SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
Una subestación consiste en un conjunto de equipos destinados a recibir la energía a alta tensión proveniente de un suministro de energía, modificar los parámetros de potencia eléctrica, transformándola en valores aptos para la distribución eléctrica local y transferir esta energía a los alimentadores de la red primaria de distribución. Las subestaciones son completamente necesarias, ya que permiten el control del flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento, además en toda instalación industrial o comercial es indispensable el uso de la energía, la continuidad del servicio y calidad de la energía consumida por los diferentes equipos, así como la requerida para la iluminación. iluminación. La ubicación de cada subestación, su tipo y su tamaño tienen una razón de ser, ya que depende de muchos factores tales como:
A proximación al centro de carga de la región a alimentar. Nivel de voltaje, capacidad de carga, consideraciones
ambientales, limitaciones de espacio y terreno y derecho de vía de las líneas de transmisión. Debe ser confiable, económica, segura y un diseño tan sencillo como sea posible. Que proporcione continuidad en el servicio, flexibilidad para futuras ampliaciones y bajo costo co sto inicial y final. Equipada con lo necesario para dar mantenimiento a líneas, interruptores sin interrupción en el servicio y segura para el trabajador. Fijar la capacidad considerando la demanda de la zona en KVA y lo que pudiese incrementar a largo plazo previendo el espacio.
Las subestaciones se pueden denominar de acuerdo con el tipo de función que desarrollan, en tres grupos: y
Subestaciones Variadoras de Tensión.
y
Subestaciones de maniobra o seccionadoras de circuito.
Subestaciones Variadoras de Tensión:
También conocida como Subestación Transformadora y la cual se divide en dos tipos: elevadora y reductora. Subestación Elevadora: Es
una Subestación de transformación situada al lado de las centrales generadoras de electricidad, en la cual la potencia de salida de los transformadores está a una tensión más alta que la potencia de entrada, esto con el fin de reducir la corriente y por lo tanto facilitar el transporte de la energía por medio de conductores de menor grosor, economizando espacio y disminuyendo el tamaño de los generadores, además se reducen las pérdidas del sistema y se mejora el proceso de aislamiento de los conductores. Generalmente a una subestación elevadora llegan de 3 a 36 mil voltios y salen entre 110 mil a 380 mil voltios.
Cuando la potencia generada es pequeña y la carga se encuentra cerca del generador, se puede generar en baja tensión y alimentar las cargas directamente a partir del generador. Cuando la potencia generada es mayor, y la distancia entre las cargas es grande, es necesario reducir al máximo la corriente, de modo que se pueda utilizar conductores más delgados.
Generalmente, las líneas utilizadas son aéreas, en las cuales no existen mayores problemas de aislamiento, y la reducción del diámetro y del peso de los conductores implica un gran ahorro en las estructuras de apoyo. Por otra parte, las pérdidas en las líneas de transmisión son proporcionales al cuadrado de la corriente y por lo tanto, cuanto menor sea la corriente menores serán las pérdidas.
Subestación Reductora: Es
una subestación de transformación la cual recibe las líneas de transporte provenientes de las centrales por lo que su misión es de interconexión y reparto, con la función de reducir la tensión de alta o muy alta a tensión media para su posterior distribución. La tensión primaria de los transformadores depende de la tensión de la línea de transporte (66, 110, 220 o 380 kV). Mientras que la tensión secundaria de los transformadores está condicionada por la tensión de las líneas de distribución (entre 6 y 30 kV.
Tipos de Subestaciones según su tipo de instalación: Depende
de varios factores como el terreno, las inclemencias meteorológicas, del grado de seguridad y vida útil que se le quiera dar o bien por aspectos económicos de su construcción, se distinguen varios tipos: y
Tipo intemperie:
Se
construyen en terrenos expuestos a la inclemencia del clima, y requiere de protección, diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvia, viento, nieve, etc.) por lo general se utilizan en los sistemas de alta tensión. y
Tipo interior:
Están
diseñadas para trabajar dentro de una edificación, a pesar de esto el transformador si se coloca a la intemperie, son muy poco utilizadas, se usan generalmente en las industrias. y
Tipo Blindado:
Las mismas utilizan el hexafloruro de azufre como aislante en todos sus elementos, debido a que se consigue reducir una gran distancia entre elementos logrando así una instalación de muy reducido tamaño, generalmente se utilizan en fábricas, hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales.
