Universidad de Colima. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME). González Barahona Jairo Said .
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Subestaciones Eléctricas González, Jairo.
[email protected],,
[email protected] Universidad de Colima-FIME
Ín di ce de té té r m i n os.Subestación eléctrica, transformador, potencia, KV, corto circuito, protecciones.
pronta interpretación de los diagramas eléctricos de las SE, en los cuales se representa en forma simbólicamente el equipo mayor en un solo hilo (diagrama unifilar) o en tres hilos (diagrama trifilar).
Resumen.- El siguiente documento, presenta una introducción sobre los parámetros importantes de una subestación eléctrica, sus principales elementos que la componen, así como un enfoque de la principal función que realiza.
I.
I NTRODUCCIÓN NTRODUCCIÓN.
Las Subestaciones Eléctricas (SE) son componentes de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) en donde se modifican los parámetros de la potencia (I y V), sirven de punto de interconexión para facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Constan de un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos, los cuales tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica, permitiendo el control del flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento. La nomenclatura y simbología de los arreglos unifilares y trifilares de una S.E. están basados en las normas internacionales CEI, en la norma americana ANSI y las normas mexicanas CCONNIE. La simbología y nomenclatura ayudan a la Protecciones Eléctricas - 2014
II. CLASIFICACIÓN DE LAS SUBESTACIONES Las subestaciones se pueden clasificar como sigue: •
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•
Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas. Subestaciones receptoras primarias. Subestaciones receptoras secundarias.
Las subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas, 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. Por otra parte, las subestaciones receptoras primarias, se alimentan directamente de las líneas de transmisión, y reducen la tensión a valores menores para la alimentación de los
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2 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. Finalmente, las subestaciones receptoras secundarias 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. En la Figura 1, se presenta un esquema básico sobre los tres tipos de subestaciones desde la generación de la energía eléctrica, hasta su distribución.
•
•
Subestaciones de tipo interior. Subestaciones tipo blindado.
Las
subestaciones tipo intemperie, generalmente se construyen en terrenos
expuestos a la intemperie, y requiere de un 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. En las subestaciones de tipo interior, los aparatos y máquinas están diseñados para operar en interiores, son pocos los tipos de subestaciones tipo interior y generalmente son usados en las industrias. Las subestaciones tipo blindado, los aparatos y las máquinas están bien protegidos, y el espacio necesario es muy reducido, generalmente se utilizan en fábricas, hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales que requieran poco espacio para su instalación, generalmente se utilizan en tensiones de distribución y utilización.
Fig. 1 Esquema de los distintos tipos de subestaciones eléctricas.
Las subestaciones, también se pueden clasificar por el tipo de instalación, por ejemplo: •
Subestaciones tipo intemperie.
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III. DISEÑO DE U NA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA Muchos factores influyen para la correcta selección del tipo de subestación. El tipo de subestación más apropiado depende de factores tales como el nivel del voltaje, capacidad de carga, consideraciones ambientales, limitaciones de espacio en el terreno.
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3 Los pasos a seguir para el diseño de una subestación son los siguientes: •
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Planeación Ciclo de carga distribuida Alimentación eléctrica Cargas máximas Numero de transformadores Capacidad instalada en kVA % de crecimiento a 10 años Futura expansión Área de terreno en m2
La planeación, es el sitio donde quedará la subestación y está determinado por el área de influencia, es decir, el área a la cual le llegara el servicio, vías de acceso, características del terreno, etc. La carga distribuida, determina los niveles de tensión a maniobrar y la capacidad de la misma, estas tensiones se determinan teniendo en cuenta la demanda dada por datos históricos en la región donde se implementa la subestación, las tensiones existentes en la misma. La alimentación eléctrica abarca las distancias entre las fuentes de alimentación más cercanas, además de un análisis económico comparativo de las diferentes alternativas. También considera las circunstancias físicas y ambientales del lugar donde se ubicara la subestación, entre las que podemos encontrar: la altura sobre el nivel del mar, temperaturas, humedad relativa, velocidad del viento, resistividad del terreno, etc.
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IV. CAPACIDAD DE LAS SUBESTACIONES ELÉCTRICAS La capacidad de una subestación se fija, considerando la demanda actual de la zona en kVA, más el incremento en el crecimiento, obtenido por extrapolación durante los siguientes 10años, previendo el espacio necesario para las futuras ampliaciones. Se clasifican de acuerdo a la potencia y la tensión que manejan:
Subestaciones de transmisión
Son las que operan con tensiones comprendidas entre 230kV y765kV, considerados de Extra Alto Voltaje (EAVEHV), aunque se están planeando la construcción de subestaciones que operen a voltajes más altos de 1100kV hasta 1500kV considerados a un nivel de Ultra Alto voltaje (EAV – UHV). Para este mismo tipo de subestación, existe otro rango de voltajes. Operan con tensiones entre 230kV y 115kV, considerados de Alto Voltaje (AV – HV).
