Las cosas básicas sobre subestaciones que DEBES saber en medio de la noche!

Entonces, ¿qué es la subestación?

Para explicarlo en palabras muy simples, diría que la subestación es un montón de dispositivos eléctricos reunidos y conectados en un solo lugar. En la parte superior hay dispositivos eléctricos inteligentes que controlan y protegen a los demás para que todo funcione correctamente. Y todos los dispositivos de la subestación son felices, al menos hasta que algo va mal…

¡Las cosas básicas sobre subestaciones que DEBES saber en plena noche!
¡Las cosas básicas sobre subestaciones que DEBES saber en medio de la noche!

De una manera menos simple, la subestación es la parte clave de los sistemas de generación, transmisión y distribución eléctrica. La subestación transforma la tensión de alta a baja o de baja a alta según sea necesario. La subestación también envía la energía eléctrica desde las estaciones de generación hasta el centro de consumo.

La energía eléctrica puede fluir a través de varias subestaciones entre la planta de generación y el consumidor, y el voltaje puede cambiar en varios pasos.

Contenido:

  1. Clasificación de subestaciones
  2. Subestaciones de transmisión
  3. Sub.subestaciones de transmisión
  4. Subestaciones de distribución
  • Equipos de subestación
  • Transformadores
  • Interruptores automáticos
  • Interruptores de desconexión
  • Subestación Bus
  • Pararrayos
  • Aisladores y conductores
  • Relés de protección
  • Fusibles
  • Localización de subestaciones
  • 1. Clasificación de las subestaciones

    Las subestaciones pueden dividirse generalmente en tres tipos principales (según los niveles de tensión):

    1.1 Subestaciones de transmisión

    Las subestaciones de transmisión integran las líneas de transmisión en una red con múltiples interconexiones paralelas, de modo que la energía puede fluir libremente a través de largas distancias desde cualquier generador hasta cualquier consumidor.

    Esta red de transmisión suele denominarse sistema de energía a granel. Normalmente, las líneas de transmisión operan a tensiones superiores a 138 kV. Las subestaciones de transmisión suelen incluir la transformación de un nivel de tensión de transmisión a otro.

    Sistema de transmisión y distribución de energía eléctrica
    Figura 1 – Sistema de transmisión y distribución de energía eléctrica

    La función principal de la transmisión es transmitir la energía a granel desde las fuentes de generación deseables hasta los puntos de entrega de energía a granel.

    Los beneficios han sido tradicionalmente la reducción de los costes de la energía eléctrica, el acceso a energías renovables como la eólica y la hidráulica, la ubicación de las centrales eléctricas lejos de los grandes núcleos de población y el acceso a fuentes de generación alternativas cuando las fuentes primarias no están disponibles.

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    1.2 Subestaciones de subtransmisión

    Las subestaciones de subtransmisión suelen operar en niveles de tensión de 33 kV a 138 kV. Este tipo de subestaciones transforman las altas tensiones utilizadas para la transmisión eficiente de larga distancia a través de la red a los niveles de tensión de subtransmisión

    Esta forma de transmisión de energía a través de líneas de suministro a las subestaciones de distribución en las regiones circundantes es mucho más rentable.

    Estas líneas de suministro son alimentadores radiales, cada uno de los cuales conecta la subestación con un pequeño número de subestaciones de distribución.

    Sistemas de subtransmisión radial
    Figura 2 – Sistemas de subtransmisión radial

    La configuración de subtransmisión de doble fuente es más fiable: Los fallos en uno de los circuitos radiales de subtransmisión no deberían provocar interrupciones en las subestaciones. Los fallos en un circuito doble pueden causar interrupciones en varias estaciones.

    La configuración de subtransmisión radial de una sola fuente es menos fiable: Los fallos en el circuito de subtransmisión radial pueden causar interrupciones en múltiples subestaciones.

    La mayoría de las líneas de subtransmisión son de tipo aéreo. Muchas de ellas se construyen a lo largo de carreteras y calles, al igual que las líneas de distribución. Algunas líneas de subtransmisión de mayor tensión utilizan una servidumbre de paso privada como la que utilizan las líneas de transmisión a granel.

    Además, las nuevas líneas de subtransmisión tienden a colocarse bajo tierra, ya que el desarrollo de los cables de aislamiento sólido ha hecho que los costes sean más razonables.

