elis zerpa

7/22/2019 Elis Zerpa

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA

IMPACTO EN EL SISTEMA DE TRANSMISIN A 115 KVDEBIDO AL CAMBIO DE LOS TRANSFORMADORES DE

POTENCIA EN LA SUBESTACIN MRIDA I

Br. Elis R. Zerpa E.

Mrida, Marzo, 2013


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IMPACTO EN EL SISTEMA DE TRANSMISIN A 115 KVDEBIDO AL CAMBIO DE LOS TRANSFORMADORES DE

POTENCIA EN LA SUBESTACIN MRIDA ITrabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al Ttulo de Ingeniero

Electricista.


Tutor(es): Prof. Jess Velazco

Prof. Marisol Dvila

Asesor: Ing. Nelson Paredes

Mrida, Marzo, 2013


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ii



IMPACTO EN EL SISTEMA DE TRANSMISIN A 115 KV DEBIDO AL CAMBIODE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA EN LA SUBESTACIN MRIDA I


Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optaral Ttulo de Ingeniero Electricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por elsiguiente jurado:

_______________________________ ______________________________

Prof. Marisol Dvila Prof. Jos DuranC.I. 10.107.821 C.I. 16.445.070

______________________________

Prof. Jess VelazcoC.I. 8.088.307


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iii

DEDICATORIA

Dedicada a mis padres Dulce Mara y Joaqun Zerpa

quienes con su apoyo y sacri f ici o han hecho

posible cumplir esta meta


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iv

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por darme la fuerza en los momentos ms difciles de mi carrera.

A mi Familia, que con su amor, apoyo y compresin me dieron las herramientas para seguir

adelante.

A mi novia, muchas gracias por tu ayuda constante, por comprenderme, por llenar mis das de

alegra y darme animo en todo momento para seguir adelante.

A CORPOELEC, por haberme dado la oportunidad de realizar las pasantas y la tesis, piezas

fundamentales en la conclusin de mi pregrado.

Al Ingeniero Nelson Paredes, por aceptar ser el tutor Industrial de mis pasantas y mi trabajo

de grado, por ayudarme con su experiencia a solventar las dificultades que se presentaron en el

desarrollo de la tesis, por su amistad, para Ud, muchas gracias.

Al profesor Jess Velazco, por acceder a ser mi tutor acadmico, por brindarme su apoyo y

conocimientos para realizar satisfactoriamente este trabajo de grado.

A la profesora Marisol Dvila, por estar siempre dispuesta en ayudarme y apoyarme en los

momentos difciles que se presentaron a lo largo del desarrollo del trabajo de grado.

Y a todas aquellas personas que directa o indirectamente hicieron posible la realizacin de esta

investigacin.

A todos muchas gracias.


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Elis R. Zerpa E. Impacto en el Sistema de Transmisin a 115 kV Debido al Cambio de losTransformadores de Potencia en la Subestacin Mrida I. Universidad de Los Andes.Tutor(es): Prof. Jess Velazco y Prof. Marisol Dvila. Marzo del 2013.

RESUMEN

En los sistemas de potencia, al producirse un cortocircuito se tiene un valor alto de corrienteque generan fuerzas de gran magnitud denominados esfuerzos electrodinmicos, as comotambin los esfuerzos trmicos, que pueden producir daos graves en la red. Este trabajo estenfocado en dos estudios, uno de ellos es preliminar y tiene como fin verificar las condicionesactuales de operacin de la subestacin Mrida I a partir de los esfuerzos electrodinmicos ytrmicos; as como de los perfiles de tensin y de cortocircuitos presentes en el sistema detransmisin del estado Mrida. De acuerdo a los resultados, se determino que bajo estascondiciones, la subestacin y el sistema de transmisin cumplen con las normas y parmetrosestablecidos por CADAFE. El otro estudio, pretende determinar el impacto que tendr lasustitucin de los transformadores de potencia en la subestacin Mrida I, as como en elsistema de transmisin. Segn los resultados, se constat que dicha subestacin se verafectada, debido al incremento en los requerimientos de corriente y de cortocircuitos. Por otra

parte, se determin que el impacto de los nuevos transformadores sobre el sistema detransmisin de Mrida ser mnimo.

Descriptores: flujos de carga, perfiles de tensin, sistema de transmisin, esfuerzoselectrodinmicos y esfuerzos trmicos, niveles de cortocircuito. .


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NDICE GENERAL

APROBACIN. iiDEDICATORIA... iii

AGRADECIMIENTOS iv

RESUMEN v

INTRODUCCIN.... 1

CAPTULO pp.

1.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA... 31.1 Antecedentes.. 3

1.2 Justificacin... 4

1.3 Objetivos 5

1.3.1 General... 5

1.3.2 Especficos. 5

1.4 Limitaciones y Alcances 6

1.5 Metodologa... 6

2. EL SISTEMA ELCTRICO DE MRIDA... 82.1 Estructura del Sistema Elctrico Nacional 8

2.2 Sistema Elctrico de Potencia Occidental. 9

2.3 Sistema Elctrico del Estado Mrida. 10

2.3.1 Subestaciones Radiales.. 11

2.3.2 Subestaciones Nodales.. 12

2.4 Descripcin de la Subestacin Mrida I. 13

2.4.1 Resea Histrica 13

2.4.2 Ubicacin Geogrfica 132.4.3 reas Servidas... 14

2.4.4 Impacto.. 14

2.4.5 Descripcin General.......... 15

2.5 Equipos de Potencia de la Subestacin Mrida I.. 15

2.5.1 Transformador de Potencia 15


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2.5.2 Transformadores de Corriente y Transformadores de Potencial... 25

2.5.3 Seccionadores 28

2.5.4 Cuchilla Monopolares Tipo P y Tripolares Tipo TP. 28

2.5.5 Interruptores de Potencia... 29

2.5.6 Descargadores de Sobretensin. 30

2.6 Anlisis de Flujo de Potencia........ 32

2.6.1 Mtodo de Newton Raphson para el Anlisis de Flujos de Potencia. 32

2.6.2 Control de Potencia Reactiva y Voltaje. 32

2.7 Caractersticas del Programa Power Factory 14.0. 33

2.7.1 Entorno de Power Factory 14.0.. 33

3. CONDICIONES ACTUALES DE OPERACIN DE LA SUBESTACIN

38MRIDA I Y DEL SISTEMA DE TRANSMISIN.3.1 Introduccin.. 38

3.2 Esfuerzos Trmicos y Electrodinmicos en la Barra de 115 kV... 41

3.2.1 Corriente Mxima sobre los Conductores de Lnea y del Prtico de 115 kV.. 41

3.2.2 Seccin Trmica del Conductor.... 41

3.2.3 Esfuerzo Dinmico.... 43

3.3 Esfuerzos Trmicos y Electrodinmicos en la Barra de 13,8 kV.. 49

3.3.1 Corriente Mxima y Corriente de Cortocircuito Requeridas para la Barra... 50

3.3.2 Seccin Trmica.... 51

3.3.3 Fuerza Ejercida sobre la Barra.. 52

3.3.4 Frecuencia Mecnica. 55

3.4 Verificacin de los Equipos de Medicin, Proteccin y Maniobra.. 56

3.4.1 Descargadores de Sobretensin 56

3.4.2 Verificacin de los Transformadores de Potencia. 61

3.4.3 Clculos de las Corrientes de Cortocircuito para la Verificacin de Equipos... 62

3.4.4 Verificacin de los Transformadores de Corriente 64

3.4.5 Verificacin de los Transformadores de Tensin.. 67

3.4.6 Verificacin de los Interruptores de Potencia 68

3.4.7 Verificacin de los Seccionadores y Cuchillas. 713.5 Flujo de Potencia y Corrientes de Cortocircuito empleando el Software73Power Factory 14.0...

3.5.1 Perfiles de Tensin del Sistema de Potencia de Mrida 73

3.5.2 Parmetros de Cortocircuito del Sistema de Transmisin de Mrida .. 76


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4. CONDICIONES FUTURAS DE OPERACIN DE LA SUBESTACIN

79MRIDA I Y DEL SISTEMA DE TRANSMISIN4.1 Introduccin... 79

4.2 Esfuerzos Electrodinmicos y Trmicos en la Barra de 115 kV.. 80

4.2.1 Corriente Mxima Requerida para los Conductores de Lneas de Llegada80y del Prtico de 115 kV ...

4.3 Esfuerzo Trmico y Dinmico en la Barra de 13,8 kV. 81

4.3.1 Corriente Mxima Requerida ... 81

4.3.2 Seccin Trmica... 82

4.3.3 Fuerza Ejercida sobre la Barra.. 83

4.3.4 Frecuencia Mecnica 83

4.4 Verificacin de los equipos de Medicin, Proteccin Maniobra... 83

4.4.1 Descargadores de Sobretensin. 83

4.4.2 Verificacin de los Transformadores de Potencia. 84

4.4.3 Calculo de las Corrientes de Cortocircuito para la Verificacin de Equipos. 85

4.4.4 Verificacin de los Transformadores de Corriente 86

4.4.5 Verificacin de los Transformadores de Tensin.. 86

4.4.6 Verificacin de los Interruptores de Potencia 86

4.4.7 Verificacin de los Seccionadores y Cuchillas.. 87

4.5 Flujo de Potencia y Corriente de Cortocircuito empleando el Programa Power88Factory 14.0...

4.5.1 Perfiles de Tensin del Sistema de Potencia de Mrida 88

4.5.2 Parmetros de Cortocircuito del Sistema de Transmisin. 90

CONCLUSIONES 93

RECOMENDACIONES.. 95

REFERENCIAS 96

ANEXOS... 98

GLOSARIO DE TRMINOS. 111


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NDICE DE FIGURAS

FIGURA pp.

2.1 Subestaciones Radiales 112.2 Subestaciones Nodales.. 122.3 Sistema de Transmisin del Estado Mrida. 132.4 Transformadores de la Subestacin Mrida I 162.5 Circuito Equivalente de un Transformador... 182.6 Prueba para Determinaren un Transformador Conectado en Yd o Dy 202.7 Prueba para Determinar.. 202.8 Diagrama Aproximado del Transformador con o sin Tap. 23

2.9 Modelo del Transformador con o sin Tap.. 252.10 Transformadores de Corriente y de Tensin del Prtico de 115 kV..... 252.11 Seccionadores de Apertura Central Disponibles la Subestacin Mrida I.... 282.12 Cuchilla Monopolar y Tripolar...... 292.13 Interruptor en Vacio y en SF6... 302.14 Disposicin del Descargador de Sobretensin.. 302.15 Pantalla Principal del Power Factory 14.0......... 342.16 Administrador de la Base de Datos. 35

2.17 Definicin de Parmetros para la Maquina Sincrnica. 362.18 Ventada para el Clculo del Flujo de Potencia. 37

3.1 Distancias de Seguridad en Metros para Conductores del Prtico de 115 kV.. 433.2 Fuerzas Ejercidas sobre Conductores Flexibles.... 433.3 Flechas Mximas en el Eje Vertical y Flecha entre Conductores. 473.4 Distancias Criticas entre Conductores Principales. 48

3.5 Distribucin de las Corrientes Mximas en la Barra Principal de 13,8 kV... 503.6 Falla en la Barra de 13.8 kV...... 513.7 Fuerzas entre Conductores Principales y Distancias de Seguridad... 533.8 Red Equivalente para el Clculo de los Parmetros del Descargador. 583.9 Red Equivalente para el Clculo de la Corriente de Falla Monofsica... 59

3.10 Diagrama Unifilar y Localizacin de Fallas en la Subestacin Mrida I.. 623.11 Subestacin Mrida I vista en Power Factory Bajo Condiciones Actuales... 734.1 Reparto de la Corriente Mxima en la Barra de 13,8 kV..... 814.2 Falla en la Barra de de 13,8 kV.-... 824.3 Diagrama Unifilar y Localizacin de Fallas en la Subestacin Mrida I. 854.4 Subestacin Mrida I Vista en Power Factory Bajo Condiciones Futuras.. 88


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NDICE DE TABLAS

TABLA pp.

