Unidad i Subestaciones

SUBESTACIONES ELECTRICAS. UNIDAD I

SUBESTACIONES, DEFINICION, CLASIFICACION.

SUBESTACION

1. RELACION CON EL SISTEMA DE POTENCIA.

2. CLASIFICACION

3. ELEMEMTOS CONSTRUCTIVOS

4. CONEXIN CLASICA

SUBESTACION

En el empleo de la energa elctrica, ya sea para fines industriales, comerciales o de

uso residencial, interviene una gran cantidad de maquinas y equipo elctrico.

Un conjunto de equipo elctrico utilizado para un fin determinado lo conoce con el

nombre de SUBESTACIN ELCTRICA.

Definiciones.

Como se ha visto con anterioridad, una subestacin elctrica no es ms que una de

las partes que intervienen en el proceso de generacin-consumo de energa elctrica,

por lo cual podemos dar las siguientes definiciones:

Las subestaciones son componentes de los Sistemas de Potencia Elctrica, en donde

se modifican los parmetros de la potencia y sirven de punto de interconexin para

facilitar la transmisin y distribucin de la energa elctrica.

Una subestacin elctrica es un conjunto de elementos o dispositivos que nos

permiten cambiar las caractersticas de energa elctrica (voltaje, corriente, frecuencia,

etc.), tipo C.A. o bien C.C., o bien conservarle dentro de ciertas caractersticas.

1.- RELACION CON EL SISTEMA DE POTENCIA.

Sistema de potencia.

Los sistemas de Potencia, estn conformados fundamentalmente por las siguientes

partes:

Centrales de Generacin (generadores)

Sistema de Transmisin

Sistema de Sub-transmisin

Sistema de Distribucin



Generacin.

Es aqu donde se realiza la transferencia de energa potencial, trmica, qumica, elica

(del viento), nuclear, etc. en energa mecnica y esta en energa elctrica. Para lo cual

se utilizan gigantescos generadores.

Los generadores funcionan de manera similar a los motores, pero en forma inversa,

esto significa que: mientras a un motor le inyectamos energa elctrica para

transformarla en energa mecnica (movimiento); a los generadores debemos de

alguna manera entregarle energa mecnica (mover su eje) para transformarla en

energa elctrica y as producir electricidad. Claro est que un simple motor no

funcionar como generador, para que lo haga deber tener ciertos accesorios

adicionales que los motores normalmente no traen.

Transmisin.

Toda la electricidad producida en los centros de generacin se debe transportar hacia

los grandes centros poblados, que por lo general se encuentran bastante alejados, uno

del otro. Para realizar esta labor de forma eficiente se eleva el voltaje, por medio de

transformadores, a valores entre 230 KV y 765 KV y se utilizan grandes torres

metlicas para sujetar los cables que la transportan, cruzar montaas, ros y lagos;

esta es la etapa que denominamos Transmisin.

Sub-transmisin.

Una vez que nos aproximamos a los centros poblados, es necesario reducir el voltaje

a valores menores (34.5 KV y 115 KV), por medio de transformadores reductores.

Para facilitar as, la entrega de energa a su paso y hacer ms sencillo transportar la

electricidad hacia los grandes centros industriales y residenciales de las grandes

ciudades (al poder utilizar estructuras metlicas de menores dimensiones). Esta

corresponde a la etapa de Sub-transmisin.

Existen otros autores que consideran el nivel de voltaje de 115KV como de

transmisin, por lo que podr encontrarse en algunos textos esta diferencia sin que

ello signifique un error, sino ms bien una diferencia de criterios.



Distribucin. Primaria y secundaria

Finalmente y para poder llegar a cada uno de los hogares, centros comerciales e

industrias, se vuelve a reducir el voltaje a valores de (34,5 kV o 13.8 KV )( distribucin

primaria) y menores, por medio de transformadores reductores. De esta forma es

mucho ms sencillo, econmico y seguro, transportar la energa elctrica a cada

rincn del pueblo, urbanizacin o ciudad. Estamos entonces en la etapa de

distribucin.

En esta etapa se reduce el voltaje a valores comerciales (120 voltios, 240 voltios, 440

voltios, distribucin secundaria), por medio de transformadores instalados

directamente en los postes, casetas, patios o subterrneos por donde se transporta la

energa elctrica, son los componentes de la fase de distribucin y los ltimos en la

carrera de la electricidad desde el generador hasta nuestro hogar.

Los lugares donde se colocan los transformadores, bien sea para elevar o reducir el

voltaje, se conoce como "Subestacin Elctrica".