Subestaciones de distribución
Estas se clasifican en primarias (Tensiones entre 115kV y 34.5kV), y secundarias (Tensiones menores de 34.5kV).
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4 voltaje a la entrada de 75KV a 23KV V.
OPEREACIÓN DE U NA SUBESTACIÓN
El elemento principal característico de una subestación, corresponde al transformador. Este se caracteriza por la transformación de niveles de voltaje, sin cambiar la potencia. Existen para diferentes niveles de tensión, tales como: Transformador de extra alta tensión. Este es un transformador elevador que comprende las tensiones de 4.16 hasta 230 KV y de 230 a 500 KV. Este transformador llega a su máxima tensión transformada en dos pasos.
Fig. 3 Transformador de 400 kV – 154 kV
Un ejemplo de estos transformadores se muestra en la Figura 2.
Fig. 2 Transformador de extra alto voltaje
Fig. 4 Transformador de 75 kV – 23 kV
El transformador mostrado en la Figura 3, reduce la extra alta tensión para fines de transmisión de 400KV a 154KV. El transformador de la Figura 4, reduce el voltaje para fines de distribución de un
Finalmente, se tiene la última transformación. Llegando al último transformador el cual se encarga de reducir el voltaje desde 23KV hasta 120v de línea a neutro o se puede formar 220 trifásica o 220 monofásica dependiendo de las
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5 características de tu instalación. Estos son transformadores pequeños ya sean de tipo poste o tipo pedestal. (Son los que se pueden observar en la vía pública). La red eléctrica de un sistema opera a diferentes niveles de voltaje, desde la generación hasta la utilización. Los niveles de salida de los generadores se elevan a niveles de transmisión en las llamadas subestaciones elevadoras. Estas se encuentran en las propias centrales las cuales los niveles de voltaje se pueden encontrar dependiendo del tamaño del sistema eléctrico donde el rango es de 115 a 800 kV. Los niveles típicos usados en los sistemas eléctricos de potencia se dan en la tabla de la Figura 5 y se clasifican como: transmisión,
VI. R EPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE U NA SUBESTACIÓN. Uno de los aspectos fundamentales del diseño conceptual o ingeniería básica es la preparación de un diagrama unifilar preliminar, que se usa durante la fase de estudio e incluye las principales componentes del sistema. Normalmente no se incluyen los detalles que se van adicionando durante la fase del diseño detallado de un proyecto, es decir, se incluyen solo transformadores de potencia, interruptores, cuchillas des conectadoras, cables, buses o barras, transformadores de instrumento, apartarrayos, etcétera. Un diagrama unifilar completo, debe incluir lo siguiente:
subtransmisión, distribución y utilización. •
•
•
Fig. 5 Niveles típicos de tensión trifásicos
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Fuentes de alimentación o puntos de conexión a la red, incluyendo valores de voltajes y de cortocircuito.
Generadores (en su caso), incluyendo su potencial en KVA o MVA, voltaje, impedancias (síncronas, transitorias, subtransitoria, secuencia negativa y secuencia cero) y método de conexión a tierra.
Tamaño y tipo de todos los conductores, cables, barras y líneas aéreas.
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6 •
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•
Tamaño de transformadores, voltajes, impedancias, conexiones y métodos de conexión a tierra. Dispositivos de (fusibles, interruptores).
protección relevadores,
Transformadores de instrumento (potencia y corriente). Apartarrayos capacitores.
y
bancos
El dimensionamiento óptimo para este arreglo es de 65 m de largo por 50 m de ancho. Terreno
óptimo:
Conclusión:
En el arreglo de la barra principal, se utilizaran estructuras metálicas tipo “A” y soportes tubulares para soportes
de equipos por ser las más económicas. Este tipo se muestrea en la Figura 6.
de
Capacitores para mejoría del factor de potencia. Identificación de cargas (en su caso), incluyendo grandes motores eléctricos e impedancias. Tipos de relevadores. Ampliaciones futuras.
Existen distintas formas de representar un esquema eléctrico de acuerdo a los distintos tipos de diagramas existentes.
Fig. 6 Diagrama barra principal
Barra principal - Barra de transferencia Barra Principal
Queda restringido su uso para áreas suburbanas o rurales, para subestaciones con más de 4 salidas en A.T. Politica de aplicación:
Políticas de aplicación: Para
uso en área rural, con crecimiento en A.T. hasta 2 alimentadores. Estructura a utilizar: Perchas tipo “A” y
Estructuras a utilizar: Estructura metálica tipo “A” con soportería tubular para equipo
soportes tubulares para equipo, en media tensión para 34.5 kV normalizado y para 13.8 y 23.9 kV. Tablero metálico blindado.
en alta tensión, para 34.5 kV, normalizado EBASCO para 13.8 o 23.8 kV utilizar tableros Metal-Clad.
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7 El dimensionamiento óptimo para este arreglo es de 70 m de largo por 65 m de ancho. En la Figura 7 se presenta un esquema de este tipo de diagrama. Terreno
óptimo:
Terreno: El
dimensionamiento óptimo es de 65m de largo por 50 m de ancho. En la Figura 8 se presenta este tipo de diagrama.
