3.-Diseño de Cadena de Aisladores Prueba

1.0

CALCULO DEL AISLAMIENTO

1.1

Premisas de Diseño

El diseño del aislamiento de la línea de transmisión 220 kV, Derivación – SE Tierras Nuevas, se efectuará bajo la consideración de los siguientes criterios: Diseño mecánico: a. b.

Diseño de cadena de suspensión Diseño de cadena de anclaje

Diseño Eléctrico: a. Sobretensión a frecuencia industrial húmedo b. Distancia de fuga. 1.2

Diseño Mecánico

El diseño mecánico de la cadena de aisladores se efectuará para las estructuras de suspensión y de ángulo mediano. 1.2.1 Diseño de cadena de suspensión La cadena de aisladores de suspensión se calcula en condición normal con la presencia de viento máximo, pero sin rotura de ningún conductor de fase; mientras que para la condición excepcional se calcula la cadena de aisladores de suspensión cuando se produzca la rotura de uno de los conductores de fase, en condición de tensado EDS a temperatura media y sin viento. a. Condición de máximo viento El diseño mecánico se efectúa para el conductor ACAR de 800 MCM y 405 mm² de sección real. El diseño se efectúa con los parámetros ambientales de la tabla 250-1.A para la zona A y área 0 (altitud promedio menor a 200 msnm) del Código Nacional de Electricidad Suministro 2011, que se mencionan a continuación: La condición más severa es la referida a la carga en el caso de viento máximo    

Temperatura, 10 °C Viento máximo transversal, PV = 39.07 kg/m² Esfuerzo unitario EDS inicial, se asume 20% de tiro de rotura de conductor Conductores de fases sanos

Debiendo cumplirse la siguiente expresión: P  Fs 

 T1  T2  T3  2  V1  V2  2

Donde: P T1 T2 T3 T3 T V1 V2 Fs

= = = = = = = = =

esfuerzo de rotura del aislador y herrajes, en kg carga transversal debido al viento sobre el conductor, en kg carga transversal debido al viento sobre los aisladores, en kg carga transversal debido al ángulo de desvío, en kg T x sen /2 Tiro del conductor en condición de máximo viento, en kg peso del conductor, para el vano peso, en kg/m peso de aislador + peso de herrajes, en kg factor de seguridad igual a 2.0

El cálculo para la condición de viento máximo, se muestran al final del texto. b. Condición de rotura del conductor El diseño mecánico se efectuará para el conductor ACAR de 405 mm² de sección nominal. El diseño se efectúa para la condición EDS inicial:    

Temperatura promedio, 23.8 °C Viento promedio transversal al eje de la línea, PV = 0.00 kg/m² Esfuerzo unitario EDS inicial, se asume 20% de tiro de rotura de conductor, igual a 4.548 kg/mm² Rotura de un conductor de fase

En este caso la expresión a cumplirse es la siguiente: P  Fs 

V

2

 V1*

  T 2

1

 T2  T3    k  L  2

2

Donde: P

=

esfuerzo de rotura del aislador y herrajes

V1* = 0.75 x V1 El cálculo del tiro longitudinal L está afectado por coeficientes de reducción de tiro y de impacto por rotura de conductor. Después de la rotura del conductor, la cadena de aisladores utilizará el coeficiente de reducción de tiro “ k ” en donde se aplica el factor de seguridad (Fs). Coeficiente de reducción k = 0.70 para conductor ACAR 405 mm²

Factor de seguridad

Fs = 2.00

En el instante de la rotura de un conductor de fase, el tiro longitudinal L está afectado por un coeficiente de impacto “” debido a la rotura de conductor, cuyo valor aproximado es igual a  = 5.00 para conductor ACAR 405 mm² En la fórmula anterior cuando se calcula el esfuerzo en la cadena en el momento de la rotura de un conductor, el coeficiente de impacto “” remplaza en la fórmula al coeficiente “ k ”. El cálculo para la condición de rotura del conductor, se muestran al final del texto. 1.2.2 Diseño de cadena de anclaje La cadena de aisladores en anclaje, sólo se calcula para la condición de rotura del conductor a. Condición rotura de conductor El diseño mecánico se efectuará para el conductor ACAR 405 mm² de sección. El diseño se efectúa para la condición EDS inicial:    

