DIVISIÓN DE INGENIERÍAS CAMPUS IRAPUATO -SALAMANCA (EX-F.I.M.E.E) ,UNIVERSIDAD DE

GUANAJUATO:

LAPEM - C.F.E

UNIVERSIDAD PANAMERICANA

ANÁLISIS ESPECTRAL DE UN INTERRUPTOR DEL TIPO 3AS2

• Rafael Angel Rodríguez Cruz.

• Arquímedes Ortiz Ribera .

• Roberto González Ojeda (Universidad Panamericana)

• Cuauhtémoc Rubio Arana.

UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO:D.I.C.I.S (F.I.M.E.E)

LAPEM. (C.F.E.)Jorge Andrés Medina Ortiz.

Francisco Vital Flores.

Francisco Reyes Rodríguez.

CONTENIDO DEL PROYECTO:

• INTRODUCCIÓN

• NORMALIZACIÓN DE LOS SISMOS

• ANÁLISIS ESPECTRAL

• INTERRUPTOR TIPO 3AS2

• CONSTRUCCIÓN DEL MODELO EN M.E.F.

• RESULTADOS

• CONCLUSIONES

I. INTRODUCCIÓN:

• MAPA DE LAS PRINCIPALES ZONAS SÍSMICAS DELA REPUBLICA MEXICANA

• MAPA DONDE SE LOCALIZA LA SUBESTACIÓNELÉCTRICA DE CERRO PRIETO III

NORMALIZACIÓN POR C.F.E.

PRINCIPALES ZONAS SÍSMICAS DE MÉXICO:• EL TERRITORIO MEXICANO SE ENCUENTRA DIVIDIDO EN 4 PRINCIPALES

ZONAS SÍSMICAS

LOCALIZACIÓN DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA CERRO PRIETO III:

EL CAMPO GEO-TERMO-ELÉCTRICO SE ENCUENTRAUBICADO EN EL VALLE DEMEXICALI.

ESPECÍFICAMENTE SE LOCALIZAEN UN VALLE APARTEFORMADO POR LAS FALLASIMPERIAL Y CERRO PRIETO, ELCUAL FUE LLENADO PORSEDIMENTOS, DE ARCILLA,LIMOS, GRAVAS Y ARENAS

NORMALIZACIÓN DE LOS SISMOS POR C.F.E.:

• PARA EL DISEÑO SÍSMICO DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS, SEHAN RECOMENDADO ESPECIFICAR EL MISMO NIVEL DECLASIFICACIÓN SÍSMICA PARA TODOS LOS EQUIPOSELÉCTRICOS QUE SE UBICARAN EN UNA REGIÓN GEOGRÁFICAPARTICULARMENTE DE ALTO RIESGO

• EL NIVEL DE CLASIFICACIÓN SÍSMICA SE REPRESENTANMEDIANTE UN ESPECTRO DE RESPUESTA QUE DESCRIBE LASACELERACIONES MÁXIMAS PROBABLES EN TÉRMINOS DE LOSPERIODOS NATURALES DE VIBRACIÓN Y AMORTIGUAMIENTOSMODALES DEL SISTEMA

NIVELES DE DESEMPEÑO SISMICOPARA LA REPUBLICA MEXICANA:

POR LO ANTERIOR SE HAN ESTABLECIDO 3 NIVELES DE DESEMPEÑOSÍSMICO PARA LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS DE LA REPUBLICAMEXICANA

• NIVEL DE DESEMPEÑO SÍSMICO ALTO.- ASOCIADO CONTEMBLORES CON ACELERACIONES MÁXIMAS DE Ag. = 1.0 Ag

•NIVEL DE DESEMPEÑO SÍSMICO MODERADO.- ASOCIADO ATEMBLORES CON ACELERACIONES MÁXIMAS DE Ag. = 0.5 Ag

•NIVEL DE DESEMPEÑO SÍSMICO BAJO.- ASOCIADO A TEMBLORESCON ACELERACIONES MÁXIMAS DE Ag. = 0.2 Ag

ESPECTROS DE DISEÑO PARA LOS NIVELES DE CLASIFICACIÓN SÍSMICA EN MÉXICO

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Ace

lera

ción

Esp

ectra

l de

Dis

eño

(gal

s)

Periodo (S)

AMORTIGUAMIENTO DEL 2%

AltoModeradoBajo

III. ANÁLISIS ESPECTRAL

¿QUE ES UN ANÁLISIS ESPECTRAL?

ES UN ANÁLISIS EN DONDE LOSRESULTADOS DE UN PREVIO ANÁLISISMODAL, SON USADOS COMO BASE PARARESOLVER LA RESPUESTA DE UN SISTEMA(DESPLAZAMIENTOS Y ESFUERZOS), A UNACARGA REPRESENTADA POR UN ESPECTRO.

