Tesis Sf6 Universidad Veracruzana

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

REGION POZA RICA-TUXPAN UNIVERSIDAD VERACRUZANA

“SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS”

TESINA PRESENTA JUAN MARIO MIRANDA PEREZ

PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL

DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL ING. DIONICIO RANGEL ORTA

POZA RICA DE HIDALGO, VER., 2011.

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

2

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

3

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

4

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

INDICE CAPITULO I

PAG.

INTRODUCCIÓN

7

JUSTIFICACIÓN

9

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

10

ENUNCIACIÓN DEL TEMA

11

EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

12

CAPITULOII MARCO CONTEXTUAL

13

MARCO TEORICO

15

TEMA 1: SUBESTACIONES

15

1.1.- ¿Que es una subestación eléctrica?

15

1.2.- Partes de una subestación eléctrica

15

1.3.- Función y aplicación de las subestaciones eléctricas

17

1.4.- Tipos de subestaciones

19

1.5.- Simbología

29

TEMA 2: SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE

32

2.1.- ¿Que es una subestación aislada en aire AIS?

26

2.2.- Características

33

2.3.- Aplicaciones

38

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

5

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

TEMA 3: SUBESTACIONES AISLADAS GAS (SF6)

47

3.1.- ¿Que es el (SF6)?

51

3.2.- Características Físicas y Químicas

51

3.3.- Propiedades dieléctricas

53

3.4.- Aplicaciones

55

3.5.- Características de servicio de una Subestación de SF6

60

3.6.- Normas

61

3.7.- Niveles de Aislamiento de la Subestación de SF6

63

TEMA 4: ARREGLOS DE LAS SUBESTACIONES SF6

64

4.1.- Bus Simple (Barra simple)

66

4.2.- Bus anillo (Arreglo anillo)

67

4.3.- Arreglo de interruptor en medio

68

4.4.- Arreglo de doble barra doble interruptor

71

4.5.- Arreglo de doble barra con interruptor

73

4.6.- Restricción en Arreglos

74

TEMA 5: ANÁLISIS COMPARATIVO

75

5.1.- Ventajas y desventajas

76

5.2.- Cuadro comparativo del SF6, con respecto al Aire

76

CAPITULO III CONCLUSIONES

77

BIBLIOGRAFIA

78

ANEXOS

79

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

6

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

INTRODUCCION

Los sistemas eléctricos de potencia son indispensables en el mundo actual. La electricidad es el principal segmento energético y por tanto su transporte, reparto y distribución son temas clave a tener en cuenta. En los países el aumento de la población y a la mayor dependencia de la electricidad como La tecnología eléctrica y sus avances han permitido que la naturaleza de las subestaciones haya evolucionado a lo largo de los años. Las causas han sido varias pero se podría decir que todas se remiten al aumento de la población consumo energético individual. Las tres han implicado directamente que sea necesario un mayor consumo de energía en las viviendas y en la industria. Para ello, es necesaria una mayor generación de electricidad. Por estos motivos, al tener grandes puntos de generación localizados y densidades de consumo en las ciudades, se requieren unos flujos de energía elevados. El envío de energía a través de líneas eléctricas, debido a la resistencia de los conductores genera muchas pérdidas y por ello se busca para reducirlas, bajar las intensidades y elevar las tensiones. El incremento de las tensiones ha requerido de investigación para establecer nuevos sistemas de aislamiento, mejora de la protección, de la implantación y del diseño de dispositivos. Las subestaciones como elementos de operación del sistema de transporte han tenido que acompañar a este proceso de incremento de tensiones y potencias. Por ello, el avance en este campo implica directamente mejoras en las subestaciones. Principalmente este avance ha sido más evidente en los equipos y subestaciones dentro de un núcleo urbano que es donde más problemas de espacio y seguridad se han requerido, además de ser el último punto en el que la potencia llega a su fin.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

7

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

En concreto, existen una gran cantidad de subestaciones diferentes con particularidades tanto en la tecnología empleada como en la disposición y naturaleza propias de la instalación. El tipo de aislamiento tanto de los equipos como de las barras, el diseño de la configuración que afecta básicamente a temas de seguridad, análisis de fallas eléctricas y la naturaleza de la propia instalación (si tiene transformación o no), provocan que no se pueda establecer fácilmente unos patrones generales de subestaciones. Una subestación eléctrica es un conjunto de equipos eléctricos destinados a dirigir la energía eléctrica, en un punto de la red, en el que confluyen generalmente generadores, líneas y transformadores, al combinarse con equipos de control, medición, protección y regulación, dan un acoplamiento cuyas funciones son transformar tensiones y deriva circuitos de potencia. Básicamente las funciones que cumple una subestación son las siguientes: SEGURIDAD, EXPLOTACIÓN, INTERCONEXIÓN, GENERACIÓN, TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN. Existen dos tecnologías completamente diferentes, una aislada en aire de manera tradicional y otra aislada en SF6 (Hexafluoruro de azufre). A partir de ellas surgió el concepto de tecnología híbrida que tiene características comunes a ambas. Las subestaciones aisladas en aire (AIS) son tradicionalmente las más utilizadas. Los equipos, cables y barras se encuentran aislados en aire. Además, por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y separada del resto. Los tamaños de los dispositivos y barras resultan mucho mayores en conjunto, ya que las distancias de seguridad a tener en cuenta son mucho mayores. Y por otra parte Como solución a los problemas de aislamiento se diseñaron las subestaciones blindadas con el equipo y las barras aisladas en gas. Los tamaños son menores, pero al ir todo encapsulado se tienen que cumplir otros requisitos de presión del gas, sellado de las cámaras, etc. diferentes a los que se pueden encontrar en la tecnología AIS. Tema que se trata en este trabajo.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

8

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

JUSTIFICACION Una subestación es una instalación eléctrica cuyo objetivo es transformar y distribuir energía eléctrica ya sea para el consumo en forma económica o para prolongar su transmisión hasta otros usuarios o variar las tensiones a los diferentes

valores

requeridos

mediante

elementos

denominados

“transformadores“. Estas forman parte de los equipos de potencia más importantes en el proceso de transmisión de energía eléctrica, durante su vida útil se ven expuestos a diferentes fenómenos naturales como descargas eléctricas, corrosión ambiental, y fallas propias de la operación de un sistema de transmisión

que afectan sus

componentes, produciendo grandes pérdidas de Energía Eléctrica y por consiguiente pérdidas económicas. Es por ello que el presente trabajo plantea la importancia y características de las subestaciones principalmente las aisladas en aire y gas SF6, las cuales son de las más utilizadas. Además, que proporcionara un mayor conocimiento del estudiante y una mejor aplicación de las mismas en el

campo y en el ejercicio de su

profesión.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

9

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Este trabajo es una investigación y recopilación de información de las características de las subestaciones aisladas en aire y aisladas en gas SF 6 cuyo objetivo es proporcionar conocimientos sobre las ventajas y desventajas de cada una de ellas. Las subestaciones aisladas en aire son tradicionalmente las más utilizadas. Los equipos cables y barras se encuentran aislados en aire. A demás por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y separada del resto. Los tamaños de los dispositivos y barras resultan mucho mayores en conjunto, ya que las distancias de seguridad a tener en cuenta son mucho mayores. Por otro lado las subestaciones GIS tienen sus partes bajo tensiones aisladas en gas Hexafluoruro de azufre (SF6), en lugar de aislación en aire como las subestaciones AIS, cada equipo de alta tensión, incluyendo las barras principales o colectoras, están encapsuladas independientemente en un compartimiento metálico previsto de un ambiente de gas SF6 a presión mayor que la atmosférica. Por esto que el presente trabajo pretende hacer una comparación sobre ambas subestaciones (AIS y SF6) para su mayor conocimiento.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

10

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

ENUNCIACION DEL TEMA

Las subestaciones como elementos de operación del sistema de transporte han tenido que acompañar a este proceso de incremento de tensiones y potencias. Por ello, el avance en este campo implicaba directamente mejoras en las subestaciones. Principalmente este avance ha sido más evidente en los equipos y subestaciones dentro de un núcleo urbano que es donde más problemas de espacio y seguridad se han requerido, además de ser el último punto en el que la potencia llega a su fin. En concreto, existen una gran cantidad de subestaciones diferentes con particularidades tanto en la tecnología empleada como en la disposición y naturaleza propias de la instalación. Una subestación eléctrica es un conjunto de equipos eléctricos destinados a dirigir la energía eléctrica, en un punto de la red, en el que confluyen generalmente generadores, líneas y transformadores, al combinarse con equipos de control, medición, protección y regulación, dan un acoplamiento cuyas funciones son transformar tensiones y derivar circuitos de potencia. Existen dos tecnologías completamente diferentes, una aislada en aire de manera tradicional y otra aislada en SF6. A partir de ellas surgió el concepto de tecnología híbrida que tiene características comunes a ambas que se explicaran a lo largo del presente trabajo.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

11

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

El presente trabajo pretende hacer una comparación

entre las subestaciones

aisladas en aire (AIS) gas (SF6) para su mayor conocimiento y aplicación. El trabajo se divide en III Capítulos: 

En el Capitulo I tenemos los aspectos generales como son: introducción,

justificación, enunciación del tema, etc. 

El capítulo II está dividido en: marco contextual y marco teórico.