Fig. 8 Diagrama barra tipo H Fig. 7 Diagrama barra principal – barra de transferencia
Barra tipo Anillo
Se utilizara en áreas urbanas y suburbanas donde se requiere alta confiabilidad y que el tamaño de la subestación sea superior a 4 salidas (2 transformadores y 2 alimentadores). Política de uso:
Barra tipo H
Se utilizara en área urbana y suburbana, limitando a 2 alimentadores en A.T. y 2 bancos de transformación. Política de aplicación:
Estructura a utilizar: Perchas tipo “A” y
soportes tubulares para equipos en A.T. Y tablero Metal-Clad en M.T.
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Estructura a utilizar: Perchas tipo “A” y
soportes tubulares para equipos en A.T. para 34.5 kV normalizada EBASCO y para 13.8 kV y 23.8 kV tableros Metal-Clad.
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8 El dimensionamiento óptimo para este arreglo es de 95 m de largo por 65 m de ancho. La Figura 9 muestra esta conexión. Terreno
nivel de aislamiento de los equipos que están en contacto con el aire, atendiendo a la altura sobre el nivel del mar, se utiliza en todos los aisladores, barras y pasamuros de la S.T.
optimo:
•
Fig. 9 Diagrama barra tipo anillo
VII. EQUIPO PRINCIPAL DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS Nivel de aislamiento
Consiste en ordenar los niveles de aislamiento de los diferentes equipos, de manera que al producirse una onda de sobretensión ésta se desagua a través del elemento más débil, es decir, por un pararrayos, sin producir daños al resto de equipos circundantes. Estos niveles son: •
•
Nivel 3 (tb), llamado
inferior o de protección está constituido por el nivel de operación de los pararrayos y explosores de protección.
Durante su operación, los interruptores deben cumplir con la corriente interruptiva de cortocircuito dada por el valor eficaz (r.m.s) de su componente de CA asociada con una componente de CD y deben estar de acuerdo con la tabla. La corriente sostenida de corto (3 segundos) deben ser indicada en la tabla siguiente. Esta corriente es la que el interruptor es capaz de conducir en posición cerrada y con un valor igual al de la corriente interruptiva de cortocircuito. La coordinación del aislamiento tiene por objeto, determinar las características de aislamiento necesarias y suficientes de los equipos de las redes eléctricas y en este caso específico de las subestaciones.
Nivel 1 (tb),
Tomando en cuenta las condiciones medioambientales y de ubicación de la subestación. Es decir, la coordinación de aislamiento consiste en relacionar las sobretensiones que puedan aparecer en el sistema y los niveles de protección de los pararrayos con los niveles de aislamiento del equipo.
Nivel 2 (tb),
Los valores estandarizados de tensión soportada varían según el tipo de
llamado superior, se utiliza en los aislamientos internos sin contacto con el aire, como pueden ser los de transformadores, interruptores y cables. llamado medio o de seguridad, está constituido por el
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9 sobretensión aplicada, es así que para sistemas del Rango I se especifican tensiones soportadas de corta duración a frecuencia industrial y a sobretensiones atmosféricas. Mientras que para sistemas del Rango II se especifican tensiones soportadas a sobretensiones atmosféricas y a sobretensiones de maniobra, siendo estas últimas las de mayor importancia para este rango.
Tensión Nominal
Corresponde al valor convencional de la tensión con la que se denomina un sistema o instalación y para los que ha sido previsto su funcionamiento y aislamiento. Para los sistemas trifásicos se considera como tal la tensión compuesta. La tensión nominal, determina el uso del transformador que se requiere. Los tipos y tensiones nominales que manejan son: Transformador trifásico tipo poste,
de 15 a 150 kVA, en tensiones de 13.2 KV hasta 34.5 KV. Transformador trifásico tipo pedestal,
de 30 a 2000 kVA, en tensiones de 13.2 KV hasta 34.5 KV. Transformador trifásico tipo seco, auto enfriado por aire “AA” con gabinete
metálico NEMA 1, diseñado y construido para operar a 2,300 m.s.n.m. Tensiones del primario: 220 V, 380 V, 440 V, 480 V, con cuatro derivaciones estándar de +- 2/2 x 2.5% c/u de la tensión nominal, Protecciones Eléctricas - 2014
conexión delta. Tensiones del secundario: 220Y/127 V, 380Y/219 V, 440Y/254 V, 480Y/277 V, conexión estrella. Transformador trifásico de distribución tipo subestación, tensiones del primario:
13,200 V, 23,000 V, 34,500 V, con cuatro derivaciones estándar de +-2/2 x 2.5% c/u de la tensión nominal, conexión delta, características y accesorios de acuerdo a normas. Tensiones del secundario: 220Y/127 V, 380Y/219 V, 440Y/254 V, 480Y/277 V, conexión estrella. Transformador trifásico de distribución tipo pedestal, tensiones del primario: 2,400
V, 4,160 V, 13,200 V, 23,000 V, 34,500 V, con cuatro derivaciones estándar de +-2/2 x 2.5% c/u de la tensión nominal, conexión delta, con boquillas tipo pozo, fusibles tipo bayoneta removibles desde el interior. Tensiones del secundario: 220Y/127 V, 380Y/219 V, 440Y/254 V, 480Y/277 V, conexión estrella. Transformadores Secos Encapsulados en Resina EPOXI. Su principal característica