¿QUE ES UN ESPECTRO?

UN ESPECTRO ES UNA SIMPLE GRAFICA DE UNVALOR ESPECTRAL CON LA FRECUENCIA DEESPECTRO. DONDE UN VALOR DE ENTRADA ES LAFRECUENCIA, Y CON LA CUAL PODEMOS ANALIZARTRES TIPOS DE ESPECTROS:

EN UN SOLO PUNTO (SPRS).ESPECTRO EN MULTIPUNTO (MPRS).MÉTODO DE ANÁLISIS DE DISEÑO DINÁMICO.ESPECTRO DE DENSIDAD DE POTENCIA.

ESPECTROS DE RESPUESTA.

UNA ESPECTRO DE RESPUESTA, REPRESENTA LARESPUESTA DE UN SISTEMA A LA FUNCIÓN DE CARGAEN UN SOLO GRADO DE LIBERTAD (GDL), LA GRAFICAPUEDE ESTAR DADA POR LAS SIGUIENTES CANTIDADES:

DESPLAZAMIENTO VS. FRECUENCIAVELOCIDAD VS. FRECUENCIAACELERACIÓN VS. FRECUENCIAFUERZA VS. FRECUENCIAENERGIA VS. FRECUENCIA

ESPECTROS DE RESPUESTA

DENTRO DEL ANSYS, EXISTE LA POSIBILIDAD DEHACER DOS TIPOS DE ESTE ANÁLISIS:

• ESPECTRO DE POTENCIA EN UN SOLO PUNTO:DONDE ESPECIFICA UNA CURVA (O FAMILIA DECURVAS) EN UN GRUPO DE PUNTOS EN EL MODELO.

•ESPECTRO DE REPUESTA EN MULTIPUNTO: DONDESE ESPECIFICA DIFERENTES CURVAS DE ESPECTROSEN DIFERENTES GRUPOS DE PUNTOS

¿CUÁL ES SU APLICACIÓN?

ES COMÚNMENTE UTILIZADO ESTE TIPO DEANÁLISIS PARA CONOCER LA RESPUESTA ENFUNCIÓN DEL TIEMPO DE ESTRUCTURAS ACONDICIONES DE CARGA ALEATORIA TALES COMOTERREMOTOS, CARGAS DE VIENTO, CARGAS POROLEAJES, EMPUJE DE TURBINAS, VIBRACIONES DEMOTORES DE COHETES ETC.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Acele

racion

(gals)

Periodo(S)

Espectro amortiguamiento 2%

ESPECTROS DE DISEÑO PARA UN NIVEL DE CLASIFICACIÓN SÍSMICA MODERADO (en Gals).

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Acele

ración

(plg/

sg)

Frecuencia (Hz)

Espectro de Aceleraciones con Amortiguamiento 2%

Espectro

ESPECTROS DE DISEÑO PARA UN NIVEL DE CLASIFICACIÓN SÍSMICA MODERADO (en plg/sg).

IV. INTERRUPTOR TRIPOLAR TIPO AS2:

EL INTERRUPTORTIPO 3AS2, TRIPOLARPARA COLOCACIÓNEN LA INTEMPERIE, ELCUAL EMPLEAHEXAFLORURO DEAZUFRE (SF6) COMOMEDIO AISLANTE YEXTINTOR.

INTERRUPTOR TIPO 3AS2:

INTERRUPTOR TIPO 3AS2:LOS 3 POLOS DEL INTERRUPTORSE APOYAN SOBRE UNA BASE,LA CUAL PUEDE SER MÓVIL OFIJA.

SUJETADA POR PILARES DECONCRETO.

SOBRE CADA COLUMNA, SEENCUENTRA UNA CABEZADOBLE DE MANIOBRAFORMADA POR LATRANSMISIÓN INTERMEDIA YPOR LAS UNIDADES RUPTORAS.

PRUEBAS REALIZADAS AL MATERIAL CERÁMICO:

LAS PRUEBAS CONSISTIERON EN OBTENER MUESTRAS DELA PIEZA CERÁMICA EN TAMAÑO Y CANTIDAD SUFICIENTEPARA DETERMINAR LAS SIGUIENTES PROPIEDADESPROMEDIO.

RESISTENCIA ÚLTIMA A LA TENSIÓN A TRAVÉS DE PRUEBASDE FLEXIÓN.

MÓDULO ELÁSTICO.

