Centrales Eléctricas I Clase 8.1 Subestaciones

Centrales Eléctricas I
Subestaciones Eléctricas
Subestaciones Eléctricas
Arreglo de equipos eléctricos y obras complementarias,
destinado a la transferencia de energía eléctrica mediante la
transformación o distribución de potencia.
Una subestación está constituida por un conjunto de equipos
que cumplen la función de unir eléctricamente varios circuitos
proporcionando funciones de maniobra, protección, y
supervisión necesarios para la operación segura y confiable de
un SEP.
Subestaciones Eléctricas
Definiciones:
• Patio: Conjunto de equipos de la subestación que manejan un
mismo nivel de tensión. Por ejemplo, patio a 220 kV, patio a 500
kV, patio a 110 kV.
• Edificio de control: Edificación donde se ubican los gabinetes en
los cuales se disponen los equipos de control, medida y
protección, además de los dispositivos para maniobrar los
diferentes equipos de la subestación.
• Casetas de relés: Pequeña edificación opcional para instalar
equipos de protección y realizar agrupamiento de señales de
medición y de control.
Subestaciones Eléctricas
Clasificación según Uso:
• Generación: Su función es aumentar los niveles de tensión
para transmitir la energía de una forma más eficiente.
• Transmisión: Permiten unir circuitos de tal forma que se
aumente la confiabilidad del SEP. Ante una falla en un
circuito cualesquiera, se aísla solo una porción pequeña de la
red.
• Distribución: Se reduce la tensión de la energía de las redes
de alta tensión a otros niveles de tensión para distribuirla.
Subestaciones Eléctricas
Clasificación según Tecnología:
De acuerdo con la tecnología pueden ser convencionales o
aisladas en aire, encapsuladas en SF6, o en celdas (caso de
media y baja tensión).
Subestaciones Eléctricas
Funciones:
• Protección: Las subestaciones tienen los equipos necesarios
para detectar las fallas y aislarlas de las fuentes de energía.
Esto es indispensable para la seguridad de las personas y la
integridad de los equipos.
• Medida: Se miden las tensiones, corrientes, flujos de
potencia activa y reactiva, energía, etc. Esta medición de
variables es útil desde el punto de vista operativo y
comercial.
Subestaciones Eléctricas
Funciones:
• Maniobra: Para realizar reconfiguraciones de la red o para
retirar de servicio circuitos y equipos para mantenimiento,
garantizando la seguridad de las personas y manteniendo la
continuidad del servicio.
• Supervisión y control: Cuenta con los elementos necesarios
para que desde una estación remota se pueda conocer el
estado de los diferentes equipos y de las variables eléctricas.
También, es posible realizar maniobras en forma remota.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Aislamiento:
El aislamiento del equipo se determina de acuerdo con la
tensión nominal del sistema, las sobretensiones esperadas y
las condiciones ambientales. Esto determina la distancia de
fuga que debe tener el aislamiento (por ejemplo, la porcelana
de los equipos).
La contaminación ambiental establece cuanta distancia se
requiere por cada kV de aislamiento necesario. Por ejemplo 16
mm/kV, 20 mm/kV, 25 mm/kV o 31 mm/kV.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
Los interruptores se clasifican en:
• Interruptores de tanque muerto: Tienen el tanque que confina el
medio en el cual se interrumpe el arco conectado a tierra. Se
conectan al exterior mediante bujes, lo cual permite instalar
sobre estos los transformadores de corriente.
• Interruptores de tanque vivo: El medio en el cual se extingue el
arco se encuentra sometido a alta tensión. Tienen la ventaja de
ocupar menos espacio y ser más económicos.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
El interruptor es un elemento de conexión o desconexión de
circuitos eléctricos. Su función la cumple en dos niveles diferentes:
• Maniobra: Es la conexión o desconexión de circuitos con un flujo
de corriente que no es muy superior a la corriente nominal del
circuito.
• Protección: Es la desconexión de circuito que se encuentran bajo
condiciones de falla, generalmente se interrumpe una corriente
muy superior a la corriente nominal del circuito.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
Los mecanismos de operación pueden ser:
• Neumáticos: Almacenan la energía para la operación en forma de
aire comprimido, por lo cual se requiere de la utilización de
compresores.
