Investigacion 2.3 y 2.4 Subestaciones de Potencia Industriales

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTERREZ DEPARTAMENTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRICA MATERIA: MAQUINAS SINCRONICAS Y DE CD. TRABAJO:

INVESTIGACIÓN TEMA 2.3 SUBESTACION DE ALTA POTENCIA. ARREGLOS ELECTRICOS Y FÍSICOS DIMENSIONALES GENERAL.Y 2.4 SUBESTACIONES DE ALTA TENSION. CAPACIDADES Y SELECCIÓN DE LOS TC’S, TP’S, APARTARAYOS, CUCHILLAS E INTERRUPTORES DE ALTA TENSION.

INTEGRANTES DEL EQUIPO: AGUILAR LÓPEZ CÉSAR OBETH CHAVEZ AVENDAÑO MIGUEL ERNESTO

NOMBRE DEL DOCENTE: ING. FIDEL TOVILLA HERNANDEZ

SEMESTRE: 6° SEMESTRE

TUXTLA GUTIÉRREZ, GUTIÉRREZ, CHIAPAS A 8 DE MARZO DEL 2013.

INTRODUCCION.

Las subestaciones se pueden clasificar según la función que desempeñan en la red eléctrica como: - Subestaciones de generación, cuyo cometido es conectar e incorporar a la red la energía producida por los diferentes centros de generación de un país (térmicos, hidráulicos, eólicos, etc.) Estas subestaciones suelen tener que elevar el nivel de tensión de la energía, desde los valores de generación a los valores de transporte. - Subestaciones de transporte de la energía, desde su punto de generación hasta las áreas de consumo. Actúan de interconexión entre un número variable de líneas de la red. - Subestaciones de distribución, que conectan las líneas de transporte con las ramas de distribución de la energía, a menor nivel de tensión, para su transporte local y distribución. Atendiendo a las soluciones constructivas de la subestación, se pueden dividir en: - Subestaciones de intemperie, donde la aparamenta eléctrica y los embarrados están situados a la intemperie, enclavados sobre el Estandarización de las cimentaciones de una subestación terreno a través de estructuras metálicas o de hormigón y sus cimentaciones. - Subestaciones de interior, donde el conjunto de la subestación se ubica en edificaciones, utilizándose sistemas de construcción convencionales o prefabricados. Estos sistemas obedecen a Criterios ambientales o de emplazamiento. Dependiendo del tipo de aparamenta utilizada, se puede realizar otra clasificación: - Subestación convencional, que monta los componentes discretos convencionales conectados entre sí mediante conexiones realizadas in situ. Pueden realizarse en intemperie o interior. - Subestaciones blindadas, que utilizan los componentes integrados y montados en fábrica, protegidos mediante pantallas metálicas y aisladas generalmente mediante gas (SF6). Pueden realizarse en intemperie o interior.

INTRODUCCION.

Las subestaciones se pueden clasificar según la función que desempeñan en la red eléctrica como: - Subestaciones de generación, cuyo cometido es conectar e incorporar a la red la energía producida por los diferentes centros de generación de un país (térmicos, hidráulicos, eólicos, etc.) Estas subestaciones suelen tener que elevar el nivel de tensión de la energía, desde los valores de generación a los valores de transporte. - Subestaciones de transporte de la energía, desde su punto de generación hasta las áreas de consumo. Actúan de interconexión entre un número variable de líneas de la red. - Subestaciones de distribución, que conectan las líneas de transporte con las ramas de distribución de la energía, a menor nivel de tensión, para su transporte local y distribución. Atendiendo a las soluciones constructivas de la subestación, se pueden dividir en: - Subestaciones de intemperie, donde la aparamenta eléctrica y los embarrados están situados a la intemperie, enclavados sobre el Estandarización de las cimentaciones de una subestación terreno a través de estructuras metálicas o de hormigón y sus cimentaciones. - Subestaciones de interior, donde el conjunto de la subestación se ubica en edificaciones, utilizándose sistemas de construcción convencionales o prefabricados. Estos sistemas obedecen a Criterios ambientales o de emplazamiento. Dependiendo del tipo de aparamenta utilizada, se puede realizar otra clasificación: - Subestación convencional, que monta los componentes discretos convencionales conectados entre sí mediante conexiones realizadas in situ. Pueden realizarse en intemperie o interior. - Subestaciones blindadas, que utilizan los componentes integrados y montados en fábrica, protegidos mediante pantallas metálicas y aisladas generalmente mediante gas (SF6). Pueden realizarse en intemperie o interior.