PENDIENTE DE CONFIABILIDAD EN LA RESISTENCIA (M.Weibull)

PRUEBAS REALIZADAS AL MATERIAL CERÁMICO:PIEZA CERÁMICA PARA EL ANÁLISIS

PRUEBAS REALIZADAS AL MATERIAL CERÁMICO:

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS:

PROPIEDADES RESULTADO DESVIACIÓN (+ / - 10 ) UNIDADES

RESISTENCIA A LA FLEXIÓN “σmax” 38.98 10 MPa

DENSIDAD 2.5 0.1 Mg/m3

MÓDULO DE ELASTICIDAD “E” 52 10 GPa

M DE WEIBULL 4.9 --- ---

LA SIGUIENTE TABLA MUESTRA LOS DATOS OBTENIDOS EN LA PIEZA CERÁMICA ANALIZADA.

V. CONSTRUCCIÓN DELMODELO DELINTERRUPTOR EN MEF

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO POR FEM:EN BASE A LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LASPROPIEDADES DEL MATERIAL CERÁMICO SE CONSTRUYO ELMODELO DE FEM

•CONSTRUCCIÓN DE LA BRIDA Y DE UN SOLO FALDON DELINTERRUPTOR.•CONSTRUCCIÓN DEL MODELO DE UN SOLO INTERRUPTOR TIPO3AS2.•OBTENCIÓN DE LAS FRECUENCIAS NATURALES MODELO DELINTERRUPTOR CON ELEMENTOS VIGAS.•MODELO TOTAL DEL INTERRUPTOR TIPO 3AS2.•OBTENCIÓN DE LAS FRECUENCIAS NATURALES DEL MODELOCOMPLETO DEL INTERRUPTOR TIPO 3AS2.•ANÁLISIS ESPECTRAL DEL INTERRUPTOR.

CONSTRUCCIÓN DE LA BRIDA CON UN SOLO FALDÓN DEL INTERRUPTOR POR FEM:

MATERIAL CERÁMICO BRIDA

MODELO EN FEM DEL MATERIAL CERÁMICO Y LA BRIDA:

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO POR FEM:MODELO DEL MEF PARA UN SOLO POSTE DEL INTERRUPTOR.

1869.30101147.909946.408894.667176.796130.395126.95481.297314.639214.6361

FrecuenciasNaturalesNo.

FRECUENCIAS NATURALES DE UN SOLO POSTE DEL AISLADOR:

PRIMER MODO DE FRECUENCIA DE UN SOLO AISLADOR:

EN BASE A LAS FRECUENCIAS NATURALES OBTENIDAS EN ELANÁLISIS MODAL POR MEF, DE UN SOLO INTERRUPTOR; SECALCULARON LOS SIGUIENTES VALORES EQUIVALENTES.

FRECUENCIA NATURAL.

MOMENTO DE INERCIA.

RIGIDEZ DEL INTERRUPTOR.

MASA DEL INTERRUPTOR.

452.3mlEIw=

=

EmlwI

42

52.3

33lEIk =

)(Vm ρ=

CÁLCULO DE LA RIGIDEZ DEL INTERRUPTOR:

0.002719 slug/plg3DENSIDAD

7544739.936 Lbs/plg2

MODULO DE YOUNG

8.94 plgANCHO

62.81 plg2ÁREA

9.63 slugsMASA

40597.398 Lbs/plgRIGIDEZ

314.99 plg4MOMENTO DE INERCIA

CÁLCULO DE LA RIGIDEZ DEL INTERRUPTOR:

DE LAS FORMULASANTERIORES SE OBTUVIERONLOS SIGUIENTES VALORES.

DE LAS PROPIEDADESOBTENIDAS DE LA PRUEBASREALIZADAS Y DE LOSVALORES ANTERIORES SECONSTRUYO NUESTROMODELO CON ELEMENTOSVIGAS EN FEM.

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO DE MEF COMPLETO DEL INTERRUPTOR TIPO 3AS2.

VI. RESULTADOS DEL ANÁLISISESPECTRAL DEL INTERRUPTORTIPO 3AS2

No. Frecuencia Natural (Hz)1 1.0452 1.0603 4.4444 8.5165 15.1656 15.3677 17.8988 23.5779 31.834

10 51.767

FRECUENCIAS NATURALES OBTENIDAS DEL MODELO COMPLETO DEL INTERRUPTOR 3AS2

FORMA DE LA CARGA

DEBIDO A LAS MAGNITUDES DE LASACELERACIONES QUE SE PRESENTARON ENLA ESTACIÓN DE CERRO PRIETO, EL SISMOCAE DENTRO DE LA CATEGORÍA DEMODERADO, FALTANDO CONOCERÚNICAMENTE SU FRECUENCIA.

ACELEROGRAMA REGISTRADO EN LA SUBESTACIÓN DE CERRO PRIETO

CALCULO DE LA FRECUENCIA DEL SISMO

SEGÚN CLOUGH, PENZIEN “DYNAMICS OFSTRUCTURES, MC GRAW HILL, 1975”, ESPOSIBLE CALCULAR LA FRECUENCIA DE UNASEÑAL SÍSMICA CONTANDO EL NUMERO DEVECES QUE ESTA SEÑAL CRUZA EL EJE DELPERIODO, POSTERIORMENTE ESTA SE DIVIDEENTRE EL INTERVALO DEL PERIODO EN QUESUCEDIÓ.