2.1 Capacidad de las Plantas Generacin Regin Sur Occidental. . 9

2.2 Plantas de Generacin Distribuida Regin Sur Occidente.... 10

2.3 Caractersticas de los Transformadores de Potencia de la Subestacin Mrida I. 16

3.1 Temperaturas Caractersticas para Condiciones de Servicio. 40

3.2 Caractersticas de los Conductores de Aluminio Cableado-Desnudo... 40

3.3 Verificacin de la Lnea de Llegada y la Barra de 115 kV... 41

3.4 Niveles de Cortocircuito Trifsicos en la Barra de 115 kV.. 42

3.5 Seccin Trmica del Conductor de Aluminio para la Barra de 115 kV............... 423.6 Fuerzas Presentes en los Conductores Flexibles Bajo Condiciones de Falla............ 45

3.7 Variables del Polinomio en Funcin de la Ecuacin de Estado.. 47

3.8 Resultados de los Esfuerzo Dinmicos en la Barra de 115 kV. 47

3.9 Parmetros para Determinar la Flecha Mxima fmxh 48

3.10 Comprobacin de las Distancias Criticas de Seguridad entre Conductores. 49

3.11 Verificacin de la Flecha Mxima fmxv y % Vano 49

3.12 Datos Tcnicos de las Celdas de 13,8 kV..... 50

3.13 Corrientes Mximas sobre la Barra Principal de 13,8 kV. 50

3.14 Corrientes de Cortocircuito y de Choque Experimentadas por la Barra de 13,8 kV. 513.15 Seccin Trmica del Conductor de Cobre para las Celdas de 13,8 kV..... 51

3.16 Requerimientos de los Conductores de la Barra de 13,8 kV. 55

3.17 Frecuencia Mecnica para el Conductor de la Barra de 13,8 kV.. 56

3.18 Niveles de Cortocircuito Trifsico y Monofsicos Vistos en las Barras de 115 kV. 57

3.19 Caractersticas de las Lneas de Transmisin.... 57

3.20 Caractersticas para Descargadores de la Marca ASEA.... 60

3.21 Caractersticas de Proteccin del Descargador Tipo XAA96 Marca ASEA. 61

3.22 Datos Tcnicos de los Transformadores de Potencia de la Subestacin Mrida I 61

3.23 Corrientes de Cortocircuito y de Choque para cada Punto de Falla.. 633.24 Datos Tcnicos de los TC para la lnea de Llegada... 65

3.25 Datos Tcnicos de los TC del Lado de AT del Transformador de Potencia. 65

3.26 Datos Tcnicos de los TC del Lado de BT del Transformador de Potencia. 66

3.27 Datos Tcnicos de los TC de las Lneas de Salida 66

3.28 Verificacin de los Transformadores de Corriente 67


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3.29 Datos Tcnicos de los CVT de las Lneas de Llegada.. 68

3.30 Datos Tcnicos de los TP de las lneas de Salida...... 68

3.31 Datos Tcnicos de los Interruptores de Potencia H-210 y H-110. 69

3.32 Datos Tcnicos de los Interruptores de Potencia D-280 y D-180. 70

3.33 Datos Tcnicos de los Interruptores de Potencia D-130 al D-150.... 70

3.34 Datos Tcnicos del Interruptor de Potencia D-120... 71

3.35 Verificacin de los Interruptores de Potencia... 71

3.36 Datos Tcnicos de los Seccionadores H-114 y H-214...... 72

3.37 Datos Tcnicos de las Cuchillas Monopolares Tipo P y Tripolares Tipo TP 72

3.38 Verificacin de los Seccionadores y Cuchillas..... 73

3.39 Variaciones Porcentuales Permitidas en los Niveles de Tensin...... 74

3.40 Perfiles de Tensin y Flujo de Potencia Bajo Condiciones Actuales 74

3.41 Parmetros de Cortocircuito Bajo Condiciones Actuales...... 76

4.1 Verificacin de la Lnea de Llegada y la Barra de 115 kV... 81

4.2 Corrientes Mximas sobre la Barra Principal de 13,8 kV. 81

4.3 Corriente de Cortocircuito y de Choque Experimentada por la Barra de 13,8 kV 82

4.4 Seccin Trmica del Conductor de Cobre de las Celdas de 13,8 kV.... 82

4.5 Requerimientos para los Conductores Principales de la Barra de 13,8 kV....... 83

4.6 Frecuencia Mecnica para el Conductor de la Barra Principal de 13,8 kV... 83

4.7 Datos Tcnicos de los Nuevos Transformadores de Potencia... 84

4.8 Corriente de Cortocircuito y de Choque para cada Punto de Falla... 85

4.9 Verificacin de los Transformadores de Corriente... 86

4.10 Verificacin de los Interruptores de Potencia.... 87

4.11 Verificacin de los Seccionadores y Cuchillas.. 87

4.12 Perfiles de Tensin y Flujo de Potencia Bajo Condiciones Futuras...... 88

4.13 Parmetros de Cortocircuito Bajo Condiciones Futuras.... 91


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NDICE DE GRFICOS

GRFICO pp.

2.1 Corriente Trmica y Corriente Dinmica 262.2 Representacin del Factor de Sobrecorriente Nominal... 272.3 Limitacin de la Onda de Impulso Controlada por Descargadores de Sobretensin.. 313.1 Capacidad Trmica de los Metales de Uso Comn..... 40


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INTRODUCCIN

La Energa Elctrica es sin duda, vital para el desarrollo de un pas, por lo tanto, es necesario

contar con una red de generacin, transmisin y distribucin, eficiente y flexible a los

constantes cambios, que garantice el suministro de energa.

La Corporacin Elctrica Nacional (CORPOELEC), a travs de sus empresas filiales

CADAFE, CADELA entre otras, responsables del suministro elctrico para la Regin Andina,

se han visto en la necesidad de incorporar al sistema de transmisin y distribucin del estado

Mrida un conjunto de Plantas de Generacin Distribuida. Tal es el caso, de la Planta Los

Prceres, Planta Centenario y la Planta de Generacin Aggreco en el Viga; para de estamanera poder solventar el dficit de energa en la entidad, as como la incorporacin

recientemente de la subestacin Mrida III y la ampliacin de la capacidad en otras

subestaciones.

Los transformadores de potencia, as como los equipos de interrupcin, son parte vital de

las subestaciones que integran los sistemas de transmisin de energa elctrica, permitiendo

realizar maniobras y ajustar las tensiones a los niveles requeridos. Como CORPOELEC prev

sustituir los transformadores de potencia en la Subestacin Mrida I, por dos (2) de mayor

capacidad se hace necesario determinar el impacto que esto traer no solo en la propia

subestacin, sino tambin al sistema de transmisin del estado Mrida, con el propsito tomar

las acciones necesarias y as, impedir que ms adelante se presenten fallas que comprometan

el suministro de energa elctrica. Esta situacin es ms delicada en la subestacin Mrida I,

ya que sta es de tipo radial, lo que impide que se pueda respaldar cargas de gran importancia

como la del Hospital Universitario y los centros clnicos de la Av. Urdaneta.

A continuacin, se desglosa el trabajo de grado en cuatro captulos para comprensin y

ubicacin en el proceso de anlisis a la zona en estudio:


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2

Captulo I, se expone la justificacin del trabajo, as como las dificultades que se

presentaron para su desarrollo, adems de indicarse los objetivos que se quieren alcanzar con

la investigacin, as como las limitaciones y alcance del mismo.

En el Captulo II, se establecen las bases tericas necesarias para llevar a cabo el trabajo de

grado, all se define el sistema transmisin del estado Mrida, se describen los tipos de

subestaciones, el alcance de la subestacin Mrida I y los equipos que en ella operan y que son

objeto de estudio, as como el anlisis de flujos de potencia y una breve introduccin al

entorno de la herramienta computacional Power Factory, la cual ser empleada en los

siguiente captulos.

En el Captulo III, se lleva a cabo un estudio de los esfuerzos trmicos y dinmicos de lasbarras y equipos de la subestacin Mrida I, as como del perfil de tensin y niveles de

cortocircuito del sistema de transmisin del estado, tomando en cuenta las condiciones

actuales del sistema, todo ello en funcin de los transformadores de potencia que se

encuentran hoy en funcionamiento en la subestacin.

Por ltimo, en el captulo IV se lleva a cabo la sustitucin de los transformadores de

potencia de la subestacin Mrida I por dos (2) transformadores de mayor capacidad. Bajo

estas nueva condicin se verifica la operatividad de las barras y equipos de esta subestacin en

funcin de los esfuerzos trmicos y dinmicos; as como del perfil de tensin y niveles de

cortocircuito en el sistema de potencia, con el fin de poder determinar el impacto a futuro de

los nuevos transformadores sobre la subestacin y en el sistema de transmisin del estado

Mrida; de tal forma que se puedan realizar las recomendaciones necesarias que garanticen el

suministro de energa elctrica.


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CAPTULO IPLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

La necesidad de aumentar la capacidad del Sistema Elctrico del Estado Mrida surgi hace

20 aos, gracias al crecimiento de la ciudad de Ejido, en principio esta contaba con dos

transformadores de 20 MVA, capacidad que en poco tiempo fue insuficiente para suplir con lademanda creciente de energa. Dada esta situacin y para solventar temporalmente este

problema, se instalaron lneas de 13,8 kV desde la subestacin Mrida I hacia la ciudad de

Ejido; sin embargo, conforme aumentaban los requerimientos de energa, se vio en la

necesidad de aumentar la potencia de los transformadores de la subestacin Mrida I, ya que

se registraron niveles de utilizacin entre 100 y 105%. Posteriormente, en el ao 2004 entr

en servicio la Subestacin Ejido, lo cual significo un alivio para la carga que manejaban los

transformadores de potencia de la subestacin Mrida I.

