Proyecto de ejecución de una subestación eléctrica de alta tensión para la red de transporte peninsular española, en entorno protegido a 400 kV y como punto de acceso de un generador

Abstract

En este proyecto se lleva a cabo el diseño de una subestación eléctrica de generación para la evacuación de 1650 MW de potencia desde una central térmica de ciclo combinado a la red de transporte de 400 kV. A través de los diferentes documentos que conforman el proyecto, se pretende llevar a cabo una descripción del proceso de diseño de la subestación, de los elementos que la componen y de los procesos que se deben seguir en su construcción y puesta en marcha. La subestación tomará el nombre de Subestación de Caspe y estará situada a 8 km de Zaragoceta (población de la provincia de Zaragoza), que se encuentra en la región del Bajo Aragón - Caspe. La instalación ocupará una superficie total de 3,27 hectáreas dentro de un terreno de 10 hectáreas perteneciente a dicha localidad. Se construirá en las proximidades una central térmica de ciclo combinado a gas natural, mencionada anteriormente. Dicha central está formada por dos grupos, de 800 y 850 MW, que se componen de un ciclo Rankine y un ciclo Brayton, cada uno. El objetivo principal en la realización del proyecto es la tramitación, es decir, diseñar una subestación que cumpla con lo requerido por el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en instalaciones eléctricas de alta tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITCRAT 01 a 23. Además, se busca que la instalación sea versátil, flexible ante las necesidades eléctricas futuras y que resulte rentable en su construcción y mantenimiento. En la subestación se empleará tecnología AIS, ya que se encuentra en un ambiente rural, dispone de un terreno suficientemente amplio, no existen condicionantes medioambietales y las condiciones climáticas de la región no son extremas. Por todo ello, se escoge el aislamiento en aire, frente a alternativas como la tecnología GIS o HIS, que supondrían una mayor inversión en este caso. En cuanto a la configuración, se decide implantar el interruptor y medio, ya que, aun siendo más cara que otras configuraciones, aportará mayor fiabilidad, seguridad y versatilidad a la instalación, para permitir la fácil evacuación de la potencia de los grupos generadores. Caspe se compondrá de un único parque de 400 kV en configuración de interruptor y medio, que contará con 4 calles y 8 posiciones, dejando 2 de dichas posiciones como reserva para futuras ampliaciones. De las 6 posiciones que estarán equipadas y activas en un comienzo, dos serán de evacuación del ciclo combinado y las 4 restantes serán posiciones de salida a líneas de la red de 400 kV. Para la elección de la aparamenta se debe tener en cuenta las necesidades eléctricas de la instalación, como la tensión nominal (400 kV), la tensión más elevada del material (420 kV) y la intensidad de cortocircuito (31 kA), además del nivel de aislamiento necesario para dicha aparamenta. Todo ello se detalla en el apartado de cálculos de coordinación de aislamiento. En base a esos cálculos y a la información obtenida de distintos fabricantes, se decide instalar los siguientes equipos: - 9 interruptores de potencia trifásicos con ruptura en SF6 del modelo HPL 420B2 de ABB. - 18 juegos trifásicos de seccionadores MESA de tres columnas con una central giratoria (modelo SG3C-420/4.000), incorporando 4 de ellos un seccionador de puesta a tierra adicional (modelo SG3CT-420/4.000). - 6 juegos trifásicos de seccionadores pantógrafos del modelo SPD-420/4.000 de MESA. - 36 transformadores de intensidad para medida del modelo CA-420 de ARTECHE. - 18 unidades de transformadores de tensión capacitivos para medida y protección del modelo DFK-420 de ARTECHE. - 12 autoválvulas EXLIM Q-D 420 de ABB al comienzo de las líneas de evacuación, para proteger frente a sobretensiones atmosféricas y de funcionamiento. La red de tierras de la subestación estará formada una red inferior y una red superior. La red inferior se compondrá de una malla