El marco teórico contiene lo siguiente:

Tema 1: contiene de manera general lo que es una subestación, elementos, función, aplicación, tipos de subestaciones y la simbología de las mismas.

Tema 2: en este se ve más detalladamente lo que son las subestaciones aisladas en aire (AIS), características, aplicaciones, etc.

Tema 3: en este se encuentra concepto, características, partes, lo que es el SF6, aplicación y normas de las subestaciones aisladas en gas (SF6). Tema 4: en este tema se explica a grandes rasgos los arreglos de las subestaciones aisladas en (SF6) de manera general. Tema 5: en este tema se encuentra el análisis comparativo, ventajas y desventajas y cuadro comparativo del SF6, con respecto al Aire. En el capítulo III se encuentran las conclusiones, bibliografía y anexos de dicho trabajo.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

12

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

MARCO CONTEXTUAL Siendo el marco contextual de un trabajo recepcional el sitio físico o lugar donde se realiza una investigación y debido a que el presente trabajo proporciona información en forma general, no especifica un lugar geográfico establecido ya que es muy amplio el área de trabajo en donde las subestaciones aisladas en aire (AIS) y gas (SF6) juegan un papel fundamental dentro de la industria general. Los sistemas eléctricos de potencia son indispensables en el mundo actual. La electricidad es el principal segmento energético y por tanto su transporte, reparto y distribución son temas clave a tener en cuenta. La tecnología eléctrica y sus avances han permitido que la naturaleza de las subestaciones haya evolucionado a lo largo de los años. Las causas han sido varias pero podríamos señalar algunas como el aumento del consumo energético en la gran mayoría de los países desarrollados y en desarrollo debido a los aumentos de población y a la mayor dependencia de la electricidad como energético. No sin tomar en consideración el incremento del calentamiento global, lo que implica la mayor utilización de sistemas de aire acondicionado en viviendas industrias y comercio a nivel mundial.

Por estos motivos, al tener grandes puntos de generación localizados y densidades de consumo en las ciudades, se requieren unos flujos de energía elevados. El envío de energía a través de líneas eléctricas, debido a la resistencia de los conductores genera grandes pérdidas y por ello se busca su disminución. El incremento de las tensiones ha requerido de investigación para establecer nuevos sistemas de aislamiento, mejora de la protección, de la implantación y del diseño de dispositivos eléctricos, Con lo dicho anteriormente solo podemos mencionar que las subestaciones son una instalación eléctrica cuyo objetivo es transformar y distribuir energía eléctrica ya sea para el consumo en forma económica o para prolongar su transmisión hasta otros usuarios.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

13

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

SUBESTACIONES ELECTRICAS AISLADAS EN AIRE Y GAS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

14

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

TEMA 1 SUBESTACIONES 1.1.- ¿Que es una subestación eléctrica? Una subestación: Es una instalación eléctrica cuyo objetivo es transformar y distribuir energía eléctrica ya sea para el consumo en forma económica o para prolongar su transmisión hasta otros usuarios. Una subestación Eléctrica: es un conjunto de elementos o Dispositivos que nos permite cambiar las características de energía (Tensión, corriente, Frecuencia) Tipo C.A. a C.C., a bien, conservarle dentro de ciertas características. 1.2.- Partes de una subestación eléctrica Elementos Constitutivos de una Subestación Eléctrica. Los elementos de una subestación se clasifican en elementos primarios y elementos secundarios se detallan en la figura 1.1

Elementos Primarios Se consideran elementos Primarios por: Tener una importancia fundamental en el control de transmitir, reducir o elevar las tensiones y a la vez de controlar y mantener en operación toda la subestación ya que en caso de tener una falla en alguno de ellos se interrumpe la transmisión de energía por un tiempo determinado en alguna bahía en la subestación. 1. Cuchillas desconectadoras 2. Interruptor 3. TC 4. TP

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

15

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

5. Cuchillas desconectadoras para sistemas de medición 6. Cuchillas desconectadoras de los transformadores de potencia 7. Transformador de potencia 8. Barras de conexión 9. Aisladores soporte. 10. Conexión a tierra. 11. Tablero de control y medición. 12. Barras del tablero 13. Sujeción del tablero.

Figura 1.1 Elementos constitutivos de una subestación Eléctrica

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

16

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

1.3.-Función y aplicación de las subestaciones eléctricas En el proceso de generación–consumo de la energía eléctrica se puede observar que se emplean diferentes tensiones, desde la generación, transmisión, distribución urbana y tensión de consumo. La función principal de las subestaciones es variar las tensiones a los diferentes valores requeridos mediante elementos denominados “transformadores“. Para que la energía eléctrica se pueda emplear en centros de consumo industrial o residencial es necesario el empleo

de

cuatro

transformadores

(como

partes

integrantes de

una

subestación).Esto es debido a que resulta más económico transmitir la energía eléctrica a voltajes más elevados Por ejemplo: Si se va a transmitir energía eléctrica de una central generadora a un centro de consumo que está situado a 1000km de distancia será necesario elevar el voltaje de generación que supondremos de 13.8kv a otro de transmisión más conveniente que asumimos que sea 110Kv

Para poder elevar el voltaje de generación de 13.8kv al de transmisión de 110kv es necesario emplear una subestación eléctrica.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

17

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Suponiendo que la caída de voltaje en la línea de transmisión fuera cero volts, tendríamos en el centro de consumo 115kv. Es claro que este voltaje es imposible emplearlo en instalaciones industriales y aun menos en comerciales y residenciales de donde se desprende la necesidad de reducir el voltaje de transmisión de 110kv a otro u otros más convenientes de distribución en centros urbanos de consumo. Por tal razón, será necesario emplear otra subestación eléctrica.

Algunos aspectos a considerar 

Selección de los niveles apropiados de los voltajes de suministro



Redundancia



Sistemas de protección adecuado para el sistema y el equipo



Control y monitoreo



Selección apropiada de equipos confiables

El transformador, es la parte más importante de una subestación eléctrica, consta de un embobinado de cable que se utiliza para unir a dos o más circuitos, aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas. La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria, las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador, si por el

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

18

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

contrario, el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor.

El uso de las subestaciones eléctricas es de vital importancia en la industria, ya que nos permiten el control del flujo de la energía necesaria para llevar a cobo los procesos; 1.4.-Tipos de subestaciones Por su operación.  Elevadoras.  De maniobra  Reductoras  Radial  Anillo  De enlace

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

19

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestaciones Elevadoras. Están localizadas en las propias centrales eléctricas, donde los voltajes de transmisión se pueden encontrar, dependiendo del tamaño del sistema eléctrico de potencia, en el rango de 115 a 800 kv existiendo aun tensiones mayores en corriente alterna en ciertos sistema eléctricos de algunos países y, por supuesto también la transmisión en corriente directa, cuyos niveles de tensión pueden estar en el rango de 800kv en la mayoría de los casos. Fig.1.2

Fig. 1.2 Subestación elevadora.

En México, los voltajes preferentes en cada rango son los que se indican:

NIVELES DE VOLTAJE USADOS PREFERENTEMENTE EN MEXICO TRANSMISION

SUBTRANSMISION

DISTRIBUCION

UTILIZACION

400kv

115kv

34.5kv

440v

230kv

69kv

23.0kv

220v

13.8kv

127v

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

20

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestaciones Reductoras. En estas subestaciones, los niveles de voltaje de transmisión

se reducen al

siguiente de subtransmisión a distribución o eventualmente a utilización. Estas son subestaciones que se encuentran en las redes de transmisión, subtransmisión o distribución y constituye el mayor número de subestaciones en un sistema eléctrico. Fig. 1.3

Fig.1.3 Subestación reductora

Subestaciones de Maniobra. En los sistemas de potencia normalmente se tiene variaciones considerables de carga, por lo cual surge la necesidad de realizar maniobras de conmutación para modificar la estructura del sistema, para lograr con esto un régimen de operación económico, confiable y seguro. Por las noches cuando hay poca demanda se desconectan líneas y transformadores y por las mañanas se vuelven conectar. Algunas subestaciones muy importantes del sistema están sirviendo para estos propósitos y se llaman subestaciones de maniobra.

