Sistemas auxiliares

¿QUE ES UN SISTEMA AUXILIAR EN LAS
SUBESTACIONES ELECTRICAS?
Se define como el conjunto de instalaciones formadas por
las fuentes de alimentación de corriente directa y de
corriente alterna, de baja tensión, que se utilizan
para energizar los sistemas de control, protección,
señalización, alarmas y alumbrado de una
subestación, así como el sistema contra incendio.
Los sistemas auxiliares de una instalación se puede
considerar alimentados de la siguiente forma:
1.
En corriente directa, por una batería de 120 volts y
216 ampere-horas y otra de 51 volts y 35 amperehora.
2.
En corriente alterna, por dos transformadores de 225
KVA 23 KV/220-127 volts alimentados cada uno de
ellos por un banco de potencia distinto, o por un
banco y un alimentador que pueda tener regreso de
otra subestación, a través de la red de distribución.
EJEMPLO DE UN DIAGRAMA UNIFILAR
PARTES QUE CONFORMAN UN SISTEMA AUXILIAR
Los sistemas auxiliares pueden dividirse en los siguientes conjuntos de
partes y de sistemas:
1. Servicios de estación
- Transformadores
- Tableros
- Baterías
- Cargadores
-
Planta de emergencia
2. Alumbrado
- Tipos de luminarias
- Clases de alumbrados
- Distribución de gas
3. Sistema contra incendio
4. Aire acondicionado
TRANSFORMADORES
Dependiendo de la complejidad de la subestación será
el tipo de transformador que se utilizara. Siempre se
deberán de utilizar dos transformadores, para que uno
sea la reserva del otro.
La conexión de estos es delta en alta tensión y estrella
con neutro aterrizado en el lado de baja tensión, la
sincronización de ambos transformadores será con un
mecanismo de transferencia automática.
TABLEROS
La cantidad de tableros dependerá de la complejidad de
la subestación. Normalmente se utiliza un tablero
principal y tableros secundarios aunque esto podría
variar dependiendo de lo anteriormente mencionado.
TABLERO PRINCIPAL
Este tablero se utiliza para el control y protección de
los servicios de corriente alterna. Esta formado por
cuatro barras, o sea, tres fases que deben soportar
hasta 800 amperes continuos y un cortocircuito entre
fases de 17 KA y una barra que es el neutro. Las
barras deben de soportar una tensión nominal de 220
VCA a 60 Hz.
En uno de sus extremos tendrá la alimentación
proveniente de los transformadores, que ira
directamente al interruptor principal, adema contara
con interruptores secundarios y salidas a otros tableros
si hubiera esa necesidad.
TABLEROS SECUNDARIOS
La alimentación de estos tableros viene del tablero
principal con una alimentación de 220 volts de
corriente alterna al igual que el tablero principal debe
de contar con sus 4 barras con una función igual que
en la del tablero principal y debe de soportar un
cortocircuito entre fases de 15 KA.
En el interior de este tablero se alojan interruptores
electromagnéticos de diferentes capacidades, un
conjunto de aparatos de medición, de lámparas piloto
y de conmutadores.
BATERIAS
Las baterías instaladas en las subestaciones, que forman
parte de los servicios auxiliares, tienen como función
principal almacenar la energía que se utiliza en el
disparo de los interruptores. Por lo que deben de
encontrarse siempre en optimas condiciones de
funcionamiento.
La batería de 120 volts se utiliza para energizar:
1.
Protecciones.
2.
Lámparas piloto, aunque a veces se energizan con
corriente alterna.
3.
Registrador de eventos.
4.
Circuito de transferencia de potenciales.
5.
Sistema contra incendio.
IMAGEN DE UN BANCO DE BATERIAS
Osciloperturbógrafo.
Gabinete del equipo de onda portadora.
Control de los interruptores de alta y baja tensión.
Control de las cuchillas.
Alarmas.
Alumbrado de emergencia.
La batería de 51 volts se utiliza para energizar el equipo
de comunicaciones de telecontrol y electrónico.
Cuando la subestación es operada manualmente solo se
utiliza la batería de 120 volts.

La tensión de una batería se fija en función de la
capacidad de la instalación lo que a su vez
repercute, según las cargas, en la sección de los
conductores. En subestaciones excesivamente
grandes se llega a utilizar baterías de 250 volts.