2.3 SUBESTACION DE ALTA POTENCIA. ARREGLOS ELECTRICOS Y FÍSICOS DIMENSIONALES GENERAL.

2.3 SUBESTACIONES DE ALTA TENSIÓN. ARREGLOS ELÉCTRICOS Y FÍSICOS. DIMENSIONAMIENTO GENERAL. Una subestación eléctrica es usada para la transformación de la tensión de la energía eléctrica. El componente principal (y más caro) de una subestación eléctrica es el transformador  Una subestación es un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos, que tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica, permitiendo el control del flujo de energía. Las subestaciones pueden ser de transmisión o de distribución, de alta o de media tensión, y sus componentes, y la disposición de estos, pueden variar de una subestación a otra, pero las características de los componentes siempre serán las mismas, y cada uno tendrá también dentro de la subestación, funciones específicas espe cíficas e importantes a la vez. Tipos de subestación Las subestaciones se pueden clasificar como sigue: • Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas.• Subestaciones receptoras primarias.• Subestaciones receptoras secundarias.

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 delas 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 4.16kV.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. Las subestaciones, también se pueden clasificar por el tipo de instalación, por ejemplo

Subestaciones tipo intemperie. Subestaciones de tipo interior. Subestaciones tipo blindado. 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. Subestaciones tipo interior.- En este tipo de subestaciones 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. Una subestación eléctrica es una instalación destinada a modificar y establecer los niveles de tensión de una infraestructura eléctrica, para facilitar el transporte y distribución de la energía eléctrica. Su equipo principal es el transformador. Normalmente está dividida en secciones, por lo general 3 principales, y las demás son derivadas. Las secciones principales son las siguientes: 1. Sección de medición. 2. Sección para las cuchillas de paso. 3. Sección para el interruptor. Las secciones derivadas normalmente llevan interruptores, depende de qué tipo, hacia los transformadores. Como norma general, se puede hablar de subestaciones eléctricas elevadoras, situadas en las inmediaciones de las centrales generadoras de energía eléctrica, cuya función es elevar el nivel de tensión, hasta 132, 220 o incluso 400 kV, antes de entregar la energía a la red de transporte. Las subestaciones eléctricas reductoras, reducen el nivel de tensión hasta valores que oscilan, habitualmente entre 13,2, 15, 20, 45 ó 66 kV y entregan la energía a la red de

distribución. Posteriormente, los centros de transformación reducen los niveles de tensión hasta valores comerciales (baja tensión) aptos para el consumo doméstico e industrial, típicamente 400 V. Existen dos razones técnicas que explican por qué el transporte y la distribución en energía eléctrica se realizan a tensiones elevadas, y en consecuencia, por qué son necesarias las subestaciones eléctricas: Las pérdidas de potencia que se producen en un conductor por el que circula una corriente eléctrica, debido al Efecto Joule, son directamente proporcionales al valor de esta ( ). La potencia eléctrica transportada en una red es directamente proporcional al valor de su tensión y al de su intensidad ( ). Por tanto, cuanto mayor sea el valor de la tensión, menor deberá ser el de intensidad para transmitir la misma potencia y, en consecuencia, menores serán las pérdidas por efecto Joule. 