Los sistemas longitudinales como el nuestro tienen que realizar

frecuentes maniobras, lo cual trae como consecuencia desgastes excesivos del equipo de conmutación y la posibilidad de errores humanos que pueden tener graves consecuencias como el colapsó total del sistema. En los sistemas mallados la necesidad de las maniobras de este tipo se reduce considerablemente. En el sistema nacional la variación de la carga es del orden del 40% entre la demanda máxima al pico y la demanda mínima que se presenta en horas

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

21

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

nocturnas. Las subestaciones de maniobra ocupan nodos de interconexión de partes del sistema, por lo cual a través de ellas pasan grandes bloques de energía que pueden poner en riesgo la estabilidad del sistema cuando se presentan fallas en las barras de la S.E. Fig. 1.4

Fig. 1.4 subestación de maniobra

Subestaciones radiales Cuando una subestación tiene un solo punto de alimentación y no se interconectan con otras se denomina radial. Fig1.5

Fig. 1.5 subestación radial

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

22

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestaciones de enlace En los sistemas eléctricos, se requiere tener mayor flexibilidad de operación para incrementar la continuidad del servicio y consecuentemente la confiabilidad, por lo que es conveniente el uso de las llamadas subestaciones de enlace. Fig.1.6

Fig.1.6 subestación de enlace

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE En este tipo de subestaciones, el aire sirve como medio aislante y por lo tanto, se usa principalmente en exteriores. En el caso de subestaciones de alta y extra alta tensión, tiene el inconveniente de que ocupan un espacio importante para su construcción por lo que su aplicación en áreas urbanas densamente pobladas está restringida a la disponibilidad de terrenos. De hecho, las subestaciones aisladas en aire tienen dos variantes constructivas: 

Subestaciones tipo intemperie



Subestaciones tipo interior

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

23

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestación tipo intemperie Estas subestaciones se construyen en terrenos a áreas expuestas

al medio

ambiente (intemperie) y, por lo tanto, requieren de un diseño, aparatos maquinas que sean capases atmosféricas

adversas

de soportar el funcionamiento

(lluvia,

viento,

contaminación,

y

en condiciones

nieve,

descargas

atmosféricas, etcétera).Fig. 1.7

Figura 1.7. Subestación de intemperie

Fig.1.8 Algunos componentes de una subestación eléctrica intemperie

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

24

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestación tipo interior En este tipo de subestaciones , los equipos y maquinas usadas están diseñadas para operar en interiores, esta es una solución que ha caído en desuso para la subestaciones aisladas en aire, con la creciente utilización de las subestaciones aisladas en Hexafluoruro de azufre; sin embargo, como diseño sigue siendo una opción en ciertos casos de subestaciones localizadas en áreas urbanas. Fig. 1.9

Fig. 1.9 Subestación tipo interior aislada en Hexafluoruro de azufre

Subestaciones aisladas en Hexafluoruro de azufre (SF6) En México este tipo de subestaciones generalmente se diseñe en el rango de 115 a 400 kV

tensiones. Se aplican en aquellos casos en que por problemas de

espacio o de impacto del medio ambiente, existen restricciones para construir las subestaciones Convencionales con aislamiento en aire. Las subestaciones en Hexafluoruro de azufre ocupan aproximadamente ¼

del espacio de las

equivalentes aisladas en aire, pueden estar diseñadas para operar e exteriores o interiores, para exteriores (intemperie) operan en un rango de temperatura de 25ºc a +40ºc en tanto que para interiores el rango va de -5ºc a +40ºc

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

25

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

La aplicación de las llamadas subestaciones aisladas en gas data de finales de la década de los 70’s ya en forma extensiva, la transición de las subestaciones aisladas en aire (diseños convencionales) a la tecnología de las subestaciones aisladas en gas, requirió que se cumpliera una serie de requisitos, incluyendo la resistencia al cambio y la cantidad de experiencia acumulada en el diseño y operación de las subestaciones aisladas en aire, tomando en cuenta aspectos como: 

Espacio requerido de construcción.



Confiabilidad.



Tiempos de construcción.



Costos.

Considerando que las subestaciones aisladas en aire y las subestaciones aisladas en gas deben cumplir con las mismas funciones, se

pone énfasis en las

diferencias en construcción, practicas de mantenimiento, impacto en los sistemas de potencia, diseños especiales en las subestaciones aisladas en gas, arreglados de subestaciones aislados en gas, arreglos de barras y niveles de tensión.

Fig. 1.10 Subestación en SF6 tipo industrial

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

26

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Subestaciones compactas A estas subestaciones también se les conoce como subestaciones unitarias y son muy usadas en instalaciones industriales y comerciales, reciben la energía, en el caso de las grandes industrias, de subestaciones primarias, para ser distribuida a distintos

puntos

en

las

instalaciones.

Generalmente

están

cerradas

completamente por medio de placas metálicas, de manera que no tienen partes vivas o energizadas expuestos al contacto de las personas. Básicamente existen tres tipos de arreglos para este tipo de subestaciones: El radial, secundario selectivo y primario selectivo.

Las subestaciones unitarias ofrecen ventajas que las hacen recomendables, tanto en instalaciones industriales como comérciales, así como en grandes edificios donde el valor de la carga es considerable. Por lo general, son de diseño modular con las ventajas siguientes:  Los módulos se diseñan para su conexión en distintos arreglos y se pueden equipar con distintos tipos de equipos: de protección, medición o equipos mayores como: interruptores, fusibles, desconectadores, Apartarrayos, etcétera.  Tienen un tamaño compacto.  Se pueden instalar en recintos que son de acceso general, con algunas restricciones mínimas.  Están protegidos contra efectos o agentes externos.

Las subestaciones unitarias están construidas, como se menciono

antes, por

módulos o unidades, que tienen básicamente tres componentes:  Unidad de alta tensión  Unidad del transformador  Unidad de baja tensión.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

27

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Según sean las exigencias del servicio o la instalación, puede haber módulos o unidades adionales con disposiciones, de acuerdo a las necesidades especificas.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

28

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

1.5.- Simbología Símbolos convencionales en las Subestaciones eléctricas

Transformador de Potencia

Interruptor de Potencia

Seccionador

Seccionador cuchilla con mando motorizado M

Seccionador cubilla con puesta a tierra

Seccionador fusible

Transformador de corriente (TC)

Transformador de potencial (TP)

Pararrayos

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

29

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

G

Generador

Autotransformador

Condensador de Acoplamiento

S

Subestaciones

E

Condensadores

Resistencia

Bobina inductiva

Electrodos

M

Motor

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

30

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Bomba

Transformador

Explosores

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

31

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

TEMA 2 Subestaciones aisladas en aire 2.1 ¿Que es una subestación aislada en aire AIS? Son tradicionalmente las más utilizadas. Los equipos cables y barras se encuentran aislados en aire. A demás por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y separada del resto. Los tamaños de los dispositivos y barras resultan mucho mayores en conjunto, ya que las distancias de seguridad a tener en cuenta son mucho mayores. Como se muestra en la (figura 2.1).

Figura 2.1 subestaciones AIS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

32

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

2.2 Características El dimensionamiento y la protección del aislamiento en las subestaciones El equipo eléctrico de las subestaciones eléctricas está sujeto a condiciones anormales, como resultado de las descargas atmosféricas directas, las ondas de sobretensión que viajan a través de los conductores y las fallas en el sistema; estas condiciones anormales producen sobretensiones, que pueden dar como resultado flameos en el equipo o fallas de aislamientos. Para prevenir daños en el equipo y/o salidas de servicio debidas a las sobretensiones, se deben dimensionar correctamente las subestaciones desde el punto de vista eléctrico, proteger contra las descargas directas y usar dispositivos de protección para limitar las sobretensiones a valores razonables. La aplicación de estos dispositivos es usualmente un compromiso entre los costos de los mismos y el grado de protección deseada. La protección proporcionada para la subestación y el equipo de la misma, se puede dividir en dos partes principales: Protección contra ondas de sobretensión, usada para proteger al equipo contra daño por sobretensiones por ondas de rayo, ondas de maniobra de interruptores y fallas en el sistema. Protección contra descargas directas, usada para proteger al equipo contra descargas directas del rayo. Protección contra ondas de sobretensión. Los apartarrayos se usan paro proteger al equipo contra las sobretensiones causadas por las ondas entrantes, la función de los apartarrayos es descargar las ondas de corriente a la tierra del sistema y, entonces, interrumpir la corriente paro prevenir el flujo de corriente normal a la frecuencia del sistema hacia tierra.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

33

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Protección contra descargas directas. Dado que el efecto de las descargas directas por rayo a una subestación no blindada puede ser devastador, se recomienda alguna forma de protección contra descargas directas, que normalmente consiste de un blindaje al equipo de la subestación por medio de bayonetas, cables de guarda y mástiles, o bien, alguna combinación de éstos. EL tipo y arreglo de los dispositivos de protección usados, están basados en el tamaño y configuración del equipo de la subestación. Bases para el dimensionamiento eléctrico para una subestación aislada en aire El dimensionamiento de las distancias entre partes vivas y de partes vivas a tierra, que se refiere en instalaciones de tipo convencional, ya sea en interiores o intemperie, no se considera en las instalaciones de tipo blindado o aisladas en gas. La separación entre aparatos de una instalación y la disposición física de los mismos, se efectúan a partir de un diagrama unifilar, seleccionando la capacidad de la

instalación y su tensión nominal. Estos factores no sólo afectan el

tamaño de las componentes, sino también las distancias a tierra y entre fases. La determinación de estas dimensiones se efectúa por medio del cálculo de las distancias eléctricas entre las partes vivas del equipo y, entre éstas y las estructuras, muros, rejas y el suelo, que son: Distancias entre Fases. Entre partes vivas de fases diferentes. Distancias a tierra. Entre partes vivas (energizadas) y estructuras a tierra, muros, rejas y tierra. Distancias de aislamiento. Entre las terminales de un aislador, o también entre conexiones a las terminales de un interruptor.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