Partes Principales
Una subestación transformadora se compone de 6 partes principales: entrada y salida, mando, regulación, corte, protección y medida. Donde: y Salidas: Barras de reparto de intensidad. Protección: relés de protección, pararrayos y autoválvulas. Corte: Seccionadores, interruptores y disyuntores. Medida: transformadores y equipos de medida. R egulación: reguladores de tensión. Mando: cuadros de mando directo y telemando. y y y
y y y
Entradas
Aparatos
de Corte y Maniobra
Son
aparatos que quedan aislados eléctricamente por diferentes motivos, con el fin de garantizar y permitir un servicio continuo, en las subestaciones se encuentran los siguientes aparatos de corte: 1. Seccionadores: son utilizados para cortar tramos del circuito, los cuales están libres de carga, o sea que en el momento de la apertura no circula corriente atravez de ellos, su apertura es visible. 1.1. De cuchillas giratorias: son utilizados tanto en interior como exterior. 1.2. De cuchillas deslizantes: son los más utilizados porque requieren menor espacio físico pero con menor capacidad de corte. 1.3. De columnas giratorias: están hechos para ser usados en intemperie a tensiones superiores a 30 Kv. 1.4. De pantógrafo: además de realizan la función de maniobra y corte, estos interconectan líneas que se encuentran a diferentes alturas.
2.
Interruptores:
son dispositivos capaces de soportar grandes corrientes de cortocircuito durante un periodo de tiempo lo que le permite realizar la maniobra con carga, es de accionamiento manual.
3.
Interruptor-seccionador:
cumple la misma función del interruptor pero su apertura
es visible. 4.
son interruptores automáticos, los cuales son los usados habitualmente ya que actúan automáticamente al detectar una sobrecarga o alguna anomalía con la ayuda de los llamados relés de protección, incorporan un sistema de extinción de arco eléctrico. Dependiendo del sistema de extinción del arco eléctrico se distinguen varios tipos de disyuntores: Disyuntores:
4.1. De ruptura de aire: usa la propia atmosfera del retorno y su gran velocidad de desconexión para extinguir el arco, por lo que claramente no es el sistema más seguro, por lo que se limita a la utilización en media tensión. 4.2. Con auto-formación de gases extintores: incorporan una serie de placas, cuya evaporación producida por la alta temperatura del arco eléctrico produce gases que le permiten extinguir arcos eléctricos con cierta efectividad, sin embargo su uso se limita a maniobras de escasa potencia. 4.3. Con soplado auto-neumático: tiene un cilindro que lanza aire comprimido sobre la zona en la que se produce el arco gracias al empuje de un pistón que se mueve por los propios contactos del interruptor cuando se abre, puede trabajar tensiones de hasta 24 Kv. 4.4. De aceite: sus contactos se sumergen en un aceite aislante que tiene la propiedad de enfriarlos, sin embargo existe el riesgo de inflamación del aceite y requieren mucho mantenimiento, por lo que no son recomendados para grandes potencias ni secciones. 4.5. De hexafloruro de azufre: funcionan igual que los interruptores de soplado solo que en vez de expulsar aire expulsan un gas llamado SF6 cuyas propiedades eléctricas son muy superiores a cualquier aislante, por esto son los más utilizados y los únicos aptos para uso a muy alta tensión. 4.6. En vacío: sus contactos están inmersos en una cámara de vacío donde, al no haber ningún elemento, no se produce continuidad en el arco eléctrico, son utilizados en tensiones de hasta 50 Kv.
Aparatos
y equipos de protección y medida
Estos
aparatos son utilizados para tomar los valores de la instalación, registrarlos y compararlos con otros valores de referencia, esto con el fin de actuar sobre la aparamenta de protección en caso de ser necesario. Dicha aparamenta está compuesta, además de los disyuntores ya mencionados, por los siguientes elementos: son dispositivos encargados de absorber sobretensiones como la producida por la caída de un rayo, evitando que sean los aisladores quienes reciban la sobretensión y evitando así el daño del aislamiento. Se colocan en un extremo de la línea a proteger y por el otro lado se conecta a tierra. o
auto-válvulas:
y
Pararrayos
y
Transformadores de medida y protección:
estos se encargan de reducir los valores nominales la de tensión e intensidad para poder ser utilizados por aparatos de medida como voltímetros y amperímetros, y por aparatos de protección como los relés, al igual que en los elementos que manipulen personas.
Existen dos tipos, de tensión y de intensidad:
Transformadores de Tensión: su relación de transformación viene dada por los valores de tensión en bornes del arrollamiento con relación a la tensión aparecida entre los extremos del bobinado secundario. Se utilizan en el acoplamiento de voltímetros siendo su tensión primaria la propia de línea.
