REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

INSTITUTO UNIVESITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSIÓN MATURÍN

Subestaciones ELÉCTRICAS

Autor:

Maturín, Mayo de 2013.

INTRODUCCIÓN

En toda instalación industrial, comercial o residencial es indispensable el uso de la energía, la continuidad de servicio y calidad de la energía consumida por los diferentes equipos y aparatos, así como la requerida  para la iluminación, es por esto que las subestaciones eléctricas son necesarias para lograr una mayor productividad, ya que, no obstante su elevado costo son convenientes al usuario debido a que las cuotas de consumo, medidas en alta tensión son mucho más económicas que cuando los servicios son suministrados por la empresa en baja tensión, por lo cual, el gasto inicial se compensa en poco tiempo quedando un ahorro permanente al propietario.

Los factores que intervienen en el diseño y construcción de una subestación eléctrica son muy variados y necesitan de múltiples estudios que dependen de las condiciones presentes. Con el objetivo de brindar una idea general del extenso campo que esto incluye, se mostrara información sobre subestaciones, su clasificación, elementos que la constituyen, diferentes esquemas de operación, sus criterios de diseño y criterios de capacidad,

Subestaciones

Las subestaciones eléctricas son las instalaciones encargadas de realizar transformaciones de la tensión, de la frecuencia, del número de fases o la conexión de dos o más circuitos.

Pueden encontrarse junto a las centrales generadoras y en la periferia de las zonas de consumo, en el exterior o interior de los edificios. Actualmente en las ciudades las subestaciones están en el interior de los edificios para ahorrar espacio y contaminación. En cambio, las instalaciones al aire libre están situadas en las afueras de la ciudad.

2. Clasificación de las Subestaciones Eléctricas de acuerdo a:

Función:

-De maniobra: destinada a la interconexión de dos o más circuitos

• Todas las líneas que concurren en la subestación a igual tensión

• Permite la formación de nudos en una red mallada

• Aumenta la fiabilidad del sistema

-De transformación pura: destinada a la transformación de tensión desde un nivel superior a otro inferior.

• Necesario presencia de uno o varios transformadores

• Niveles de transformación

-De transformación/maniobra: destinada a la transformación de tensión desde un nivel superior a otro inferior, así como a la conexión entre circuitos del mismo nivel.

• Uso frecuente

-De transformación/cambio del número de fases: destinada a la alimentación de redes con distinto número de fases.

-De rectificación: destinada a alimentar una red en corriente continua (subestación de tracción)

-De central: destinada a la transformación de tensión desde un nivel inferior a otro superior (centrales eléctricas).

Emplazamiento (construcción)

-De intemperie

-De interior

• Elementos protegidos frente a agentes atmosféricos

• Distancias menores

• Más caras

• Transformadores: suelen estar a la intemperie

-Blindadas

• Aisladas en gas SF6

• Mínimo espacio requerido

• Empleada en ciudades, zonas de alta contaminación

Según su voltaje y potencia:

-Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas: Estas se encuentran en las centrales eléctricas o plantas generadoras de electricidad, para modificar los parámetros de la potencia suministrada por los generadores, permitiendo así la transmisión en alta tensión en las líneas de transmisión. Los generadores pueden suministrar la potencia entre 5 y 25 kV y la transmisión depende del volumen, la energía y la distancia.

-Subestaciones receptoras primarias: Se alimentan directamente de las líneas de transmisión, y reducen la tensión a valores menores para la alimentación de los sistemas de subtransmisión o redes de distribución, de manera que, dependiendo de la tensión de transmisión pueden tener en su secundario tensiones de 115, 69 y eventualmente 34.5, 13.2, 6.9 o 4.16 kV.

-Subestaciones receptoras secundarias: Generalmente estas están alimentadas por las redes de subtransmisión, y suministran la energía eléctrica a las redes de distribución a tensiones entre 34.5 y 6.9 kV.

3. Relación entre Subestaciones, Líneas de Transmisión y Centrales Eléctricas Generadoras

Por razones técnicas (aislamiento, enfriamiento, etc.), los voltajes de generación en las centrales generadoras son relativamente bajos en relación con los voltajes de transmisión, por lo que si la energía eléctrica se va a transportar a grandes distancias estos voltajes de generación resultarían antieconómicos debido a que se tendría gran caída de voltajes. De aquí se presenta la necesidad de transmitir la energía eléctrica a voltajes más elevados que resulten más económicos. Por ejemplo, si se va a transmitir energía eléctrica de una central generadora a un centro de consumo que está situado a 1,000 Km de distancia, será necesario elevar el voltaje de generación que supondremos de 13.8 Kv a otro de transmisión más conveniente que asumimos sea de 110Kv.