Relacin entre las subestaciones elctricas, lneas de transmisin y centrales

generadoras

Por razones tcnicas (aislamiento, enfriamiento, etc.), los voltajes de generacin en las

centrales generadoras son relativamente bajos en relacin con los voltajes de

transmisin, por lo que si la energa elctrica se va a transportar a grandes distancias

estos voltajes de generacin resultaran antieconmicos debido a que se tendra gran

cada de voltajes. De aqu se presenta la necesidad de transmitir la energa elctrica a

voltajes ms elevados que resulten ms econmicos. Por ejemplo, si se va a transmitir

energa elctrica de una central generadora a un centro de consumo que est situado

a 1,000 Km de distancia, ser necesario elevar el voltaje de generacin que

supondremos de 13,8 kV a otro de transmisin ms conveniente que asumimos sea de

110 kV, como se ilustra en la figura # 1.

FIGURA # 1



Para poder elevar el voltaje de generacin de 13,8 kV al de transmisin de 110 kV es

necesario emplear una Sub-estacin (figura # 2).

FIGURA # 2

Suponiendo que la cada de voltaje en la lnea de transmisin fuera 0 voltios,

tendramos en el centro de consumo 110 kV. Es claro que este voltaje no es posible

emplearlo en instalaciones industriales y an menos en comerciales y residenciales,

de donde se desprende la necesidad de reducir el voltaje de transmisin de 110 kV a

otro u otros ms convenientes de distribucin en centros urbanos de consumo. Por tal

razn ser necesario emplear otra subestacin elctrica B, como se ilustra en la figura

# 3.

FIGURA # 3

De lo anteriormente expuesto se puede inferir que existe una estrecha relacin entre

las subestaciones elctricas, lneas de transmisin y centrales generadoras.

2.- CLASIFICACIN DE LAS SUBESTACIONES ELCTRICAS

Es difcil hacer una clasificacin precisa de las subestaciones elctricas, pero de

acuerdo con lo que ya hemos estudiado, podemos hacer la siguiente clasificacin.

a) Por su operacin:

1. De corriente alterna.

2. De corriente continua.

b) Por su servicio:

Primarias:



Elevadora

Receptoras reductoras

De enlace o distribucin

De switcheo o de maniobra

Convertidoras o Rectificadoras.

Secundarias

Receptoras

Reductoras

Elevadoras

Distribuidoras

De enlace

De convertidoras o

Rectificadoras.

c) Por su construccin.

1. Tipo intemperie

2. Tipo interior

3. Tipo blindado.

SUBESTACIONES RECEPTORAS PRIMARIAS:

Alimentadas directamente de Lneas de Transmisin. Reducen la tensin a valores

menores para la alimentacin de sistemas de subtransmisin o de redes de

distribucin, dependiendo de la tensin de transmisin pueden tener en el secundario

tensiones del orden de 230, 115 0 69 kV y eventualmente de 34.5, 13.2, 6.9 o 4.16 kV.

SUBESTACIONES. RECEPTORAS SECUNDARIAS:

Subestacin. Alimentada por las redes de subtransmisin y suministran la energa a

las redes de distribucin a tensiones comprendidas entre 34.5 y 6.9 kV

SUBESTACIONES TIPO INTEMPERIE:

Son las Subestacin diseadas para operar expuestas a las condiciones atmosfricas

(lluvia, nieve, viento, contaminacin ambiental, etc.) y ocupan grandes extensiones de

terreno. Estas instalaciones manejan alta tensin y extra alta tensin.



SUBESTACIONES. TIPO INTERIOR:

Subestaciones. Construida en el interior de edificios, no son aptas para operar bajo

condiciones atmosfricas, actualmente son utilizadas por la industria incluyendo la

variante de las tipo blindado

SUBESTACIONES BLINDADAS:

En estas Sub. el equipo est totalmente protegido del medio ambiente, el espacio que

ocupan es muy reducido, por lo general son ocupadas en hospitales, interior de

fabricas, auditorios, centros comerciales, lugares densamente poblados, lugares con

alto ndice de contaminacin, en lugares donde no se cuenta con una extensin

grande de terreno para poder instalar una de tipo convencional (intemperie).

SUBESTACIONES ENCAPSULADAS:

En estas Subestaciones. El equipo se encuentra totalmente protegido del medio

ambiente el espacio que ocupan es la tercera parte de una Subestaciones.