• Hidráulicos: Almacenan la energía para la operación en forma de
aceite a presión, por lo cual se requiere de la utilización de
bombas.
• Resortes: Almacenan la energía para la operación en resortes,
por lo cual se requiere de la utilización de motores para la carga
de dichos resortes.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
Los medios utilizados para la extinción del arco que se forma
en la cámara de extinción, debido a la apertura o cierre con
corriente de carga o de falla, pueden ser:
• Aceite
• Aire comprimido
• SF6
• Vacío (media tensión)
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Interruptores:
Los tiempos de operación de los interruptores pueden ser de
alrededor de 40 o 50 ms.
Las secuencias de maniobra normalmente son:
O –0,3 seg–CO –3 min–CO (OCO)
Lo anterior significa que un interruptor puede abrir el circuito,
recerrar a los 0,3 s y en caso de cierre en falla debe esperar 3
minutos para intentar de nuevo la maniobra de cierra.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionadores:
Es un elemento de conexión o desconexión de circuitos eléctricos.
La diferencia con el interruptor es que solo se puede utilizar para
maniobras y que puede abrir circuitos solo en alguno de los
siguientes casos:
• Cuando la diferencia de tensión esperada entre los terminales en
el momento de la apertura es insignificante.
• Cuando la corriente que se espera interrumpir es insignificante.
Si se intenta interrumpir corrientes significativas (carga o
cortocircuito), el seccionador no interrumpe el arco eléctrico.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionadores:
El seccionador proporciona un corte visible que es un requisito de
seguridad indispensable para la intervención de equipo eléctrico.
De acuerdo con la función que cumplen se pueden tener los
siguientes tipos de seccionadores:
• De maniobra: Para aislar equipos, para transferir circuitos, etc.
• De puesta a tierra: Conectan a tierra un circuito o equipo
• Bajo carga: Interrumpen corrientes de carga sin la necesidad de
un interruptor para realizar las maniobras. No tienen la
capacidad de interrumpir corrientes de falla. Se utilizan
normalmente en media tensión.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionador de Apertura
Central:
Tienen sólo dos columnas de
aislamiento por fase y requieren
mayor espaciamiento entre fases
debido a la apertura lateral.
Se utilizan normalmente en
tensiones hasta 245 kV.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionador de Rotación
Central:
Tienen tres columnas por
cada fase.
Permiten
un
menor
espaciamiento entre fases
que los de apertura lateral.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionador de Apertura
Vertical:
Ofrecen la posibilidad de
un espaciamiento mínimo
entre fases. Se requiere
una altura del campo
superior.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Seccionador tipo pantógrafo
y semipantografo:
La distancia entre fases
puede ser mínima. El espacio
ocupado a lo largo es
reducido. Se utilizan en extra
alta tensión es decir 500 kV,
sin embargo, en algunos
casos especiales se utilizan
en tensiones menores para
facilitar la disposición física
de los equipos.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Corriente:
Aíslan los circuitos de medición y protecciones de las altas
tensiones permitiendo que los relés, equipos de medición y
equipos de registro sean aislados solo para baja tensión. Por
ejemplo, se pasa un sistema de 500 kV en el primario a un sistema
de 600 V en baja tensión.
Disminuyen la corriente que circula a través de los circuitos de
protección y medida a niveles que sean fácilmente manejables.
Por ejemplo, se pueden tener 1000 A de corriente nominal en el
primario y 1 A de corriente nominal en el secundario.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Corriente:
• Núcleos de protecciones: Para llevar las corrientes a los
equipos de protecciones y equipos de registro de falla.
• Núcleos de medición: Proporcionan la corriente necesaria
para todos los equipos de medición tales como
amperímetros, vatímetros, unidades multifuncionales de
medida, contadores de energía, transductores para
telemedida, etc.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Corriente:
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Corriente:
Los transformadores de corriente de alta tensión
normalmente
cuentan
con
varias
relaciones
de
transformación, por ejemplo, se puede tener un mismo núcleo
con relaciones 800-400/5 A. El cambio de relación de
transformación puede ser en el primario o en el secundario.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Corriente:
Por ejemplo, CT 5P10 proporciona una precisión del
5% para 10 veces la corriente nominal cuando en el
secundario se tiene la carga nominal. Para la medida,
simplemente se tiene el porcentaje de error que se
garantiza para la corriente nominal; por ejemplo,
una precisión de 0.2 significa un error máximo del
0.2% a la corriente nominal. También se tiene la
clase de precisión extendida la cual significa que el
error se garantiza en un rango de corriente y no solo
para la corriente nominal; por ejemplo, 0.2 s significa
un error máximo del 0.2% para una corriente entre
el 20% y 120% de la corriente nominal.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Tensión:
Aíslan los circuitos de medida y protección
de las altas tensiones. Por ejemplo, se pasa
un sistema de 500 kV en el primario a un
sistema de 600 V en baja tensión.