34

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Distancias entre secciones. Entre partes vivas y los límites de las zonas de mantenimiento (zonas de trabajo). Los límites de las zonas de mantenimiento pueden ser tierra o una plataforma sobre la cual trabajen los operarios. Si se considera

que

en una subestación eléctrica los hombres deben caminar

libremente bajo las zonas con equipo energizado, es necesario dar una distancia adecuada entre el punto más bajo sobre cada aislador (donde se conectan a tierra las partes metálicas) y tierra, para asegurar que una

persona

no

sufrirá

los

efectos del campo eléctrico. Con excepción de las distancias de seguridad, las distancias dieléctricas en una subestación eléctrica están determinadas por las máximas sobretensiones a que estará sometido el equipo y por los contornos de los mismos. Esfuerzos que afectan el aislamiento Durante la operación de un equipo, se presentan diferentes esfuerzos dieléctricos, a continuación se mencionan las clases de esfuerzos dieléctricos que afectan el aislamiento: Tensiones a la frecuencia del sistema bajo condiciones normales de operación, es decir, que no excedan de la tensión máxima de diseño del equipo. Sobretensiones temporales. Sobretensiones por maniobra Sobretensiones por rayo. Para un esfuerzo de tensión dado, el comportamiento de un aislamiento interno puede estar afectado por: su grado de vejez, por un aislamiento externo y por su grado de contaminación atmosférica.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

35

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Distancias eléctricas de no flameo en aire a) Aislamiento de fase a tierra. Se refiere al aislamiento de una fase cualquiera con relación a los puntos conectados a tierra. Está caracterizado por una tensión relacionada con una distancia a tierra, que se verifica por medio de procedimientos convencionales y reproducibles en laboratorios, que se expresa en las normas como distancia de aislamiento en el aire, que es necesaria paro definir los aspectos de seguridad. b) Aislamiento de fase-fase El aislamiento entre fases debe garantizar un comportamiento dieléctrico que relacione la tensión con la distancia en aire, sin considerar ningún elemento a tierra entre los conductores de fase. En las subestaciones, la distancia de aislamiento entre fases resulta de las condiciones de la instalación y frecuentemente se refiere a los equipos, aunque no dependa de éstos. Conceptos básicos para el diseño de aislamiento en aire Tensión crítica de flameo (VCF o CFO). La tensión crítica de flameo es el valor de tensión al cual se tiene. Una probabilidad de flameo del 50% y los valores usados para diseño corresponden a los niveles básicos de aislamiento (por impulso de rayo o de maniobra), que son cantidades inferiores al VCF o el VCS, y que darían probabilidades de flameo máximas del 10%, es decir, se espera que no se produzca flameo por lo menos en un 90% de las veces Tensión máxima de diseño (Vd). La tensión máxima de diseño del equipo es el valor eficaz de tensión más alto entre fases, para el cual está diseñado el equipo

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

36

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

con respecto a su aislamiento y a otras características asociadas con esta tensión, en las normas relativas al equipo. Corriente nominal (In). Corriente nominal es el valor de corriente que circula por una instalación o sistema eléctrico en condiciones normales de operación y con carga nominal a su factor de potencia establecido. Corriente máxima de operación continua (MCOV). La corriente máxima de operación continua es el valor máximo admisible de corriente que se prevé en condiciones normales de operación (sin falla) en una instalación o sistema eléctrico. Nivel básico de aislamiento (NBA). El nivel básico de aislamiento o nivel de onda completa es el nivel de tensión que el aislamiento de un equipo eléctrico puede soportar repetidamente sin que se presente la descarga disruptiva. Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI). El nivel básico de aislamiento al impulso por rayo, es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso al rayo. Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra (NBA). El nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso por maniobra.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

37

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

2.3 Aplicaciones Calculo de las distancias dieléctricas en el aire 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 adaptados. Esto conduce al establecimiento de distancias mínimas de no flameo entre fase y tierra o entre fases, que se determina principalmente para los impulsos por rayo y por maniobra, según los niveles de aislamiento. El concepto de distancia dieléctrica en aire es general y, desde el punto de vista de diseño, parte de la relación entre la tensión crítica de flameo por rayo (VCF) o por maniobra (VCS) y el nivel básico de aislamiento al impulso. Por rayo (NBI) o por maniobra (NBS). La relación entre los niveles básicos de aislamiento al impulso y las tensiones críticas de flameo, se indican a continuación: Por impulso de rayo

NBI=VCF (1.0-1.3 б) Donde б = es la desviación estándar referida al valor de VCF, obtenida de la distribución de gauss. Se recomienda para el caso de impulso por rayo, usar un valor de б = 3%. Con lo que sustituyendo la ecuación anterior, se tiene:

NBI = 0.961VCF

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

38

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Por impulso de maniobra

NBS = VCS (1.0 – 1.3 б) Se recomienda, para el impulso por maniobra, usar un valor de б = 6% con lo que se tiene, sustituyendo en la ecuación anterior:

NBS = 0.922 VCS CARACTERÍSTICAS DE AGUANTE DEL AISLAMIENTO EN AIRE

Figura 2.2 Con figuración varilla - varilla con estructura baja

h= Altura de los electrodos W= Anchura de los objetos de bajo de los electrodos F-F =Distancia de fase a fase h1= Altura del objeto o equipo S2= Distancia del equipo a los electrodos

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

39

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

h= altura de los electrodos sobre el nivel del suelo

Para tensiones nominales hasta 230 kv, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m., y en condiciones estándar, se calculan básicamente por impulso de

rayo y solo se verifican para las sobretensiones por maniobra de

interruptores. En ciertos casos, la relación entre la tensión critica de flameo y la distancia en aire, se obtienen de la ecuación.

VCS=500K3 (Kv) Donde:

d=distancia entre electrodos expresada en m. K3= factor de electrodos (factor de gap) .

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

40

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

41

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

El factor de electrodos K3 toma los siguientes valores, según las configuraciones. FACTOR K3

CONFIGURACIONES Para conductor – estructura Conductor de fase exterior en líneas de transmisión – estructura Conductor - estructura en líneas de transmisión con cadena de aislamiento en “v” Conductor – objeto a tierra (vehículos, tableros etc.) Conductor – conductor. Anillo – equipotencial. Conductor – ventana en líneas de transmisión. Para configuración punta-plano

550

480

Distancia de fase atierra (m).

d

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 de impulso de maniobra, de acuerdo con la expresión VCS= 500K20.6(Kv) Donde: K2=factor de Gap. d=distancia de fase a tierra (m). También se puede usar de forma alterna la ecuación:

VCS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

42

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Los factores de Gap recomendadas para sobretensiones por maniobra, para diferente configuración, son los valores siguientes:

Factor K2

CONFIGURACION Varilla-varilla

=1.35

Conductor de fase exterior a torres

=1.20

Conductor de fase interior a torre(ventana)

=1.50

Fase- fase

=1.00

Punta-plano

La determinación de distancias mínimas

de

fase a fase se hace con un

procedimiento semejante al cálculo de las distancias de fase- tierra por impulsos de rayo y de maniobra. Estas distancias se calculan para una altitud de hasta 1000 m.s.n.m. de acuerdo con las siguientes expresiones.

a) por impulso de rayo para tensiones nominales de hasta 230kv Vcf = 520.29 d Donde: Vcf = tensión critica de flameo de fases a fase expresada en kV d = distancia entre fases, expresada en m.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

43

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Siendo:

b).- por impulso de maniobra por impulso de maniobra para tensiones superiores a 230kv = =

… (1) … (2)

VCS expresado en MV

Las distancias obtenidas con las expresiones (1) y (2) se pueden considerar de diseño, en el caso de subestaciones eléctricas que usan barras rígidas Expresión (1) se emplea para configuraciones simétricas entre electrodos, por ejemplo: conductor a conductor en paralelo, conductor a conductores cruzados y punta a punta.

,

La expresión (2) se emplea para configuraciones asimétricas entre electrodos, por ejemplo: punta-conductor, o bien, en configuraciones simétricas cuando la simetría se neutraliza por efecto de irregularidad de los electrodos, como es el caso de las barras soportadas de aisladores con herrajes. UNIVERSIDAD VERACRUZANA

44

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Efectos meteorológicos (presión barométrica, temperatura y humedad). Los valores de tensión al impulso, que producen descarga en el aire entre electrodos, están influenciados por los valores de presión atmosférica, temperatura y humedad, este criterio es válido para todos los aislamientos externos (cadenas de aisladores en líneas de transmisión, boquillas en transformadores, boquillas de interruptores, porcelanas en transformadores de potencial y corriente, etc.), ya que las pruebas se efectúan en las condiciones atmosféricas normalizadas de 20°C de temperatura, 1013 milibar de presión barométrica (760 mm de mercurio a 0°C) y una humedad absoluta de 11 gm/m3. Se puede demostrar que la tensión disruptiva se aumenta con la densidad del aire y la humedad, por lo que los valores de tensiones disruptivas deben ser corregidos por estos dos factores. Del valor de tensión disruptiva (tensión crítica de flameo) VCF a una temperatura t en °C y una presión barométrica b, se puede obtener el valor Vn, de acuerdo con la relación siguiente:

Donde: =Es el coeficiente de corrección, que es en función de la densidad relativa del aire y la temperatura y b a la presión. La densidad relativa del aire

a cualquier presión barométrica, se calcula con la

expresión siguiente:

Donde: b = es la presión barométrica del lugar de la instalación. t = es la temperatura ambiente en el lugar de la instalación.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