Temperatura promedio, 23.8° C Viento promedio transversal al eje de la línea, PV = 0.00 kg/m² Esfuerzo unitario EDS inicial, 4.548 kg/mm² Rotura de un conductor de fase

En donde se debe de cumplir que: L=P/ P L 

= = =

(c) Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes Máximo tiro longitudinal antes de la rotura de la cadena Coeficiente de impacto en caso de rotura de la cadena de anclaje, se asume igual a  = 5.00 para el conductor ACAR 405 mm²

Los resultados de los cálculos mecánicos se presentan al final del texto. 1.2.3 Conclusión Para el conductor tipo ACAR 405 mm², las cadenas de aisladores tipo fog de suspensión y anclaje debe resistir una fuerza de 120 kN. El resumen del cálculo mecánico de las cadenas de aisladores se presenta en el Cuadro N°1.

Cuadro N° 1 Cálculo Mecánico de Cadenas de Aisladores Fuerzas en la Cadena de Aisladores P (kN) (*) Normal Fs Rotura Fs k

Tipo de cadena Suspensión Anclaje

22.66 -------------------

2.00 -------------

29.40 90.63 36.13 90.32

2.00 ----2.00 -----

0.70 ----1.00 -----

 ----5.00 ----5.00

Fuerza de Fuerza Calculada Herrajes (kN) (kN) 120

120

120

120

(*) Todos los valores de la tabla, incluyen el factor de seguridad y los coeficientes de reducción “k” y de impacto “”, que se presentan durante la rotura de un conductor de fase. 1.3

Diseño Eléctrico del Aislamiento

1.3.1 Por Sobretensión a Frecuencia Industrial, Húmedo Se calcula el Voltaje Crítico Disruptivo y se corrige por factores ambientales, comparándolo con el Voltaje Resistente definido en las Normas IEC; en caso de obtener un valor menor se calcula con el valor definido en la norma IEC, es decir, 395 kVrms a. Cálculo del Voltaje Crítico Disruptivo a Frecuencia Industrial, Húmedo  Cálculo de sobrevoltaje línea a tierra a frecuencia industrial (VM ) VM 

V LL  2 3

 Ksv  Kf , kVpico

Donde: VM =

245  3

2

 1.05  1.3 = 273.06 kVpico;

Ksv = sobrevoltaje permitido en operación normal, por lo general 5% (ksv = 1.05);

Kf

= Factor de incremento de la tensión en las fases sanas durante una falla monofásica a tierra (kf = 1.3).

 Cálculo del Voltaje Crítico Resistente (VSM), mediante expresión de la IEC. VSM 

Donde:

VM

1  K    K = 3, para una probabilidad de 99.87%

 = 2% es la desviación Standard para el cálculo del voltaje crítico disruptivo a frecuencia industrial.  Cálculo de Voltaje Crítico Resistente Corregido VSM  industrial, corregido por la densidad relativa del aire. VSM 

para frecuencia

VM (1  k   )  DRA

Donde: DRA es la densidad relativa del aire y se obtiene de las siguientes expresiones. El factor de corrección por densidad relativa del aire (DRA) para una altitud de 270 msnm y temperatura media de 25°C, se obtiene mediante las siguientes expresiones. Pb  10

( Log 76 

H ) 18336

3.92  Pb

; DRA  (273  Ta )

Donde: Pb H Ta

= Presión barométrica = Altitud promedio sobre nivel del mar es, 270 msnm = temperatura ambiente de la zona, 25 °C

Reemplazando:

DRA = 0.9666;

 El Voltaje Crítico Resistente en kVpico es el siguiente:

 El Voltaje Crítico Resistente en kVrms es el siguiente:

c.