La Subestacin Mrida I, fue creada para suministrar energa elctrica a la zona sur y

centro de la ciudad a travs de siete (7) circuitos, en los que se encuentran sectores e

instituciones de gran importancia desde el punto de vista econmico y social, tales como: el

Hospital Universitario de los Andes, que es el centro de salud ms grande e importante de la

ciudad, el sector Los Curos, en el cual se ubica el 75% de las industrias de la ciudad y la

avenida Urdaneta, zona en la que se encuentra el Aeropuerto Alberto Carnevali y diferentes

centros mdicos.

La subestacin Mrida I, fue puesta en servicio en el ao 1.976, para luego en el ao 1.982

ser ampliada, por lo cual en la actualidad cuenta una capacidad instalada de 40 MVA, dividida

en dos (2) transformadores de potencia de 115/13,8 kV, de 20 MVA cada uno, que son


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alimentados desde la subestacin Mrida II. La subestacin Mrida I es de Tipo Radial I y

representa la subestacin piloto en el Estado Mrida.

Antes de la crisis energtica causada por la sequa que azot gran parte del pas desde el

ao 2009 hasta el 2011, ya exista una disparidad entre el incremento de la oferta y la demanda

de la energa elctrica; esta ltima se haba venido incrementando a un ritmo del 7% anual

desde el ao 2005.

De esta manera, para el ao 2011, se registro un mximo de utilizacin en algunos

transformadores de potencia cercanos al 107%; debido a esta situacin la empresa CADAFE

filial de CORPOELEC, comenz hace varios aos atrs, una poltica para ir aumentando la

capacidad de los transformadores de potencia y la incorporacin de Generacin Distribuida,entre las cuales se encuentran la planta Los Prceres en la ciudad de Mrida y la planta

Aggreko en la ciudad del Viga, entre otras; con el fin de solventar el dficit en el suministro

de energa en todo el Estado Mrida.

La incorporacin de la subestacin Mrida III, en mayo del 2012, permiti aliviar la carga

de los transformadores de Mrida I, pero esto ser por cierto tiempo, a medida en que la

demanda se vaya incrementando y alcance valores cercanos a la capacidad instalada, razn por

lo cual actualmente ya se adquiri uno de los dos transformadores de la marca EFACEC de 36

MVA, y su instalacin est prevista para los prximos meses.

1.2 JUSTIFICACIN

Actualmente, la empresa CORPOELEC, lleva a cabo proyectos para el aumento de la

capacidad de los transformadores de potencia en las subestaciones de mayor demanda

elctrica, entre ellas la Subestacin Mrida I; en la cual se llego a reportar hasta un 107% del

factor de utilizacin en uno de los transformadores que se encuentran instalados. Esta

situacin puede llegar a comprometer la integridad de la subestacin y el servicio elctrico,

razones por las cuales, se tomo la decisin de incrementar la capacidad de la subestacin

Mrida I a travs de la sustitucin de los dos (2) transformadores de 20 MVA actuales, por dos


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(2) de 36 MVA cada uno. Este cambio en la capacidad requiere estudiar el impacto que tendr

la entrada en servicio de estos transformadores en la propia subestacin y en el resto del

sistema de transmisin.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1. General

Estudiar el impacto que genera el cambio de los transformadores de potencia en la Subestacin

Mrida I y sobre el sistema de transmisin de 115 kV en Mrida.

1.3.2. Especficos

Verificar la operatividad de los equipos comprometidos en la sustitucin de lostransformadores.

Disyuntor. Seccionador. Transformador de corriente. Transformador de tensin. Y otros equipos que lo requieran.

Estudiar el flujo de carga del sistema de transmisin en 115 kV de Mrida, empleandosoftware comercial.

Estudiar los perfiles de tensin en el sistema de transmisin en 115 kV de Mrida.

Analizar los resultados obtenidos de los estudios de flujo de carga y tensin.

Estudiar el impacto que genera el cambio de los transformadores de potencia.


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1.4 LIMITACIONES Y ALCANCE

Dentro de todo trabajo de investigacin, es posible encontrarse con limitaciones que pueden

hacer que la misma sea cuesta arriba, pero a pesar de ello, siempre es posible solventarlas y as

poder culminar satisfactoriamente la investigacin. Como limitantes se puede nombrar al

manejo de la informacin de las distintas variables elctricas que se recopilan en las

subestaciones ms antiguas del sistema de transmisin del estado Mrida, ya que este proceso

se hace de forma manual. En el caso de la Subestacin Mrida I, la misma no cuenta con un

sistema informtico que permita la automatizacin de la informacin; de manera que, los

informes que mensualmente se elaboran en el departamento de operaciones, presenta un 10%

en margen de error, debido al factor humano. Como esta data es empleada para modelar el

sistema elctrico de Mrida, pudiera afectar la precisin del estudio.

Con respecto a los alcances de la investigacin se puede decir que, se harn las

observaciones y recomendaciones en base a los resultados arrojados por el estudio del sistema

de transmisin en condiciones actuales, en el cual se incluye a la Subestacin Mrida III,

recientemente puesta en servicio, y dems modificaciones hechas al sistema que puedan ser

relevantes; de la misma manera se verificaran las condiciones de operacin actual de los

equipos de potencia en la Subestacin Mrida I en cuanto a los esfuerzos dinmicos y trmicosa los que son sometidos. Posteriormente, se realizara otro estudio en funcin de la sustitucin

de los transformadores actuales por transformadores de mayor capacidad y se harn las

observaciones y recomendaciones pertinentes para mejorar la operatividad del sistema de

transmisin y de la Subestacin Mrida I.

1.5 METODOLOGA

El siguiente trabajo de investigacin posee un carcter de tipo mixto, ya que ocupa parte

prctica y parte investigacin documental.

Se dice que es documental, porque se recurre a la revisin de fuentes escritas, para establecer y

reforzar los fundamentos y bases tericas en que se apoya el estudio, a travs de documentos


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escritos y electrnicos, relacionados directamente con el problema.

Dentro de la parte descriptiva se definen las caractersticas que forman parte del sistema de

transmisin, as como gran parte de los equipos de proteccin, maniobra y medicin que se

encuentran en la Subestacin Mrida I, de tal forma que permita entender la estructura y

funcionamiento de la subestacin y su relacin con el sistema de transmisin. La parte prctica

la determina el anlisis en el campo de la estructura y funcionamiento de las subestacin

Mrida I, as como el sistema de transmisin.


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CAPITULO IIEL SISTEMA ELCTRICO DE MRIDA

En el siguiente captulo se describe el sistema elctrico de potencia del estado Mrida, as

como los equipos de maniobra, proteccin y medicin que se encuentran en la Subestacin

Mrida I. Adems se har una breve introduccin al programa computacional Power Factory

14.0 empleado para simular el Sistema de Potencia.

2.1 ESTRUCTURA DEL SISTEMA ELCTRICO NACIONAL

El control operativo de todas las instalaciones de transmisin y generacin de CADAFE, ahora

filial de la Corporacin Elctrica Nacional (CORPOELEC), se ejecutan a travs de un (1)

Despacho de Carga Nacional y tres (3) Despachos de Carga Regionales.

a. Despacho de Carga Nacional (Caracas-La Mariposa)b. Despacho Regional Central (Caracas- La Mariposa)c. Despacho Regional Occidental (Valera- Estado Trujillo)d. Despacho Regional Oriental (Barbacoa-Estado Anzotegui)

Adems de CADAFE, existan en Venezuela otras empresas de Electricidad las cuales

tenan cada una su Despacho de Carga, dentro de las cuales se pueden nombrar: Electricidad

del Caron (EDELCA), Energa Elctrica de Barquisimeto (ENELBAR), Electricidad de

Caracas (EDC) y Energa Elctrica de Venezuela (ENELVEN).

Estas empresas se unificaron para as crear la Corporacin Elctrica Nacional

(CORPOELEC), mediante el Decreto 5330, publicado en Gaceta Oficial N 38.736 del da 31


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de julio del ao 2007. El conjunto de las mismas forma parte del Sistema Interconectado

Nacional, el cual es operado hoy en da por el Centro Nacional de Gestin (CNG) y cuya

funcin es el control de la red operativa de transmisin y generacin entre dichas empresas, as

como vigilar que se cumpla lo establecido en el contrato de interconexin. [CORPOELEC.

Manual del Operador. Gerencia de Transmisin, 2012].

2.2 SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA OCCIDENTAL

El Sistema Elctrico de Potencia Occidental, est conformado por 34 Subestaciones y 8

Plantas de Generacin, distribuidas entre los estados Tchira, Mrida, Trujillo, Barinas y parte

de los estados Zulia y Apure.

Las Plantas de Generacin son parte bsica del sistema de potencia y es el encargado de

entregar la energa elctrica al sistema, segn el Despacho de Carga Sur Occidental. La

capacidad de estas plantas se muestra en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Capacidad de las Plantas de Generacin Regin Sur Occidental.Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012]

PlantaCapacidad efectiva

(MW)

San Agatn 300Juan Antonio Rodrguez Domnguez 80

General Jos Antonio Pez 240Masparro 26Tchira 186

Termobarrancas 160Ezequiel Zamora 15

Viga I 50

A travs, de la empresa CORPOELEC se ha implementado un plan de generacin

distribuida destinada solventar el dficit de energa que ha afectado al estado Mrida en los

ltimos tres aos. En la tabla 2.2, se muestra la capacidad de las plantas de generacin

distribuidas en la Regin Sur Occidental.


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Tabla 2.2. Plantas de Generacin Distribuida Regin Sur Occidente.Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012]

PlantaCapacidad efectiva

(MW)Tchira 22

Guanapa 11

Coloncito 11Cao Zancudo 11

Ejido 8Los Prceres 12

Monay 22Puerto Nutria 4

C. Bolivia 19Guasdualito 11

Elorza 4La Tendida 11

La Concepcin 11Socop 11El Pial 8

Barrancas 8Tucanizn 8Libertador 11

Aggreco Viga 60Aggreco Urea 30

2.3 SISTEMA ELCTRICO DEL ESTADO MRIDA

Toda la energa es suministrada al Estado a travs de una intrincada red de transmisin ydistribucin, que permite llevarla hasta los consumidores. Las lneas de transmisin estn

diseadas para niveles de tensin de 115 kV, donde un conjunto de subestaciones forman parte

del sistema o red de transmisin.

La Subestacin Mrida II, representa una de las ms importantes, ya que ella recibe dos (2)

lneas de Planta Pez con capacidad mxima por lnea de 400 A y nivel de tensin de 115 kV.

De sta se alimenta la Subestacin Mrida I a travs de una lnea de 115 kV, siendo sta de

Tipo Radial I. Del tramo de lnea Planta Pez II-Mrida II, se deriva una lnea que alimenta la

Subestacin de Mucubaji. Por otro lado, la lnea entre las Subestaciones Mrida II-Viga I, fue

seccionada para poder incluir la nueva Subestacin Mrida III, ubicada en la Av. Los

Prceres. Por lo tanto, ahora los nuevos tramos son Mrida II-Mrida III, y Mrida III-Viga I.