45

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

La presión barométrica se obtiene por medición, ésta puede ser medida con un barómetro de Fortín, que es un tipo muy usado, de tal forma que la presión barométrica a una temperatura t (bt) se puede obtener resolviendo la siguiente expresión: Bo = bt - 0.000161 bt (t) Donde b = presión barométrica en mm de mercurio a 0°C. t = presión barométrica a la temperatura t en °C. 6n cuando a la humedad, se le hace un razonamiento distinto para el objeto que se prueba, el coeficiente que lo relaciona depende también de la forma de los electrodos, es decir, si se tienen dos electrodos en aire, sin interesar la superficie del material, no se debe aplicar factor de corrección; pero si en lugar de esto, la descarga se presenta a lo largo de la superficie sólida (por ejemplo, un aislador de porcelana), el valor de la tensión de descarga debe ser reportada a las condiciones normales de humedad, según un coeficiente de corrección Kh, obtenido de gráficas, entonces, la tensión de descarga en las condiciones de prueba (en laboratorios), se debe corregir a las condiciones del lugar de la instalación

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

46

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Tema 3 Subestaciones aisladas gas ( Las subestaciones

)

tienen sus partes bajo tensiones aisladas

en gas

Hexafluoruro de azufre (SF6), en lugar de aislación en aire como las subestaciones AIS cada equipo de alta tensión, incluyendo las barras principales o colectoras, están encapsuladas independientemente en un compartimiento metálico previsto de un ambiente de gas SF6 a presión mayor que la atmosférica. Se forman así módulos individuales por equipo que luego se interconectan mecánica y eléctricamente entre sí para formar distintas configuraciones. puede apreciarse en la Fig.3.1 Los módulos individuales corresponden a: 

Módulo de juego de barras principales o colectoras.



Módulo de interruptor.



Módulo de seccionador de barras.



Módulo de seccionador de línea.



Módulo de seccionador de puesta a tierra.



Módulo de seccionador de aislamiento.



Módulo de transformador de corriente.



Módulo de transformador de tensión.



Módulo de transformador de tensión de barras.



Módulo de descargador de sobretensiones.



Módulo de prolongación (recto, ángulo).



Módulo de empalme con cable subterráneo.



Módulo de empalme con línea aérea.



Módulo de empalme con máquinas (transformador /autotransformador de

potencia, reactor, etc.).

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

47

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Figura 3.1 partes de una subestación Los distintos módulos de equipos y juegos de barras principales o colectoras se conectan entre sí utilizando bridas selladas y atornilladas. Las partes que constituyen esta subestación se detallan en las figura 3.1 y 3.2 donde los módulos se detallan a continuación. 1.

Barra con seccionador/ seccionador de puesta a tierra combinados.

2.

Interruptor de potencia

3.

Transformador de corriente

4.

Transformador de tensión

5.

Seccionador de salida con seccionador de puesta a tierra

6.

Seccionador de puesta a tierra rápido

7.

Módulo de conexión de cables

8.

Armario de control

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

48

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Además, en la figura 3.2 podemos decir que según los colores tendremos: 

Color amarillo : gas SF6



Color rojo: partes activas bajo alta tensión



Color celeste : cerramientos



Color marrón :material aislante



Color rosa: partes baja tensión



Color gris: partes mecánicas, estructuras

Figura 3.2 partes de una subestación

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

49

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Por último, en la Figura 3.3 tenemos el diagrama unifilar de la subestación en cuestión donde nombraremos la simbología: 1.

Seccionador y seccionador de puesta a tierra

2.

Interruptor de potencia

3.

Transformador de corriente

4.

Seccionador de salida con seccionador de puesta a tierra

5.

Transformador de tensión

6.

Seccionador de puesta a tierra rápido

7.

Conexión de cables

Figura 3.3 Diagrama unifilar

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

50

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.1 ¿Que es el (SF6)? El Hexafluoruro de azufre es un compuesto inorgánico denominado con la formula SF6. Es un gas incoloro, inodoro, no-toxico y no-inflamable (bajo condiciones normales). El SF6 tiene una geometría Octahedral, consiste en seis átomos de flúor enlazados a un átomo central de sulfuro. Es una molécula hipervalente. Típicamente encontrada en gases no polares, es poco soluble en agua, en cambio es soluble en componentes orgánicos no polares. Es generalmente trasportado como un gas licuado por compresión. Su densidad es de 6.13 g/L en condiciones al nivel del mar. Es usado principalmente como sustancia dieléctrica para aislar medios de altos voltajes (1Kv o superiores). Una de las más notables características de este compuesto es que es 5 veces más densa que el aire, por lo tanto puede ser almacenado en un recipiente abierto sin que este se escape de él (parecido al agua), Tabla. 3.1 3.2 Características Físicas y Químicas PUNTO DE EBULLICION

DENSIDAD DEL LIQUIDO AL PUNTO DE

64°C

EBULLICION 1.9 kg/lt

PRESION DE VAPOR

DENSIDAD DEL GAS

0.1MPa

5(aire=1)

SOLUBILIDAD EN AGUA

PUNTO DE CONGELAMIENTO

41 mg/l

-50.8°c APARIENCIA Y COLOR

Gas incoloro e inodoro. Gas más pesado que el aire puede acumularse en espacios confinados Especialmente en espacios inferiores al nivel del suelo. Tabla 3.1 propiedades Físicas y Químicas del SF6

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

51

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

La estructura molecular del Hexafluoruro de azufre SF6 es la de un octaedro regular, encontrándose sus vértices ocupados por los átomos de flúor. La sección eficaz de colisión de una molécula de gas SF6 es de 4.77 A. los seis enlaces covalentes de aquí se explica la estabilidad excepcional de este gas: a)

El Gas SF6 puede calentarse sin decepción hasta 500°C

b)

No es inflamable

c)

Es insoluble en el agua

d)

No es atacado por los ácidos

e)

El hidrogeno, cloro y oxigeno no ejercen acción sobre el gas SF6

El Hexafluoruro de azufre se puede considerar como un gas particularmente inerte hasta una temperatura de 500°C. En contacto con unos materiales de construcción, es térmicamente estable a una temperatura arriba de la cual el aceite aislante comienza a descomponerse y oxidarse. Sin embargo se ha observado que la presencia de ciertos materiales a temperaturas superiores a 200°C, disminuye las propiedades dieléctricas del gas SF6 (figura 3.4). Figura 3.4 Partícula de gas SF6

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

52

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.3 Propiedades dieléctricas El SF6 es utilizado como gas aislante en subestaciones encapsuladas , como aislante y medio de enfriamiento en transformadores de poder y como aislante y medio de extinción en interruptores de alta y media tensión. Todas estas aplicaciones son sistemas cerrados, muy seguros e idealmente sin posibilidades de filtraciones. En el caso de los interruptores se requiere que estos tengan la capacidad de interrumpir las corrientes de falla de los sistemas eléctricos de potencia para los cuales han sido diseñados. El SF6 cumple efectivamente las funciones de aislante y de medio de extinción debido a su alta capacidad calórica y sus propiedades electronegativas. Las subestaciones encapsuladas o GIS se encuentran generalmente en zonas urbanas o con restricciones fuertes de espacio. Estas subestaciones reducen el campo magnético en forma considerable y eliminan por completo el campo eléctrico. Esto es una ventaja significativa para los instaladores, personal de mantenimiento y la gente que pueda vivir próximo a una subestación. El gas SF6 es electronegativo (tiende a atraer electrones libres), tiene bunas propiedades para extinguir el arco eléctrico, sus pérdidas dieléctricas son demasiado pequeñas y su rigidez dieléctrica es alta. No obstante que la rigidez dieléctrica del gas SF6 varia con el material, forma y tamaño de los electrodos, se considera que un campo eléctrico tiene una variación de 2.4 veces mayor que la del aire a una presión de tres atmósferas (44.081b/pulg.2) la cual aumenta con el incremento de la presión y es igual a la del aceite aislante a una presión aproximada de 2 kg /cm2 (a 20°C). el gas SF6 puede interrumpir corrientes del orden 100 veces a las que interrumpe el aire. La constante dieléctrica del gas SF6 es aproximada de 1.0 y debido a que la molécula

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

53

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

no tiene momento bipolar esta propiedad no cambia con la frecuencia. La rigidez dieléctrica del gas SF6 no se afecta gravemente por la presencia de aire. Se considera que un contenido de aire tal alto como el 10% en el gas SF6 se afecta la rigidez dieléctrica alrededor del 2%.En la figura siguiente se ilustra el efecto del aire sobre la rigidez dieléctrica del gas SF6.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

54

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.4 Aplicaciones Medio aislante de ventanas. La presencia de la lámina de Poli Viril Butiral entre dos vidrios que hacen al material mencionado, permite reducir las ondas sonoras. Si la reducción deseada no es alta, podemos inyectar en el termo panel un gas pesado llamado Hexafluoruro de Azufre que comúnmente se le conoce como SF6 su presencia aportara una reducción de 5dB. (Figura 3.6). Tres ejemplo de combinación para tener en cuenta si se pretende mejorar las prestaciones del Doble Vidrio Hermético: 60% Argón + 40% SF6 = mejor aislamiento térmico 40% Argón + 60% SF6 = mejor aislamiento acústico 70% Argón + 30% SF6 = mejora ambos aislamientos