Para poder elevar el voltaje de generación de 13.8 Kv al de transmisión de 110 Kv es necesario emplear una S.E. “A” Suponiendo que la caída de voltaje en la línea de transmisión fuera 0 Volts, tendríamos en el centro de consumo 110 Kv. Es claro que este voltaje no es posible emplearlo en instalaciones industriales y aún menos en comerciales y residenciales, de donde se desprende la necesidad de reducir el voltaje de transmisión de 110 Kv a otro u otros más convenientes de distribución en centros urbanos de consumo. Por tal razón será necesario emplear otra subestación eléctrica B, como se ilustra en la figura. 

De lo anteriormente expuesto se puede inferir que existe una estrecha relación entre las subestaciones eléctricas, líneas de transmisión y centrales generadoras. 

4. Criterios para la determinación de la Capacidad de una Subestación Eléctrica. (Capacidad Firme).

La capacidad de transformación de una subestación de distribución, debe ser tal que con el transformador de mayor capacidad fuera de servicio, aún sea posible alimentar la totalidad de la demanda. De acuerdo a las normas ANSI C-57.92 del año 1962, un transformador de potencia a una temperatura ambiente de 35 °C, sometida a una carga previa al pico de demanda del 70% de su capacidad de placa y una duración del pico de carga de 8 horas al 130% de su capacidad nominal, sufre una pérdida de vida del 1%. De acuerdo a esto la capacidad firme de una subestación, con todos sus transformadores idénticos y con posibilidades de transferencia de barras es:

CF = 1,3 x (NT - l) xP

Donde:

P = Capacidad nominal de cada transformador.

Nt = Número de unidades de transformación de la subestación.

CF = Capacidad firme de la subestación.

5. Elementos que Constituyen una Subestación Eléctrica.

1- Interruptor automático

2- Seccionadores

3- Conmutadores de puesta a tierra

4- Transformadores de corriente

5- Transformadores de potencial o transformadores de voltaje capacitor

6- Capacitores de acoplamiento

7- Filtros de línea

8- Apartarrayos y/o espinterómetros

9- Transformadores de potencia

10- Reactores de derivación

11- Reactores limitadores de corriente

12- Barras y aisladores de estación

13- Sistemas de puesta a tierra

14- Capacitores en serie

15- Capacitores en derivación

6. Esquemas de Subestaciones y Criterios para su Selección.

Barra principal

Este arreglo es aquel que tiene una barra colectora, tanto de A.T. como en M.T., en donde convergen todos los alimentadores en su barra correspondiente.

En A.T. se utiliza preferentemente en desarrollos de bajo crecimiento y su operación es en forma radial o pudiendo integrarse a un anillo del sistema eléctrico, previendo el espacio para el crecimiento futuro.

Las características o alcances de una subestación eléctrica con este arreglo son:

a) Barra principal para hasta 4 alimentadores en A.T.

b) Uno o dos transformadores.

c) Banco de capacitores en A.T. (opcional).

Ventajas:

a) No existe restricción entre la ubicación física de las bahías de los elementos y la funcionalidad de la subestación eléctrica.

b) Con un interruptor fuera de servicio, el “disparo” o salida de un elemento, ocasiona la pérdida de únicamente el elemento disparado.

c) Permite realizar arreglos de bajo perfil, ya que solo se requieren dos niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos, En subestaciones blindadas en SF6 estos niveles no se requieren.

d) Permite dar mantenimiento al interruptor del elemento que se trate, sin la pérdida del enlace utilizando el bypass.

e) Se puede ampliar fácilmente, en la subestaciones blindadas en SF6 se debe dejar espacios para el crecimiento.

f) De fácil construcción modular.

g) Requiere poco espacio de construcción.

h) En subestaciones blindadas en SF6 son de mucha confiabilidad, es posible que todas las salidas y entradas se puedan realizar con terminales SF6-Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.

i) En subestaciones blindadas en SF6, requiere poco espacio de construcción se puede reducir hasta un 40% el área requerida.

j) En subestaciones blindadas en SF6 es muy difícil que exista una falla en la barra ya que esta se considera un elemento pasivo.

Desventajas:

a) Una falla en la barra principal ocasiona la pérdida de todos los elementos de la subestación eléctrica.

b) No permite des-energizar la barra principal sin tener que desconectar todos los elementos de la subestación eléctrica.

c) El uso de la cuchilla de “bypass”, requiere la operación de las protecciones de respaldo en las subestaciones eléctricas remotas de la línea de alta tensión del elemento liberado, para la subestaciones blindadas en SF6 el uso de la cuchilla de “bypass”, no es recomendable en este arreglo ya que se garantiza la operación continua de un interruptor sin darle mantenimientos, así mismo la aplicación de esta cuchilla restringe las señales de medición, protección y control del equipo.

d) Para subestaciones blindadas en SF6 tipo intemperie las cuales requieran una ampacidad mayor a 2.500 A, existe la probabilidad de que por temperaturas mayores a 40°C y la radiación solar directa se reduzca esta ampacidad y se requiera poner una cubierta para evitar la radiación solar. En subestaciones blindadas en SF6 tipo interior no existe este problema.

