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DISEO DE UNA SUBESTACIONEN 138 Kv
SANTIAGO JARAMILLO V. 8vo ELCTRICA JUNIO 2010
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RELES DIFERENCIALES
CARACTERISTICAS DE LA SUBESTACION SEP II
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
La subestacin SEP II est diseada como subestacin dseccionamiento y transformacin.
Los equipos en 138 Kv son aislados en aire, la parte de 4 kV es voltaje de generacin que a su vez se deriva para el servicio destacin por un transformador de 300 Kva de 4.0/ 0,40 v dedonde se contiene en cabinas tipo interior con interruptores dvaco.Los transformadores de potencia son de 10/12 MVA enfriado paire forzado por aire (FA).
OBJETIVOS DEL DISEOEl objetivo es proporcionar mxima confiabilidad, flexibilidcontinuidad del servicio , alta seguridad operacional ydurabilidad de manera que satisfagan las necesidades del sistema
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RELES DIFERENCIALES
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CONSIDERACIONES DEL DISEO
Depende de
Factorescomo:
- nivel de voltaje- capacidad de carga
- consideraciones ambientales- limitaciones de espacio en el terreno.
a) Aspectos econmicosb) Importancia de la subestacin en el sistema
elctrico de potencia al que est sirviendo.
c) Confiabilidad o sea alta probabilidad deejecutar todas las funciones previstas.
d) Costos bajos en la operacin y en elmantenimiento.
Para el sistemade barras deuna subestacin,se la debeconfigurartomando encuenta :
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ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTO
Comprende la seleccin de la soportabilidad o resistencia elctride un equipo y su aplicacin en relacin con las tensiones qpueden aparecer en el sistema en el cual el equipo ser utilizadoteniendo en cuenta las caractersticas de los dispositivos deproteccin disponibles,La seleccin de niveles de aislamiento afecta el costo en formconsiderable .
El descenso de un nivel bsico de aislamiento (BIL) puedreducir el costo del equipo electrico en importantes miles dedolares
COORDINACION DEL AISLAMIENTO
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RELES DIFERENCIALES
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Nivel 1 : Tambin llamado nivel alto. Seutiliza en los aislamientos internos,(sincontacto con el aireNivel 2 : Tambin llamado medio o deseguridad, que estn en contacto con el aire.Este nivel se adecua de acuerdo con la alturasobre el nivel del mar de la instalacin y seutiliza en todos los aisladores de aparatos,barrajes y pasamuros de la subestacin queestn en contacto con el aire.
Nivel 3 : Tambin llamado bajo o deproteccin. Esta constituido por el nivel deoperacin de los explosores de los pararrayosde proteccin
COORDINACION DEL AISLAMIENTO
niveles desobretensinconsiderados enla coordinacinde aislamiento
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RELES DIFERENCIALES
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ESTUDIO DE LA COORDINACION DEL AISLAMIENTOEl voltaje mximo del Sistema Nacional de transmisin, pregulacin del CONELEC, no puede ser superior al 5% del vnominal , para el caso de 138 kv, el valor mximo ser de 145 KvLa norma IEC 60071-1 establece que solamente dos clases dsobretensiones son suficientes para caracterizar el nivel deaislamiento del equipo cuando est en el rango de 1 a 250 Kv .
En la misma norma se asignan los valores de 450 550 y 650 kpico para equipo de 145 kV, se ha elegido 550 kV pico como nide impulso que los equipos deben resistir en el sitio de instalacin
La norma IEC 60071-2 establecela siguiente expresin paracorregir el valor de tensin de
impulso por altura:
= 81501000 H
m
a eK
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DETERMINACION DEL AISLAMIENTO
= 8150
1000 H m
a eK
Ka = el factor de correccinm = 1,0 para impulso y frecuencia industrialH = altura de la instalacin sobre el nivel
del mar (m)
Ka = 1,222902332 para 2.640 m
Los equiposdebernresistir
1,222902332 x 550 kvpico 662.03 kvpico
a nivel del mar para soportar 550 kVpico en la altura de instalacin yhasta los 3500 msnm aproximadamente.
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El valor normalizado ms prximo es 750 Kv pico para el impulsocorrespondiente onda de frecuencia industrial de corta duraciser 325 kVrms.
DETERMINACION DEL AISLAMIENTOTabla 5: niveles de aislamiento normalizado por IEC.