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 Además de transformadores, las subestaciones eléctricas están dotadas de elementos de maniobra (interruptores, seccionadores, etc. y protección fusibles, interruptores automáticos, etc. que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y operación de las redes de distribución y transporte.

Instalaciones eléctricas industriales

El alcance de una instalación eléctrica industrial inicia con la construcción de la acometida eléctrica que puede ser de media, alta o baja tensión. Para hacer una instalación eléctrica industrial, se tienen que tomar en cuenta desde un principio, la totalidad de los circuitos de fuerza, de iluminación y de sistemas especiales tanto en nuevas construcciones como remodelaciones. Remodelaciones de Instalaciones Eléctricas Industriales Para hacer una remodelación en un edificio o una estructura por que se requieren ampliar, las instalaciones eléctricas necesitan un análisis de cargas para proveer 

racionalmente los requerimientos crecientes de estos nuevos equipos, haciendo modificaciones a la subestación o grupos motor generador. También se deben planear el servicio de mantenimiento de la instalación eléctrica así como de todos los equipos eléctricos utilizados.

Subestaciones eléctricas Las subestaciones eléctricas son una parte distintiva de toda instalación eléctrica industrial, ya que las empresas suministradoras de energía abastecen a los grandes consumidores en media y alta tensión. En las instalaciones eléctricas industriales con una subestación eléctrica, es el cliente el propietario del transformador reductor y el equipo de switcheo necesario para operar los circuitos de la instalación eléctrica y son alojados en la subestación eléctrica. Las subestaciones eléctricas están conformadas por tres secciones ó compartimentos a saber: el de alta tensión, el transformador reductor y el de baja tensión. Esta es la parte principal de una instalación eléctrica industrial.

 Alta tensión

La sección de alta tensión en primer término, recibe los conductores de la instalación eléctrica de la acometida principal mediante terminales adecuadas, las cuales están sujetas a la estructura del compartimento por un yugo de madera. Es en esta sección donde se instalan cuchillas desconectadoras de operación sin carga que invariablemente tienen un bloqueo mecánico que impide que sean

abiertas con el interruptor principal en posición de cerrado, brindando así seguridad al operario de la instalación eléctrica.  Apartarrayos Otro de los componentes principales de las instalaciones eléctricas industriales es el apartarrayo que se conecta al bus principal en las terminales de las cuchillas desconectadoras y brinda a la instalación eléctrica la protección contra voltajes transitorios y voltajes elevados sostenidos. Para toda instalación eléctrica de acometida de media tensión, se debe de instalar  un apartarrayo en cada conductor no puesto a tierra de la acometida aérea ó subterránea. Los conductores entre el Apartarrayos y la red y entre el pararrayos y la conexión de puesta a tierra no deben ser de un calibre inferior a 13,3 mm2 en cobre ó 21,2 mm2 en aluminio (equivalente a 6 AWG y 4 AWG respectivamente). Fusibles limitadores de corriente En cualquier instalación eléctrica de subestación industrial se utilizan fusibles limitadores de corriente para media tensión, los cuales son utilizados como dispositivos de protección contra sobrecorriente en la instalación eléctrica. La selección adecuada de un fusible se basa en varios factores incluyendo entre otros la corriente nominal del circuito a proteger, el voltaje de operación, la frecuencia del sistema, la capacidad interruptiva y la necesidad de una adecuada coordinación con otros dispositivos de protección contra sobrecorriente de la misma instalación eléctrica.

Fusibles de Potencia Tipo limitadores de corriente

En la instalación eléctrica de una planta industrial se utilizan los fusibles limitadores de corriente para media tensión, son usados como dispositivos de protección contra sobrecorriente dentro de la subestación compacta de acometida y dentro de las subestaciones compactas unitarias para la protección de circuitos alimentadores, motores, transformadores y capacitores.