Barra principal - barra de transferencia

Este arreglo es aquel que tiene dos barras colectoras, la principal que lleva toda la carga y la de transferencia, que se utiliza para transferir la carga de un transformador de potencia o un alimentador de A.T. a través de un interruptor comodín.

Se utiliza en áreas de corredores industriales, zonas de alto crecimiento y en áreas donde se requiera mayor confiabilidad permitiendo el crecimiento, que su operación sea a un anillo del sistema eléctrico y que permita la salida de líneas de alta tensión para operación.

Las características o alcances de una subestación eléctrica con este arreglo son:

a) Barra principal-barra transferencia, para hasta 4 alimentadores en A.T.

b) Uno o dos transformadores.

c) Banco de capacitores en A.T. (opcional).

Ventajas:

a) Permite dar mantenimiento a los interruptores (uno a la vez) sin perder el elemento (LAT o banco de transformación) a que pertenezca el interruptor. En subestaciones blindadas en SF6 no se requiere mantenimiento mayor hasta por lo menos durante un periodo de 10 años.

b) Para subestaciones eléctricas importantes en la red y/o que requieran de alta confiabilidad este arreglo es el más óptimo.

c) No existe restricción entre la ubicación física de las bahías de los elementos y la funcionalidad de la subestación eléctrica, condición que facilita el reacomodo de las líneas de alta tensión y la realización de ampliaciones.

d) Con un interruptor fuera de servicio (interruptor de transferencia en uso), el “disparo” o salida de un elemento, ocasiona únicamente la pérdida del elemento disparado. En subestaciones blindadas en SF6 para las salidas y entradas se puedan realizar con terminales SF6-Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.

e) En subestaciones de bajo perfil, permite dar mantenimiento al interruptor del elemento que se trate, sin la pérdida del enlace utilizando el bypass y el interruptor comodín.

f) De fácil construcción modular, en subestaciones blindadas en SF6 se puede reducir hasta un 60% del área requerida. Ocupa menor superficie de construcción dependiendo de la cantidad de bahías.

g) En subestaciones blindadas en SF6 no requiere de tres niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos y barras.

h) En subestaciones blindadas en SF6.

Desventajas:

a) Una falla en la barra principal ocasiona la pérdida de todos los elementos de la subestación.

b) Es necesario transferir los disparos de protecciones al interruptor de transferencia, cuando éste se está usando.

c) No permite desenergizar la barra principal sin tener que desconectar todos los elementos de la subestación.

d) En subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil con aislamiento en aire se pueden realizar arreglos de bajo perfil, pero requiere tres niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos y barras.

e) En las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil, Ocupa mayor superficie de construcción.

f) Para las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil en este arreglo no es recomendable la instalación de interruptores de tanque muerto, derivado a los esquemas de protecciones de cada elemento (línea, banco etc.).

Anillo

Este arreglo es aquel que tiene secciones de barra, las cuales están interconectadas y forman un anillo, en donde convergen todos los elementos.

Este arreglo se utiliza donde se requiere alta confiabilidad tanto en la subestación eléctrica, como en el sistema que la alimenta y su operación es en anillo.

Las características y alcances de una Subestación Eléctrica con este arreglo son:

a) Buses de A.T. con disposición en “anillo” hasta 4 líneas.

b) Uno o dos transformadores.

c) No incluir banco de capacitores en A.T.

Ventajas:

a) Permite dar mantenimiento a cualquier interruptor sin perder los elementos adyacentes a dicho interruptor, en subestaciones blindadas en SF6 no requiere mantenimientos mayores hasta por lo menos durante un periodo de 10 años.

b) Aumenta la confiabilidad al permitir alimentar un elemento por dos trayectorias diferentes.

c) Pocas maniobras para librar interruptores.

d) Permite realizar arreglos de relieve bajo, ya que solo se requieren dos niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos, en subestaciones blindadas en SF6 no requiere de niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos y barras, es posible que todos las salidas y entradas se puedan realizar con terminales SF6 -Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.

e) Requerimientos mínimos de estructuras metálicas debido a que se tienen acometidas subterráneas.

f) En subestaciones blindadas en gas SF6 ocupa menor espacio de construcción.

g) La realización de ampliaciones en subestaciones blindadas en gas SF6 resulta de mayor facilidad.

Desventajas:

a) Cuando un interruptor está en mantenimiento, el disparo de un elemento puede causar la pérdida de otros elementos.

b) La realización de ampliaciones resulta complicada, ya que es necesario romper el anillo e incrementar la superficie del área eléctrica en las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil.

c) Ocupa mayor espacio de construcción en las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil.