Disminuyen la tensión que se lleva a los
circuitos de protección y medida a niveles
que sean fácilmente manejables. Por
ejemplo, se pueden tener 220 kV de tensión
nominal en el primario y 110 V de tensión
nominal en el secundario.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Pararrayos:
Los pararrayos forman un anillo de
protección contra las sobretensiones que
se presentan en el sistema debido a
descargas atmosféricas o a las maniobras
de cierre o apertura de interruptores
asociados a los circuitos de líneas,
transformadores,
reactores
y
capacitores.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Pararrayos:
El material utilizado para construcción de
estos equipos es el óxido de zinc ZnO,
anteriormente se utilizaba el carburo de
silicio. Las resistencias de ZnO se
encuentran confinadas dentro de un
aislador, el cual puede ser de porcelana o
polimérico; este material presenta una
resistencia no lineales que permiten el paso
de una corriente baja cuando la tensión es
inferior a la nominal y una alta corriente
para altos niveles de voltaje.
Equipos de Subestaciones Eléctricas
Transformadores de Potencia:
La función del transformador de potencia es adaptar los niveles de
tensión para los diferentes procesos que se tienen en el sistema
eléctrico: generación, transmisión, distribución y uso.
Normalmente son sumergidos en aceite, aunque los transformadores de
baja potencia (< 2 MVA) y uso interior pueden ser de tipo seco.
Existen diferentes métodos de refrigeración:
• ONAN: Aceite natural, aire natural
• ONAF: Aceite natural, aire forzado
• OFAF: Aceite forzado, aire forzado
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Flexibilidad:
Es la propiedad de la subestación para acomodarse a las
diversas condiciones que se puedan presentar especialmente
por cambios operativos en el sistema, y además por
contingencias y/o mantenimiento del mismo.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Confiabilidad:
Es la probabilidad de que una subestación pueda suministrar
energía durante un período de tiempo dado, bajo la
condición de que al menos un componente de la subestación
esté fuera de servicio (interruptor, barraje, etc).
La confiabilidad de una subestación se puede analizar con
técnicas de cadenas de Markov considerando tasas de falla y
de reposición de equipos tanto para condiciones de falla
como para condiciones de mantenimiento.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Seguridad:
Es la propiedad de una instalación de dar continuidad de
servicio sin interrupción alguna durante falla de los equipos
de potencia, especialmente interruptores y barrajes. La
seguridad implica confiabilidad.
Por lo general la seguridad está determinada por la potencia
que se pierde durante la falla ó mantenimiento y su impacto
en la estabilidad y el comportamiento del resto del sistema.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Seguridad:
Idealmente un sistema es seguro y confiable cuando todos
sus elementos están duplicados y la pérdida de uno de ellos
no afecta a los otros. Por razones económicas ningún
sistema o subestación se hace 100% seguro y con base en
esto se debe efectuar el diseño.
Básicamente existen dos tendencias en configuraciones de
subestaciones: La Europea ó de conexión de barras y la
Americana ó de conexión de interruptores.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Barra Sencilla:
Ventajas: Económica, fácil de proteger, ocupa poco espacio y no
presenta muchas posibilidades de operación incorrecta.
Desventaja: Falta de confiabilidad, seguridad y flexibilidad
teniendo así que suspender el servicio en forma total cuando se
requiera hacer una revisión ó reparación en la barra colectora, o
del circuito cuando la revisión o reparación es en el interruptor.