En las subestaciones se pueden instalar baterías de
tipo ácido o alcalino. En la mayor parte de los casos
se instalan las ácidas, que tienen la ventaja de
costar la mitad, con una duración de unos 20 años,
ligeramente inferior alas alcalinas. La mayor
ventaja de las ácidas viene dada por la característica
de conocerse el estado de la carga que almacena la
batería en función de la densidad que tiene el
electrolito, cosa que no se puede determinar en las
baterías alcalinas.
 Las baterías se instalan en un cuarto cerrado, que
forma parte del edificio principal de la subestación, y lo
más cerca posible de los tableros para reducir al máximo
la longitud de los cables y por lo tanto la posibilidad de la
aparición de sobretensiones, por acoplamiento capacitivo
o inductivo.
 Los cuartos en que se instalan las baterías, ya sean
ácidas o alcalinas, deben estar provistos de un extractor
de gases, que deberá arrancar unos minutos antes de la
apertura de la puerta de entrada del personal, con el fin de
eliminar la posible acumulación del hidrógeno que se
desprende durante las descargas intensas de las baterías y
que, en presencia de alguna chispa originada en la ropa
de la persona que entra, puede provocar una explosión.
 Los locales destinados a baterías deben ser secos, bien
ventilados y sin vibraciones que puedan originar
desprendimiento excesivo de gases y desgaste prematuro
de las placas. La temperatura debe variar entre 5 y 25° C.
 La iluminación debe efectuarse por medio de
luminarias y apagadores del tipo aprueba de explosión. El
suelo debe ser aprueba de ácido o álcali, según sea el tipo
de batería, y deberá tener una ligera pendiente con un
canal de desagüe, para evacuar rápidamente el líquido
que se pueda derramar o el agua del lavado. Los muros,
techos y ventanas deben recubrirse con pintura resistente
al ácido o a los álcalis.
 La capacidad de una batería viene dada por el valor
de los ampere-horas que puede suministrar en
condiciones de trabajo normales. La cantidad de
electricidad que cede en la descarga es menor que la
que recibe en su carga, de acuerdo con su eficiencia,
misma qué disminuye en las descargas rápidas.
 Las subestaciones con tensiones superiores a 150
kV, suelen utilizar baterías de 200
A-h, pero si
utilizan interruptores de aire comprimido, puede ser
suficiente con 100 A-h. En instalaciones con tensiones
menores, la capacidad de la batería puede reducirse a
valores comprendidos entre 50 y 75 A-h.
 La carga de la batería de una subestación se puede
efectuar por medio de dos unidades, formada cada una,
por un motor de corriente alterna acoplado a un
generador de corriente directa. Este procedimiento ha
caído en desuso, por ser de un costo alto y de baja
precisión en el valor de la tensión de flotación, factor
que es muy importante en la tensión de flotación de la
vida de la batería. En la actualidad está más extendido
el uso de cargadores electrónicos de estado sólido, que
se pueden regular con mucha mayor precisión, son más
baratos, requieren menos mantenimiento, no son
ruidosos y ocupan menor espacio.
Las baterías se conectan a las barras generales de
corriente directa a través de un interruptor
termomagnético, que para el caso de la batería de
120 volts, deberá ser de 250 volts, dos polos, 400
amperes nominales y capacidad interruptiva de 10
kiloamperes.
En algunos países, en vez de baterías de 120 volts y
200 A-h han venido usando unidades de 40 volts,
pero de mayor capacidad, lo que proporciona una
potencia semejante pero menor tamaño.
El consumo permanente de una batería lo debe
surtir el cargador, y la batería debe proporcionar los
valores de pico. En caso de falta de corriente
alterna, la batería debe mantener, durante 4 horas,
la demanda normal de la subestación incluyendo
una corriente de pico con una duración de hasta 10
segundos. Se considera corriente de pico ala que se
obtiene durante la operación simultánea de tres
interruptores.
La tensión por celda, después de 4 horas de
corriente normal más la de un pico, no debe ser
menor de 1.9 volts, comparada con la original que
era de 2.18 volts, según se muestra en la Figura
siguiente.
Grafica tensión – tiempo de una celda
CARGADORES
Son los dispositivos que mantienen las baterías al nivel de
carga nominal. Estos dispositivos son rectificadores
estáticos, construidos con tiristores y que regulan la
tensión de flotación de la batería.
Para cada batería se utilizan dos cargadores, uno como
sustituto del otro. Los cargadores se instalan en un cuarto