Arreglo de barras en “H”

Este arreglo se utiliza en áreas sin crecimiento en A.T., limitado a dos alimentadores y dos bancos de transformación, su operación es dentro de un anillo del sistema eléctrico (dos fuentes) y no se deben instalar más de dos subestaciones eléctricas adyacentes.

Las características y alcances de la subestación eléctrica con este arreglo son:

a) Barras de A.T. en disposición “H” para dos líneas.

b) Uno o dos transformadores.

c) No incluir banco de capacitores en A.T.

Ventajas:

a) Utiliza menos equipo.

b) Ocupa menor espacio de construcción.

c) En subestaciones blindadas en SF6 permite realizar arreglos de relieve bajo, es posible que todos las salidas y entradas se puedan realizar con terminales SF6 -Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.

d) Requerimientos mínimos de estructuras metálicas debido a que se tienen acometidas subterráneas.

e) De fácil construcción modular se puede reducir hasta un 60% el área requerida de la subestación.

f) Ocupa menor espacio de construcción.

Desventajas:

a) Cuando un interruptor está en mantenimiento, el disparo de un elemento puede causar la pérdida de otros elementos, por lo tanto, no se deben instalar más de dos subestaciones eléctricas adyacentes.

b) Su uso es para dos líneas de alta tensión y dos bancos de transformación como máximo (no hay lugar a ampliaciones).

c) Para mantenimiento de un elemento de línea de alta tensión se debe abrir el anillo, por lo tanto, no debe instalarse una subestación eléctrica con este arreglo en una línea que respalda dos subestaciones.

d) Para subestaciones blindadas en SF6 tipo intemperie las cuales requieran una ampacidad mayor a 2.500 A. existe la probabilidad de que por temperaturas mayores a 40°C y la radiación solar directa se reduzca esta ampacidad y se requiera una cubierta para evitar la radiación solar.

e) En subestaciones blindadas en SF6 tipo interior no existe este problema.

Criterios de selección

• Condiciones ambientales normalizadas.

• Temperatura, nivel isoceraunico, sismos, vientos, etc.

• Tensiones normalizadas.

• Sobretensiones de origen atmosférico, de maniobra y a frecuencia industrial.

• Corriente nominal y de cortocircuito.

• Pórticos.

• Soportes de equipos.

• Soportes de barras.

• Distancias de seguridad, entre fases y a tierra.

• Equipos que pueden permitir el mantenimiento con seguridad.

• Criterios tales como elevación de la temperatura en condiciones de operación normal y de emergencia. Tamaños normalizados, tipos de conector, aisladores, anclajes, interferencias radiofónicas.

• Criterios para la selección de cables de mando y medida. Uso del blindaje.

• Criterios generales para la protección de líneas (confiabilidad, seguridad, estabilidad y otros utilizados en el sistema de CADAFE). Esquemas de principios para la protección de transformadores, baterías de condensadores, barras, fallas de disyuntores, salidas, etc.

• Tipos de mando y señalización requeridos en cada tipo de subestación con normas o guías de referencia.

• Criterios generales que sirven para:

• Comunicaciones internas.

• Sistemas de ondas portadoras.

• Sistemas de micro-ondas.

• Sistemas de radio.

 

Utilizados en las subestaciones, así como los requerimientos para cada tipo normalizado.

• Criterios generales como la elevación de potencial, potencial de toque y de paso, magnitud y duración del cortocircuito, uso de las cuchillas de puesta a tierra, tipo de conectores y conductores así como las normas y guías de referencia.

• Consideraciones generales sobre el diseño de las subestaciones bajo el punto de vista del sísmico. Lista de puntos críticos, estudios requeridos, pruebas, normas y guías de referencia.

• Campo eléctrico aceptable en vías de tránsito, zonas accesibles a pie, para vehículos, etc.

• Niveles de ruido audibles y radio interferencias aceptables.

• Ruido debido a los transformadores y reactancias.

• Ruido debido a los conductores tendidos.

• Requisitos de enclavamientos.

• Identificación de los equipos y fases.

• Avisos de maniobra.

• Nomenclatura de los equipos, cables de mando y cables de potencia.

• Esquemas utilizados para tipo de subestaciones en corriente continúa y alterna, alumbrado, tomas de corriente, servicios de agua, ventilación, aire acondicionado, etc.

• Sistemas y dispositivos requeridos en cada tipo de subestación para transformadores, reactancias, casas de mando, edificaciones, etc.

• Control de acceso.

• Sistemas de alarma.

• Dispositivos de seguridad.

• Avisos de peligros.

• Normas de trabajo.

• Otras consideraciones, que pueden aplicarse a la seguridad del personal.

CONCLUSIÓN