es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina EPOXI como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
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10 Transformadores Herméticos de Llenado Integral. Su principal característica es que al
no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
En tensiones nominales superiores a 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m. y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de maniobra. La distancia de fase a tierra (m), se calcula con la ecuación (1):
Donde: Distancias dieléctricas en subestaciones
•
•
El equipo eléctrico de las subestaciones eléctricas está sujeto a condiciones anormales, como resultado de las descargas atmosféricas directas o las fallas del sistema. Para prevenir daños al equipo, se deben dimensionar correctamente las subestaciones. Las distancias en aire de fase a tierra y de fase a fase deben garantizar estadísticamente una probabilidad de flameo tal que, resulte tan baja desde el punto de vista de los criterios de diseño adoptados. Esto conduce al establecimiento de distancias mínimas de no flameo entre fases o entre fase y tierra, que se determina principalmente para los impulsos por rayo y por maniobra, según los niveles de aislamiento. Para tensiones nominales de hasta 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m., y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de rayo. Protecciones Eléctricas - 2014
VCF= Tensión crítica de flameo K3=factor de electrodos de Gap
La distancia de fase a fase (m), se calcula con la ecuación (2) y (3):
La expresión (2) se emplea para configuraciones simétricas entre electrodos, por ejemplo: conductor a conductor en paralelo. La expresión (3) se emplea para configuraciones asimétricas entre electrodos.
Corrientes de una subestación
La corriente nominal de los interruptores deben estar de acuerdo a la indicada en la tabla de la Figura 10 . Esta corriente está
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11 dada por el valor eficaz (r.m.s.) de la corriente, que es capaz de conducir continuamente el interruptor sin sufrir ningún daño a la frecuencia nominal y sin exceder los valores de elevación de temperatura de diferentes partes del interruptor.
Fig. 11 Corrientes nominales y de cortocircuito normalizadas
Fig. 10 Corrientes nominales para interruptores de alta tensión
La corriente sostenida de corta duración (3 segundos), debe ser la indicada en la tabla siguiente. Esta corriente es la que el interruptor es capaz de conducir en posición cerrada y con un valor igual al de la corriente interruptiva de cortocircuito. En la Figura 11, se muestran los valores para este argumento de corrientes. Protecciones Eléctricas - 2014
La corriente nominal de las cuchillas, debe estar diseñada para cumplir con lo indicado en la tabla correspondiente. Esta corriente está dada en amperes por el valor eficaz (r.m.s) de la corriente, a frecuencia nominal, que son capaces de conducir continuamente las cuchillas desconectadoras, sin sufrir deterioro y sin exceder los valores de elevación de temperatura de las diferentes partes de las cuchillas. La cuchilla desconectadora debe ser capaz de conducir en posición cerrada sin sufrir daños, deformaciones permanentes o separación de contactos, la corriente sostenida durante un periodo de tres segundos.
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12 VIII.
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE
UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA
b) Lo hace bajo el principio de inducción electromagnética.
Los elementos que constituyen una subestación se pueden clasificar en elementos primarios y elementos secundarios.
c) Tiene circuitos eléctricos que están eslabonados magnéticamente y aislados eléctricamente.
Los elementos primarios son:
d) Usualmente lo hace con un cambio de voltaje, aunque esto no es necesario.
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Transformador. Interruptor de potencia. Restaurador. Cuchillas fusibles. Cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba. Apartarrayos. Tableros duplex de control. Condensadores. Transformadores de instrumento.
Los elementos secundarios son: •
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Cables de potencia. Cables de control. Alumbrado. Estructura. Herrajes. Equipo contra incendio. Equipo de filtrado de aceite. Sistema de tierras. Carrier. Intercomunicación. Trincheras, conducto, drenajes. Cercas.
Transformador
Un transformador es un dispositivo qué: a) Transfiere energía eléctrica de un circuito a otro conservando la frecuencia constante. Protecciones Eléctricas - 2014
Interruptor
Un interruptor es un dispositivo cuya función es interrumpir y restablecer la continuidad en un circuito eléctrico. Si la operación se efectúa sin carga (corriente), el interruptor recibe el nombre de desconectador o cuchilla desconectadora. Sin embargo la operación de apertura o de cierre la efectúa con carga (corriente nominal), o con corriente de corto circuito (en caso de alguna perturbación), el interruptor recibe el nombre de disyuntor o interruptor de potencia. Los interruptores en caso de apertura, deben asegurar el aislamiento eléctrico del circuito.