cercano al de baterías, para protegerlos de los gases que
desprenden éstas y evitar la posibilidad de una explosión.
La capacidad de los cargadores debe poder mantener la
carga de flotación a tensión constante y, al mismo tiempo,
suministrar el consumo de la carga permanente. En el caso
de que el cargador esté suministrando la carga completa y
simultáneamente aparezca un pico de carga extra, la
batería suministrará la diferencia de carga.
En el caso de una falla en la corriente alterna, en que la
batería alimenta todas las instalaciones de emergencia,
más las suyas propias, al regresar aquélla el cargador debe
poder suministrar la demanda normal y recargar la batería
hasta el valor de flotación. La capacidad del cargador se
selecciona a base de obtener el periodo de carga rápida, en
un tiempo máximo de 5 horas, en las condiciones más
desfavorables.
Los cargadores deben tener protección de sobrecarga y
de cortocircuito, en el lado de corriente alterna y en el
de directa. Además, deben tener supervisión por medio
de vóltmetro y ampérmetro, en la salida de corriente
directa.
El gabinete que soporta el cargador puede ir sobre el
suelo o montado en una pared.
PLANTA DE EMERGENCIA
Son grupos motor-generador que se utilizan en algunas
subestaciones muy importantes, para que en caso de
fallas de los dos circuitos del servicio de estación, se
tenga una tercera posibilidad de tener energía para
operar los circuitos de baja tensión de ca y cd, de la
subestación de que se trate. La capacidad depende de la
complejidad de la subestación, pero en general, es del
orden de 80 kW 220/127 volts 60 Hz, 3 fases y 4 hilos.
Dichas plantas, una por subestación, arrancan y se
conectan en forma automática, al desaparecer la tensión
de corriente alterna. La conexión se efectúa en las
barras principales de corriente alterna, que son
alimentadas por los dos transformadores del servicio de
estación, dicha conexión se hace por medio de un
interruptor operado por un equipo de transferencia
automática.
El equipo de transferencia automática, mediante los
dispositivos adecuados, transfiere la carga del sistema
normal de los transformadores al sistema de la planta
de emergencia en un tiempo no mayor de 50
milisegundos, por medio de relevadores que detectan
la falla de tensión. Al restablecerse el suministro
normal de energía, el equipo de transferencia conecta
de nuevo la carga al servicio normal, en un tiempo
variable entre cero y cinco minutos, para dar
oportunidad a que el sistema de suministro de energía
se estabilice.
El equipo de transferencia automática contiene las
siguientes partes importantes:
1. Protecciones eléctricas y mecánicas que evitan que
los contactos del lado normal y de emergencia puedan
quedar conectados simultáneamente.
2. Un dispositivo de tiempo ajustable, para retardar de
cero a cinco minutos la operación del equipo de
transferencia al servicio normal, y otro para retardar de
cero a quince minutos el paro del motor, después de
continuar su operación sin carga, por haberse
reestablecido el suministro normal de energía
eléctrica.
3. Dos relevado res sensibles ala baja tensión, ajustables
para detectar y además arrancar automáticamente la
planta de emergencia, cuando la tensión del sistema
exterior disminuya, como límite, hasta un 70% de su
valor normal, o pararla cuando la tensión se reestablezca
por arriba del 90 % del valor nominal.
4. Reloj programador que en forma automática arranca y
para la planta de emergencia en forma diaria o semanal, a
la hora y durante el tiempo deseado. Estos arranques se
efectúan con la planta trabajando en vacío, para que la
unidad se encuentre en perfectas condiciones de
operación y con sus dos baterías de arranque a plena
carga eléctrica.
5. Cargador automático de las baterías.
6. Equipo de arranque y paro automático que controla el
arranque, paro, funcionamiento y protección de la unidad.
En el caso de que al fallar la alimentación normal, no
arranque, un control deberá provocar que se inicien, tres
intentos de arranque y paro, con intervalos de 30
segundos, durante un periodo de 90 segundos y en caso
de persistir la negativa al arranque, el circuito deberá
encender una lámpara de alerta y activar una alarma
sonora. En el caso de que en el primer intento de
arranque el motor de combustión interna tenga éxito, el
control deberá desconectar el circuito de arranque
automático.
7. El motor de la planta deberá de incluir
señalización y alarma para las siguientes fallas,
señales que a su vez deben parar inmediatamente la