Fig.3.6

Aislamiento de sistemas eléctricos. El sistema de aislamiento con SF6 proporciona más flexibilidad de diseño, particularmente para el diseño de interruptores con recipiente sin corriente. Corte de arco eléctrico. Su estudio térmico permite describirlo como que está formado por su plasma de SF6 disociado, de forma cilíndrica constituida por un núcleo a una temperatura muy elevada en función de la corriente cortada envuelta en una vaina de gas mas frio. El núcleo y la vaina están separados por una zona de transición de temperatura ligada a la temperatura de disociación de la molécula. Durante el periodo de arco, la totalidad de corriente se transporta por el núcleo puesto que la temperatura de la zona de transición es inferior a la temperatura

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

55

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Mínima de ionización y la vaina exterior se mantiene aislante. Las características generales del arco depende del tipo de corte utilizado (auto-compresión, arcogiratorio, auto-expansión). Exanimación ultrasónica. El principio básico de los agentes de contraste ultrasónico es la creación de muchas pequeñas interfaces con alta ecogenicidad. Esto es idealmente alcanzado usando microburbujas gaseosas. Para incrementar la estabilidad de las microburbujas en la sangre y alcanzar un tamaño estandarizado, éstas son circundadas por una cubierta. Una capa externa flexible de fosfolípidos circunda el gas SF6 encerrado. Los fosfolípidos forman una mono capa, con el lado lipidio de cara hacia dentro (hacia el gas) y el lado hidrofílico apuntando hacia fuera (hacia la sangre). Oftalmología. Caso clínico: Se presenta un caso de desprendimiento de la membrana de Descemet tras cirugía de la catarata mediante facoemulsificación tratado con éxito utilizando SF6 al 20% intracameral. En algunas intervenciones quirúrgicas vítreo retinianas se inyectan gases (aire, SF6, C3F8, etc.) en un intento de mantener ocluidos los agujeros retinianos que causan el desprendimiento de retina. (Figura 1.4)

Fig.3.8 Oftalmología Enfermedades de oído. Para el oído humano el silencio total es 18 dB. En una zona residencial usted soporta una media de 72 dB. Si tiene un doble acristalamiento normal 4 / 6 / 4 con una atenuación de 28 dB, soportaría 44 dB, con Sonar 40 4+5.2 / Cámara de 16 mm. con Gas SF6 / 8 soportaría solamente 30 dB.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

56

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Calzado deportivo. Cuando el jugador de baloncesto Michael Jordan hacía un alley oop estaba contribuyendo, sin saberlo, al calentamiento global. La cámara de aire de sus Nike Air estaba rellena de Hexafluoruro de azufre (SF6), (figura 1.5).

Fig. 3.9 Calzado deportivo Debido a que el gas SF6 posee excelentes características dieléctricas, gran estabilidad térmica, buena habilidad para extinguir el arco eléctrico, siendo un compuesto inerte y estable químicamente, etc., tiene diversas aplicaciones como un

aislante gaseoso y está siendo usado actualmente en la industria e

instituciones de investigación en equipos, tales como: a) Interruptores de muy alta tensión. En el caso de los interruptores se requiere que estos tengan la capacidad de interrumpir las corrientes de falla de los sistemas eléctricos de potencia para los cuales han sido diseñados. El SF6 cumple efectivamente las funciones de aislante y de medio de extinción debido a alta capacidad calórica y sus propiedades electronegativas. b) Buses de fase aislada. Cada fase se monta en recintos individuales. La barra o placa colectora está rodeada con aislamiento en SF6 y apoyado en los claustros de centro de fase de aisladores dispuestos estratégicamente, donde el ducto de barras esté conectado a tierra a cada lado del interruptor y el ducto interruptor por sí mismo. c) Mini-subestaciones. La subestación Híper compacta es un 60% más pequeña que las subestaciones compactas convencionales con tecnología en aire

del

mercado, por lo que es considerada la más compacta del mercado y emplea gas

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

57

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

SF6 como un medio para extinguir un arco eléctrico o una operación con carga d) Cuchillas desconectadoras. La cuchilla en SF6 brinda mayor seguridad por contener un gas a baja presión (menor a la presión atmosférica, 0.4 bars), evitando fugas y manteniendo una funcionalidad de 30 años.

e) Tubos de microonda. En el tanque de presión del acelerador, para los efectos de lograr y mantener una tensión de 20 MV en el Terminal del acelerador, se hace necesario emplazar este en una atmósfera de altas propiedades dieléctricas que impidala descarga del mismo

en

forma de chispas. Este tanque de acero se

presuriza con Hexafluoruro de azufre (SF6), hasta una presión máxima de 10 atm. Asimismo existe un sistema cuya función es recircular en forma continua el SF6 a través de dos lechos de alúmina. Esta operación se realiza mientras el acelerador está en operación y el objeto es eliminar la humedad y los productos de descomposición del gas que pudiera haber presentes. f) Equipo de rayos x. Blatospot CERAM 35 y CERAM

235: Tubos portátiles

de Rayos X con tubo cerámico y electrónica de control avanzada tecnología que garantiza elevadas prestaciones (muy alto contraste incluso a máxima potencia) con una eficiencia del 100% y un peso mínimo. Ambas tubos

operan

indistintamente con las unidades de control CF2000 o Hand X.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

58

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

ESTRUCTURA DE UNA SUBESTACION HIPERCOMPACTA POR CELDAS MODULARES

ACOMETIDA DESCONECTADOR INTERRUPTOR

ACOPLAMIENTO A TR.

Figura 3.10 GABINETES DE SUBESTACION HIPERCOMPACTA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

59

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.5 Características de servicio de una Subestación de SF6 Las condiciones normales de servicio se explican en la siguiente tabla 2.2 Tabla3.1 “Características de servicio en la subestaciones de SF6”.

Condiciones

Normal

Especial

Interior

exterior

Interior

Exterior

aire

-5 o -25

-25 o -40

-25

-50

Mínimo (ºc)

+40

+40

+50

+50

No aplica

1000

No aplica

>1000

Altitud (m)

1000

1000

>1000

>1000

Clase de

No aplica

II

II,III o IV

III o IV

Capa de hielo (mm)

No aplica

1, 10 o 20

No aplica

>20

Viento (m/s)

No aplica

34

No aplica

>34

Humedad (%)

95

100

98

100

Condensación o

Ocasional

Si

Si

Si

1.6

1.6

>1.6

>1.6

Temperatura del

Máximo (ºc) Radiación solar 2

(W/m )

contaminación

precipitación Perturbaciones de inducción electromagnética en sistemas secundarios (kV)

Las clases de contaminación II, III y IV son de acuerdo a la tabla IEC 60815

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

60

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.6 Normas El Hexafluoruro de azufre nuevo debe cumplir con ciertas características normalizadas para su utilización en equipos eléctricos de muy alta tensión, las cuales se mencionan en la siguiente tabla 3.3“Comparación de normas”.

CARACTERISTIC

Norma

Norma

IEC 376-71

ASTM D-2472-71

Densidad a 20°C 760 torren g/1

6.16

------

Temperatura crítica en °C

45.6

-------

Peso molecular

----------

146 ± 2%

Punto de rocío a 1 atmósfera en °C

- 42 máx.

- 45 máx.

Contenido de humedad por peso

15 máx.

8.9 máx.

------

71 máx.

Contenido de aire por peso en %

0.05 máx.

0.05 máx.

Contenido de tetra fluoruro de

0.05 máx.

0.05 máx.

0.3 máx.

0.3 máx.

1.0

-----------

Debe permanecer con vida.

Debe permanecer con

en ppm Contenido de humedad por volumen en ppm

carbono por peso en % Acidez expresada como HF por peso en ppm Fluoruros hidrolizables expresada como HF por peso en ppm Toxicidad (colocando 5 ratones en una atmósfera de 79% SF6 y 21% de aire) 24 horas

Vida.

Tabla 3.3COMPARACIÓN DE NORMAS.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

61

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

A pesar de las especificaciones anteriormente expuestas, existen muchas características que no están todavía normalizas, por no existir un acuerdo entre los fabricantes y los usuarios del gas SF6, las cuales son:  Temperatura de sublimación.  Temperatura de niebla.  Presión crítica.  Densidad crítica.  Presión de vapor.  Flamabilidad en el aire.  Volumen específico.  Tensión de ruptura dieléctrica.  Factor de potencia.  Constante dieléctrica Muestra del Hexafluoruro de Azufre (SF6). Cuando se tome una muestra es deseable que ésta pase directamente del equipo eléctrico al aparato de prueba, sin embargo, esto no es posible, debido al lugar de instalación de los equipos eléctricos, por lo que es necesario utilizar cilindros de acero inoxidable intermedios de capacidad entre 80 y 100 litros para realizar las pruebas para el control de SF6. “Los cilindros deben utilizarse exclusivamente para el manejo del gas SF6. Cuando se sospeche de cualquier contaminación se recomienda purgar el cilindro con gas SF6 nuevo y posteriormente calentarlo a válvula abierta a una temperatura de 100°C y en seguida evacuarlo con una bomba de vacío. Los cilindros mostradores, deben enjugarse por lo menos dos veces con el gas a muestrear. Se recomienda almacenar los cilindros mostradores, con gas SF6 nuevo, a una presión ligeramente superior a la presión atmosférica. Antes de tomar la muestra el cilindro muestreador debe evacuarse con una bomba al vacío. Las conexiones utilizadas deben ser de acero inoxidable .