Se gana alguna confiabilidad y flexibilidad agregando un
seccionamiento longitudinal.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Barra Sencilla:
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Barra Principal y Barra de Transferencia:
Con esta configuración cada campo de
conexión se puede conmutar por medio
del interruptor de transferencia a la
barra de igual nombre, conservando en
esta forma el servicio del campo
respectivo durante el mantenimiento del
interruptor o fallas del mismo, lo que
demuestra la buena confiabilidad de la
subestación bajo estas circunstancias.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Doble Barra:
Esta configuración es flexible y confiable pues
permite separar circuitos en cada una de las
barras.
No es segura cuando se presentan fallas en
barras e interruptores. Es posible hacer
mantenimiento en barras sin suspender el
servicio. Dada su flexibilidad, se puede usar el
acople como seccionador de barras,
permitiendo así conectar a una y otra barra
circuitos provenientes de una misma fuente
sin necesidad de hacer cruce de las líneas a la
entrada de la subestación.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Doble Barra mas Seccionador de Bypass:
Esta subestación se puede operar, no
simultáneamente, como doble barra o
como barra principal más transferencia,
no presentándose así conjuntamente las
propiedades
de
flexibilidad
y
confiabilidad. Esta configuración es la
que requiere un mayor número de
equipos por campo, presentándose así
mismo más elevada posibilidad de
operación incorrecta durante maniobras.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Doble Barra mas Seccionador de
Transferencia:
Esta configuración es una variante de la
anterior, utilizando un seccionador
menos. Tiene las mismas características
de la doble barra con seccionador de
“by-pass” aún cuando se pierde la
flexibilidad de poder realizar la
transferencia a través de cualquiera de
las dos barras. En este caso solamente la
barra 2 puede utilizarse como
transferencia.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Doble Barra mas Barra de Transferencia:
Es una combinación de la barra principal y de transferencia y la doble barra, dando como
resultado un arreglo que brinda simultáneamente confiabilidad y flexibilidad.
Normalmente se usan dos interruptores para las funciones de acople y transferencia,
respectivamente, pudiéndose así efectuar en forma simultánea ambas operaciones. En
algunos casos se utiliza un sólo interruptor (con el debido arreglo de seccionadores)
perdiéndose así la función fundamental de las tres barras, con lo cual se asimila esta
configuración a las dos anteriores.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Anillo:
La barra colectora es un anillo conformado por interruptores. Para aislar un circuito se requiere la apertura de los
dos interruptores. Para aislar un circuito por un período largo, se debe abrir el seccionador de la línea para cerrar
los interruptores asociados a dicho circuito y así dar continuidad al anillo.
Es económica, segura y confiable si todos sus interruptores están cerrados. En caso de falla en un circuito,
mientras se hace mantenimiento en otro, el anillo puede quedar dividido y presentar falta de servicio para alguna
de las partes, o perderse la seguridad en el sistema. Desde el punto de vista de la flexibilidad la subestación es
similar a una barra sencilla. Para efectos de distribución de corrientes, los circuitos conectados al anillo se deben
distribuir de tal manera que las fuentes de energía se alternen con las cargas.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Interruptor y Medio:
Se tienen tres interruptores (diámetro) por cada dos salidas. Se puede hacer mantenimiento a
cualquier interruptor o barraje sin suspender el servicio y sin alterar el sistema de protección. Una
falla en un barraje no interrumpe el servicio a ningún circuito. Es segura y confiable tanto por falla en
los interruptores como en los circuitos y en las barras. No es flexible porque se opera con ambas
barras energizadas y todos los interruptores cerrados. El hecho de tener dos barras no significa que los
circuitos puedan ser conectados independientemente a cualquiera de ellas, como en el caso de la
doble barra. La protección y el recierre se complican por el hecho de que el interruptor intermedio
(entre dos circuitos) debe trabajar con uno u otro de los circuitos asociados.
Configuración de Subestaciones Eléctricas
Doble Barra con Doble Interruptor:
En esta configuración se duplican tanto las barras como los interruptores de cada circuito.
Presenta la mayor seguridad tanto por falla en barras como en interruptores. Da gran libertad
para la operación, para trabajos de revisión y mantenimiento. Para lograr la mayor seguridad
cada circuito se debe conectar a ambas barras o sea todos los interruptores cerrados y las
dos barras energizadas.
Es la más costosa de todas las configuraciones a expensas de su seguridad desde el punto de
vista del suministro, por lo cual su adopción en un caso particular requiere una justificación
cuidadosa.
Centrales Eléctricas I
Subestaciones Eléctricas