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SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGA
Pruebas de un aislador en un laboratorio de alta tensin
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SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGATabla 6: distancias mnimas entre partes energizadas F-F normalizado por IEC.
Segn la norma IEC 60071-2 establece las distancias mnimas entre partenergizadas y partes conectadas al potencial de tierra;
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SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGA
As, para 750 kVpico una distancia deseguridad de 155 cm es suficiente tantopara un arreglo estructura-conductor opara estructura-varilla tanto para fase-neutro como para fase-fase.
Distancias mnimas fase-tierra y fase-fase
En el diseo de la subestacin, el arreglode equipo no solo mantiene una distanciasuperior a la de norma sino que permite lacirculacin de equipo motorizado necesariopara las labores de montaje,mantenimiento y eventuales retiros.
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RELES DIFERENCIALES
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La subestacin est ubicada en un sitio que no es densamentpoblado, pero a futuro se ha considerado la construccin de un
carretera en donde el polvo, el smog de la maquinaria, ensucialos aisladores disminuyendo su capacidad de aislamiento aumentando la probabilidad de que se produzcan corrientes de fug
SELECCIN DE LA DISTANCIA DE FUGA
Segn la norma IEC 60815que establece 2,50 cm/kV,tomando el mximo voltajefase-fase
As se tiene que para 138 kVla distancia ser 345 cm(2.5 x 138 kv) y 10 cmpara 4 kV.
min 345 cm
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DISTANCIAS DE SEGURIDAD
DISTANCIAMINIMA PARAVEHICULOS
D = (d+0.7) + 0.9= (2.5+0.7) + 0.9 =4.1m
H =(d+0.7) + 2.25=(2.5+0.7) + 2.25 =5.15m
DISTANCIAMINIMA PARAAREA DE TRABAJO
D = (d+1.75) + 0.9= (2.5+1.75) + 0.9 =5.15m
H =(d+1.25) + 2.25=(2.5+1.25) + 2.25 =6 m
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DISTANCIAS DE DISEO
Se refiere al dimensionamiento de las distancias entre partes vivaque se requieren en instalaciones convencionales.
La determinacin deestas dimensiones se
efecta mediante elcalculo de lasdistancias dielctricasentre las partes vivasdel equipo y entre
estas y lasestructuras, muros,rejas y el suelo.
1 Altura de los equipossobre el nivel del suelo.
2 Altura de las barras colectorassobre el suelo.
3 Altura de remate de las lneasde transmisin que llegan a lasubestacin.
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ALTURA DE LOS EQUIPOS SOBRE EL NIVEL DEL SUELO
hs = 2.5 + 0.0105*Um
hs = 2.30 + 0.0105*138kV= 3.749 m
La altura mnima hs, de las partes vivas sobre el nivel del suelo en ningncaso debe ser inferior a 3 metros, si no se encuentran aisladas porbarreras de proteccin. La altura mnima de la base de los aisladores qusoportan partes vivas no debe ser menor de 2.25 metros.La altura mnima de las partesvivas de cualquier equipo secalcula de acuerdo con lasiguiente expresin:
hs
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La expresin que proporcionala altura de las barras
colectoras (he), considerandola sensacin de campoelctrico es la siguiente:
he= 5.0 + 0.0125 x Um he = 5.0 + 0.0125 x 138kVhe = 6.72 m
La altura de las barras sobre el nivel del suelo debe considerar laposibilidad de que al pasar una persona por debajo de las barras, estareciba la sensacin del campo elctrico
ALTURA DE LAS BARRAS COLECTORAS SOBRE EL NIVELSUELO
he
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he= 5.0 + 0.006 x Um he = 5.0 + 0.006 x 138kVhe = 5.82 m
Los conductores de las lneas de transmisin que llegan o salen de usubestacin no deben rematar a una altura hi inferior a 6m. Dicha altura sepuede obtener de la relacin:
ALTURA DE REMATE DE LAS LINEAS DE TRANSMISION
he
he
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RELES DIFERENCIALES
CONSTRUCCION DE LA MALLA A TIERR
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RELES DIFERENCIALES
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La malla de tierra de una subestacin permite brindar seguridad apersonal ante la eventualidad de una falla fase a tierra adems depreservar la integridad de los equipos y de proporcionar lreferencia de potencial cero para toda la instalacin.