Ver en el Anexo A.10,el diagrama unifilar del sistema de transmisin del estado Mrida.


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Otra lnea de 115 kV que sale de Mrida II alimenta la Subestacin de Ejido. A la

Subestacin Viga II llegan dos lneas de 230 kV provenientes de Buena Vista y Uribante

Caparo, luego el nivel de tensin de 230 kV es reducido a nivel de 115 kV. De la Subestacin

Viga II salen dos lneas de 115 kV, una hacia San Carlos y la otra hacia Viga I.

[CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012].

Los diseos de subestaciones de CADAFE estn clasificados en dos tipos: las

subestaciones radiales y las subestaciones nodales.

2.3.1. Subestaciones Radiales

Se puede decir que, en el sistema de transmisin del Estado Mrida, existen dosSubestaciones de Tipo Radial I, estn son Mrida I y la subestacin de Mucubaji. Segn las

normas de clasificacin de CADAFE 193-88. 2012, se puede especificar que las subestaciones

Tipo Radial son alimentadas solamente de una fuente, donde el flujo de potencia se establece

en un nico sentido, teniendo una salida y una llegada en los niveles de 115 kV o de 34,5 kV,

con transformadores reductores a las tensiones 34,5 y 13,8 kV.

Por lo tanto, dentro de este tipo de subestaciones existen dos clasificaciones: subestacin

Radial I (115 kV nivel tensin de llegada), que es el caso de Mrida I; y subestaciones Radial

II (34,5 kV nivel de tensin de llegada); ambas estn diseadas para operar en el sistema de

distribucin, es decir, son subestaciones terminales en el esquema de transmisin de energa.

En la figura 2.1 se muestra el esquema de un sistema radial.

Fig. 2.1. Subestaciones Radiales.Fuente: [Norma CADAFE 193-88. Diseo de subestaciones, 2012]


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Por otra parte, el resto de las subestaciones de transmisin del estado Mrida son de Tipo

Nodal, reciben este nombre al estar interconectados entre si y conformar una malla en el

sistema de transmisin. Los terminales de conexin a las lneas se consideran solamente como

salidas, ya que el flujo de energa se puede dar en ambos sentidos, segn las consideraciones

de operacin del sistema elctrico.

Fig. 2.2. Subestaciones Nodales.Fuente: [Norma CADAFE 193-88. Diseo de subestaciones, 2012]

2.3.2. Subestaciones Nodales

En el sistema de transmisin de Mrida se cuenta con las siguientes Tipos de Subestaciones

Nodales:

Subestacin Nodal I (230T): Subestacin que opera en los niveles de transmisin de 230 y115 kV; de igual manera, tiene capacidad para manejar el sistema de distribucin con la

implementacin de transformadores reductores de 115/34,5 kV y de 115/13,8 kV. Dentro de

esta clasificacin se encuentra la Subestacin El Viga II.

Subestacin Nodal II (115TD): En esta subestacin se realiza la reduccin a los niveles detensin de 34,5 y 13,8 kV. Adems de entregar energa hacia el sistema de distribucin, es

capaz de manejar hasta 5 salidas en el nivel de 115 kV, lo cual garantiza un mximo de

confiabilidad en la alimentacin de las cargas conectadas en el sistema de distribucin.

Dentro de esta clasificacin se encuentran las Subestaciones Mrida II, Mrida III, Ejido,

Viga I y Tovar.


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En los Diagramas A.10 hasta el A.17, se muestran los esquemas unifilares de cada una de

las subestaciones de Transmisin del Estado Mrida.

2.4 DESCRIPCIN DE LA SUBESTACIN MRIDA I

2.4.1. Resea Histrica

La Subestacin Mrida I, est construida sobre una porcin de terreno, anteriormente

propiedad de la Universidad de Los Andes, quien a travs de su representante el Dr. Pedro

Rincn Gutirrez, en su carcter de rector en el ao 1.971, dono el terreno a CADAFE.

Dicha subestacin fue puesta en servicio en el ao 1.976, y posteriormente se realiz una

ampliacin en el ao 1.982. Actualmente tiene una capacidad instalada de 40 MVA en dos (2)

transformadores de potencia de 115/13.8 kV, de 20 MVA cada uno, alimentados desde la

subestacin Mrida II a travs de una Lnea Simple Terna (torres en celosa, con capacidad de

conductores 336,4 MCM). Es del tipo Radial I y representa la Subestacin Piloto de la Zona

de Mrida.

2.4.2. Ubicacin Geogrfica

Forma parte de lo que anteriormente era la Hacienda La Pedregosa, Jurisdiccin del

Municipio La Punta, en el distrito Libertador del Estado Mrida.

Fig. 2.3. Sistema de Transmisin del Estado Mrida.Fuente: [CORPOELEC. Gerencia de Transmisin, 2012]


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2.4.3. reas Servidas

La Subestacin Mrida I, cubre la demanda de la empresa en lo que se refiere a la

comercializacin de la energa, en la zona sur y parte de la ciudad, a travs de siete (7)

circuitos de 13,8 kV, distribuidos de la siguiente manera:

a. Salida Nro. 1: Avenida Urdanetab. Salida Nro. 2: Los Corralesc. Salida Nro. 3: Hospitald. Salida Nro. 4: La parroquiae. Salida Nro. 5: Los Curosf. Salida Nro. 6: La Pedregosag. Salida Nro. 7: Las Amricas

2.4.4. Impacto

Esta alimenta elctricamente, tanto a instituciones, como a sectores de gran importancia en la

ciudad, desde el punto de vista econmico y social, a travs de circuitos tales como:

a. Circuito Nro. 3: Hospital Universitario de los Andes, es el centro de salud msimportante de la ciudad, adems sirve como centro de estudio a los nuevos egresados

de la medicina y diferentes especialidades medicas.

b. Circuito Nro. 5: Los Curos, sector que ubica el 75% de las industrias existentes en laciudad.

c. Circuito Nro. 1: Av. Urdaneta, alimenta elctricamente; el Aeropuerto AlbertoCarnevali, INAN, Corposalud, institutos educativos y diferentes Centros Mdicos.

d. El resto de los circuitos recoge el 60%, de usuarios del tipo residencial general y altoconsumo, adicionalmente el 45% de suscriptores comerciales con demanda asignada

concentrada mayor a 10 kVA.


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2.4.5. Descripcin General

La Subestacin Mrida I tiene actualmente una capacidad instalada de 40 MVA, con un factor

de utilizacin del 76%,con las siguientes caractersticas:

Nivel de 115 kVa. Barra principal con capacidad de 400 A: 1b.Llegada de lnea a 115 kV (S/E Radial)c.Nmero de tramos de 115 kV: 2d.Mando de disyuntores: local remoto desde la sala de mando.e. Mando de Seccionadores: manual

Nivel de 13.8 kV:

a. Barras principales N 1 y 2 con Capacidad de 2500 A en Celdas Metlicasb. Barra de Transferencia con Capacidad de 630 A: 1c.Nmero de tramos de 13.8 kV: 2d.Nmero de tramos de Salida de 13.8 kV: 7e.Nmero de Llegadas de Transformadores a Barra: 2f.Nmeros de Acoplamiento de Barras: 1g.Nmero de Tramos de Transferencia: 1h.Nmero de tramos de Compensacin: 1i. Nmeros de tramos para Servicios Auxiliares: 2j. Mando de Disyuntores: local y remoto desde la sala de mandok. Mando de Seccionadores: manual

2.5 EQUIPOS DE POTENCIA DE LA SUBESTACIN MRIDA I

2.5.1. Transformador de Potencia

Se define al transformador, como un dispositivo electromagntico que permite transformar la

magnitud de voltaje a travs de induccin magntica, originando varios niveles de tensin.

Estas caractersticas los hacen imprescindible en los sistemas elctricos de potencia.


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Fig. 2.4. Transformadores de la Subestacin Mrida I (a). Armario de Proteccin de uno de losTransformadores (b). Fuente: [CORPOELEC, Subestacin Mrida I, 2012]

Caractersticas de los Transformadores

La Subestacin Mrida I, cuenta con dos (2) transformadores de 20 MVA, cada uno, cuyasprincipales caractersticas se presentan en la tabla 2.3.

Tabla 2.3. Caractersticas de los Transformadores de Potencia de la Subestacin Mrida I.Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2010]

TX MarcaPotencianominal

MVAZ%

Tipo deenfriam.

Tensinnominal()

Grupo de conexinprimario-secundario

Nme.de

pasos

1 MEIDENSHA

ELECTRIC15/20 9.7/12.94 ONAN/ONAF 115/13.8 YNyn0 33

2 MITSUBISHIELECTRIC 15/20 6.25 (15MA) ONAN/ONAF 115/13.8 YNyn0 33

TXPasos de

regul.%

Relacin detransformacin

en vacio(kV)

Caractersticas elctricas devanado

Primario SecundariokV

kV

BIL

kV

kV

kV

BIL

kV1 0,625 115/13.8 115 123 550 230 13,8 17,5 95 382 0,625 115/13.8 115 123 550 230 13,8 17,5 95 38

Grupo Vectorial o Grupo de Conexin

El grupo vectorial se refiere al tipo de conexin que tienen los devanados del primario y del

secundario, y al desfase de las seales de salida con respecto a las de entrada que produce la

conexin escogida. Se utiliza la ecuacin 2.1, para definir el grupo de conexin.


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Donde:

X= Conexin del primario puede ser en delta (D) o en (Y) o en (Z).N1= Indica que el primario esta puesto a tierra.

x= Conexin del secundario puede ser en delta (d) o en (y) o en (z).

n2= Indica que el secundario esta puesto a tierra.

k= Veces 30 grados que el secundario retrasa al primario .

Resistencia y Reactancia Equivalente de un Transformador

Debido a que las prdidas son pequeas en el ncleo la rama en paralelo del circuito

equivalente suele omitirse, dando lugar a una representacin simple del transformador, en la

que las resistencia y reactancias de los devanados estn referidos a un solo nivel de voltaje.

Impedancia de Secuencia Positiva

Se puede definir como la resistencia y reactancia que ofrece el transformador ante un flujo de

corrientes simtricas, trifsicas y balanceadas de secuencia positiva. Los elementos pasivos de

los sistemas de potencia como las lneas y lo transformadores, presentan el mismo valor de

impedancia a la circulacin de corrientes de secuencia positiva o negativa, por lo tanto el valor

de impedancia de secuencia positiva es igual al valor de secuencia negativa.

A menudo el valor de mostrado en la figura 2.5 (b), esta expresado en tanto porcientodenominndosePorcentaje de Impedancia

, y es equivalente al porcentaje de voltaje que se

requiere para vencer la cada en la resistencia o reactancia cuando circula corriente nominal y

es equivalente a la impedancia de secuencia positiva.

En el mismo orden de ideas, y a manera de informacin mucho ms clara se presenta a

continuacin una figura que representa el circuito equivalente de un transformador.


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Fig. 2.5. Circuito Equivalente de un Transformador.