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

62

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

3.7 Niveles de Aislamiento de la Subestación de SF6 Todos los componentes que forman una subestación de SF6 deben de tener un definido nivel de aislamiento. Aunque haya fallas prolongadas en su interior, estas pueden evitarse, con la elección de un nivel de aislamiento apropiado, midiendo las sobretensiones externas a un límite. Lo anterior se explica en la siguiente tabla “Nivel de aislamiento en las subestaciones en SF6, de acuerdo a su clase de tensión”.

Rango de tensión

Rango de corta duración de la

Rango de tensión a la resistencia de

para el equipo

resistencia de tensión a alta

impulso para rayo Up

Ur

frecuencia Ud

Kv (valor r.m.s)

Kv(valor r.m.s)

Kv(valor r.m.s) Fase a tierra

Fase a tierra

atraves de

Atraves de la

atraves de

Atraves de la

dispositivos de

distancia de

dispositivos de

distancia de

aperturas y entre

aislamiento

aperturas y entre

aislamiento

fases.

fases.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

72.5

140

160

325

375

100

185

210

450

520

123

230

265

550

630

145

275

315

650

750

179

325

375

750

860

245

460

530

1050

1200

Nota los valores de la columna (2) son aplicables en: a) para tipo de pruebas, fase atierra y entre fases. b) para pruebas de rutina fase a fase y atraves de los dispositivos de apertura los valores en columnas (3), (4)y(5) son aplicados para pruebas de laboratorio

Tabla 3.3 NIVEL DE AISLAMIENTO EN LAS SUBESTACIONES EN SF6, DE ACUERDO A SU CLASE DE TENSIÓN.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

63

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

TEMA 4 Arreglos de las Subestaciones en SF6 4.1 Bus Simple (Barra simple)  Es el arreglo más simple y el que utiliza menor cantidad de equipo, por lo que

es el más económico. En la (figura 4.1) se muestra este tipo de

arreglo.  En condiciones normales de operación todos los elementos de la subestación (líneas de transmisión y bancos de potencia) están conectados al juego de barras colectoras a través sus propios interruptores y la cuchilla seccionada está cerrada.  Al operar la protección diferencial de barras para librar una falla, se envía el disparo de todos los interruptores desconectando todas las líneas y los bancos quedando totalmente fuera la subestación. Por lo cual no se tiene flexibilidad ya que se pierde la continuidad de servicio y se tienen que realizar transferencias de carga en el sistema.  El mantenimiento de las barras colectoras se dificulta debido a que es necesario hacerlo en vivo ó que la subestación quede totalmente fuera de servicio  Para darle mantenimiento a un interruptor es necesario que se ponga fuera de servicio su elemento asociado.  Para la ampliación de la subestación se requiere ponerla fuera de servicio.  Se usa en pequeñas subestaciones o plantas donde la simplicidad y economía son importantes.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

64

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Figura 4.1 ARREGLO DE BARRA SIMPLE

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

65

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

4.2 Bus anillo (Arreglo anillo) En condiciones normales de operación todos los interruptores están normalmente cerrados. Este tipo de diagrama se representa en la (figura 4.2) y cuenta con las siguientes características:  Permite la desconexión de un interruptor para proporcionarle mantenimiento sin necesidad de que alguna línea de transmisión o banco de transformación quede fuera de servicio, por lo que no se afecta el suministro de energía eléctrica.  Proporciona mayor continuidad de servicio que el arreglo de barra sencilla, utilizando la misma cantidad de equipo eléctrico.  Este arreglo permite con facilidad utilizar la capacidad de reserva de la subestación, tanto de transmisión como de transformación, para mantener la seguridad del sistema con la salida de uno de los elementos  No requiere protección diferencial de barras porque todas las partes de la subestación, con la misma tensión, quedan resguardadas por las protecciones debidamente traslapadas de las líneas y transformadores.  Para poder proporcionar una buena continuidad de servicio deben estar conectados en forma alternada las líneas con los transformadores, por lo que su construcción se complica por la entrada de las líneas de transmisión y la conexión de los transformadores, teniendo que poner estructuras adicionales.  Cuando no se conectan en forma alternada las líneas con los bancos, la desconexión simultánea de dos interruptores puede dejar fuera de servicio a toda la subestación.  El número máximo de elementos es de dos líneas y dos transformadores debido a que se complica su ampliación por el arreglo físico de la subestación.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

66

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

 Los esquemas de protección resultan más complicados debido a que las zonas deben quedar debidamente traslapadas y además deben ser adecuadamente seleccionados los interruptores que serán disparados por cada protección.  Los interruptores, cuchillas y transformadores de instrumento deben ser capaces de conducir la máxima corriente total de carga que podría circular a través de ellos, debido a cualquier maniobra de operación o contingencia.

Figura 4.2 ARREGLO EN ANILLO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

67

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

4.3 Arreglo de interruptor en medio La cual se muestra en la (figura 4.3), con las siguientes características: En condiciones normales de operación todos los interruptores del arreglo están cerrados Cada juego de barras colectoras cuenta con su propia protección diferencial de manera que en caso de presentarse una falla en cualquiera de las barras colectoras su respectiva protección envía disparos a todos los interruptores asociados a las barras, sin quedar desconectada ninguna línea de transmisión o transformador de potencia de la subestación. Permite proporcionar mantenimiento a cualquier interruptor sin necesidad de que quede fuera de servicio la línea o transformador asociado. Da facilidad para el mantenimiento de las barras colectoras sin dejar fuera de servicio a las líneas de transmisión y bancos de potencia conectados a ellas. Proporciona facilidad en la ampliación sin tener que dejar fuera de servicio a la subestación o parte de ella. Los esquemas de protección de las líneas de transmisión y transformadores de potencia resultan más complicados debido a que las zonas de protección deben quedar debidamente traslapadas y además deben mandar disparar tanto al propio interruptor del elemento fallado como al de enlace. Los interruptores, cuchillas y transformadores de instrumento deben ser capaces de conducir la máxima corriente total de carga, que podría circular a través de ellos debido a cualquier maniobra de operación o contingencia.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

68

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Figura 4.3 ARREGLO DE INTERRUPTOR EN MEDIO

4.4 Arreglo de doble barra doble interruptor

Este tipo de arreglo es el más completo pero también el más costoso, debido a la cantidad de equipo asociado, por lo que su aplicación se limita, generalmente, a las centrales eléctricas de gran potencia o en instalaciones muy importantes donde resulta fundamental la continuidad del servicio. En condiciones normales de operación todos los interruptores están cerrados.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

69

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Cada juego de barras colectoras cuenta con su propia protección diferencial de manera que en caso de presentarse una falla en cualquiera de los juegos de barras su respectiva protección envía disparar todos los interruptores asociados a este, transfiriendo totalmente la carga a las otras barras colectoras sin producir interrupción de servicio. Se puede proporcionar mantenimiento a cualquier barra o interruptor sin afectar el suministro de energía eléctrica Este arreglo puede soportar una doble contingencia a diferencia de otros tipos de arreglos. Proporciona facilidad en la ampliación sin tener que dejar fuera de servicio a la subestación o parte de ella. Las zonas de protección por relevadores quedan bien definidas.

Figura 4.4 ARREGLO DOBLE BARRA DOBLE INTERRUPTOR.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

70

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

4.5 Arreglo de doble barra con interruptor En condiciones normales de operación todos los elementos de la subestación se encuentran conectados al juego de barras principales. En la (figura 4.5) se muestra este tipo de arreglo. Este arreglo permite dar mantenimiento a cualquier interruptor por medio del propio interruptor comodín y barras auxiliares (transferencia), sin necesidad

de

que quede fuera de servicio la línea de transmisión o banco de potencia asociado. Cuando un interruptor se encuentre en mantenimiento se puede proteger a su elemento asociado, transfiriendo su protección al interruptor comodín. Se puede realizar la transferencia de todos los elementos de la subestación a las barras auxiliares, utilizando al interruptor comodín como amarre, para dar mantenimiento a las barras principales. Pero se requiere que las barras auxiliares cuenten también con protección diferencial de barras propia. Al operar la protección diferencial de barras para librar una falla, envía un disparo a todos los interruptores desconectando todas las líneas y bancos de potencia, quedando totalmente fuera la subestación. Por lo que se pierde la continuidad de servicio y se puede tener repercusiones que puedan causar un colapso del sistema. Los diagramas de conexiones con interruptor comodín y barra de transferencia proporcionan mayor facilidad en el mantenimiento de los interruptores, pero con estos arreglos se complica la instalación, las maniobras de operación y el esquema de protección y control. Debe disponerse de un sistema de bloqueos con el interruptor comodín para la operación de sus cuchillas desconectadoras. En comparación con el arreglo de barra sencilla la cantidad de equipo necesario es mayor por lo que también su costo.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

71

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Figura 4.5 ARREGLO DE DOBLE BARRA CON INTERRUPTOR

4.6 Restricción en Arreglos Los arreglos para una subestación aislada en gas (GIS) está influenciada por un número importante de requerimientos o restricciones, así como los arreglos para una (AIS), pero en una tipo hibrida estos arreglos son muy interesantes para su uso. Las restricciones generales son las siguientes: Área. Los requisitos para el área de una GIS serán por el espacio seleccionado por los polos de apertura, por el modo de circuitos de apertura (disyuntor), y por la necesidad de espacio para separaciones adecuadas de mantenimiento. Altura. Para la instalación al aire libre, la altura puede tener consideraciones estéticas importantes. Para una instalación interior requiere un espacio el cual se puede determinar por el modo de montaje del disyuntor (circuit-breaker).

