IDENTIFICACION VARIABLE VALOR kV kVBIL 1050 kV/m E0 1500 Altura Promedio de la barra o Equipo a Proteger m h 8 Radio del Conductor Metálico (Barras) - 2000 MCM m r_mc 0,02070 UNIDAD DESCRIPCION DATOS ENTRADA Nivel Basico de Aislamiento Gradiente Corona Limitante (Recomendado 1500) 2*h 2* h * ln Zs 60* ln Rc r Zs: Impedancia bajo la corona 2 * h Vc 0 Rc * ln R c Eo RC: Radio de la Corona. I Coeficiente para diferentes distancia de choque al mástil, cable de guarda o tierra (k=1, para cable de guarda o k =1,2 para mástil) --- k 1 Altura de la Barra o Equipo m A_b 8 2 .2 * BIL Z s Is: Corriente de choque permitida S 8 * k * I s0.65 S: Radio de la Esfera CALCULO DE RADIO DE LA CORONA (R_c) Radio de la Corona s m R_c 0,1499 CALCULOS Ohms Z_s 334,38 Corriente de choque permitida (Calculada) kA I_s 6,91 Corriente de choque tipica (recomendada) kA I_srec 7,00 Radio de la Esfera Altura asumida de instalacion para el cable de guarda Distancia Horizontal del Origen de la Esfera a la guarda Distancia Horizontal del origen de la esfera a la barra. Distancia Horizontal entre el cable de guarda y la barra o equipo. m S 28,34 m H 18,9 m R 26,72 m T 19,73 m C 6,99 m D 10,9 m E 17,44 m L 22,34 m X 44,68 Impedancia bajo la corona Distancia vertical entre el hilo de guarda y la barra o equipo a proteger. Distancia entre hilo de guarda y centro de la esfera Distancia Horizontal del origen de la esfera al cable de guarda Máxima distancia horizontal entre cables de guarda para protección del equipo (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 11 de 12 SUBESTACIÓN 230 kV MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO ANEXO No. 5: Cálculo de Apantallamiento Altura de Protección de 17,62 m, Cable de Guarda instalado a 18,90 m. CÁLCULO APANTALLAMIENTO MÉTODO DE LA ESFERA RODANTE CON CABLE DE GUARDA MODELO ELETROGEOMÉTRICO TERMOZULIA 230 KV SUBESTACIÓN: NIVEL DE VOLTAJE EQUIPOS: ÁREA DE AMPLIACIÓN 230 kV, ALTURA DE PROTECCIÓN DE 17,62 m, CABLE DE GUARDA INSTALADO A 18,90 m 2000 MCM AL TIPO DE CONDUCTOR IDENTIFICACION VARIABLE VALOR kV kVBIL 1050 kV/m E0 1500 Altura Promedio de la barra o Equipo a Proteger m h 17,62 Radio del Conductor Metálico (Barras) - 2000 MCM m r_mc 0,02070 UNIDAD DESCRIPCION DATOS ENTRADA Nivel Basico de Aislamiento Gradiente Corona Limitante (Recomendado 1500) 2*h 2*h * ln Zs 60* ln Rc r Zs: Impedancia bajo la corona 2 * h Vc Rc * ln 0 R c Eo RC: Radio de la Corona. I Coeficiente para diferentes distancia de choque al mástil, cable de guarda o tierra (k=1, para cable de guarda o k =1,2 para mástil) --- k 1 Altura de la Barra o Equipo m A_b 17,62 2 .2 * BIL Z s Is: Corriente de choque permitida S 8 * k * I s0.65 S: Radio de la Esfera CALCULO DE RADIO DE LA CORONA (R_c) Radio de la Corona s m R_c 0,1239 CALCULOS Impedancia bajo la corona Ohms Z_s 389,02 Corriente de choque permitida (Calculada) kA I_s 5,94 Corriente de choque tipica (recomendada) kA I_srec 7,00 Radio de la Esfera Altura asumida de instalacion para el cable de guarda Distancia Horizontal del Origen de la Esfera a la guarda Distancia Horizontal del origen de la esfera a la barra. Distancia Horizontal entre el cable de guarda y la barra o equipo. m S 28,34 m H 18,9 m R 26,72 m T 26,23 m C 0,49 m D 1,28 m E 27,06 m L 8,42 m X 16,84 Distancia vertical entre el hilo de guarda y la barra o equipo a proteger. Distancia entre hilo de guarda y centro de la esfera Distancia Horizontal del origen de la esfera al cable de guarda Máxima distancia horizontal entre cables de guarda para protección del equipo (MC-E003) - MEMORIA DE CÁLCULO SISTEMA DE APANTALLAMIENTO SUBESTACIÓN 230 kV Página 12 de 12