unidad hasta que llegue el personal adecuado:
- Alta temperatura del agua de enfriamiento.
- Baja presión en el circuito de aceite lubricante.
- Sobrevelocidad.
ALUMBRADO DE SUBESTACIONES
Las instalaciones de energía eléctrica, como son
las subestaciones, deben ser dotadas de
alumbrado para que el personal de operación,
mantenimiento y vigilancia puedan desarrollar
sus trabajos respectivos. Aun en subestaciones
automatizadas, en que prácticamente no hay
personal, se requiere de alumbrado.
En la iluminación de una subestación se pueden
considerar cuatro propósitos básicos:
1. seguridad en la operación del equipo.
2. Transito Sin peligro.
3. Inspección del equipo,
4. Trabajos de mantenimiento.
No se pueden dar reglas fijas sobre la iluminación de
una subestación, porque la intensidad y distribución de
los puntos de luz dependen de una serie de
circunstancias, como pueden ser los reglamentos de
las autoridades de trabajo, las políticas sobre el ahorro
de energía, las reglas de las empresas eléctricas en lo
referente a que en las subestaciones no se debe de
efectuar mantenimiento nocturno, etc. Es el proyectista
el que debe resolver esta cuestión y señalar la solución
más conveniente en cada caso.
Una cuestión importante en las subestaciones es el
llamado alumbrado de emergencia. Al fallar el servicio
todas las áreas quedarían sin luz, precisamente en
momentos en que es necesario. Para evitarlo, se debe
contar con un pequeño alumbrado de emergencia,
alimentado por un circuito de batería.
Iluminación horizontal
Esta iluminación debe abarcar toda la subestación al
nivel del suelo, para asegurar el tránsito del personal sin
peligro. Los peligros potenciales como conductores
caídos y objetos que yazcan en el suelo, deben ser
visibles.
Para este tipo de iluminación se utilizan luminarias
instalados en el perímetro de la subestación, montados
sobre postes de 6 a 9 metros de altura, complementados
por otros luminarias instalados en la estructura de la
subestación, o en postes o estructuras instaladas en el
centro del área por iluminar, de tal manera que se
eliminen al máximo las sombras causadas por el equipo
eléctrico.
Las luminarias deben colocarse alejadas de las partes
energizadas, de modo que se puedan sustituir las
lámparas defectuosas, sin riesgo para el personal de
mantenimiento.
Iluminación vertical
Esta iluminación debe abarcar las superficies verticales
del equipo, localizadas generalmente arriba del nivel
del ojo, de tal manera que se tenga una iluminación
adecuada a ese plano de trabajo, que es donde, se
encuentran la mayoría de las tareas visuales.
FUNCIONES DEL ALUMBRADO
EN LOS TRANSFORMADORES: checar niveles de
aceite en las boquillas, fugas de aceite, medidores de
presión y temperatura en el tanque principal y en el
intercambiador de derivaciones, así como medidores
de flujo en las bombas de aceite.
CUCHILLAS: Ver indicadores de posición, eslabones
mecánicos de la posición de las cuchillas, dispositivo
de operación manual y evidencias de arqueo y
calentamiento excesivo.
CONTROL DEL ALUMBRADO
Este puede ser manual o automático, si la subestación
cuenta con un operador, este puede controlarlo desde
donde se localiza el tablero y sus respectivos
apagadores.
TIPOS DE ALUMBRADO
Dependiendo de su magnitud se puede utilizar un
simple alumbrado hasta varios sistemas y diferentes
luminarias, por ejemplo: luminarias de alta densidad de
descarga.
ALUMBRADO DE BARDAS
En las subestaciones sin personal conviene tener un
alumbrado en las bardas que encienda en forma
automática, por medio de celda. La cantidad de
luminarias depende de la longitud de las bardas, con la
instalación de dos proyectores de haz estrecho sobre el
mismo poste y dirigidos a 180° uno del otro. Se pueden
usar luminarias de 400 W 220 V, de sodio, alta presión,
montados sobre un mismo poste.
ALUMBRADO DEL EDIFICIO DEL TABLERO
Este alumbrado se proyecta con unidades
fluorescentes, de 2 x 40 watts x luminaria, repartidos
en la forma siguiente:
a)
Sala de tableros. Se pueden instalar 4 hileras de
15 unidades cada una, conectadas a 2 circuitos
diferentes del tablero de alumbrado, de tal manera que
cada circuito tiene 2400 watts.
b)
Sala de baterías. Se utilizan tres luminarias
incandescentes de 200 watts cada uno, del tipo a
prueba de explosión.
c)
Cuarto de comunicaciones e hilo piloto. Se
utilizan 3 unidades fluorescentes de 2 x 40 watts.
EQUIPOS AUXILIARES
Sistema contra incendio
En la subestación se puede producir un incendio en
diferentes puntos :