Fuente: [Aguirre C. Christian W., 2008]

De donde:

2= Representa la resistencia del secundario referida al primario= Representa la reactancia del secundario referida al primario

= Porcentaje de impedancia

= Porcentaje de resistencia= Porcentaje de reactancian1= Nmero de vueltas de lado primario

n2= Nmero de vueltas del lado secundario

Determinacin del Porcentaje de Impedancia

El valor de , es el tambin llamado voltaje de cortocircuito, ya que es til para calcular lacorriente que atraviesa el transformador en caso de sufrir cortocircuito con voltaje nominal

aplicado al primario, llamndose a la corriente de cortocircuito cuando el voltaje aplicado esel nominal, se tiene que:


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Si se multiplica al numerador y denominador por 100 , se obtiene:

En la prctica, para obtener la impedancia equivalente de un transformador se realiza por

medio de la prueba de cortocircuito, en la cual se cortocircuitan los devanados de bajo voltaje

y se incrementa el voltaje hasta obtener corriente nominal. Si se toma la corriente nominal

como corriente de cortocircuito entonces se tiene:

Si se remplaza la ecuacin 2.4 en la ecuacin 2.3 se obtiene:

Donde:

= Voltaje aplicado en la prueba de cortocircuito para que circule corriente nominal. Impedancia de Secuencia CeroLa impedancia de secuencia cero, es la que ofrece un circuito trifsico a un flujo de corrientes

simtricas de secuencia cero (en fase). El mtodo para obtener el valor de la impedancia de

secuencia cero de un transformador, se realiza inyectando corrientes de secuencia cero al

mismo. Esto se puede lograr conectando los devanados en serie o en paralelo y excitando con

una sola de las fases al transformador, como se indica en la figura 2.6.


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Fig. 2.6. Prueba para Determinar , en un Transformador Conectado en Yd o Dy.

Si la prueba se desarrolla desde el lado de la delta entonces es necesario abrir una esquina y

cortocircuitar el lado conectado eny como se indica en la figura 2.7.

Fig. 2.7. Prueba para Determinar .Los valores encontrados pueden ser referidos de los lados del transformador, de igual

manera para el caso de secuencia positiva, la impedancia de secuencia cero puede ser

expresada como porcentaje, para encontrar este valor que se denominar se procede deigual forma que para encontrar.

Donde:

= Voltaje de cortocircuito de secuencia 0= Voltaje nominal= Corriente nominal


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Partes del Transformador de Potencia

A continuacin se describen las partes principales que conforman al transformador de

potencia:

Conmutador o Cambiador de Tomas: Es el dispositivo encargado de ajustar al primariopara las variaciones de voltaje de la red de suministro a fin de mantener constante la tensin

de salida. Existen dos tipos bsicos de conmutador:

a. Bajo Carga: que permite conmutar con el transformador energizado. Lostransformadores de la Subestacin Mrida I estn provistos con cambiador automtico

de Taps diseados para operar bajo carga.

b. Sin Carga: permite conmutar solo cuando el transformador esta desenergizado. Aislamiento Solido: Est compuesto por derivados del papel llamados Celulosa.

Aislamiento Lquido: Provee rigidez dielctrica, refrigeracin y transferencia de calor.Preserva el ncleo y partes metlicas, y minimiza el contenido de Oxigeno en Celulosa (evita

formacin de sedimentacin).

Tanque Principal y Cubierta Superior: Forman el elemento de encubamiento de la parteactiva del transformador. Existen dos tipos de cubas, una es de Tipo sellado (en tapa soldada

o atornillada) y la otra es de tipo abierta (con tanque conservador).

Conexiones Externas: Las conexiones de los terminales de lnea a neutro de los arrolladosse realizan por medio de aisladores pasantes (Bushings), los cuales pueden ser de tipocondensador.

Sistema de Expansin (Tanque Conservador): Compensa las variaciones del nivel deaceite del transformador por variaciones de temperatura (para 5 MVA en adelante). La


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dilatacin aumenta el volumen, para compensar este peligroso efecto, el transformador

cuenta con el Rel Buchhols. Requiere de un respiradero va Slica Gel.

Accesorios.Entre los principales se tiene:

a. Termmetro de Aceite: Indica la temperatura del transformador. Esta temperatura nodebe superar la establecida por el fabricante.

b. Termmetro de Imagen Trmica:mide temperatura de los devanados.

c. Medidor de Nivel:Indica el nivel de lquido dielctrico alcanzado a la temperatura deoperacin que existe en el momento.

d. Vlvula de Alivio:Acta como vlvula Check, para permitir la salida de gases pero nola entrada. Este dispositivo es usado en tanques sellados a fin de evitar deformacin

mecnica de la cuba por sobrepresiones internas.

e. Rel de Sobrepresin (Walitrol): Es un dispositivo que detecta la rapidez con queaumenta la presin interna del tanque haciendo actuar un sistema de contactos de

alarma y disparo.

f. Llaves de Paso y Vlvulas Toma-Muestras.

g. Deshidratantes (Slica Gel):Es un material que absorbe toda la humedad que puedaentrar a la cuba del transformador.

h. Rel de Proteccin Buchholz:Se emplea para proteccin interna, ubicado entre tapa yconservador o tanque de expansin. Cuando se produce un cortocircuito se producen

gases internos, estos gases son atrapados por el Rel que se encuentra en la va, las

burbujas se introducen en l y producen una presin que al cerrar dos contactos suena

una alarma o directamente dispara los disyuntores de A.T y B.T.


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i. Rel de Proteccin Jhensen: Se encuentra instalado entre la cabeza del conmutador ocambiador de tomas bajo carga y el tanque de expansin. Al producirse un

cortocircuito en el interior del conmutador, se origina un flujo de aceite y gases en la

direccin del conservador, que pasa por la tubera por donde est instalado el RelJhensen, la violencia del flujo produce el cierre de un contacto que ordena la apertura

de los disyuntores de A.T y B.T. Sus caractersticas responden a la publicacin IEC

60214-1, en su versin vigente.

j. Transformadores de Corriente Tipo Aisladores Pasatapas:estos son transformadores decorriente tipo anular, concntricos a los aisladores pasatapas (tipo Bushing). Estos

aparatos debern tener la capacidad trmica y mecnica para soportar durante un corto

tiempo (1 seg), las corrientes de cortocircuito mximas que puedan circular por ellos de

acuerdo con las corrientes de cortocircuitos indicadas para los transformadores

principales. [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012].

Modelacin del Transformador de dos Devanados con o sin Tap

Una forma aproximada de representar los transformadores es omitiendo las prdidas que

existen en el ncleo, en pocas palabras la reactancia y resistencia de la figura 2.5 (a); seasumen despreciables. Con los niveles de voltaje al igual que las impedancias en p.u. se puede

deducir el modelo de admitancias o del transformador. A partir de la figura 2.8, sedeterminan las ecuaciones para definir el modelo de los transformadores en el sistema enp.u. El nmero de vueltas del primario () y del secundario () es igual a 1 al igual que eltap en posicin nominal en el primario o secundario tambin es 1; de acuerdo a la figura 2.8.

Fig. 2.8. Diagrama Aproximado del Transformador con o sin Tap.


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Tomando en cuenta el voltaje neto que se induce del primario al secundario se tiene:

Ec. 2.8 en la Ec. 2.7

Ec. 2.10 en la Ec. 2.9


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De lo expuesto se puede deducir el equivalente en del transformador. Si el tap (t) est enposicin nominal o no existe entonces es igual a 1; como se demuestra en la figura 2.9.

Fig. 2.9. Modelo del Transformador con o sin Tap.

2.5.2. Transformadores de Corriente y Transformadores de Potencial

Los transformadores de corriente y de potencial se emplean para transformar valores muy

altos de corriente y tensin para un valor a ser medido fcilmente por los rels e instrumentos

de medicin y para hacer una separacin galvnica entre la alta tensin /corriente del sistema y

el circuito de medicin / proteccin.

Fig. 2.10. Transformadores de Corriente (a) y de Tensin (b), del Prtico de 115 kV.Fuente: [CORPOELEC, Subestacin Mrida I, 2012]

Caractersticas Tcnicas de los Transformadores de Corriente

La norma IEC 187 describe las caractersticas nominales y otros valores para los

transformadores de corriente. Entre ellas se tienen las siguientes:


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Corriente primaria nominal: Los valores de la corriente primaria nominal normalizada(Ipn) son de 10-12,5-15-20-25-30-50-60-75 A y sus mltiples decimales. Generalmente la

corriente nominal primaria deber ser seleccionada un tanto ms grande que la corriente de

carga continua permisible.

Corriente secundaria nominal: Las corrientes secundarias nominales ms comunes (ISN)son 1A y 5A.

Corriente soportable de corta duracin: La corriente capaz de resistir durante unacorta duracin es el valor eficaz (r.m.s) de la corriente primaria, que el transformador de

corriente puede soportar durante 1 segundo, con densidad mxima de corriente de

. El secundario del Transformador de Corriente debe estar cortocircuitado

durante esta prueba.

Corriente pico soportable (IDYN): La corrientepico soportable es el valor pico de lacorriente primaria, que el transformador de corriente resiste sin sufrir fallas elctricas o

mecnicas por influencia de las fuerzas electromagnticas.

Grfico 2.1. Corriente Trmica y Corriente Dinmica.Fuente: [ALSTOM, Technical Institute, 2010]

Factor de Sobrecorriente Nominal (FSN): El factor de sobrecorriente nominal expresa larespuesta a la sobrecorriente del ncleo del TC En la grafica 2.2, se indica el FSNde 5% para

TC clase 5P y 10% para TC Clase 10P.


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Grfico 2.2. Representacin del Factor de Sobrecorriente Nominal.Fuente: [[email protected]]

Tensin mxima y niveles de aislamiento: La tensin mxima del equipo debe ser almenos la mnima tensin ms elevada del sistema donde el TC ser instalado. Los niveles de

aislamiento son valores estndar y deben ser definidos con base a la clase de tensin de

servicio del circuito en que el TC ser instalado. En el Anexo A.7, se define la Tensin

Mxima y Niveles de Aislamiento segn norma IEC-60044.1.

Caractersticas Tcnicas de los Transformadores de Tensin Capacitivos (CVT)Los Transformadores de Tensin Capacitivos reducen las tensiones a valores manejables, con

la posibilidad de transmitir seales de alta frecuencia a travs de las lneas de alta tensin. La

norma IEC 60044.5 describe las siguientes caractersticas:

Tensin Nominal del Primario : La tensin nominal del primario es normalmente latensin nominal del sistema de potencia.

Tensin Nominal del Secundario :La tensin nominal del secundario est dada por larelacin de transformacin. Para los CVT conectados entre fase-tierra, la tensin nominal del

secundario es dividida entre . Tensin Mxima y Niveles de Aislamiento: Quedan definidos segn las Normas IEC-60044.5. Ver Anexo A.7 para los niveles de tensin mxima y niveles de aislamiento.