Restaurador
Un restaurador no es más que, un interruptor de aceite con sus tres contactos dentro de un mismo tanque y que opera en capacidades interruptoras relativamente bajas y tensiones no muy elevada. El restaurador opera en forma semejante a un interruptor trifásico, ya que sus contactos móviles son accionados por un vástago
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13 común, conectados y desconectados en forma simultánea
2. Sobretensiones por fallas en el sistema. En la Figura 12, se presentan algunos tipos de apartarrayos.
Cuchilla Fusible
Es un elemento de conexión y desconexión de circuitos eléctricos. Tiene dos funciones: como cuchilla desconectadora, para lo cual se conecta y desconecta, como elemento de protección. El elemento de protección lo constituye el dispositivo fusible, que se encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión. El dispositivo fusible se selecciona de acuerdo con el valor de corriente nominal que va a circular por él, pero los fabricantes tienen el correspondiente valor de corriente de ruptura para cualquier valor de corriente nominal.
Fig. 12 Tipos de apartarrayos
Transformadores de Instrumento Cuchilla Desconectadora
Es un elemento que sirve para desconectar físicamente un circuito eléctrico. Por lo general se operan sin carga, pero con algunos aditamentos se puede operar con carga, hasta ciertos límites.
Se denominan transformadores para instrumento los que se emplean para alimentación de equipo de medición, control o protección. Los transformadores para instrumento se dividen en dos clases:
•
Apartarrayos
•
Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser de dos tipos: 1. Sobretensiones atmosférico. Protecciones Eléctricas - 2014
de
tipo
Se
Transformadores de corriente Transformadores de potencial
conoce como transformador de corriente, a aquél cuya función principal es cambiar el valor de la corriente de uno más o menos elevado a otro con el cual se pueda
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14 alimentar a instrumentos de medición. Control o protección (como amperímetros), watometros, instrumentos registradores, relevadores de sobrecorriente, etc. Su construcción es semejante a la de cualquier tipo de transformador, consiste de un devanado primario y un devanado secundario. La capacidad de estos transformadores es muy baja, se determina sumando las capacidades de los instrumentos que se van a alimentar, y puede ser 15, 30, 50, 60, y 70 VA. En la Figura 13 se presenta un TC.
Banco de Tierras
Estos reactores generan un neutro que está conectado a tierra por medio de un transformador de corriente de protección. En la Figura 14 se presenta un reactor de neutro artificial. Al mismo acuden las tres fases del lado de 13,8 Kv del transformador de potencia (115KV/13,8 KV). Estos reactores generan un neutro que está conectado a tierra por medio de un transformador de corriente de protección.
Fig. 13 Transformador de instrumento TC
Por otra parte, se denomina transformador de potencial a aquél cuya función principal es transformar los valores de voltaje sin tomar en cuenta la corriente. Ejercen la misma función que un TC. Su capacidad es baja, ya que se determina sumando las capacidades de los instrumentos de medición, control o protección que se van a alimentar, y varían de 15 a 60 VA.
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Fig. 14 Reactor de neutro artificial
Sistema de puesta a tierra La tierra de servicio,
es la malla de tierra donde se conecta el punto neutro de un transformador de potencia o de una máquina eléctrica. La resistencia de la malla de servicio depende exclusivamente del valor de corriente de falla monofásica que se desea tener en el sistema.
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15 La tierra de protección,
que es la malla de tierra donde se conectan todas las partes metálicas de los equipos que conforman un sistema eléctrico, que normalmente no están energizados, pero que en caso de fallas pueden quedar sometidos a la tensión del sistema. Los sistemas aterrizados, protegen la vida útil de la aislación de motores, transformadores y otros componentes de un sistema. Los sistemas aterrizados, al garantizar una corriente de falla elevada permiten utilizar protecciones rápidas y seguras que despejen las fallas a tierra en un tiempo no mayor a 5 seg. La resistencia del neutro, tiene limitada su capacidad de corriente, definida por el tiempo que dura la corriente que pasa por ella, siendo su máximo de 10 segundos. La tensión de resistencia corresponde a la tensión entre fase y neutro del sistema. La corriente corresponde al valor de corriente que fluirá por la resistencia durante el cortocircuito con la tensión nominal aplicada. es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar los equipos que componen una instalación a un medio de referencia, en este caso la tierra. Tres componentes constituyen la resistencia de la malla de tierra:
ubica la malla. Una malla de tierra puede estar formada por distintos elementos: •
•
•
Una o más barras enterradas. Conductores instalados horizontalmente formando diversas configuraciones. Un reticulado instalado en forma horizontal que puede tener o no barras conectadas en forma vertical en algunos puntos de ella.
En la Figura 15 se presenta un esquema de una malla de tierra dentro de una subestación.