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Los factores que determinan la selección del fusible limitador adecuado son: El voltaje máximo de operación del circuito La corriente nominal de la carga alimentada La frecuencia del sistema La capacidad interruptiva necesaria La necesidad de coordinación de las protecciones de la propia instalación eléctrica Criterios de selección de Fusibles de Potencia

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Cuando se trata de la protección de un transformador de la instalación eléctrica por medio de fusibles de potencia del tipo limitador de corriente, las recomendaciones son las siguientes: Seleccione el fusible de menor tamaño que soporte con un tiempo mínimo de fusión de 0,1 seg una corriente 12 veces la nominal del transformador a proteger. Selecciona un fusible que soporte de forma continua 1,6 veces la corriente nominal del transformador a proteger. Cumpla siempre los criterios de la sección 450  – 3 (a) (1) de la NOM-001SEDE-2005 En una instalación eléctrica industrial son generalmente preferidos los fusibles limitadores de corriente, sobre los interruptores de potencia en vacío o en SF6 por  su precio y su bajo costo de mantenimiento y por ser extremadamente confiables en su operación. Finalmente hay que acotar que la mínima capacidad interruptiva permitida del fusible es la máxima potencia disponible de corto circuito en la instalación eléctrica y se expresa en Amperes Simétricos. Protección contra sobrecorriente de transformadores

El ajuste máximo de un dispositivo de protección contra sobrecorriente para un transformador de más de 600 V se establece en la Sección 450  – 3 (a) (1) de la NOM-001-SEDE-2005 Para la utilización de esta tabla se requiere conocer el %Z del transformador a proteger, el dato viene en la placa de características de todos los transformadores de una potencia igual ó mayor a 25 kVA. La impedancia de un transformador es un factor determinante para predecir en una instalación eléctrica el comportamiento del voltaje entre terminales bajo condiciones de carga plena y no carga así como para conocer la corriente en condiciones de corto circuito.  A manera de ejemplo para un transformador trifásico de 112,5 kVA con un secundario de 208/120V la corriente nominal será de: I = kVA/1.732*.208 I = 312,27 Amperes La corriente de corto circuito trifásico será: Icc= In/%Z Icc = 312,27/0.055 Icc = 5,678 A Si él %Z de este transformador fuese 5,5 %

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Pongamos ahora por caso que se tiene que seleccionar el fusible para proteger  una instalación eléctrica con un transformador de 1,000 kVA con 23,000 Volts en el lado fuente y 480 Volts en el lado carga; y con 5,75 de %Z. En 450 – 3 (a) (1) de la NOM-001-SEDE-2005 se establece que el tamaño máximo de un fusible para un primario de 600 V ó más y cuya impedancia es menor al 6%, debe ser el 300% de la corriente nominal como máximo. In In = 25.10 A

=

1000

/1.732*23

Por corriente nominal el tamaño mínimo será 25.10 A x 1.6 lo cual nos da 40.16 A de tamaño de fusible.

Con lo anterior inferimos que nuestro fusible estará entre los 40 Amperes y los 75  A. Ahora buscaremos en las curvas tiempo  – corriente del fabricante y trazaremos una línea en 0.10 Segundos y otra sobre el valor de 12 x 25.10 = 301.2 A y en el cruce de estas dos líneas deberá ser un punto en la gráfica que represente la corriente de magnetización máxima que se presentará en el primario del transformador en el momento de su energización. Nuestro objetivo será encontrar una curva que esté ligeramente arriba de este punto de inrush current (corriente de magnetización) para evitar que el fusible opere al conectar el transformador.