Cálculo del número de aisladores

El Voltaje Crítico Resistente a frecuencia industrial es 212.49 kVrms; sin embargo de acuerdo con la norma IEC 60071-1; para la tensión máxima de operación 245 kV el Voltaje Resistente a frecuencia industrial es 395 kV, que es mayor a la tensión obtenida. Para definir el aislamiento por sobretensión a frecuencia industrial se utiliza el valor previsto en la norma IEC. De acuerdo con los catálogos de aisladores de fabricantes para un voltaje resistente a frecuencia industrial húmedo de 395 kV, es necesario 13 unidades aisladores tipo estándar de 0.280 x 0.146 m y carga mecánica 120 kN.

d.

Cálculo de espaciamiento en el aire para sobretensión a frecuencia industrial

Las distancias mínimas fase-tierra necesarias en la estructura para sobretensión a frecuencia industrial se obtienen de la figura 4.6-1 (curva Conductor to Tower Leg) correspondiente al capítulo 4.6.2., del texto de referencia “EPRI AC Transmission Line Reference Book-200 kV and Above, Third Edition”, y para un Voltaje Resistente de 395 kVrms se obtiene una distancia aproximada del aislamiento en el aire igual a 0.70 m.

Figure 4.6-1 AC flashover strength of large air gaps (Aleksandrov et al. 1962). 1.3.2 Por Sobretensión de Maniobra 

Cálculo de Sobretensión de Maniobra Máxima (VM)

La sobretensión de maniobra máximo fase a tierra (VM), en valor pico es VM 

V LL  2

Donde:

3

 SM

V LL = Voltaje pico nominal del sistema, línea - línea SM = Sobretensión de maniobra en p.u., se asume igual a 2.5



Cálculo del Voltaje Crítico Disruptivo (VCFO)

El Voltaje Crítico Resistente según criterio de la IEC es : VSM 

Donde:

VM

1  3  VSM VM K





= = = =

Voltaje crítico resistente, en kV Voltaje de sobretensión de maniobra máximo, en kV 4.8 para una probabilidad de 99.87% Desviación estándar, se asume 5%

Cálculo del Voltaje Resistente Corregido por Densidad Relativa del aire.

El voltaje crítico resistente (VSM), que debe soportar la cadena de aisladores, se determina evaluando la siguiente expresión, en donde para la zona de carga área A0, se aplica DRA = 0.907. Remplazando:

VSM 

VM (1  K )  DRA

 VL  L  2     2.5 3  VSM   (1  4.8  0.05)  0.907 VSM  725.50 kV



Espaciamiento fase - tierra por sobretensión de maniobra

La sobretensión de maniobra, en un sistema aislado en el aire, es un sobre voltaje de origen interno y se produce por cambios en la configuración del sistema. Las distancias mínimas fase-tierra necesarias en la estructura para sobretensiones de maniobra se obtienen de la fórmula presentada en el capítulo 5.5 de la referencia “EPRI AC Transmission Line Reference Book – 200 kV and Above, Third Edition. EPRI, Palo Alto, CA: 2002.1011974”. D

8  VSM 3400  K SM  VSM

El factor KSM es 1.45 para la distancia fase – tierra del conductor-estructura lateral, según norma IEC 600071-2. La distancia mínima fase-tierra para una altitud de 200 msnm, es decir la distancia conductor – estructura lateral es 1.21 m, para el proyecto se considera 1.25 m.

1.3.3 Diseño del Aislamiento por Distancia de Fuga La selección de los aisladores por distancia de fuga se efectúa según las recomendaciones establecidas en la norma IEC-60815. La línea de transmisión a 220 kV en estudio, se caracteriza por ubicarse en una zona de baja altitud, caracterizado por una zona costera en donde normalmente no se presentan lluvias. En función a estas características se asume el nivel de 65 mm/kV; superior al valor recomendado por la IEC 815, para el nivel de polución IV “muy pesado”, debido a que en la costa peruana normalmente no se producen lluvias y la zona del proyecto está totalmente expuesto a los vientos provenientes del mar. La distancia de fuga total de la cadena de aisladores se calcula con la siguiente expresión: Df 

kV  Dfu  FA 3

Donde: KV = tensión máxima de operación de la línea, 245 kV; Dfu = distancia de fuga específica a considerar es superior al nivel de polución IV Muy pesado (según la IEC 815 1985) y será igual a 65 mm/kV; FA = factor de altitud es igual a 1.00 Calculando: Df 