La malla de tierra,
•
•
•
La resistencia del conductor que conecta los equipos a la malla de tierra. La resistencia de contacto entre la malla y el terreno. La resistencia del terreno donde se
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Fig. 15 Malla de tierra Banco de Capacitores
Estos bancos, están formados básicamente por celdas capacitivas monofásicas de alta tensión en conexión estrella marca General Electric, las cuales cuentan con el índice más bajo de fallas por año a nivel mundial y son
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16 protegidas mediante fusibles tipo expulsión en forma individual. Las celdas son montadas en una o varias estructuras de acero galvanizado por inmersión en caliente con un diseño adecuado para su montaje a la intemperie.
utilizan en sistemas con neutro flotante o sólidamente aterrizados. En la Figura 16, se presenta un esquema de los diagramas de conexión de conexiones estrellas para los bancos de capacitores.
En la Tabla 1, se muestran los distintos tipos de banco de capacitores.
Tabla 1. Tipos de banco de capacitores
Fig. 16 Conexión estrella para banco de capacitores
También en los bancos de capacitores, se tienen diferentes tipos de conexión que se pueden plantear, por ejmplo: •
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•
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Estrella con neutro flotante. Estrella con neutro sólidamente aterrizado Doble estrella Delta
La conexión en Delta se encuentre en sistemas de baja tensión y se determina generalmente por razones económicas. Las conexiones estrella y doble estrella con neutro sólidamente aterrizado sólo se aplica en sistemas multi-aterrizados y en todos los niveles de tensión, pero es un camino o retorno para las armónicas. Las conexiones en Estrella y doble estrella con neutro flotante son las más usuales y se Protecciones Eléctricas - 2014
Como elementos complementarios de los bancos de capacitores, se pueden suministrar con: •
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Desconectadores en aceite o en vacío Apartarrayos Fusibles principales de potencia Cuchillas desconectadoras y/o de puesta a tierra Sistemas de control y protección por medio de relevadores de protección microprocesados TC's o TP's necesarios para el esquema de protección.
Los filtros de armónicas en
los bancos de capacitores, se conectan directamente a las zapatas de alimentación del Driver, Variador o Inversor, o a las terminales de carga de su interruptor. Su diseño cumple tres propósitos, corregir el factor de potencia del variador a un valor superior a 0.94, reducir la
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17 distorsión armónica generada por el variador y en consecuencia, disminuir (realmente) el nivel de distorsión armónica general de la red.
IX. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE U NA SUBESTACIÓN Apartarrayos
El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico. Las ondas que presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente. El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico. Las ondas que presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente. Se fabrican diferentes tipos de apartarrayos. Los más empleados son los conocidos como: •
•
Apartarrayos tipo autovalvular Apartarrayos de resistencia variable
El apartarrayos tipo autovalvular, consiste de varias chapas de explosores conectados en serie por medio de resistencias variable cuya función es dar una operación más sensible y precisa. se emplea en los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representa una gran seguridad de operación.
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El apartarrayos de resistencia variable,
funda su principio de operación en el principio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a una resistencia variable. Se emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptación en el sistema de distribución. Las características de operación de los apartarrayos son: La función del apartarrayos no es eliminar las ondas de sobretensión presentadas durante las descargas atmosféricas, sino limitar su magnitud a valores que no sean perjudiciales para las máquinas del sistema. Las ondas que normalmente se presentan son de 1.5 a 1 microsegundos (tiempo de frente de onda). La función del apartarrayos es cortar su valor máximo de onda (aplanar la onda). Cada apartarrayos se encuentra normalmente abierto y se encuentra calibrado para que a partir de cierta tensión entre línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de onda. Esto se hace con un circuito de resistencia variable, con tensión, de los elementos dependiendo de la naturaleza de éstos. Al desaparecer la sobretensión el apartarrayos vuelve a la posición de abierto. La tensión a que operan los apartarrayos se conoce técnicamente como tensión de cebado del apartarrayos. En la Figura 17 se muestra la forma física de un apartarrayos.
Universidad de Colima. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME). González Barahona Jairo Said .
18 contienen el mecanismo de interrupción se encuentran montadas sobre una columna de porcelana aislante y están, por lo tanto, al potencial de línea. La gama de clasificación de los interruptores de acuerdo a su medio de extinción es: Fig. 17 Fisiología de un apartarrayos
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Interruptores en Subestaciones Eléctricas
Un interruptor es un dispositivo que cierra e interrumpe un circuito eléctrico entre contactos separables, bajo condiciones de carga o de falla. Un interruptor, con independencia de su posición en una red, tiene dos principales funciones: •
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Es responsable de la conmutación diaria de líneas durante el funcionamiento normal y; La desconexión del suministro eléctrico en caso de sobrecarga o cortocircuito.
Por su modo de construcción, pueden ser de dos tipos:
Cuchillas
Las cuchillas desconcertadoras (llamados también seccionadores), son interruptores de una subestación o circuitos eléctricos que protegen a una subestación de cargas eléctricas demasiado elevadas. Son muy utilizadas en las centrales de transformación de energía eléctrica de cada ciudad.