Introduccin.-
La seguridad de personal,especialmente durante eldesarrollo de fallas a tierra, seobtiene al asegurar que lasdiferencias de potencial a las quese someta al cuerpo humano, alcaminar en la subestacin o altocar un elemento metlico, seansustancialmente menores queaquellas que se consideranpeligrosas para la vida.
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U.P.S.U.P.S.
Tensin Permisible de Paso.
Tensin Permisible de contacto.
Configuracin de la malla. Resistividad del terreno
Tiempo mximo de despeje de la falla.
Conductor de la malla.
Profundidad de instalacin de la malla.
DISEO DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRAEl diseo de una malla a tierra est afectado por lassiguientes variables:
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACION
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U.P.S.U.P.S.
Tensin Permisible de Paso.
Tensin Permisible de contacto.
L I
K K E isP
..=
P E Tensin de paso real en voltiosKs Coeficiente que tiene en cuenta la influencia
combinada de la profundidad y delespaciamiento de la malla
Ki Coeficiente de irregularidad del terrenoResistividad del suelo (
I Corriente mxima de falla (Amp) L Longitud del conductor (m)
L
I K K E
imt
..=
t E Tensin de contacto en voltios
Km Coeficiente que tiene en cuenta las
caractersticas de la malla
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACION
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U.P.S.U.P.S.
Configuracin de la malla. Determinacin de los coeficientes Km , Ki, KsPara la determinacin de los coeficientes esnecesario tener en cuenta las siguientesdefiniciones
A
BA longitud de la mallaB ancho de la malla
L longitud total del conductor
n nmero de conductores en paralelo de long A
m nmero de conductores en paralelo de long B
D espaciamiento entre conductores (m)
h profundidad del enterramiento (m)
d diametro del conductor (m)
La longitud del conductor esta dada por L = n * A + m * B
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U.P.S.U.P.S.
+
= ..........
8
7.
6
5.
4
3ln
1
16ln
2
1 2
hd D
K mDeterminacin de Km n-2 trminos
+++
+
+= ..........
3
1
2
11
2
11
D Dh Dh
K s
Ki = 0,65 + 0,172 n n 7Determinacin de Ki
Determinacin de Ks
Resistividad del terrenoSe lo puede realizar por el mtodo de Laurent y Niemann
+=
L A R
11443,0
R resistencia en ohmios
A area de la malla de puesta a tierra en m2 resistividad del suelo (-m)
L longitud del conductor (m)
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACION
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RELES DIFERENCIALES
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CALCULO DE MALLA A TIERRA
El clculo de la malla de tierra se har siguiendo lasrecomendaciones de la norma IEEE 80 IEEE Guide for Safety iAC Substation Grounding.
Resistividad del suelo (): 25 mrea del terreno(A) 32000 m2 Tiempo de duracin de una falla a tierra (tf) 1 sProfundidad a la que se entierra el conductor (h) 0,6 m
Resistividad de la grava (s) 2500 mAltura de la capa de grava (hs) 0,15 mMxima corriente de cortocircuito fase-tierra(3I0) 15000 AFactor de divisin de corriente (Sf) 0,6
Datos de entrada
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CALCULO DE MALLA A TIERRA
[ ] // 1651
165,0
165,0
mA I
I
t I
K
K
K
=
=
= ( )
( )[ ]
[ ] // 75,16871
157,0250065,061000
157,061000
V E
E
t C E
paso
paso
ss paso
=
+=
+= ( )
( )[ ]
[ ] // 6875,5391
157,0250065,05,11000
157,05,11000
V E
E
t C E
toque
toque
sstoque
=
+=
+=
[ ] // 90001150006,0
A I
I
D I S I
G
G
f f f G
=
=
=
[ ] // 2055,032000206,01
11
3200020
1
2023
125
201
11
20
11
=
+++=
+++=
g
g
g
R
R
Ah A L R
[ ] [ ] // 23,7635,1849
90002055,0
V V GPR
GPR
I RGPR Gg
>=
=
=
( ) ( ) // 6818785,0
192
1
2
1
19
22 === iiiin
ii K K n
K
I. DE CORTOCIRCUITO TENSION DE PASO TENSION DE TOQUE
I. MALLA RESISTENCIA DE MALLA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD
ELEVACION DEL POTENCIAL DELSUELO
COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD DEL TERRENO
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DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