DIMENSIONAMIENTO GENERAL

 ARREGLOS FISICOS. Una vez hecha la determinación del esquema de conmutación mejor adaptado para una aplicación particular de subestación, es necesario considerar el arreglo de estación que satisfaga las muchas necesidades físicas del diseño. A la disposición del ingeniero de diseño están los siguientes arreglos de estación. - Arreglos convencionales para intemperie, de interruptor y barra tipo abierto. - Arreglos de subestación de barra invertida - Subestaciones de tamaño pequeño, con revestimiento metálico de gas hexafluoruro de azufre. Los arreglos para intemperie de interruptor y barra tipo abierto se usan, en general, en conexión con estaciones de generación y subestación. La disposición y características generales del diseño de estructuras de conmutación para intemperie se ven influenciadas por la función y tipo de instalación y por su capacidad, voltaje y limitaciones de superficie del terreno ESTRUCTURA DE SOPORTE. Para soportar, montar e instalar debidamente el equipo eléctrico se requieren estructuras hechas de acero, aluminio , o madera, que requieren cimientos de concreto.

Una subestación tipica de tipo abierto requiere estructuras de anclaje para soportar conductores de líneas de transmisión; soportar estructuras para seccionadores, transformadores de corriente. Transformadores de potencial, apartarrayos, filtros de linea, transformadores de voltaje de capacitor; y estructuras de soportes para barras rigidas y tirantes de la estacion. Cuando las estructuras son de acero o aluminio requieren cimientos de concreto, sin embargo, cuando son de madera no se requieren estos cimientos. El diseño de las estructuras de soporte se ve afectado por la s separaciones entre fases y la altura libre bajo los hilos que se requieren, por los tipos de aisladores, por la longitud y peso de las barras y otros equipos, y por el viento y la carga de hielo En las subestaciones se requieren otros trabajos estructurales concretos que comprenden la selección y preparación del terreno, caminos, salas de control, registros, conduits, dusctos, drenajes, diques y cercas.

SELECCIÓN DEL TERRENO. Estos trabajos comprenden un estudio de topografía y la trayectoria de escurrimientos de la zona, junto con la investigación del subsuelo DIAGRAMAS UNIFILARES Y SÍMBOLOS CONVENCIONALES APLICADOS A LOS DIAGRAMAS DE SUBESTACION DIAGRAMA UNIFILAR El punto de partida para diseño de una subestación eléctrica es el llamado diagrama unifilar. Este diagrama debe mostrar la conexión y arreglo de todos los equipos eléctricos, es decir, barras, puntos de conexión, transformadores de potencia, acoplamiento entre bahías, interruptores, transformadores de instrumento, cuchillas desconectadoras, apartarrayos, etc.,Para elaborar el diagrama unifilar, se debe considerar el arreglo de barras, el grado de flexibilidad en operación y la confiabilidad; de hecho, antes de proceder a la definición de las características de los distintos elementos de la subestación; así como su posible localización, se debe elaborar al menos un diagrama simplificado en donde se indique el arreglo propuesto de barras y su posición relativa.Existen distintas variaciones para los arreglos de barras; la selección de un arreglo en particular, depende de varios factores, por ejemplo, el voltaje del sistema, la posición de la subestación en el sistema, la flexibilidad de operación, la confiabilidad en suministro, y el costo.

En adición a esto se deben considerar los siguientes aspectos técnicos, antes de tomar una decisión: - Simplicidad en el sistema. - El mantenimiento se debe realizar fácilmente, sin interrupción del servicio; o peligro para el personal de operación. - Se debe tener disponibilidad y arreglos alternativos; en el caso de salidas de servicio, o fallas en algunos equipos. - El arreglo del equipo no debe limitar la expansión y aumento en el crecimiento de la carga, hasta un valor determinado. - Debido a que de hecho, cada parte del equipo constituye un punto débil; de manera que en los casos necesarios se debe considerar la posibilidad de usar  equipo adicional (redundancia en el equipo).; para cubrir posibles contingencias (fallas). - La instalación se debe realizar en forma tan económica, como sea posible, sin perder de vista la continuidad en el servicio.

CLASIFICACIÓN DE LAS SUBESTACIONES. Las subestaciones se clasifican de acuerdo a su nivel de tensión, de acuerdo a su configuración y de acuerdo a su función. De acuerdo al Nivel de Tensión: De Ultra Alta tensión (Un>800 kV.), De Extra Alta Tensión (300 kV.