Edificio de tableros

Trincheras de cables

Interruptores

Tc y Tp.

Principalmente en los transformadores de
potencia
Sistemas de protección contra incendios mas utilizados:

Separación adecuada entre bancos de
transformadores
Se considera una separación de 8 metros como mínimo en
los transformadores ( para evitar la propagación del fuego
a otros aparatos), la separación varia dependiendo de la
capacidad de los transformadores
 Muros separadores, no combustibles entre
transformadores
Los muros deben de tener una altura que sobrepase
1.50m la altura del transformador. La longitud horizontal
debe de sobresalir unos 60 cm de la longitud del
transformador, incluyendo los radiadores
Capacidad del
transformador
Cantidad de
transformadores
Distancia libre
entre
transformadores
Necesidad de
muro
30 MVA
2 o mas
Mayor de 12m.
Menor de 12m.
No
Si
50 MVA
2 o mas
Mayor de 12m.
Menor de 12m.
No
Si
100 MVA
2 o mas
Mayor de 12m.
Menor de 12m.
No
Si

Fosas
Se construye una fose debajo de cada transformador con
la misma capacidad de almacenamiento que la capacidad
de aceite en dicho transformador, en el fondo de este
esta simplemente a tierra y esta rellenado con piedras
para enfriar el aceite incendiado y sofocar el fuego, esta
no tiene drenaje y se drena con bombas, este sistemas es
de los mas económicos.
NOTA: Los sistemas que a continuación se muestran
están instalados y son utilizados por medio de una red de
tuberías provistas de toberas, rociadores que
regularmente descargan el componente a presión sobre
la zona que tratan de proteger

Sistemas fijos, a base de polvo químico seco
Este es a base de bicarbonato de sodio, potasio y fosfato
de amonio, mezclados con un material especial para que
no se formen grumos.

Sistemas fijos, a base de halon
Este se mezcla con nitrógeno, el halon es un
hidrocarburo halogenado, el cual tiene una densidad 5
veces mayor a la del aire, es incoloro, inodoro, e inhibe
la combustión, su poder de extinción es de tres veces la
del dióxido de carbono, y se puede utilizar en lugares
cerrados.

Sistemas fijos, a base de dióxido de carbón
Su densidad es 50% mayor que la del aire, no conduce
electricidad y al pasar de liquido a gas se expande 450
veces, enfriando y sofocando el incendio, no se debe de
utilizar en lugares cerrados porque hay riesgo de asfixia.

Sistemas fijos, a base de agua pulverizada
Este sistema es soportado por tanques hidroneumáticos y
por cisternas y unidades de bombeo con motor disel de
operación automática. Las válvulas de diluvio por las
cuales sale disparada el agua a presión pueden ser de
disparo neumático o eléctrico, para el caso de las
subestaciones es recomendable utilizar el de tipo
eléctrico, puesto que los detectores son del tipo
termoeléctrico.
Zonas principales para la instalación de equipos
contra incendios
a)
Área de la subestación donde no se encuentran
los transformadores

Extinguidores portátiles, cargados con dióxido
de carbono a presión ( ubicados en diversas columnas
de alta y baja tensión, si como dentro del edificio
donde se encuentren los tableros)
b)
Área de los bancos de transformadores

En esta área se trata de proteger los
transformadores de potencia los cuales son muy
peligrosos por la gran cantidad de aceite contenido en
ellos.

En caso de un cortocircuito, la energía
desarrollada por este, gasifica el aceite interno
generando una onda de presión, o bien, un arco el
cual puede llevar a reventar el tanque, originando un
chorro de aceite en combustión.
AIRE ACONDICIONADO
En las subestaciones es muy raro que se utilice un
sistema de aire acondicionado, solo en casos muy
especiales donde las condiciones del terreno o de la
ubicación de la subestación, requiera de dicho equipo
para su buen funcionamiento, para la correcta elección
del sistema de aire acondicionado que se utiliza se
contrata a una empresa especializada que estudiara las
necesidades de la subestación, dependiendo si se
encuentra en una zona desértica, o alguna zona tropical,
para que los operadores trabajen adecuadamente,
también su instalación es requerida en donde se
encuentra el equipo de computo donde se requiere una
temperatura y una humedad adecuada.