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

72

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Nodos y uniones. Los arreglos consideran por la longitud de los nodos y el número de uniones requeridas. Salida de líneas. Las dimensiones totales de para una subestación aislada por gas será definida por el tipo de línea de salida seleccionada. Para una subestación de extra alta tensión en particular, las salidas requieren extenderse a lo alto del arreglo de la GIS conociendo el mínimo de espacio de fase a fase en aire.

e) Indicadores de posición .Los arreglos deben dar una vista clara de los indicadores de posición mecánicos de desconexión e interruptores a tierra. Todos los indicadores de posición deben ser visibles del piso o de una plataforma fácilmente accesible.

f) Expansión o ampliación. Si se prevé la ampliación del arreglo debe ser tal que la extensión de la instalación se pueda lograr en un tiempo mínimo.

g) Conexiones auxiliares. La longitud y el número de puntos terminales de las conexiones del cableado de control, conexión hidráulica, y del gas SF6 deben ser reducidas al mínimo

h) Gabinetes de control. El número y lugar de gabinetes de control puede ser establecido por el arreglo.

i) Unidades de envío. Es esencial reducir al mínimo el número de unidades de envío, para reducir la instalación de la GIS.

j) Mantenimiento. Los arreglos deben de dar una máxima flexibilidad para rutinas de mantenimiento. Remover equipos y la dirección del gas SF 6 se debe lograr con facilidad.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

73

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

k) Operación. La comodidad de operación debe ser segura. Su manejo debe ser accesible y agrupado. Todos los dispositivos indicadores y medidores deben ser visibles y fácil acceso.

l) Transformador de potencia. El lugar y tipo de conexión eléctrica para el transformador de potencia afectará el arreglo (SF6-aceite, SF6-aire, o por una boquilla de aire de SF6). m) Conexiones del cable. El lugar y tipo de conexión para los cables afectará el arreglo (SF6-aceite, SF6-aire, o por una boquilla de aire de SF6). n) Apartarrayos. El arreglo, particularmente la longitud de los nodos de conexión puede dictarse si están los apartarrayos adentro de la GIS.

o) Disposición. El diseño modular de una subestación aislada por gas (GIS) ofrece un alto grado de flexibilidad para cualquier diagrama de una simple línea especificada. En vista de la alta confiabilidad de los componentes de hoy en día las GIS con más de 2000 operaciones antes del mantenimiento, los arreglos simplificados podrían ser una manera de reducir costos, particularmente en estaciones con costo limitado de interrupción. Un arreglo de nodos en anillo reduce el costo total de una GIS usando conexiones por medio de cables a lo alto de las líneas y / o transformadores, especialmente en niveles arriba de 245 kV, reduciendo considerablemente el espacio total requerido para el acceso a mantenimiento.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

74

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Tema 5 Análisis comparativo

De manera general las subestaciones aisladas en aire Son tradicionalmente las más utilizadas. Los equipos, cables y barras se encuentran aislados en aire. Además, por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y separada del resto. Los tamaños de los dispositivos y barras resultan mucho mayores en conjunto, ya que las distancias de seguridad a tener en cuenta son mucho mayores. Por otro lado las subestaciones GIS tienen sus partes bajo tensiones aisladas en gas

Hexafluoruro de azufre (SF6), en lugar de aislación en aire como las

subestaciones AIS cada equipo de alta tensión, incluyendo las barras principales o colectoras, están encapsuladas independientemente en un compartimiento metálico previsto de un ambiente de gas SF6 a presión mayor que la atmosférica.

5.1 Ventajas y desventajas

Algunas de las ventajas de las subestaciones aisladas en (SF6) con respecto a las aisladas en aire (AIS) son: Menor utilización de materiales, Menor desperdicio de materiales al final de su vida útil, Reducción de espacio, el proceso de disociación de la molécula es refrigerante y permite enfriar el arco eléctrico, Recuperación rápida después del arco eléctrico (rigidez dieléctrica). Con respecto a las desventajas es que las subestaciones aisladas en aire son las más comúnmente utilizadas a pesar de que utilizan mayor material para su desarrollo, mayor desperdicio de los mismos, espacios de instalación muy grandes, desgaste de aislamiento, corrosión ambiental, etc.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

75

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

5.2 cuadro comparativo del SF6, con respecto al Aire

VENTAJAS DE LAS SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS CON RELACIÓN A LAS DE AIRE AIRE SF6 Mayor utilización de materiales para el Menor utilización de materiales desarrollo de los equipos. Mayor desperdicio de materiales

Menor desperdicio de materiales al final de su vida útil

Espacio de instalación muy grandes

Reducción de espacio.

Después del corte de un arco requiere El proceso de disociación de la un enfriamiento, y recuperación de su molécula es refrigerante y permite rigidez dieléctrica Existencia

enfriar el arco eléctrico.

de

sobretensiones Recuperación rápida después del

significativas

arco eléctrico (rigidez dieléctrica)

Desgaste de aislamiento.

No

genera

sobretensiones

significativas Existen puntos calientes o puntos de No hay desgaste en el aislamiento. falla

No existen puntos calientes en los contactos.

La rigidez dieléctrica depende del medio La rigidez dieléctrica no es afectada ambiente.

No

apto

para

el

medio por el medio ambiente

ambiente contaminado Los gases generadores al corte del arco Los gases generadores al corte del eléctrico,

son

emitidos

hacia

la arco eléctrico no son emitidos hacia

atmósfera

la atmósfera

Existe oxidación en los contactos

Vida útil de 30 años

Tabla 1.3 COMPARACIÓN DE SF6 CON RESPECTO AL AIRE

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

76

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

CAPITULO III CONCLUSIONES Existen una gran cantidad de subestaciones diferentes con particularidades tanto en la tecnología empleada como en la disposición y de la instalación. El tipo de aislamiento tanto de los equipos como de las barras, el diseño de la configuración que afecta básicamente a temas de seguridad, análisis de fallas eléctricas y la naturaleza de la propia instalación (si tiene transformación o no), provocan que no se pueda establecer fácilmente unos patrones generales de subestaciones). Las subestaciones comparadas en este trabajo recepcional fueron las aisladas en aire (AIS) y gas (SF6) para su mayor conocimiento y aplicación. Las subestaciones aisladas en aire Son tradicionalmente las más utilizadas, Los tamaños de los dispositivos y barras resultan mucho mayores en conjunto, por otro lado las subestaciones aisladas en gas están encapsuladas independientemente en un compartimiento metálico previsto de un ambiente de gas SF6 a presión mayor que la atmosférica. Con lo anteriormente dicho se puede concluir que por su estructura y características las subestaciones aisladas en gas (SF6) son mas practicas de aplicar y utilizar con respecto a las aisladas en aire por el gran consumo en todos sus aspectos.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

77

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

BIBLIOGRAFIA MANUAL PROCEDIMIENTO SOM DE C.F.E. MANUAL DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DE L. Y F.C. EXPOSICIÓN DE SUBESTACIONES EN SF6 DE “SCHNEIDER ELECTRIC”. “ ELECTRIC POWER SUBSTATIONS ENGINEERING” Autor: John D. McDonald. Editorial: CRC Press

ELEMENTOS DE DISEÑO DE SUBESTACIONES ELECTICAS Autor: Enríquez Harper.- 2006.-Limusa.- 626 p.

SITIOS WEB:

www.wikipedia.com www.areva-td.com www.google.com

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

78

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

GLOSARIO Subestación eléctrica: conjunto de elementos o Dispositivos que nos permite cambiar las características de energía (Tensión, corriente, Frecuencia) Tipo C.A. a C.C., a bien, conservarle dentro de ciertas características. Tensión eléctrica o diferencia de potencial: es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Corriente o intensidad eléctrica: es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Frecuencia: es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Cuchillas (seccionadores) o desconectadora: La 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. El interruptor: Es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

79

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Transformadores de Instrumento (TC) y (TP) Se denominan transformadores para instrumento los que se emplean para alimentación de equipo de medición, control o protección. Transformador de corriente (TC): Se 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 alimentar a instrumentos de medición, generalmente 5 amperes. Transformador de potencia (TP): aquél cuya función principal es transformar los valores de voltaje sin tomar en cuenta la corriente. Estos transformadores sirven para alimentar instrumentos de medición, control o protección que requieran señal de voltaje.

Barras colectoras o buses: En si una barra colectora es un conjunto de conductores eléctricos para interconectar los diferentes circuitos o nodos de una subestación; por ejemplo a líneas de transmisión, generadores, banco de transformadores, banco de tierras, entre otros. Dichas barras se encuentran sostenidas por aisladores, como su nombre lo dice como medio aislante y soporte mecánico de dichas barras, estas pueden clasificarse como:

Apartarrayos: El Apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra Sobretensiones de tipo atmosférico. Las ondas que se presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente. (SF6): Hexafluoruro de azufre

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

80

SUBESTACIONES AISLADAS EN AIRE Y GAS

Aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor. Dicho material se denomina aislante. Sobretensiones: Aumento de tensión que pueden causar graves problemas a los equipos conectados a la línea, desde su envejecimiento prematuro a incendios o destrucción de los mismos.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

81