Hz. 66.5528

ido transcurrtiempocortes de Numero

≈=

==

f

f

CALCULO DE LA FRECUENCIA DEL SISMO

MODOS DE VIBRACIÓN DEL INTERRUPTOR

PRIMER MODO DE VIBRACIÓN DEL INTERRUPTOR 3AS2

SEGUNDO MODO DE VIBRACIÓN DEL INTERRUPTOR 3AS2

TERCER MODO DE VIBRACIÓN DEL INTERRUPTOR 3AS2

VII. RESULTADOS

PRIMERA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA LATERAL PARTE INFERIORDEL INTERRUPTOR 3AS2

PRIMERA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA FRONTAL INFERIOR

SEGUNDA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA LATERAL PARTE INFERIOR DEL INTERRUPTOR 3AS2

SEGUNDA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA FRONTAL

TERCERA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA FRONTAL PARTE INFERIOR DEL INTERRUPTOR 3AS2

TERCERA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

VISTA FRONTAL DEL INTERRUPTOR 3AS2

CUARTA FRECUENCIA DE RESPUESTA DEL ESPECTRO

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Esf

uerz

os (L

bs/p

lg2)

Frecuencia (Hz)

Comparacion Esfuerzos Vs Frecuencias

Fluencia Minima

Fluencia Promedio

Fluencia Maxima

Esf. Max. Porcelana

GRÁFICA DE RESULTADOS

GRÁFICA DE RESULTADOS

ESFUERZOS:

LOS RESULTADOS DE LOS ANÁLISISMOSTRADOS EN LA FIGURA ANTERIOR,NOS INDICAN QUE LA CERÁMICA DELINTERRUPTOR PODRÁ RESISTIR UN SISMODEL TIPO MODERADO AUNQUE ESNECESARIO RECONOCER QUE SEENCUENTRA CERCA DE SU LIMITE.

HIPÓTESIS DE LAS FALLAS

CAMBIO DE RIGIDEZ.

• LOS INTERRUPTORES TIPO 3AS2 SUFREN UNCAMBIO DE RIGIDEZ MUY ALTO EN SUSCONEXIONES, LO QUE PROVOCA UNA ALTACONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS.

• LAS CONEXIONES RÍGIDAS QUE UNENDIRECTAMENTE AL EQUIPO TIENEN MENORCAPACIDAD DE DISIPAR ENERGÍA

EFECTO DEL SITIO.LAS CONDICIONES LOCALES DEL SITIO TIENEN UNAESTRECHA RELACIÓN CON LOS MOVIMIENTOSSÍSMICOS, DEBIDO A QUE INTRODUCEN RASGOSDEPENDIENTES DE LA FRECUENCIA NATURAL

LOS DEPÓSITOS SEDIMENTARIOS PUEDENAMPLIFICAR SIGNIFICATIVAMENTE LAS ONDASSÍSMICAS Y POR LO TANTO INCREMENTAR EL NIVELDE DAÑO EXPERIMENTADO DURANTE UN TEMBLORY SI LA FRECUENCIA NATURAL DEL TERRENO ESSIMILAR A LA CONTENIDA POR LA SEÑAL SÍSMICA

FRECUENCIAS NATURALES DEL SITIO

LAS FRECUENCIAS NATURALES DELSITIO SON RELATIVAMENTE BAJAS,SIENDO DEL ORDEN DE:

0.8 Hz1.2 Hz2.0 Hz

POR LO ANTERIOR SE PUEDE CONCLUIR QUE LOSPROBLEMAS DE FALLAS DE INTERRUPTORES SE DEBEN:

1. EN PRIMER LUGAR A LAS FUERTES ACELERACIONESSÍSMICAS QUE OCURREN EN LA ZONA LO QUEPROVOCA ESFUERZOS CORTANTES GRANDES

2. QUE DE POR SI SON GRANDES DEBIDO AL CAMBIODE RIGIDEZ EN LA ESTRUCTURA DEL INTERRUPTORTIPO 3AS2

3. LAS BAJAS FRECUENCIAS NATURALES DEL SITIO LASCUALES PUEDEN IGUALAR A LAS FRECUENCIASNATURALES DEL INTERRUPTOR Y POR TANTO ENTRAREN RESONANCIA.

CONCLUSIONES.

CONCLUSIONES.

4. LOS RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS MOSTRADOS NOSINDICAN QUE LA CERÁMICA DEL INTERRUPTORPODRÁ RESISTIR UN SISMO DEL TIPO MODERADOAUNQUE ES NECESARIO RECONOCER QUE SEENCUENTRA CERCA DE SU LIMITE.