Por su operación, se clasifican como: •
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Los de Tanque muerto.,
significa que el tanque del interruptor y todos sus accesorios se mantienen al potencial de tierra y que la fuente externa y conexiones a la carga se hacen por medio de boquillas convencionales. Para los de Tanque vivo, significa que las partes metálicas y de porcelana que Protecciones Eléctricas - 2014
Interruptor en aceite. Interruptor neumático Interruptor en vacío Interruptor en en Hexafloruro de Azufre SF6.
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Con carga (con tensión nominal) Sin carga (con tensión nominal) De puesta a tierra. Pueden ser manuales o motorizadas para el accionamiento a control remoto.
Las cuchillas con tres aisladores (dos fijos y giratorio al centro), se emplean sobre
todo en subestaciones tipo intemperie, son generalmente operadas en grupo, por mando
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19 eléctrico. Las cuchillas con dos aisladores de operación vertical (normal e invertida),
son los más usuales. Por su operación simple pueden emplearse en instalaciones de intemperie. Para usos en interiores se recomienda usarlas en tensiones no mayores de 23KV. Las cuchillas con cuerno de arqueo,
pueden ser de operación horizontal o vertical. Se usan en operaciones en tensiones muy elevadas, por ejemplo 66, 88 y 115 KV. Su empleo es indispensable en líneas largas. Los cuernos de arqueo sirven para que entre ellos se forme el arco al desconectar las cuchillas, y a la conexión a tierra para disipar la energía del arco. En la Figura 18, se presentan unas cuchillas desconectadoras de operación en grupo.
Fig. 18 Cuchillas de operación en grupo
Fusibles
Los fusibles son los dispositivos de Protecciones Eléctricas - 2014
sobrecorriente más baratos y simples que se utilizan en la protección de redes de distribución. Al mismo tiempo son uno de los más confiables, dado que pueden brindar protección un tiempo muy prolongado (por arriba de 20 años) sin estar sujeto a tareas de mantenimiento. Actualmente, la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. El funcionamiento de un fusible, se explica a continuación: El elemento fusible se construye de manera que tenga un punto de fusión menor que los conductores de la instalación protegida, y habitualmente se disponen varios sectores más estrechos, en los que se obtiene una mayor densidad de corriente. Por lo tanto, cuando circula una sobrecorriente determinada, el calor generado por efecto Joule funde los estrechamientos del elemento e interrumpe el circuito. Una vez eliminada la causa de la sobrecorriente, para reponer el circuito debe instalarse un elemento fusible nuevo. Los cartuchos fusibles pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión. En la Figura 19, se muestra una tabla con los tipos de fusibles según su tiempo de
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20 respuesta.
Los fusibles lentos (gT), son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores.
Fig. 19 Tipos de fusibles
Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo.
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Los fusibles rápidos (gF), se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente. En la Figura 20, se presenta el esquema más general de cómo está construido un cartucho fusible.
Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 I f Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 I f Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 I f
Los fusibles de acompañamiento (aM), se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene de que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos. Protecciones Eléctricas - 2014
Fig. 20 Cartucho fusible
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21 X. BARRAS COLECTORAS. Barras
Para una subestación es necesario saber qué tipo de subestación será, y por lo tanto cuales son las necesidades que ésta debe tener. Para esto es importante la configuración de las barras, así como la selección misma.
de metal de 50 mm de diámetro (1963 mm ²) o más en barras. Las barras colectoras están formadas principalmente por los siguientes elementos:
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Los tipos de subestaciones son: Generación,
esta requiere principalmente confiabilidad. La seguridad y la flexibilidad pueden ser requerimientos adicionales, dependiendo de la importancia y la ubicación de la subestación en el sistema Maniobra,
esta requiere principalmente
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Conductores eléctricos. Cadena de aisladores, que sirven como elemento aislante eléctrico y de soporte mecánico del conductor. Conectores y herrajes, o sea la morsetería, que sirve para unir los distintos tramos de conductores y para sujetar el conductor al aislador. Aisladores para los aparatos y equipos tipo exterior Aisladores tipo suspensión
flexibilidad. Transformación,
requiere principalmente confiabilidad. La seguridad puede ser de importancia En la distribución de energía eléctrica, un juego de barras es una tira gruesa de cobre o de aluminio que conduce la electricidad dentro de un cuadro de distribución, tablero de distribución , subestaciones o aparatos eléctricos. Barras se utilizan para transportar corrientes muy grandes, o para distribuir corriente a los dispositivos múltiples dentro de celdas o equipo. El tamaño de la barra es importante para determinar la cantidad máxima de corriente que puede realizarse con seguridad. Barras pueden tener un área de la sección transversal de tan sólo 10 mm ², pero subestaciones eléctricas pueden usar tubos Protecciones Eléctricas - 2014
Las barras pueden ser de diferentes tipos: Las barras planas, se pueden utilizar en subestaciones tipo exterior. Tienen la cualidad de ser flexibles. Se pueden unir un cierto número de barras. Las barras estructurales, consisten principalmente en forma de ángulo y de canal. Facilitan la unión a bases de tornillo, además tiene una mayor rigidez mecánica. Por otra parte están las barras circulares. Estas son más rígidas, más populares para subestaciones tipo intemperie y es más eficiente. Los aisladores para los aparatos y equipo exterior, se usan en primer término para soportar buses rígidos y otros equipos
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22 eléctricos que operan sobre el valor del potencial de tierra. Los aisladores para los equipos y aparatos se fabrican normalmente en porcelana y eventualmente en vidrio. Se encuentran disponibles en dos tipos: •
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Tipo alfiler Tipo poste o soporte.