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Potencia y Clase de Precisin: El CVT de medicin debe mantener su precisin, con lafrecuencia nominal, para tensiones entre 80% de la tensin nominal, con carga secundaria

entre 25% y 100% de potencia secundaria nominal, segn IEC -60044.5.

2.5.3. Seccionadores

Tienen como funciones, unir o separar de una forma visible diferentes elementos,

componentes o tramos de una instalacin o circuito, brindar seguridad para las personas en

lneas desenergizadas y conducir corrientes nominales y de cortocircuito. Por su principio de

operacin el medio de interrupcin puede ser hidrulico, electrnico electromecnico.

Fig. 2.11. Seccionadores de Apertura Central Disponibles en la Subestacin Mrida I.Fuente: [CORPOELEC, Subestacin Mrida I, 2012]

Seccionadores de Apertura Central

Son seccionadores tipo rotatorio, dos columnas para servicio exterior, por lo general son

construidos para tensiones nominales de 36 a 245 kV, e intensidades nominales de 630 a 2000

A, satisfacen plenamente todos los requerimientos de la norma CEI-129.

2.5.4. Cuchillas Monopolares Tipo P y Tripolares Tipo TP

Las cuchillas tripolares de operacin en grupo sin carga tipo TP y las cuchillas Monopolares

tipo P de operacin con prticas son cuchillas de apertura vertical para montaje horizontal,


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vertical o invertido. Son empleadas en subestaciones tipo intemperie en sistemas de

distribucin para aislar o seccionar circuitos y equipos.

Fig. 2.12. Cuchilla Monopolar (a) y Tripolar (b).Fuente: [CORPOELEC, Subestacin Mrida I, 2012]

2.5.5. Interruptores de Potencia

Los interruptores de potencia deben cerrar y cortar todas las corrientes dentro del margen de

sus valores asignados, desde pequeas corrientes de carga inductivas y capacitivas hasta la

corriente de cortocircuito, y esto bajo todas las condiciones de defecto de la red tales como

defectos a tierra, oposicin de fases, entre otras.

Interruptores de Vaco

Estos interruptores estn provisto de una cmara de extincin hermtica al vaco. Durante la

separacin galvnica de los contactos, la corriente que se haya en el momento de interrupcin

produce una descarga de arco de vapor metlico. La funcin verdadera del sistema de

extincin es desionizar la distancia entre contactos inmediatamente despus del paso por cero,

donde el arco se extingue. [http://www.siemens.com/energy].

Interruptores en Hexafluoruro de Azufre (SF6)

Estos interruptores emplean como medio de extincin, un gas llamado Hexafluoruro de

Azufre (SF6). El comportamiento electronegativo del SF6, es decir, la propiedad de capturar


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electrones libres y formar iones negativos, ocasiona la rpida recuperacin de la resistencia

dielctrica del canal inmediatamente despus de la extincin del arco. [Wilmer Romero,

2009].

Fig. 2.13. Interruptor en Vaco (a). Y en SF6 (b).Fuente: [CORPOELEC, Subestacin Mrida I, 2012]

2.5.7. Descargadores de Sobretensin

Son dispositivos destinados a absorber las sobretensiones producidas por descargas

atmosfricas, por maniobras o por otras causas que en otro caso se descargaran sobre

aisladores o perforaran el aislamiento, ocasionando interrupciones en el sistema elctrico y en

muchos casos, desperfectos en transformadores, generadores y otros. [Carlos Ramrez, 1990].

Fig. 2.14. Disposicin del Descargador de Sobretensin.


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31

Valores caractersticos: Segn la norma IEC 60099, se tienen las siguientescaractersticas:

a. Tensin Residual de un Descargador: tensin que aparece en los bornes de undescargador durante el paso de corriente de descarga.

b. Tensin de Cebado al Choque: valor de cresta de la mxima tensin que esalcanzada antes del paso de la corriente de descarga cuando una onda de forma y

polaridad determinada es aplicada entre los bornes de un descargador.

c.Nivel de Proteccin a las Ondas de Choque de un Descargador: es el valor decresta ms elevado de la tensin de choque que puede aparecer entre los bornesde un descargador de sobretensin.

d. Relacin de Proteccin:es la relacin entre el nivel de aislamiento del materialprotegido y el nivel de proteccin del descargador expresado segn un mltiplo

de esta ltima.

Grfica 2.3. Limitacin de la Onda de Impulso Controlado por Descargadores de Sobretensin.Fuente: [Carlos Ramrez, 1990]


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32

2.6 ANLISIS DE FLUJOS DE POTENCIA

El anlisis de flujos de potencia tienen por objetivo calcular el flujo de potencia activa y

reactiva a travs de una red, as como tambin determinar los fasores de voltaje de todas las

barras de todo el sistema para una condicin especfica.

2.6.1. Mtodo de Newton Raphson para el Anlisis de Flujos de Potencia

Este mtodoes de naturaleza iterativa, donde en cada iteracin se utilizan aproximaciones de

las variables, de manera de obtener en cada una de ellas mejores aproximaciones de las races

de las ecuaciones. [William Stevenson, 1979].

2.6.2. Control de Potencia Reactiva y Voltaje

Los sistemas de control de voltaje y de potencia reactiva ubicados en las redes de transmisin

deben permitir al sistema operar dentro de valores confiables de voltaje basndose en las

premisas:

a. El voltaje en los terminales de los equipos elctricos como transformadores, motores yotros, deben estar dentro de lmites aceptables.

b. Todos los equipo se disean en base a un voltaje nominal a partir del cual se define unrango de operacin, si se aplica niveles de voltaje fuera de estos lmites de operacin a

cualquier equipo por un tiempo prolongado se puede afectar su vida til o afectar su

desempeo.

c. El flujo de potencia reactiva a travs de las lneas debe ser optimizado para limitar lasprdidas y cadas de tensin.

d. El uso de compensacin Q debe mejorar la eficiencia del sistema de transmisin.


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2.7 CARACTERSTICAS DEL PROGRAMA POWER FACTORY 14.0

El programa Power Factory 14.0 de DIgSILENT , es una herramienta especializada en el

anlisis de sistemas elctricos de potencia, la cual permite realizar simulacin digital y clculo

de redes elctricas. Los modelos matemtico bajo los cuales se efectan los clculos estn

basados en normas y teoras mundialmente aceptadas como son la ANSI, IEEE e IEC.

A continuacin se describen los mdulos de Power Factory que se emplearon para el

desarrollo del trabajo de grado:

Flujo de Potencia

a. Flujos de potencia balanceados o desbalanceadosb. Anlisis de sensibilidadc. Anlisis modald. Curvas de operacin de generadorese. Controles secundarios de potencia-frecuenciaf. Controles primariosg. Controles secundarios de voltajeh. Perfil de carga

Cortocircuitos

a. Clculo de cortocircuitos monofsicos, bifsicos y trifsicos en base a normasb. Clculo de cortocircuitos en base al mtodo de superposicinc. Anlisis de fallas mltiplesd. Anlisis de fallas de conductor abierto

2.7.1. Entorno de Power Factory 14.0

Una vez que se ha iniciado la sesin se mostrara la ventana de la figura 2.15.


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Fig. 2.15. Pantalla Principal de Power Factory 14.0.

Donde:

1. Barra de ttulo2. Barra de mens3. Barra de herramientas4. rea de trabajo5. rea de resultados6. Barra de estado7. Herramientas del rea de resultados

Administrador de Base de Datos

La funcin del administrador de base de datos es organizar informacin existente en

proyectos, casos de estudio, bibliotecas, archivos de resultados, etc. Adems permite abrir,

guardar, compartir, copiar, cortar, editar archivos de informacin. En la fig. 2.16, se muestra laventana del Administrador de base de datos.


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Fig. 2.16. Administrador de la Base de Datos.

Donde:

1. conos de edicin: Permiten crear, eliminar, cortar, copiar y pegar los elementosseleccionados en el rbol jerrquico.

2. Herramientas de usuario.3. rea designada para el rbol jerrquico.4. rea designada para mostrar subcarpetas de la carpeta seleccionada en el rbol

jerrquico.

5. reas designadas para introducir comandos.

Barra de Herramientas

En la barra de herramientas es posible crear diferentes esquemas de barras para la subestacin.

Para crearlas nicamente es necesario escoger el icono correspondiente y hacer clic en el rea

de trabajo:

.- Barra simple

.- Barra simple seccionada

.- Sistema doble barra con interruptor de acoplamiento

.- Doble barra con seccionador e interruptor de acoplamiento


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Definicin de los Parmetros para la Mquina SincrnicaPara definir a la barra del generador como Slack (SL), se debe activar las casillas:Mquina de

Referencia y Tensin, como se muestra en la figura 2.17. Para definir la barra del generador

como barra PV, se activa la casilla Tensin (las casillasRotando si interruptores est abierta

y Mquina de Referencia deben estar desactivadas). Si se activa la opcin de Factor de

Potencia en el recuadroModo de Controlador de Tensin Localy se desactivan el resto de las

opciones, la barra pasa a ser una barra de generacin PQ, en la que se puede asignar a la

mquina un punto de operacin determinado por los valores P y Q.

Fig. 2.17. Definicin de Parmetros para la Mquina Sincrnica.

Flujo de Carga

Una vez que se ha configurado la red presionar el icono para seleccionar los parmetros

bajo los cuales se realizar el anlisis de flujo de carga. La ficha de Opciones Bsicas permite

establecer si se va a simular una red cuya carga esta balanceada, para este caso el programa

utilizara la impedancia de secuencia positiva para resolver el flujo de potencia. La opcin

desbalanceada utiliza las impedancias de secuencia positiva, negativa y cero para resolver el

flujo. La figura 2.18 muestra la ventana para el Flujo de Potencia.

El recuadro de Control de Potencia Reactiva, permite al programa manipular

automticamente los taps de los transformadores, la compensacin reactiva (shunts), o el


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despacho de reactivos de los generadores para lograr que los voltajes de las barras estn dentro

de los lmites. Si se activa la opcin Considerar Lmites de Potencia Reactiva el programa

despachara a los generadores con una mayor potencia reactiva que est dentro de sus lmites.

En la simulacin del Sistema de Potencia del Estado Mrida, el programa est configurado

para que el flujo de potencia sea calculado a travs del mtodo Newton Raphson, se puede

seleccionar otro tipo de clculo en la ficha de Opciones Avanzadas. Ver figura 2.18.

Para crear nuevos proyectos, descripcin de las herramientas y funciones disponibles, se

recomienda ver: DigSILENT Power Factory Manual 14.0 GmbH Gomaringen Germany

2010.

Fig. 2.18. Ventana para el Clculo de Flujo de Potencia.