subterránea de cable de cobre de 120 mm de diámetro para todo el parque, y la red superior se compondrá de cables de guarda y puntas Franklin, formando una disposición que permita el apantallamiento de toda la aparamenta y embarrados, frente a descargas atmosféricas. Para la conexión de los distintos elementos y equipos de alta tensión, se dispone de los embarrados. En la subestación se distinguen tres tipos de embarrados: - Embarrados principales: formados por tubos flexibles de aluminio de 250 mm de diámetro exterior y 228 mm de diámetro interior. - Embarrados secundarios: formados por tubos flexibles de aluminio de 150 mm de diámetro exterior y 134 mm de diámetro interior. - Embarrados de tendido alto: formado por conductor flexible dúplex del tipo LAPWING de 38,16 mm de diámetro. Para el amarre de las líneas y la sujeción del tendido alto, se instalan 10 pórticos con estructura de acero galvanizado, de tipo plano con alma llena. Se utilizarán estructuras metálicas similares, para el soporte de los aparatos y embarrados tubulares, con el objetivo de mantener las distancias de seguridad entre los equipos en tensión y el suelo. Se realizará una obra civil para preparar el terreno e implantar todo lo necesario para la instalación de los equipos y estructuras de la nueva subestación. Se llevará a cabo el movimiento de tierras y explanación del terreno, una red de drenaje, un sistema de saneamiento y las cimentaciones de los pórticos y estructuras metálicas. Se construirán los accesos, el vallado, el edificio de control y se instalarán tres casetas de relés. Para la protección de las instalaciones ante una falta y aislamiento de las partes afectadas respecto de las sanas, se configura un sistema de protección, con protección de líneas, protección de barras y protección de interruptor. En el sistema de protección de líneas, se diferencia entre una protección primaria (equipo 7SD5225 de Siemens) y una protección secundaria (equipo 7SD522). Las barras se protegerán con función diferencial (relé SEL-487B). Los interruptores también contarán con un relé de falla (SEL-451). En el sistema de operación y control de la subestación se distinguen 4 niveles: Nivel 0: accionamiento manual de los elementos de la subestación en pruebas sin carga. Nivel 1: operación de los elementos de una calle o posición haciendo uso de un sinóptico. Nivel 2: control de los mandos de la subestación a través de un ordenador o un sinóptico general. Nivel 3: control remoto de todos los elementos de mando de la subestación desde el Centro de Control Eléctrico (CECOEL). En la subestación se instalará un sistema de servicios auxiliares para el abastecimiento de energía de los equipos de control y telecomunicaciones, la aparamenta y las instalaciones anexas. Se componen de servicios auxiliares de alterna y servicios auxiliares de continua. Los servicios auxiliares de alterna son alimentados desde una línea exterior de media tensión (20 kV) y un centro de transformación (24 kV y 250 kVA), contando con un grupo electrógeno (200 kVA, 400/230 V) como sistema de alimentación secundario. Los servicios auxiliares de continua contarán con un sistema de 125 V, que utilizará dos equipos de rectificador-batería con entrada de 400 V trifásicos y salida de 125 V, y un sistema de 48 V que utiliza dos rectificador-batería con entrada de 400 V trifásicos y salida de 48 V. Se llevará a cabo la instalación de un sistema de telecomunicaciones, para controlar la subestación desde el CECOEL y las comunicaciones entre casetas y edificio de control. Se empleará un doble sistema de comunicación con doble SDH, para dotar al sistema de una mayor seguridad. Por último, se diseñarán los sistemas de alumbrado y fuerza exterior e interior, los sistemas contra incendios y se establecerán medidas antiintrusismo para evitar la entrada de personas ajenas no autorizadas a la instalación. En cuanto a los aspectos económicos, la subestación presenta un coste de inversión de 8.655.365 € y tendrá una rentabilidad del 23,5% en la construcción y del 10% en la explotación.