245 kV  65 mm / kV  1.00  9194.30 mm 3

Se considera el uso de aisladores tipo fog de 0.280 x 0.146 y distancia de fuga de 445 mm, calculando el número de aisladores por cadena de suspensión mediante la siguiente expresión. Número de aisladores 

9 194.3 ( mm)  20.66  21 unidades 445 ( mm)

Para definir la distancia de fuga específica se recurrió a la siguiente tabla del libro EPRI AC Transmisión Line Referente Book – 200 kV and above, Third Edition, del año 2 005. Table 3.6-4 IEC Recommendations for Unified Creepage Distance (revision of IEC 815 1985) (Copyright © 1996, Geneva, Switzerland. www.iec.ch.) Pollution Level I Light

Examples of Typical Environments • Areas without industries and with low density of houses equipped with heating plants. • Areas with low density of industries or houses, but subjected to frequent winds and/or rainfall.

Minimum Unified Specific Creepage Distance (mm/kV) 28

• Agriculture areas. • Mountainous areas. All these areas shall be situated at least 10–20 km from the sea, and shall not be exposed to winds directly from the sea.

II Medium

III Heavy

IV Very Heavy

• Areas with industries not producing particularly polluting smoke and/or with average density of houses equipped with heating plants. • Areas with high density of houses and/or industries, but subjected to frequent winds and/or rainfall. • Areas exposed to wind from the sea, but not too close to coasts (at least several kilometers distant). • Areas with high density of industries, and suburbs of large cities with high density of heating plants producing pollution. • Areas close to the sea or in any case exposed to relatively strong winds from the sea. • Areas generally of moderate extent, subjected to conductive dusts and to industrial smoke producing particularly thick conductive deposits. • Areas generally of moderate extent, very close to the coast and exposed to sea spray or to very strong and polluting winds from the sea. • Desert areas, characterized by no rain for long periods, exposed to strong winds carrying sand and salt, and subjected to regular condensation.

35

44

55

1.3.4 Selección de Aislamiento a.

Selección del Tipo y Número de Aisladores

El aislamiento de la línea de transmisión de 220 kV determinado por los criterios definidos líneas arriba estará conformado por lo siguientes aisladores. Para la línea de 220 kV se recomienda la utilización de aisladores tipo fog con distancia de fuga unitaria mínima de 445 mm, con carga de falla mecánica mínima de 120 kN. Altitud Máxima (msnm)

Sobretensión a Frecuencia Industrial

Distancia de Fuga

Número de Aisladores Requerido

200

13

21

21

En conclusión, para la línea de transmisión de 220 kV, cuyo trazo se ubica en altitud promedio de 200 msnm se utilizará el siguiente aislamiento:  

Cadena de suspensión con 21 unidades aisladoras tipo fog de 120 kN Cadena de anclaje con 22 unidades aisladoras tipo fog de 120 kN

b. Características de los aisladores Standard seleccionados Las características de los aisladores tipo fog seleccionado son las siguientes:     

Tipo Clase IEC Norma IEC Conexión Diámetro de disco

: : : : :

Suspensión y Anclaje U120BP 16 A Ball & socket 280 mm

   

Altura : Distancia de fuga : Carga de falla electromecánica : Voltaje Resistente / Frecuencia Industrial - Seco, un minuto : - Húmedo, un minuto :  Voltaje Resistente al Impulso :  Voltaje de Perforación :  Peso Neto Aproximado :

146 mm 445 mm 120 kN 80 kV 50 kV 125 kV 130 kV 5.8 kg

c. Características de las cadenas de suspensión y de anclaje: Las características eléctricas de las cadenas de aisladores de suspensión y anclaje, de la línea de transmisión en 220 kV Derivación – SE Tierras Nuevas son las siguientes: Tipo de cadena

:

Suspensión

Anclaje

 Número de aisladores  Voltaje Resistente a Frecuencia Industrial - Seco : - Húmedo  Voltaje Resistente a impulso de rayos  Resistencia Electromecánica  Distancia de Fuga Total

:

21 unid.