Transformadores de Corriente: la intensidad primaria y la secundaria son proporcionales y son utilizados cuando se necesita conocer la intensidad de línea. En estos transformadores se intercala entre una de las fases el bobinado primario el cual queda conectado en serie a la fase y al secundario se conecta el aparato de medida.
y
son unos mecanismos que funcionan a baja tensión y son los encargados de actuar en consecuencia a los valores tomados de los elementos de medida, en este caso los interruptores cuando el aparato de medida devuelve un valor distinta a los valores de referencia. Los relés se componen de las siguientes partes: Relés de
Protección:
1. Órgano de entrada: son los mismos transformadores, el funcionamiento del relé no sería posible sin ellos. 2. Órgano de conversión: se usa cuando es necesario adaptar las señales de entrada para su utilización en el relé. 3. Órgano de medida: registra los datos y decide si actúa o no sobre la protección en referencia a estos. 4. Órgano de salida: amplifica la señal para que puedan funcionar una serie de contactores. 5. Órgano accionador: no forma parte del relé ya que forma parte de la bobina interna del disyuntor, se encarga de mover los contactos del aparato cuando aparece la tensión suficiente. 6. Fuente auxiliar: alimenta al relé permanentemente.
Existen
varios tipos de relés y se clasifican según su tipo de desconexión y también según su tipo de reconexión, veamos: Según su desconexión:
Por medio de desconexión mecánica: es cuando el movimiento de los contactos del interruptor se realiza con la ayuda de elementos mecánicos como levas y resortes.
Por medio de desconexión eléctrica: realiza la acción por medio de un contactor que a su vez alimenta al circuito del disyuntor, el contacto auxiliar está abierto y cuando recibe dicha alimentación se cierra haciendo pasar el voltaje por la bobina del disyuntor provocando el disparo.
Según su reconexión:
Por reenganche automático: cuando desaparece la anomalía se rearma sin necesidad de un accionamiento manual.
Bloqueo: Tienen un sistema de señalización que se activa cuando actúa el dispositivo, avisa visual o acústicamente que el relé necesita ser rearmado, en este caso manualmente.
Barras
y
de Entrada y Salida
las líneas de transporte y reparten su intensidad por toda la estación, a partir de hacen varias derivaciones. Barras
de entrada/salida: reciben
de Condensadores: se
utilizan para corregir el factor de potencia (desfase en la señal que produce que la potencia útil sea menor a la real) de la señal eléctrica con el fin de aproximarlo a uno.
y
Baterías
y
Telemando: son
dispositivos accionados por diversos sistemas (infrarrojos, señales de alta frecuencia) que permiten ejecutar un maniobra de la aparamenta a distancia, con lo que se evitan accidentes por choque eléctricas que en su acción manual serían de alto riesgo.
Transmisión de Información
Con el fin de minimizar el tiempo de reporte y reparación de averías las subestaciones cuentas con sistemas de comunicación que cumplen con su objetivo cuando alguno de los equipos de protección actúa. Esta comunica al servicio técnico la anomalía generalmente con mucha precisión, en que parte de la subestación se encuentra el desperfecto.
Existen
varios tipos de transmisión, clasificados según su tipo de sistema de
transmisión: y y y y
Comunicación por hilo telefónico. Comunicación por microondas. Comunicación por ondas portadoras. Comunicación a través de fibra óptica.
Ejemplo de una subestación transformadora 66/20 Kv.
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Las líneas de transmisión son el conjunto de dispositivos encargados de trasportar la energía eléctrica de las fuentes de generación a los centros de consumo, buscando maximizar la eficiencia y reduciendo las perdidas a lo menor posible, transportan la energía a niveles de tensión de entre 3 y 30 KV.
Una red de transporte traslada la energía eléctrica producida por las centrales de generación hacia las áreas de distribución en forma trifásica y alta tensión, mediante las subestaciones, de alta tensión a media tensión. La red de distribución o líneas de transmisión lleva la energía eléctrica a los consumidores.
Para que existan menores pérdidas en los conductores la energía es transportada a alto voltaje y baja intensidad, esto debido a que siendo lo contrario habría muchas perdidas debido a las largas distancias y el exceso de calentamiento.
Tipos de Líneas de Transmisión según su Forma:
Redes Radiales y y
y
La energía solo dispone de un camino desde la subestación hasta el consumidor. Suministra a distintos centros de consumo con densidad de carga baja-media o baja calidad de suministro. Simplicidad de diseño y operación, bajo costo y rapidez en localización de averías.
y
Alimentación
por un único origen por lo que sufre caídas de tensiones y limitaciones para ampliación del suministro.