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CAPITULO IIICONDICIONES ACTUALES DE OPERACIN DELA SUBESTACIN MRIDA I Y DEL SISTEMA

DE TRANSMISIN

3.1 INTRODUCCIN

Son varios los cambios que ha sufrido el Sistema de Transmisin del Estado Mrida, motivado

por el incremento anual de la demanda. Uno de los ms relevantes ha sido la incorporacin de

la subestacin Mrida III, cuya entrada en servicio ha permitido solventar en gran parte el

dficit de energa elctrica en la entidad, as como aliviar la carga que manejaban las dems

subestaciones, en especial la subestacin Mrida I, cuya factor de utilizacin de los

transformadores de potencia llego a superar el 100 %.

En este captulo, se realiza un estudio en funcin de los transformadores de potencia queactualmente operan en la subestacin Mrida I, para poder determinar los esfuerzos dinmicos

y trmicos a los que son sometidos los equipos que estn en servicio en la subestacin,

tomando en cuenta las condiciones actuales del sistema de transmisin. Adicionalmente, se

emplea un software comercial para realizar el flujo de carga y determinar el perfil de tensin

del sistema de potencia, cuyos valores sern analizados bajo las condiciones ya descritas.

Los niveles mximos de las corrientes de cortocircuito simtrica suministrada por

CORPOELEC, son calculados en base a la norma IEC 60909-1 (2001), cuyo factor de tensin

c=1.1, para cualquier tipo de falla. De esta norma se derivan las ecuaciones 3.1, 3.2 y 3.3. Al

ocurrir un cortocircuito se obtiene un valor alto de corriente que produce esfuerzos de gran

valor denominados esfuerzos electrodinmicos as, como esfuerzos trmicos que pueden

producir daos graves a la red.


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Cortocircuito Trifsico:

||

a. Cortocircuito Monofsico a Tierra:

( )

Y la corriente de choque segn la norma IEC descrita, se define como:

La y X/R se expresan como:

( )

Donde:

= Constante de choque = Razn de cortocircuito trifsico a tierra

De acuerdo a la norma CADAFE 137-05, se establecen las condiciones ambientales para el

diseo y equipamiento en cualquiera de las Subestaciones pertenecientes a CORPOELEC,

donde las temperaturas caractersticas para las distintas circunstancias de servicio estn

definidas con el objetivo de tener un valor nico para todo el pas. [CADAFE, Condiciones de

Servicio del Equipamiento Elctrico de Subestaciones, 1979].


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Tabla 3.1. Temperaturas Caractersticas para Condiciones de Servicio.[CADAFE, Condiciones de Servicio del Equipamiento Elctrico de Subestaciones, 1979]

Condiciones de temperatura en 70 35 5

Segn la norma CADAFE 193-88, se indica que para las barras tendidas y soportadas para

niveles de tensin de 115 kV, se emplearan conductores tipo Orchid 636 MCM, de 37 hilos,

cuyas caractersticas se indican en la tabla 3.2. Adicionalmente, segn los datos suministrados

por CORPOELEC, los conductores flexibles empleados para la lnea de transmisin Mrida I-

Mrida II, son tipo Tulip 336,4 MCM de 19 hilos. [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin,

2010].

Tabla 3.2. Caractersticas de los Conductores de Aluminio Cableado-Desnudos.Fuente: [Jos Ral Martn, 1987]

CDIGO MCMRMG

(m)

(mm)

Resistenciade ruptura

(kg)

Peso

(kg/m)

In

(A)

Coeficiente de

dilatacin lineal E

Modulo deElasticidad(kg/m)

Tulip 336,4 0,0102 23,31 5665 0,89 730 23 5765Orchid 636 0,0074 16,92 2995 467,3 480 23 6000

A travs de la grfica 3.1, se determinan los Coeficientes Trmicos para materiales de uso

comn en subestaciones.

Grfica 3.1. Capacidad Trmica de los Metales de Uso Comn.Fuente: [Jos Ral Martn, 1987]


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3.2 ESFUERZOS TRMICOS Y ELECTRODINMICOS EN LA BARRA DE 115 KV

Cuando se presentan fuertes corrientes, los esfuerzos electrodinmicos desencadenados

adquieren verdadera importancia, y si la construccin no es muy robusta, son capaces de

superar la resistencia mecnica de los materiales, provocando la ruptura de barras aisladores o

el colapso del transformador. Para ello se determina las fuerzas que soportan los equipos para

as verificar su capacidad de resistencia para tales condiciones.

3.2.1. Corriente Mxima sobre los Conductores de Lnea y del Prtico de 115 kV

La subestacin Mrida I dispone de dos (2) transformadores de potencia de 20 MVA cada uno,

para una capacidad total instalada de 40 MVA. Por lo tanto, se tiene una corriente mxima porcada lnea de alimentacin a los transformadores de potencia, vista por el lado de alta:

Y la corriente mxima, que tiene que soportan los conductores flexibles, tanto de la lnea de

llegada como el del prtico de 115 kV es de:

Los resultados se indican en la siguiente tabla:

Tabla 3.3. Verificacin de la Lnea de Llegada y la Barra de 115 kVConductor

(MCM)

(A)(A)

336,4 (Tulip) 480 200,817 Cumple636 (Orchid) 730 200,817 Cumple

3.2.2. Seccin Trmica del Conductor

La capacidad trmica del conductor est dada por la ecuacin 3.6.


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Donde:

Impulso Calorfico. Seccin del Conductor en funcin de su capacidad trmica.

= Tiempo de proteccin.

= Coeficientes de capacidad trmica mxima y mnima, respectivamente.Segn lan normas DIN-43670 y DIN-43671, los valores para los coeficientes de Capacidad

Termica del Aluminio se obtienen de la grfica.3.1, cuyos coeficientes estan normalizadas

para temperaturas de , y un tiempo de proteccin =0,5 seg.[Jos Ral Martn, 1987].

Tabla 3.4. Niveles de Cortocircuitos Trifsicos en la Barra de 115 kV.Fuente: [CORPOELEC, Ingeniera de Operaciones, 2012]

(MVA)

(kA) Angulo de

(deg)

(kA) 3,701217 7,537905

Empleando las ecuaciones 3.6, 3.7y los valores de cortocircuito de la tabla 3.4,se obtiene

la tabla 3.5, donde se verifica la seccin trmica del conductor.

Tabla 3.5. Seccin Trmica del Conductor de Aluminio para la Barra de 115 kV.

Condicin

1,35 0,6 198,33 30,2202 Cumple


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Fig. 3.1. Distancias de Seguridad dada en Metros para los Conductores del Prtico de 115 kV.Fuente: [CORPOELEC. Gerencia de Transmisin, 2012]

3.2.3. Esfuerzo Dinmico

Criterio para Clculos Mecnicos: Segn la norma CADAFE 158-88 establece lassiguientes condiciones:

a. Flecha mxima permisible a una temperatura b.

; para vanos menores de 20 metrosc. ; para vanos entre 21 y 80 metros

d. Tensin mxima a la cual llega el conductor ser de 80% de la tensin de diseo delprtico; para una velocidad del viento .

Fuerzas Ejercidas sobre Conductores Flexibles

Fig.3.2. Fuerzas Ejercidas Sobre Conductores Flexibles.


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De la figura 3.2, la fuerza ejercida sobre el conductor principal por la corriente decortocircuito simtrica, es determinada mediante la siguiente ecuacin:

Donde:

a = Distancia de separacin entra fases en m

= Corriente de choque, en kALa fuerza total entre conductores principales en sentido horizontal y la fuerza del viento, se expresan a continuacin:

Donde:

= Diametro del conductor, en metros = Coeficiente del viento, en . Segn la norma CADAFE 137-05.

De la figura 3.2, el ngulo que forma el conductor respecto al eje vertical producto de las

fuerzas presentes, se expresa como:

Y la fuerza resultante , se determina por la ecuacin 3.12.


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En la tabla 3.6, se indican los parametros que influyen en los esfuerzos dinmicos de los

conductores flexibles del portico de 115 kV los cuales se obtuvieron a travs de las ecuaciones

3.8, 3.9, 3.10, 3.11 y 3.12.

Tabla 3.6. Fuerzas Presentes en los Conductores Flexibles Bajo Condiciones de Falla.

(kg/m)

(kg/m)

(kg/m)

(deg)

(kg/m)

(kg/m)

0,422 1,4269 1,8469 64,2954 0,89 2,0519

Condiciones para el Clculo de los Lmites a Esfuerzos Dinmicos

A travs de la Ecuacin de Estado, se determinan los Lmites de Seguridad a la Ruptura,

Lmite Diario y la Flecha Mxima. A partir de los parametros de temperatura de servicio de la

tabla 3.1, y los resultados indicados en latabla 3.6, junto con las caracteristicas mecanicas

para el Aluminio (estirado en duro), anexadas en las tablas A.4 y A.5. Se definen las siguientes

condiciones para el clculo de los Esfuerzos Dinmicos:

a. Lmite de Seguridad a las Vibraciones (sin viento, sin cortocircuito)

b. Lmite de Seguridad a la Ruptura


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c. Lmite Dario

(sin viento, sin cortocircuito)

d. Lmite Flecha Mxima

(sin viento, sin cortocircuito)

Donde:

= Representa la Fuerza de Ruptura Mxima que el conductor puede soportar para cadacondicin lmite especifica.

La Ecuacin de Estado esta definida por la siguiente expresin:

La Ecuacin de Estado se puede representar travs del siguiente polinomio

Donde:

= Solicitud de fuerza a la ruptura para condiciones lmites del sistema en estudio en kg.


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Tabla 3.7. Variables del Polinomio en Funcin de la Ecuacin de Estado.a b c d

1 0

A travs de las ecuaciones de la tabla 3.7 se determinan los parametros a,b,d y de la

ecucin 3.14 se obtiene , los cuales se indican en la tabla 3.8.Tabla 3.8. Resultados de los Esfuerzos Dinmicos en la Barra de 115 kV.

VariablesLmite de

seguridad a laruptura

Lmite de seguridaddario

Lmite flechamxima

A 1 1 1B -1403,53 -121,465 1374,27

D - (Kg) 2832,5 1189,65 No aplica (Kg) 1566,6 340,971 130,24Condicin

Cumple Cumple

Flechas Mximas para Conductores FlexiblesLas flachas mxima sobre un conductor y entre conductores se pueden apreciar en la siguiente

figura.

Fig. 3.3. Flecha Mxima en el Eje Vertical (a) y Flecha entre Conductores (b).Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012]


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Flecha Mxima entre Conductores Principales: La flecha mxima de la fig 3.3 (b),esta definida por la siguiente ecuacin:

Tabla 3.9. Parmetros para Determinar la Flecha Mxima . (viento+CC) m (viento+CC)kg m

2,0519 20,4 1466,4 0,0727

En la figura 3.4 se indican las distancias de seguridad y las fuerzas que actuan sobre los

conductores flexibles. La distanciaXrepresenta el desplazamiento del conductor en direccinhorizontal como consecuencia de las fuerzas combinadas del viento y de cortocircuito. La

distancia D representa la separacin entre conductores adyasentes.

Fig. 3.4. Distancias Crticas entre Conductores Principales.

Las distancias crticas , se pueden determinar por lasecuaciones 3.16 y 3.17, cuyosresultados se indican en la tabla 3.10.