Convencional, todas las partes vivas y equipos que soportan la tensin estn

contenidos dentro de envolventes metlicos que forman mdulos fcilmente

conectados entre si, estos mdulos se encuentran dentro de una atmsfera de gas

seco y a presin que en la mayora de los casos es hexafloruro de azufre (SF6) que

tiene la caracterstica de reducir las distancias de aislamiento, comparativamente con

las del aire.

3.- ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIN

Existen 4 puntos importantes que se deben considerar al disear una Sub-estacin.

Las tensiones a las que trabajara la instalacin (Sub-estacin.)

Nivel de aislamiento admisible en los aparatos por instalar

Corriente mxima que se prev en servicio continuo (mxima potencia en

condiciones normales de operacin).

Corriente mxima de falla (corriente de corto circuito)

Los elementos que constituyen una subestacin se pueden clasificar en elementos

principales y elementos secundarios.



Elementos principales

1. Transformador.

2. Interruptor de potencia.

3. Restaurador.

4. Cuchillas fusibles.

5. Cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba.

6. Pararrayos.

7. Tableros duplex de control.

8. Condensadores.

9. Transformadores de instrumento.

Elementos secundarios

1. Cables de potencia.

2. Cables de control.

3. Alumbrado.

4. Estructura.

5. Herrajes.

6. Equipo contra incendio.

7. Equipo de filtrado de aceite.

8. Sistema de tierras.

9. Carrier.

10. Intercomunicacin.

11. Trincheras, conducto, drenajes.

12. Cercas.

TRAMOS DE UNA SUBESTACIN.

Un tramo es el espacio fsico de una subestacin, conformada por equipos de

maniobra y de potencia asociados entre s.

De acuerdo a la funcin que cumplen, los tramos pueden clasificarse en:

Tramo de Generacin

Tramo de Transformacin

Tramo de Salida de lnea

Tramo de Acople y/o seccionamiento de barra



Tramo de Transferencia

Tramo de Compensacin.

Tramo de Generacin.

Est conformado por:

Unidad Generadora

Disyuntor de Salida

Transformadores de corriente

Transformador de potencia

Tramo de Transformacin.

Existen dos (2) tipos de tramos de transformacin con el mismo diseo, segn el nivel

de tensin del tramo:

Tramo llegada de transformador a barra (lado Alta Tensin)

Tramo llegada de transformador a barra (lado Baja Tensin)

El tramo del lado de alta tensin, puede estar asociado a uno o ms transformadores y

est conformado por:


Disyuntor

Seccionadores de lnea y barra


Seccionadores rompearco

Pararrayos



El tramo del lado de baja tensin, est asociado a un solo transformador y est

conformado por:


Disyuntor


Transformador de potencial

Seccionadores (para el caso de Autotransformadores)

Pararrayos

El transformador de potencia aparece en ambos tramos debido que l constituye el

elemento principal para la denominacin del tramo



Tramo de Salida de Lnea.

Est conformado por:

Un disyuntor

Un seccionador de lnea

Un seccionador de puesta a tierra

Dos seccionadores de barra.

Tres transformadores de corriente

Trampa de onda

Transformadores de potencial

Pararrayos (opcional)

Tramo de Acople y/o Seccionamiento de Barras.

De acuerdo al esquema de barras existente en la subestacin, el tramo puede estar

constituido por componentes diferentes, tales como:

Por un seccionador. Generalmente utilizado en niveles de tensin de 115 y 34,5 kV

Por un disyuntor extrable. Utilizado en celdas blindadas



Por un disyuntor y sus dos seccionadores asociados. Utilizado en niveles de tensin

de 115, 230 y 400 kV.

Tramo de Transferencia.

Su funcin bsica es la de sustituir temporalmente en sus funciones, al disyuntor del

tramo que es sometido a mantenimiento o reparacin.

Sus componentes varan de acuerdo al nivel de tensin al que estn sometidos:

Tensin 115 y 230 kV

Un disyuntor

Un seccionador de barra principal

Un seccionador de barra de transferencia

Tensin de 13,8 y eventualmente 34,5 kV

Un disyuntor

Tres transformadores de corriente

Seccionadores de transferencia



Tramo de Compensacin.

Est conformado por:

Un disyuntor

Seccionadores

Elemento compensador

(reactancia shunt o banco

de condensadores)

4.- CONEXIONES CLSICAS

Las conexiones usuales en los diferentes tipos de subestaciones se pueden dividir en

dos grupos: conexiones para subestaciones elevadoras (grupo planta generadora-

subestacin), y conexiones para subestaciones receptoras o de enlace.