En la Figura 21, se presenta un aislador tipo poste.
los requerimientos individuales. Los aisladores de remate tipo distribución se pueden usar en los voltajes de distribución para los buses tipo flexible. Los
aisladores de suspensión tipo convencional, se usan normalmente para los
buses tipo flexible y se pueden suministrar para su fijación mecánica con clima o bola, los más comunes son los denominados tipo estándar de 25.4 cm (10 pulgadas) de diámetro por 14.6 cm (5 ¾ pulgadas) de altura.
En la Tabla 2, se presenta el número mínimo de aisladores tipo suspensión que se pueden poner en cadena. Tabla 2. N° de
aisladores suspensión en cadena
Fig. 21 Aislador tipo soporte
Existen también los aisladores tipos suspensión. Estos se usan como aislamiento y soporte para los buses (barras) flexibles en las subestaciones. Los aisladores de suspensión se encuentran disponibles en varias formas para satisfacer Protecciones Eléctricas - 2014
Para poder obtener la carga total del conductor del bus, se necesita saber: •
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Fuerza máxima de cortocircuito Carga por viento Carga por hielo Peso del conductor
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23 En la Tabla 3, se listan los valores para el viento y hielo de las cargas, para distintas condiciones de carga definidas en los reglamentos y códigos de instalaciones eléctricas. Estos valores deben considerarse como mínimos. Las condiciones de viento extremas también se deben considerar.
Donde: f w = Carga por viento en Newton/md 1 = Diámetro exterior del conductor con
hielo expresado en cm. pw = Presión del viento en Pascal.
Tabla 2. Cargas por viento e hielo en conductores
La fuerza máxima por corriente de cortocircuito que el bus debe soportar se calcula a partir de la siguiente ecuación (6):
La carga para hielo, se puede determinar a partir de la ecuación (4)
( )
Donde: W 1 = Carga para hielo en Newton/m d 1 = Diámetro exterior del conductor con
hielo expresado en cm d 2 = Diámetro exterior del conductor sin
hielo, en centímetros La carga por viento se puede calcular a partir de la ecuación (5):
Donde: f cc = Máxima fuerza de cortocircuito en el
centro del conductor para un bus trifásico (Nw/m) K cc= Factor de reducción de la fuerza por cortocircuito (0.5 – 1.0), se recomienda un
valor de 0.67. I = Valor rms de la corriente de cortocircuito
trifásico (simétrica) expresada en amperes D= Distancia entre conductores de centro de
fase a centro de fase en centímetros.
La carga total de los conductores del bus se puede determinar de la ecuación (7): Protecciones Eléctricas - 2014
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[ ] ⁄
Donde: f T = Carga total del conductor del bus en
Newton/m. f cc= Fuerza máxima por cortocircuito en
Newton/m f w= Carga por viento en N/m W I = Carga por hielo en Newton/m W c = Peso del conductor en Newton/m
Las barras presentan factores para su diseño. Los factores secundarios para el diseño de barras colectoras en una subestación son: •
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Efecto corona Efecto superficial Efecto proximidad Vibraciones Corrosión
El diseño de sistemas de barras rígidas involucra muchos factores incluyendo, la localización del bus en la subestación y su proximidad a otros equipos. Se deben proporcionar distancias amplias para permitir el mantenimiento y la remoción del equipo. Los buses deben estar situados de manera que permitan la entrada del equipo de construcción y mantenimiento en el interior de la subestación. Protecciones Eléctricas - 2014
Durante los cortocircuitos se desarrollan grandes fuerzas mecánicas en el sistema de barras (buses). El diseño de los buses rígidos incluye consideraciones de estas fuerzas para prevenir el daño durante las condiciones de cortocircuito. La separación entre buses de centro a centro y la magnitud de la corriente de cortocircuito tienen efectos sobre estas fuerzas. Los conductores que tienen claros largos se pueden dañar por la vibración debido a los vientos. Se puede agregar a estos problemas la flecha excesiva de los conductores. En la medida que la temperatura de los conductores se incrementa, ocurre una expansión longitudinal. Si el sistema de barras no está provisto con medios para absorber esta expansión, los aisladores u otros elementos conectados al equipo se pueden dañar.
XI.
CONCLUSIÓN
De acuerdo a lo que se estudió en este documento, se puede verificar que una subestación eléctrica es sumamente importante, ya que esta es la que hace posible el comienzo de un proceso de transmisión y distribución de energía eléctrica. Todo esto lo realiza a través de distintos equipos o máquinas, que van desde máquinas transformadoras, medición, protección y regulación.