CALCULO DE MALLA A TIERRA
( )( )
( )( )
// 6675,0
11928ln
4936691,16818785,0
0105,046,0
0105,0486,024
0105,06,0164ln
21
12
8ln
48
2
16ln
2
1
22
22
=
+
++=
+
++=
m
m
h
iim
K
K
nK
K
d h
Dd h D
hd D
K
( ) ( )
( ) ( )
// 4951495,2
423,0119ln1192
1
423,01ln12
1
=
+
=
+=
W
W
nnW
// 5330137,0
4951495,24
1
6,04
1
6,02
11
11
2
11
=
++
+=
+++=
s
s
s
K
K
W Dh DhK
[ ] // 240608,2402023
236,36675,0900025
V E
E
L
K K I E
m
m
imGm
=
=
=
[ ] // 8375062,191
2023
236,35330137,0900025
V E
E
L
K K I E
s
s
isGs
=
=
=
COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAS CARACTERIZTICAS DE LA MALLA
COEFICIENTE QUE TIENE EN CUENTA LAINFLUENCIA DE LA PROFUNDIDAD DE LA
MALLA
POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA
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CALCULO DE MALLA A TIERRA
[ ] // 240608,2402023
236,36675,0900025
V E
E
LK K I E
m
m
imGm
=
=
=
[ ] // 8375062,1912023
236,35330137,0900025
V E
E
LK K I E
s
s
isGs
=
=
=
POTENCIAL DE MALLA DE TIERRA
En resumen, la malla principal de la subestacin se construircon cable de cobre 2/0 AWG, enterrado 0,6m, formandocuadriculas de aproximadamente 4 m. La longitud mnimaceptable total sera de 2023 m.
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APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION
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OBJETIVOAPANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION
El apantallamiento tiene por objeto evitar que ocurran descarga
atmosfricas directas sobre las barras o sobre el equipo de la subestacin
El apantallamientoes un sistemacompuesto porcables denominadosde guardia ymstiles metlicos,
ambos conectadosdirectamente a lamalla de tierra.
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CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTOLas estructuras metlicas de los prticos de la subestacin terminen mstil.
Utilizando el mtododescrito por la normaDIN VDE 0101,
Se determina que lasbarras, para estarprotegidas por elapantallamiento, deberanestar como mximo a13.50 m de altura.
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CONFIGURACION DEL APANTALLAMIENTO
5 H
M
3H
H
L h
El ngulo entre el punto M y el puntode altura h que esta a 7.0 m desde eleje del mstil se calcula como:L = 39.13 m-7.0 m = 32.13 m
sen = 32.13/52,5 = 0.616
La altura hasta la que el apantallamiento cubre a una distancia de 7.0 mdel eje del mstil es: h = 0.2091 x 52.5 m =10.98 m
= 37.73 cos = 0.7908cos-1 = 0.2091
La distancia hasta la cual el apantallamiento cubre una altura de 6,00 mes de 14.75 m.
H = altura del mstil = 17,50 m5 x 17,5 = 39.13 m 3H = 52.5 m
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RELES DIFERENCIALES
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De acuerdo al detalle de cargas a servir, consideraciones decrecimiento de la demanda y reserva, se instalar dostransformadores que se derivan desde el primario deltransformador de potencia.
TRANSFORMADORES PARA SERVICIOS AUXILIARES 4000/440
La estimacinde carga delos sistemasauxiliares esde 71.9 KVA
- La demanda elctrica para las serviciosauxiliares del transformador de potencia ainstalarse y futuro, es de 16.64 KVA
- La estimacin de carga de la subestacin paracalentadores, motores, iluminacin y tomas deequipos y alumbrado interior y exterior de la salade control es de 47.53 KVA
- Finalmente, la alimentacin redundante a doscargadores de bateras tiene una demanda de8.75 KVA.
CARGA TOTAL 16.64+ 47.53 + 8.75 = 72.92 KVA 75 kVA
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RELES DIFERENCIALES
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BANCO DE BATERIASComo respaldo, habr un banco de bateras con bateras de plomo-acidque suministrar corriente continua de 125 Vcc a los circuitos de controlmotores de equipos de proteccin y seccionamiento en caso de falla de
alimentacin a los cargadores de bateras.Se ha definido un solo banco que satisfaga la demanda de los servicioauxiliares de la casa de mquinas y de la subestacin.