Redes en Anillo y
y
y y
y
Línea cerrada que parte de una o varias alimentaciones con carga repartida arbitrariamente. Suministro a diversos centros de consumo alejados entre si con grandes cargas con alta calidad de suministro. Menores caídas de tensión ante variaciones de tensión bruscas. Mayor continuidad del suministro, flexibilidad de operación y facilidad de mantenimiento. Sistema de protección más complejo, complicaciones para ampliaciones.
Redes Malladas: y
R edes cerradas unidas en los puntos de concentración de la carga.
y
Suministro a zonas de gran densidad de carga y concentración.
y
Alta seguridad en el suministro.
y y
Mayor flexibilidad de operación, regulación de tensión y menor pérdida. Mayor costo debido a su sistema de protección y gran capacidad de las líneas.
Tipos de Líneas de Transmisión según su Tendido: Aérea:
Son
construidas tanto en conductor desnudo como con cable aislado, esta forma de transmisión tiene la ventaja de que la inversión final es menor y es más sencilla la detección de averías, sin embargo requieren mucho mantenimiento debido al deterioro que sufren debido a inclemencia del clima y la contaminación. Cabe destacar que provocan daño ambiental y estético. Subterráneas: En
ninguna parte de la distribución de la energía eléctrica los problemas de instalación, conexión y de protección de los conductores y de equipo son tan complejos como en los sistemas subterráneos. Generalmente hay dos tipos de sistemas de distribución subterránea: radial y malla. E l sistema radial es análogo a una rueda con rayos emanando desde el centro. La potencia principal se envía a un punto central, y desde allí se divide en circuitos con ramificaciones en serie para suministrar servicios a clientes individuales. El sistema tipo red se parece a una rejilla en paralelo y, dada su facilidad de lectura se ha convertido en el estándar para los sistemas de distribución subterráneos donde existe una densidad elevada de carga.
Materiales Utilizados en Líneas de Transmisión De
acuerdo a la necesidad se utilizan varios materiales, según sus propiedades principalmente de resistividad, conductividad y resistencia a altas temperaturas. Los más utilizados el cobre y el aluminio. En
líneas aéreas donde se requieren más propiedades mecánicas de tensión se utiliza el cobre duro para que no tienda a pandearse y en líneas subterráneas el cobre suave debido a su flexibilidad, necesaria para su instalación y manejo. Veamos el siguiente cuadro comparativo de materiales conductores:
Claramente podemos ver que los materiales más adecuados son el cobre y el aluminio, el cobre principalmente por su resistividad y conductividad y el aluminio por su resistividad y su ligereza. El
cable utilizado para las líneas de transmisión es el llamado AWG (American Wire Gage), ya que sus propiedades dimensionales y aislamiento lo hacen muy seguro y manejable.
Los cables utilizados en alto voltaje básicamente deben tener un conducto que pueda llevar una corriente útil y debe aislar al conductor de los otros conductores de fase y tierra. Estos cables consisten en una estructura conductora rodeada por un sistema dieléctrico de papel impregnado de aceite secado al vacío que lo protege del ambiente y que a su vez es cubierto por tres fases cubiertas por tres capas de aluminio.
Elementos Principales En línea aérea: y y y y y y y
Aisladores: vidrio-porcelana, hule sintético.
Postes: de madera, cemento, acero. Seccionadores: cuchillas e interruptores. Conductores. Bancos de Capacitores. A partarrayos y pararrayos. Hilos de guarda.
En línea subterránea: y
R egistros.
y
Ductos: tubos de PVC de alta densidad y de PVC conduit.
y
Soportes no metálicos.
y
Tierras: empalmes, terminales y cables.
Aislamiento
Los sistemas de aislamiento en líneas de transmisión comprenden principalmente dos elementos: el aire y los elementos aisladores, los cuales deben ser diseñados y colocados considerando diversos factores para su correcto desempeño. Algunos
de estos factores son los espacios mínimos entre línea-estructura, líneatierra y entre fases, contaminación del entorno; esto para lograr una colocación correcta, buenas selección de estos y cantidad. El
elemento más utilizado como aislante es el aire, el cual también influyen algunos elementos como su densidad, altura sobre el nivel mar, humedad y contaminación. Después
del aire hay otros elementos utilizados, como la suspensión de vidrio, barras y postes.