This Project carries out the design of an electric generation substation for the evacuation of 1650 MW of power, from a combined cycle power generating plant to the 400 kV transport network. Through the documents composing the project, it is pretended to describe the substation design process, the different components of the substation and the processes for it construction and start-up. The substation will be called Caspe and will be located 8 km away from Zaragoceta (village placed in Zaragoza province), situated in the Bajo Aragón – Caspe region. The facility will take up 3,27 hectares of a 10 hectares land belonging to that locality. Caspe will be built in the vicinity of the natural gas thermal power plant previously mentioned. This power plant consist of two groups of 800 and 850 MW and each group is composed by a Rankine cycle and a Brayton cycle. The main objective of this project is to obtain the necessary authorisations for the construction of this new substation. In order to achieve this aim, it is needed to design a substation that meets all the requirements established in the high voltage regulations (RAT) and its supplementary technical conditions 01 to 23 (ITC-RAT). In addition, the system has to be versatile and adaptable to future changes, and its construction and maintenance have to be profitable. In the substation it is used AIS technology. As the substation is located in a rural zone that has an enough large plot, there are not environmental determinants and the climate conditions are not extreme; AIS technology is chosen instead of GIS or HIS technology, which will mean a higher investment in this case. In terms of configuration, it is decided to use a breaker and a half, which supposes more costs than other configurations, but provides higher reliability, security and versatility to enable the power evacuation from the generators. Caspe will consist of one 400 kV park organised in breaker and a half configuration, composed by 4 lanes and 8 positions, reserving 2 of these positions for future expansion. Two of the six positions that are active at the beginning, will be evacuation lines of the combined cycle, and the remaining 4 will be exit lines to the transport network of 400 kV. For the choice of switchgear it is necessary to take into account the electrical needs of the installation, as the nominal voltage (400 kV), the highest voltage of the material (420 kV) and the short circuit current (31 kA), as well as the isolation level required for that switchgear. All this is detailed in the section on calculation of insulation coordination. Based on these calculations and the information obtained from the different manufacturers, it is decided to install the following equipment: - 9 three-phase power circuit breakers with cut by SF6 of the model HPL 420B2 from ABB. - 18 sets of three-phase MESA disconnectors, with three columns and a central rotating column (model SG3C-420/4.000). 4 of these sets will include an additional earthing disconnector (model SG3CT-420/4.000). - 6 sets of three-phase pantograph disconnectors of the model SPD-420/4.000 from MESA. - 36 current transformers for measurement of the model CA-420 from ARTECHE. - 18 capacitive voltage Transformers for measurement and protection of the model DFK-420 from ARTECHE. - 12 lightning arresters EXLIM Q-D 420 from ABB at the beginning of the evacuation lines, to protect against atmospheric and operating surges. The grounding system will be composed by a lower system and an upper system. The lower grounding system consist of an underground copper wire mesh, 120 mm in diameter, for all the substation. The upper grounding system uses earth wires and Franklin rods, forming an arrangement that allows the insulation of all the switchgear and busbars, against lightning. There are used three types of busbars in the substation to connect the different high voltage components and equipment: - Main busbars: composed by aluminum flexible tubes of 250 mm outside diameter and 228 mm inside diameter. - Secondary busbars: composed by aluminum flexible tubes of 150 mm outside diameter and 134 mm inside diameter. - Overhead wires: composed by flexible dúplex LAPWING wire, 38,16 mm in diameter. To tie up the lines and overhead wires, there will be installed 10 frames with galvanised steel, flat type and full core. Similar Steel structures will be used to support the equipment and busbar tubes, with the aim of maintaining the security distances between the switchgear and the ground. A civil work will be carried out to prepare the ground and to implement everything that is necessary for the installation of the equipment and structures of the new substation. The civil work includes: earthmoving and land clearance, a drainage system, a sanitation system, frames and steel structures foundations, construction of accesses, safety fence and the construction of the control building and three relay stands. In order to protect the substation against an electric failure and to isolate the affected parts, a protection system is configured, with line protections, bar protections and breaker protections. In the line protection system, there is a primary protection (7SD5225 Siemens equipment) and a secondary protection (7SD522 Siemens equipment). The bars will be protected with differential function (SEL-487B relay). Breakers will also have a fault relay (SEL-451). In the operation and control system of the substation, 4 levels can be distinguished: Level 0: manual operation of the elements of the substation in tests without load. Level 1: operation of the elements of a lane or position, using a synoptic. Level 2: operation of the elements of a lane of the substation through a computer or a general synoptic. Level 3: remote control of all the command elements of the substation from the Electric Control Center. The substation will have installed an auxiliary services system for the energy supply of the control and telecommunication equipment, the switchgear and annexed facilities. These services are composed by auxiliary services of alternating current and auxiliary services of continuous current. A.C. auxiliary services are powered from an external medium voltage line (20 kV) and a transformation center (24 kV and 250 kVA), with a generator set (200 kVA, 400/230 V) as a secondary power supply. C.C auxiliary services will have a 125 V system, which will use two rectifier-battery equipment with input of 400 V three-phase and output of 125 V, and a system of 48 V that uses two rectifier-battery with input of 400 V three-phase and 48 V output. The installation of a telecommunications system will be carried out to control the substation from the Electric Control Center and the communications between relay stands and the command building. A double communication system with double SDH will be used to give the system a greater security. Finally, fire systems, lighting and force external and internal systems, will be designed. Also, anti-intrusive measures will be established to prevent the entry of unauthorized people to the substation. With regard to the economic aspects, the substation has an investment cost of 8.655.365 € and will have a return of 23,5% on construction and 10% during the operation.