Comprende la provisin de :
- Un (1) banco de bateras plomo-acido, de 125 V, 200 Ah, 8 hs.- Dos (2) rectificadores autoregulados, dimensionados para 35 A.La fabricacin y funcionamiento se regir a las normas IEC 623 o 896-Se aplicar siempre la ltima versin vigente de la norma
ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA BATERIAS Y CARGADOR
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ESQUEMAS UNIFILARES DE LA SUBESTACION SEP
DIAGRAMA UNIFILAR
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S 1
S 2
S 3
S 4L / T 1 L / T 2
BARRA 2
BARRA 1
4.2 kv 480 v
75 KVA
Y
10 / 12MVA
G 1
138 /4.2 kv
Y
138/4.2 kv
10 / 12MVA
G 2
Y
75KVA
4 .2kv480 v
YSERVICIO DEESTACION B
SERVICIO DEESTACION A
DIAGRAMA UNIFILAR
DIAGRAMA UNIFILAR
-
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BARRA 1 138 KV
SERVICIO DEESTACION B
BARRA 2 138 KV
TRANSF.4/138 Kv
10/12 MVADY1
52-289-2
TRANSF.4/ 0,44Kv
75 KVADY1
152-2 152-B
TRANSF.4/138 Kv
10/12 MVADY1
52-189-1
TRANSF.4/ 0,44Kv
75 KVADY1
152-1152-A
SERVICIO DEESTACION A
D-1
D-2
S-14
S-18
S-24
S-28
L-1
D-3
D-4
S-34
S-38
S-44
S-48
L-1
87 G
87 T
87G
87T
51
51
PT x 3 138/ 0,01Kv
DIAGRAMA UNIFILAR
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S
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8/12/2019 DISEO SUBESTACION ELECTRICA 138KV
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DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
SIMULACION DE LA SUBESTACION EN POWERWORLD
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S*
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DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
( )
[ ] // 44,19010100
101386
23
2
=
=
=
BASE
BASE
BASE
BASE BASE
Z
Z
S
V Z
[ ] // ...1732051,0103,0
52
52
52
u p Zo
Zo
X X Zo C L
=
=
=
[ ] // 9851756,3244,1901732051,0
52
52
==
Zo Zo
( )
[ ] // 3502692,5779851756,32
10138
52
23
52
52
2
52
MVASIL
SIL
ZoV SIL FF
=
=
=
// %5
1003502692,577
8675135,28
10052
52
=
=
=
n
n
SILS n
CALCULO DEL RENDIMIENTOZ CARACTERISTICA DE LA LINEA 2-5
RENDIMEINTO DE LA LINEA 2-5
DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU P SU P S*
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CALCULO DEL RENDIMIENTO
[ ] // ...1732051,0103,0
53
53
53
u p Zo
Zo
X X Zo C L
=
=
=
[ ] // 9851756,3244,1901732051,0
53
53
=
=
Zo
Zo
( )
[ ] // 3502692,5779851756,32
10138
53
23
53
53
2
53
MVASIL
SIL
ZoV
SIL FF
=
=
=
// %5
1003502692,577
8675135,28
10053
53
=
=
=
n
n
SIL
S n
*
Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 3-5
RENDIMEINTO DE LA LINEA 3-5
[ ] // ...1732051,0103,0
62
62
62
u p Zo
Zo
X X Zo C L
=
=
=
[ ] // 9851756,3244,1901732051,0
62
62
=
=
Zo
Zo
Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 2-6
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DISEO DE UNA SUBESTACIONDISEO DE UNA SUBESTACIONU.P.S.U.P.S.
( )
[ ] // 3502692,5779851756,32
10138
62
23
62
62
2
62
MVASIL
SIL
ZoV
SIL FF
=
=
=
// %6
1003502692,577
6410162,34
100
62
62
=
=
=
n
n
SIL
S n
*
[ ] // ...1732051,0103,0
63
63
63
u p Zo
Zo
X X Zo C L
=
=
=
[ ] // 9851756,3244,1901732051,0
63
63
=
=
Zo
Zo
( )
[ ] // 3502692,5779851756,32
10138
63
23
63
63
2
63
MVASIL
SIL
ZoV
SIL FF
=
=
=
// %6
1003502692,577
6410162,34
10063
63
=
=
=
n
n
SILS
n
CALCULO DEL RENDIMIENTO
Z CARACTERISTICA DE LA LINEA 3-6
RENDIMEINTO DE LA LINEA 2-6
RENDIMEINTO DE LA LINEA 3-6
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