22 unid.

925 kV : 590 kV : 1 730 kV : 120 kN : 9 345 mm

960 kV 610 kV 1 810 kV 120 kN 9 790 mm

CALCULO MECANICO DE AISLADORES DE SUSPENSION CONDICION NORMAL (en condición de viento máximo)

Nivel de tensión Zona de ubicación Tipo de aislador Función del aislador Conductor de fase Sección de conductor (mm²) Presión de viento (kg/m²) Diámetro conductor (mm) Peso unitario del conductor (kg/m) Tiro máximo 300 m (kg) Vano medio (m) Vano gravante (m) Área de aislador suspensión (m²) Angulo de desvío (°) Peso aislador suspensión (kg) Número de aisladores Peso herrajes suspensión Tiro transversal viento sobre conductor (kg) Tiro transversal viento sobre aisladores (kg) Tiro transversal debido al ángulo de desvío (kg) Peso del conductor para el vano peso (kg) Peso del aislador + peso de herrajes Factor de seguridad Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kg) Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kN) Mínima carga mecánica de los aisladores (kN)

T1 = T2 = T3 = V1 = V2 = fs = P1 = P1 =

220 kV Costa Fog suspensión ACAR 405 39.07 26.14 1.113 2044.08 280.00 700.00 0.644 3.00 5.80 21.00 15.00 571.92 25.16 107.02 779.10 136.80 2.00 2310.52 22.66 120.00

CONDICION DE ROTURA DE CONDUCTOR (en condición EDS)

Nivel de tensión Zona de ubicación Tipo de aislador Función del aislador Conductor de fase Sección de conductor (mm²) Diámetro conductor (mm) Tiro unitario EDS (kg/mm²) Vano medio (m) Vano gravante (m) Área de aislador suspensión (m²) Angulo de desvío (°) Peso aislador suspensión (kg) Número de aisladores Peso herrajes suspensión Peso unitario del conductor (kg/m) Tiro transversal debido al ángulo de desvío, un conductor de fase roto (kg) Peso del conductor para el vano peso (kg) Peso del aislador + peso de herrajes Tiro longitudinal por rotura de un conductor de la fase (kg) Factor de seguridad factor de seguridad asociado a coeficiente de impacto

T3 = V1 = V2 = L= fs = f's =

220 KV Costa Fog suspensión ACAR 405 26.14 4.548 300.00 750.00 0.644 3.00 5.80 21.00 15.00 1.113 48.22 834.75 136.80 1841.94 2.00 1.00

Coeficiente de reducción de tiro después de rotura Coeficiente de impacto en el instante de rotura Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kg), coeficiente de reducción = 0.70 Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kg); coeficiente de impacto = 5.00 Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kN) Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kN) Mínima carga mecánica de los aisladores (kN)

K= Ka = P1 = P2 = P1 = P2 =

0.70 5.00 2997.82 9241.37 29.40 90.63 120

CALCULO MECANICO DE AISLADORES EN ANCLAJE CONDICION DE ROTURA DE CONDUCTOR (en condición EDS)

Nivel de tensión Zona de ubicación Tipo de aislador Función del aislador Conductor de fase Sección de conductor (mm²) Tiro unitario EDS (kg/mm²) Vano medio (m) Tiro longitudinal debido a la rotura de un conductor de fase (kg) Factor de seguridad Coeficiente de impacto en el instante de rotura Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kg), factor de seguridad = 2.00 Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kg); coeficiente de impacto = 5.00 Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kN) Esfuerzo de rotura del aislador y herrajes (kN) Mínima carga mecánica de los aisladores (kN)

L= fs = Ka = P1 = P2 = P1 = P2 =

220 kV Costa Fog anclaje ACAR 405 4.548 300 1841.94 2.00 5.00 3683.88 9209.70 36.13 90.32 120