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    1.3 Subestaciones de distribución

    Las subestaciones de distribución suelen operar a niveles de tensión de 11KV/0.4KV y entregan la energía eléctrica directamente a los consumidores industriales y residenciales. Tenga en cuenta que el nivel de tensión de distribución puede variar en los países de todo el mundo.

    Los alimentadores de distribución transportan la energía desde las subestaciones de distribución hasta las instalaciones de los consumidores finales. Los alimentadores dan servicio a un gran número de locales y suelen contener muchas ramificaciones.

    En los locales de los consumidores, los transformadores de distribución transforman la tensión de distribución en la tensión de nivel de servicio utilizada directamente en los hogares y las plantas industriales. Suele ser de 230 V o 400 V.

    Diagrama unifilar de los principales componentes del sistema eléctrico desde la generación hasta el consumo
    Figura 3 – Diagrama unifilar diagrama de línea simple de los principales componentes del sistema de energía desde la generación hasta el consumo (haga clic para ampliar)

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    2. Equipos de la subestación

    La subestación puede incluir los siguientes equipos:

    1. Transformador de potencia o transformador de distribución (según el tipo de subestación)
    2. Interruptores automáticos
    3. Interruptores de desconexión
    4. Aisladores
    5. Busbars
    6. Transformadores de intensidad
    7. Transformadores de potencia.
    8. Transformadores de potencial
    9. Pararrayos
    10. Relés de protección
    11. Baterías de la estación
    12. Sistema de puesta a tierra
    13. En la figura 4 se muestra un esquema de conexión típico de una subestación.

      Diagrama monofilar típico de una subestación
      Figura 4 – Diagrama típico de línea simple de una subestación

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      2. Transformadores.1 Transformadores

      Los transformadores son una parte esencial de cualquier sistema de energía eléctrica. Vienen en varios tamaños y voltajes.

      Los transformadores de corriente alterna son una de las claves que permiten la distribución generalizada de la energía eléctrica tal y como la vemos hoy en día. Los transformadores convierten eficazmente la electricidad en un voltaje más alto para la transmisión a larga distancia y de nuevo en voltajes bajos adecuados para el uso del cliente.

      Transformador de subestación
      Figura 5 – Transformador de subestación

      Los transformadores de potencia de distribución realizan la transición de tensión necesaria desde el nivel de tensión de transmisión (o subtransmisión) a un nivel adecuado para la distribución de energía. Un ejemplo de esta transición sería el cambio de 66 kV a 11 kV.

      El tamaño de un transformador de potencia de distribución suele variar aproximadamente entre 16 MVA y 63 MVA, con un peso de entre 20 y 50 toneladas. El transformador suele ser una unidad trifásica.

      Los bancos trifásicos, construidos a partir de unidades monofásicas, también pueden implementarse debido a razones específicas como las restricciones de transporte por carretera o la solicitud de una unidad monofásica de repuesto.

      El transformador de potencia es generalmente el componente individual más caro en una subestación de distribución primaria. A continuación, se analizan las características, la construcción y la protección de los transformadores de potencia de distribución, así como su influencia en el rendimiento del sistema de distribución completo.

      La atención se centra en las unidades trifásicas aisladas en aceite mineral (sumergidas en aceite), que constituyen la mayoría de los transformadores de potencia de distribución en aplicaciones bajo la influencia de la CEI.

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      2.2 Interruptores automáticos

      Los interruptores automáticos que controlan las altas tensiones y protegen otros equipos de la subestación también se encuentran en las subestaciones eléctricas. Muchas subestaciones exteriores utilizan disyuntores llenos de aceite. Este tipo de disyuntor tiene los contactos sumergidos en un aceite aislante contenido en una caja metálica.

      Otro tipo de disyuntores de alta tensión es el disyuntor magnético de aire en el que los contactos se separan en el aire cuando la línea eléctrica se sobrecarga.

      Se utilizan bobinas magnéticas de soplado para desarrollar un campo magnético que provoca el arco producido cuando los contactos se rompen. Así, el arco se concentra en son conductos donde se extingue.

      Una modificación de este tipo es el disyuntor de aire comprimido. En este tipo, una corriente de aire comprimido se concentra en el contacto cuando se abre la línea eléctrica. El aire comprimido ayuda a extinguir el arco, que se desarrolla cuando los contactos se abren.

      Debe señalarse que hay grandes arcos presentes siempre que se interrumpe un circuito de alta tensión. Este problema no se da en gran medida en los equipos de protección de baja tensión.