Conexin directa a barras

En la conexin directa a barras se encuentran uno o varios generadores conectados

directamente al bus por medio de interruptores; desde luego, como no se dispone de

transformadores, las lneas operan a las tensiones nominales de generacin, 4.16, 6.6,

13.8 o 14.2 KV y se emplean para distribucin urbana.

Este tipo de conexin se utiliza en capacidades no mayores de 10 MVA, debido a que

en casos de corto circuito las corrientes son elevadas como consecuencia de la poca

limitacin.



Conexin bloque o unidad

Cuando los generadores se encuentran conectados al bus comn transformador de

por medio, entonces se dice que cada generador forma con cada transformador una

unidad o bloque, por lo que a esta conexin se le conoce como bloque o unidad.

La conexin bloque o unidad es de las ms empleadas, se usa en aquellos casos en

que la tensin de transmisin es mayor que la de generacin.

En este tipo de conexin se tiene mayor proteccin de los generadores contra las

corrientes de cortocircuito, debido a que la reactancia de dispersin de los

transformadores limita el valor de la corriente. Por tales caractersticas, esta conexin

se utiliza para transmitir grandes cantidades de energa (normalmente ms de 15

MVA). En algunas ocasiones en lugar de un transformador trifsico se emplea un

banco de transformadores monofsicos para elevar la tensin.



En todo diagrama unifilar se deben indicar las caractersticas principales del equipo.

As, por ejemplo, para las conexiones directas a barra o unidad de tiene:

Conexin para alimentar a dos tensiones, una para distribucin y otra para

transmisin.

En algunos casos el lugar en que se halla instalado una central operadora es una

localidad que requiere de servicio elctrico; entonces la central generadora



desempea dos funciones: alimenta cargas a cierta distancia por medio de lneas de

transmisin y asimismo alimenta redes urbanas.

La seleccin de la tensin entre terminales de los generadores se debe a hacer de

acuerdo con la tensin a que opera el arreglo urbano.

Esta conexin se emplea generalmente en centrales termoelctricas de capacidades

relativamente bajas (5-15 MVA) y a que entreguen energa a distancias relativamente

cortas.

Conexin para alimentacin a dos tensiones mayores que la tensin de

generacin

En estos casos se recomienda el uso de transformadores con devanado terciario, que

resulta ms econmico que el empleado de dos transformadores de dos devanados;

adems de este tipo de conexin requiere de menor cantidad de equipo auxiliar.

En capacidades relativamente altas y que requieran continuidad en el servicio es

recomendable emplear dos o ms transformadores (con devanado terciario) en

paralelo, con objeto de dividir la carga.



Conexin con bus seccionado

En los casos en que la potencia de los generadores es grande, con objeto de dividir la

carga y de limitar el valor de las corrientes de corto circuito el bus de acoplamiento de

los generadores se secciona en dos o ms partes (dependiendo del nmero de

partes, la capacidad y nmero de generadores).

Las partes de bus seccionadas con el propsito de que se puedan hacer intercambios

de energa, en ciertos casos se interconectan por medio de interruptores de amarre,

que normalmente estn abiertos.

La conexin de bus seccionado se emplea tambin para alimentacin de servicios

propios de una plana.

Conexin con doble barra (doble bus)

Los sistemas importantes requieren que se mantenga la continuidad del servicio. El

sistema de doble barra permite que se alimente por una barra y se tenga otra de

reserva para los casos de reparacin o mantenimiento de aisladores de la barra

principal (transferencia). El sistema de doble barra permite tambin dividir la corriente

cuando se tienen varios generadores operando en paralelo, ya que algunos pueden

operar sobre la barra de transferencia y otros sobre la de reserva. Con esto se logra



dividir y en caso de falla disminuir las corrientes de corto circuito y, en consecuencia,

evitar grandes esfuerzos.

Conexin con doble barra (doble bus) e interruptor de amarre

En los casos en que sea necesario pasar de una barra a otra sin interrumpir el

servicio, o alimentar por cualquiera de las lneas de salida (o llegada) sin

interrupciones, al sistema de doble barra se le adapta un interruptor de amarre entre

las dos barras.

Las conexiones para subestaciones receptoras son en general las mismas que para

las subestaciones elevadoras.



1. Cuchillas desconectadoras. 2. Interruptor. 3. TC. 4. TP. 5. Cuchillas desconectadotas para sistema de medicin. 6. Cuchillas desconectadoras de los transformadores de potencia.

7. Transformadores de potencia. 8. Barras de conexin. 9. Aisladores soporte. 10. Conexin a tierra. 11. Tablero de control y medicin. 12. Barras del tablero 13. Sujecin del tablero

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