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Tabla 3.10. Comprobacin de las Distancias Crticas de Seguridad entre Conductores.

(deg)

(m)

(m)

(m)

D 64,295 0,065 2,5 2,369 Cumple

Flecha Mxima del Vano: La flecha mxima vista en la figura 3.3(a),es funcin delpeso y longitud del vano. Esta fuerza esta definida por la siguiente ecuacin:

Luego, el porcentaje del vano esta dado por la ecuacin 3.19.

Tabla 3.11. Verificacin de la Flecha Mxima y .

(sin viento+sin CC)

(m)

(sin viento+sinCC)

(kg)

(m)

0,89 20,4 130,24 0,3554 1,74 Cumple

3.3 ESFUERZOS TRMICOS Y ELECTRODNAMICOS EN LA BARRA DE 13,8 KV

La subestacin Mrida I dispone de una barra principal y una barra de transferencia. La barra

principal esta seccionada por medio de un interruptor de potencia, montada en gabinetes o

celdas. La barra de transferencia esta montada en porticos de 13,8 kV a la intemperie. A la

barra principal llegan los transformadores N1 y N2. Las caractersticas tcnicas de las celdasde 13.8 kV se especifican en la tabla 3.12. [AIESA. Manual de Operacin y Mantenimiento

de Celdas 13,8 kV. Tomo I, 1970].


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Tabla 3.12. Datos Tcnicos de las Celdas de 13,8 kV.

FabricanteTensinnominal

(kV)

Tensinmxima

(kV)

Frec.

(Hz)

Tension durante 1minuto, 60 Hz de ensayo

(kV)

Tensin de ensayo aonda de choque [BIL]

(kV)AIESA 13,8 17,5 60 38 98

Intensidadnominal delembarrado

(A)

Potencia decortocircuito

(MVA)

Intensidad trmica decortocircuito, 1 segundo

(MVA)

Barras de pletinade Cobre

Electroltico

2000 500 20 1600

3.3.1. Corriente Mxima y Corriente de Cortocircuito Requeridas para la Barra

En la figura 3.5 se indican las mximas corrientes

que circularian por la barra

principal, cuyo valor mximo se indica en la tabla 3.13.

Fig. 3.5. Distribucin de las Corrientes Mximas en la BarraPrincipal de 13,8 kV.

Tabla 3.13. Corrientes Mxima sobre la Barra Principal de 13,8 kV.Material

(A)(A)

COBRE 2000 836,74 Cumple

En la figura 3.6, se indica el circuito de impedancias en p.u. de la subestacin y la falla en

la barra de 13.8 kV, a partir de la cual se determina los valores de las corrientes de

cortocircuito y de choque indicados en la tabla 3.14.


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Fig. 3.6. Falla en la Barra de 13,8 kV.

Tabla 3.14. Corrientes de Cortocircuito y de Choque Experimentadas por la Barra de 13,8 kV.(p.u)

(kA)

ng. [](degrad.)

(kA)2,602 10,886 -84,430 10,254 1,736 26,728

3.3.2. Seccin Trmica

Empleando las ecuaciones 3.6 y 3.7 de la seccin 3.2.2, se determina la seccin trmica cuyosvalores se indican en la tabla 3.15.

Tabla 3.15. Seccin Trmica del conductor de Cobre para las Celdas de 13.8 kV.

Condicin

2,875 1,15 1600 58,6104 Cumple

De acuerdo a las normas DIN-43670 y DIN-43671, los valores para los coeficientes de

Capacidad Termica (Af y Ai) del Cobre se obtienen de la grfica.3.1, los cuales estan

normalizadas para temperaturas de , y un tiempo de proteccin=0,5 seg. [Jos Ral Martn, 1987].


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3.3.3. Fuerza Ejercida sobre la BarraLasbarras rigidas fabricadas para las celdas de 13.8 kV, experimentan fuerzas que determinan

los requerimientos necesarios cuando se presentan condiciones de falla. Por ello, es necesario

determinar estas fuezas para verificar que los esfuersos dinmicos y trmicos del conductor de

barra no exedan sus lmites fsicos.

Momento Resistente y Monento de Inercia para Conductores Principales

Segn la norma VDE-0103, el clculo de y de de la barra conductora se determinanmediante las siguientes ecuaciones:

Donde:

Momento resistente del conductor principal en Momento de inercia en h = Altura de la barra conductora en mm

b = Ancho de la base base de la barra conductora en mm

Fuerza entre Conductores Principales por Efecto de la Corriente de ChoqueEn la norma VDE-0103, la se denomina efecto de la fuerza debido a la corriente entre losconductores principales. Es una carga repartida que somete a los conductores a un esfuerzo de

flexin, y a los aisladores a un esfuerzo de ruptura. Ver figura 3.7. [Jos Ral Martn, 1987].


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La se determina a travs de la siguiente ecuacin:

Donde:

= Corriente de Choque en kA = Distancia de separacin entre conductores principales en cm

Fig. 3.7. Fuerzas entre Conductores Principales y Distancia de Seguridad.Fuente: [CADAFE, Distancias de Seguridad. Norma 158-88, 2012]

Fuerza de Flexin para Conductores Principales

Para el clculo de

de los conductores principales, se tiene:


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Donde:

Momento de flexin de los conductores principales en kg-cm

= Es la suma de la fuerza entre conductores principales

y la fuerza entre conductores

parcialesen kg. Se expresa como: L = Longitud de la barra vista entre soportes en cm

Esfuerzo entre Conductores PrincipalesLa solicitacin de los conductores principales se determina por:

[ ] En la barra de 13.8 kV, como no existen conductores parciales, entonces, segn VDE-

0103 se tiene que . Por lo tanto:

De la ecuacin anterior, se tiene:

De las ecuaciones 3.25 y 3.26, se definen:

= Esfuerzo entre conductores principales en = Esfuerzo entre conductores parciales en = Esfuerzo admisible del lmite elstico en Esfuerzo Mninimo del lmite elstico en Esfuerzo Mximo del lmite elstico en


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Los valores mnimo y mximo del lmite elstico ( ), para las barras de cobre seestablecen en la norma DIN-40500. [Jos Ral Martn, 1987].

A partir de la ecuaciones 3.22 hasta la 3.26; se determinan los parametros indicados en la

tabla 3.16.

Tabla 3.16. Requerimientos de los Conductores Principales de la Barra de 13,8 kV.

Datos del conductor

0,6336 582,177 46,08 12,634 0 2000 3400 12,634 4000

Condicin Cumple Cumple

3.3.4. Frecuencia Mecnica

El clculo de la Frecuencia Mecnica permite verificar que el conductor no entrar en

resonancia. Este valor debe estar fuera del rango de 30% de 2 . Paradeterminarla se emplea la siguiente ecuacin:

Donde:

= La sumatoria de la fuerza entre conductores principales y la fuerza entreconductoresparciales . Dadas en kg.E = modulo de elasticidad del conductor en = Momento de inercia de los conductores principales en L = Longitud de la barra en cm


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Tabla 3.17. Frecuencia Mecnica para el Conductor de la Barra de 13.8 kV.E L(cm) (Hz) 5,33 105 0 0,6336 0,6336 32,1417 cumple

3.4 VERIFICACIN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIN, PROTECCIN Y

MANIOBRA

3.4.1. Descargadores de Sobretensin

La subestacin Mrida I, cuenta con seis (6) descargadores, uno por cada fase de las lneas que

alimentan a cada transformador de potencia.

Criterios para la Seleccin de los Descargadores de Sobretensin

En base a las normas NS-E-140 de CADAFE, la IEC 99-1 y la IEC 99-4 aplicadas para

descargadores de Oxidos Metlicos. Los valores de tensin bajo condiciones de falla dependen

de las constantes del circuito en el punto del defecto y se determinan mediante las

componentes simtricas. Para cortocircuitos monofsicos, los valores de las tensiones en las

fases sanas (S y T), supuesta una falla en la fase R, sern:

Donde:

y = Coeficientes de sobretensiones en las fases sanas = Impedancias de secuencia cero y de secuencia positiva


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El coeficiente de puesta a tierra , se define como la relacin porcentual de la mximatesin de fase a tierra de la fase o fases sanas en el punto del defecto durante una falla

monofsica. Este coeficiente se determina por la ecuacin 3.30, en donde se selecciona el

mayor valor entre

y

. [Enrquez Harper, 2008].

Luego, el valor de la tensin nominal para la seleccin del descargador es determinada por

la siguiente condicin:

Verificacin de los Descargadores de SobretensinEs necesario determinar las sobretensiones monofsicas en el punto donde se encuentra

instalado el descargador. Para ello, se tienen las caractersticas de las lneas y los niveles de

cortocircuito monofsico y trifsico indicados en la tabla 3.18. Las caractersticas de las lneas

de transmisin se indican en la tabla 3.19.

Tabla 3.18. Niveles de Cortocircuitos Trifsicos y Monofsicos Vistos en las Barras de 115 kV.Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012]

Lugar

CortocircuitoMonofsico Trifsico

(MVA)

(kA)

(MVA)

(kA)Mrida II 301,3694 1168,944 Trolebs 298,1517 1159,692

Tabla 3.19. Caractersticas de las Lneas de Transmisin.

Fuente: [CORPOELEC, Gerencia de Transmisin, 2012]Lnea

Cond.(MCM)

Long.(km)

() () ()Mrida II- TOFF

Trolebus336,4 ACSR

14.90,1659

+ 0,4695j0,5712

+ 0,5163j2,4719

+6,9955j8,5108

+22,5929jTOFF Trolebus-

Mrida I336,4 ACSR

0.10,1659

+ 0,4695j0,5712+ 0,5163j

0,0165+0,0469j

0,0571+ 0,1516j

TOFF Trolebus-Trolebs

550 ACAR0.18

0,1213+ 0,5030j

0,4493+ 1,5946j

0,0218+0,0905j

0,0808+0,2870j


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La Impedancia Subtransitoria de secuencia positiva y negativa sern:

Y la Impedancia Subtransitoria de secuencia cero ser:

De los valores de impedancias de secuencia positiva, negativa y secuencia cero, se obtiene

en el circuito de la figura 3.8.

Fig. 3.8. Red Equivalente para el Clculo de los Parmetros del Descargador.

Para el clculo de de secuencia positiva (+) y negativa (-), vista desde la barra deMrida I, se tiene:


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Y, para el clculo de de secuencia cero (0), se tiene:

Por lo tanto, el circuito equivalente de secuencia positiva, negativa y cero, se aprecia en la

figura 3.9.

Fig. 3.9. Red Equivalente para el Clculo de la Corriente de Falla Monofsica.

Luego, para obtener el coeficiente de puesta a tierra es necesario determinar las

coeficientes de sobretencin de las fases sanas y , a travs de lasecuaciones 3.28 y 3.29.


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Se selecciona el mayor valor entre y , el cual es: . Por lo tanto, elcoeficiente de puesta a tierra

elis zerpa

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