      Interruptores de alta tensión
      Figura 6 – Interruptores de alta tensión

      Dos tipos principales de interruptores basados en una construcción son los interruptores de tanque vivo y los interruptores de tanque muerto. En los disyuntores con tanque vivo, la superficie exterior de la cámara de ruptura no está conectada a tierra y está bajo la influencia de la tensión primaria, por lo que está «viva».

      En los disyuntores con tanque muerto, la superficie exterior de la cámara de ruptura está conectada a tierra, por lo que está «muerta». Los disyuntores de tanque muerto generalmente sólo están disponibles para instalaciones exteriores a partir de 33 kV.

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      2.3 Interruptores de desconexión

      Los interruptores de desconexión se utilizan para desconectar los equipos eléctricos de las líneas de energía que los alimentan. Normalmente, los interruptores de desconexión no se operan cuando la corriente fluye a través de ellos.

      Se produciría un problema de arco eléctrico de alta tensión si los interruptores de desconexión se abrieran mientras la corriente fluye a través de ellos.

      Se abren principalmente para aislar el equipo de las líneas eléctricas por motivos de seguridad.

      La mayoría de los interruptores de desconexión son del tipo «air-break», cuya construcción es similar a la de los interruptores de cuchilla. Estos interruptores están disponibles para su uso en interiores o exteriores, tanto en diseños manuales como motorizados.

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      2.4 Bus de subestación

      La conexión eléctrica y física de los buses de subestación se rige normalmente por la seguridad, la fiabilidad, la economía, la capacidad de mantenimiento y la facilidad de las operaciones.

      El bus es en realidad la estructura eléctrica a la que se conectan todas las líneas eléctricas y los transformadores. En general, hay dos tipos: al aire libre y cerrados. Los buses cerrados se utilizan en edificios o al aire libre, donde el espacio es muy valioso.

      Las estructuras de los buses deben estar diseñadas para soportar altas corrientes de cortocircuito y grandes fuerzas mecánicas como consecuencia.

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      2.5 Protectores contra sobretensiones

      Las instalaciones eléctricas están expuestas a tensiones de sobretensión causadas por diversas fuentes. Por naturaleza, las sobretensiones provocadas por las fuentes tienen características diferentes en cuanto a magnitud, frecuencia, duración y velocidad de subida.

      Los fenómenos de sobretensión se clasifican tradicionalmente en tres categorías distintas:

      1. Sobretensiones temporales
      2. Sobretensiones de conmutación
      3. Sobretensiones de rayo
      Tipos de sobretensiones
      Figura 7 – Tipos de sobretensiones

      En subestaciones de distribución primaria, el principal dispositivo de protección de los equipos instalados contra las sobretensiones son los descargadores de sobretensiones sin tapa de óxido de zinc. La selección del descargador de sobretensiones adecuado depende de varios factores.

      Los fabricantes de descargadores de sobretensiones han publicado directrices y ejemplos de selección para demostrar y apoyar el proceso de selección.

      El descargador de sobretensiones debe soportar las sobretensiones continuas y temporales de frecuencia de potencia que se experimentan en el sistema durante el funcionamiento normal, los fallos del sistema y las operaciones de conmutación. Los descargadores de sobretensiones también tienen que ser capaces de limitar las sobretensiones por debajo del nivel de resistencia especificado de los equipos de la instalación.

      Una falta a tierra monofásica o bifásica provoca una situación de sobretensión temporal en la fase o fases sanas y también en el neutro de los transformadores de potencia conectados en Y. La amplitud está determinada por las condiciones de puesta a tierra del sistema y la duración está determinada por los ajustes de protección (tiempo de despeje de la falta).

      Los descargadores tienen que ser capaces de soportar las tensiones térmicas durante estas situaciones.

      Pararrayos con terminal inferior conectado a tierra (144kV)
      Figura 8 – Pararrayos con borne inferior conectado a tierra (144kV)

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      2. Aisladores y conductores6 Aisladores y conductores

      Todas las líneas de transmisión de energía deben estar aisladas para evitar riesgos de seguridad. En las subestaciones y en otros puntos del sistema de distribución de energía se utilizan grandes cadenas de aisladores para aislar los conductores portadores de corriente de sus soportes de acero o de cualquier otro equipo montado en tierra.

      Los aisladores pueden ser de porcelana, caucho o un material termoplástico.

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      2.7 Relés de protección

      Los relés de protección proporcionan un método preciso y sensible para proteger los equipos de distribución eléctrica de cortocircuitos y otras condiciones anormales.

      Los relés de sobreintensidad se utilizan para provocar la apertura rápida de las líneas eléctricas cuando la corriente supera un valor predeterminado. El tiempo de respuesta de los relés es muy importante para proteger los equipos de los daños.

      Algunos tipos comunes de fallos que pueden ser protegidos por los relés son los cortocircuitos de línea a tierra, los cortocircuitos de línea a línea, los cortocircuitos dobles de línea a tierra y los cortocircuitos de línea trifásica. Cada una de estas condiciones está causada por condiciones de circuito defectuoso que extraen una corriente anormalmente alta (corriente de defecto) de las líneas de alimentación.

      Los relés de protección son dispositivos electrónicos inteligentes avanzados (IED) alimentados externamente, también denominados terminales de alimentación.

      En una aparamenta primaria moderna, las funciones dedicadas a la bahía, como la protección, el control y la medición, se llevan a cabo con terminales de alimentación. El terminal de alimentador realiza las funciones de protección asignadas, lleva a cabo el control local y remoto de los dispositivos de conmutación, recoge y procesa y muestra los datos medidos e indica el estado de los dispositivos de conmutación.

      Esquemas de protección de barras
      Figura 9 – Cuadro de protección de barras con relés MICOM

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      2. Fusibles.8 Fusibles

      Dado que las líneas de energía eléctrica se cortocircuitan con frecuencia, se utilizan diversos equipos de protección para evitar daños tanto a las líneas/equipos de energía como al personal. Este equipo de protección debe estar diseñado para manejar altas tensiones y corrientes.

      Para proteger las líneas eléctricas de alta tensión se pueden utilizar tanto fusibles como disyuntores.

      Los fusibles de alta tensión (los que se utilizan para más de 600 voltios) se fabrican de varias formas. Un fusible de tipo expulsión tiene un elemento que se funde y vaporiza cuando se sobrecarga, provocando la apertura de la línea eléctrica conectada en serie con él.

      Fusible de expulsión
      Figura 10 – Fusible de expulsión

      Los fusibles de líquido tienen una carcasa metálica llena de líquido, que contiene el elemento fusible. El líquido actúa como medio supresor. Cuando el elemento fusible se funde debido a una corriente excesiva en una línea eléctrica, el elemento se sumerge m el líquido para extinguir el arco.

      Este tipo de fusible reduce el problema de los arcos de alta tensión.

      Un fusible de material sólido es similar a un fusible líquido, excepto que el arco se extingue en una cámara llena de material sólido. Normalmente, los fusibles de alta tensión en las subestaciones se montan junto a los interruptores de desconexión por aire. Estos interruptores proporcionan un medio para conmutar las líneas eléctricas y desconectarlas para su reparación.

      El recinto de fusibles e interruptores suele estar montado cerca de las líneas eléctricas aéreas en una subestación.

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      3. Ubicación de la subestación

      Las subestaciones de distribución deben estar ubicadas lo más cerca posible de la carga a la que se va a dar servicio. Además, las futuras necesidades de carga deben planificarse con precisión.

      El nivel de tensión de distribución también es una consideración muy importante. Por lo general, cuanto más alta sea la tensión de distribución, más alejadas pueden estar las subestaciones. Sin embargo, la capacidad y el número de clientes que se atienden son mayores a medida que aumenta la distancia.

      Central de distribución exterior de 123 kV con barras dobles, disposición en línea
      Figura 11 – Ejemplo de central de distribución exterior de 123 kV con barras dobles, disposición en línea. Las barras son tubulares.

      La decisión de la ubicación de la subestación debe basarse en la fiabilidad del sistema y en factores económicos. Entre estos factores se encuentran:

    • La disponibilidad de terrenos,
    • Costes de explotación estimados,
    • Impuestos,
    • Las leyes locales de zonificación,
    • Factores medioambientales y
    • La posible opinión pública.
    • También se tiene en cuenta el hecho de que el tamaño del conductor aumenta a medida que aumenta el tamaño de la carga suministrada. El nivel de tensión del primario afecta no sólo al tamaño de los conductores, sino también al tamaño de los equipos de regulación, al aislamiento y a otros valores nominales de los equipos.

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