CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. CONFIGURACIONES DE LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS 1 INTRODUCCIÓN Se denomina configuración al arreglo de los equipos electromecánicos constitutivos de un patio de conexiones o pertenecientes a un mismo nivel de tensión de una subestación, de tal forma que su operación permita dar a la subestación diferentes grados de confiabilidad, seguridad o flexibilidad para el manejo, transformación y distribución de la energía. Básicamente existen dos tendencias generales con respecto a los tipos de configuraciones para subestaciones de alta tensión (AT) y extra alta tensión (EAT). Estas tendencias son la europea o de conexión de barras y la americana o de conexión de interruptores. Cada una de las tendencias tiene diversos tipos de configuraciones, siendo las principales las descritas en este Capítulo. Dichas configuraciones son aplicables tanto para subestaciones convencionales como para subestaciones encapsuladas en SF6. 2 DEFINICIONES Flexibilidad: propiedad de la instalación para acomodarse a las diferentes condiciones que se puedan presentar especialmente por cambios operativos en el sistema y, además, por contingencias y/o mantenimiento del mismo. Los cambios operativos que pueden darse en un sistema se realizan buscando: Control de potencia activa y reactiva para optimizar la carga de los generadores. Esto implica alguna forma de independizar o agrupar circuitos de carga y/o generación. Limitar niveles de cortocircuito. Cualquier arreglo o configuración que incorpore medios para dividir la subestación en dos (o más) secciones independientes puede reducir los niveles de cortocircuito. La reducción del nivel de cortocircuito no debe ser un parámetro inicial de diseño de la misma, más bien debe ser una condición operativa de la instalación para prolongar la vida útil de los equipos y mejorar la estabilidad del sistema, como se menciona a continuación. Incrementar la estabilidad en el sistema. La reducción de cortocircuito no solo trae como consecuencia el tener equipos de menor capacidad, sino que también incrementa la estabilidad del sistema. Independizar o limitar la influencia de algunas cargas o circuitos pertenecientes a sub-sistemas que por sus características pueden afectar la seguridad, estabilidad, etc., del sistema de potencia. Si existe más de una compañía de energía en la misma subestación se puede tener la facilidad de independizarlas para limitar la influencia de una obra sobre la otra, por ejemplo, durante períodos de racionamiento, políticas operativas durante contingencias o mantenimiento, control de potencias activa y reactiva, etc. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 1 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Confiabilidad: se define como 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. Es decir, que cuando ocurra una falla en un elemento de la subestación (interruptor, barraje, etc.) se pueda continuar con el suministro de energía después de efectuar una operación interna (conmutación de los seccionadores adecuados, por ejemplo), mientras se efectúa la reparación de dicho elemento. Esto es aplicable también en el caso de mantenimiento. Seguridad: propiedad de una instalación de dar continuidad de servicio (suministro de energía) sin interrupción alguna durante fallas de los equipos de potencia, especialmente interruptores y barrajes. La seguridad implica confiabilidad. 3 CONFIGURACIONES DE CONEXIÓN DE BARRAS - TENDENCIA EUROPEA Por configuraciones de conexión de barras se entienden aquellas en las cuales cada circuito tiene un interruptor, con la posibilidad de conectarse a una o más barras por medio de seccionadores. Las configuraciones más utilizadas en esta tendencia para niveles de AT y EAT son: 3.1 Barra sencilla Como su nombre lo indica, es una configuración que cuenta con un solo barraje colector al cual se conectan los circuitos por medio de un interruptor (Figura 2.1). Es económica, simple, fácil de proteger, ocupa poco espacio y no presenta muchas posibilidades de operación incorrecta. Como desventaja principal puede citarse la falta de confiabilidad, seguridad y flexibilidad teniendo así que suspender el servicio en forma total cuando se requiera hacer una revisión o reparación en la barra colectora, o del circuito cuando la revisión o reparación es en el interruptor; sin embargo, con un seccionamiento longitudinal se obtiene alguna confiabilidad y flexibilidad pues se hace posible separar en dos partes el barraje, lo cual facilita las reparaciones, trabajos de ampliación y. en determinadas circunstancias, aún la operación de la misma subestación. Figura 2.1 - Barra sencilla Una aplicación práctica del seccionamiento del barraje ocurre cuando se tienen dos circuitos provenientes de una misma subestación y alimentan dos transformadores para conformar las configuraciones denominadas en "H" (Figura 2.2). Si los dos circuitos provienen de subestaciones distintas, el seccionarniento no debe comprometer la seguridad de dichas subestaciones por la suspensión de ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 2 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. la interconexión entre ellas. La barra sencilla se puede utilizar para subestaciones de AT y EAT con muy pocos campos de conexión y exige retirar del servicio todo el campo y su elemento conectado (línea o transformador) cuando se va a realizar cualquier trabajo sobre el interruptor u otro de los equipos del campo de conexión. Figura 2.2 – Configuración en H 3.2 Barra principal y barra de transferencia Para mejorar la confiabilidad por falla en interruptores en la configuración de barra sencilla, a ésta se le puede agregar una barra auxiliar o de transferencia, a cada circuito un seccionador (de transferencia) para la conexión a dicha barra y un interruptor (de transferencia) para unir las dos barras, conformándose así una configuración llamada de barra principal y de transferencia (Figura 2.3). Figura 2.3 — Barra principal y de transferencia Con esta configuración cada circuito se puede conectar por medio del interruptor de transferencia a la barra de igual nombre, conservando en esta forma el servicio del circuito respectivo durante el mantenimiento del interruptor o fallas del mismo, siempre y cuando no existan fallas en el circuito, lo que demuestra la buena confiabilidad que la configuración presenta bajo estas circunstancias. Si la barra principal se divide por ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 3 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. medio de un seccionador, para cada parte de ella, y el interruptor de transferencia se coloca entre los dos seccionadores, se tiene la posibilidad de hacer mantenimiento de barras dejando sin servicio únicamente la mitad de la subestación, y aún se puede mantener en servicio por medio del interruptor de transferencia y la barra de transferencia uno de los circuitos correspondientes a la barra que se quiere aislar, lográndose en esta forma alguna flexibilidad (con las limitaciones descritas para la barra sencilla). 3.4 Doble barra más seccionador de by-pass o paso directo Reúne, pero no simultáneamente, las características de la barra principal y de transferencia y la doble barra. Esto se logra a partir de la doble barra conectando un seccionador de by-pass o paso directo al interruptor de cada salida y adicionando además otro seccionador adyacente al interruptor para poder aislarlo (Figura 2.6). Con estos seccionadores adicionales se puede operar la subestación, complementariamente a la operación normal de doble barra, con una barra siendo la principal y la otra la de transferencia, utilizando el interruptor de acoplamiento corno de transferencia para uno cualquiera de los interruptores de linea que se encuentre en mantenimiento. Cuando se tienen circuitos conectados a una y otra barra no es posible hacer mantenimiento a interruptores sin suspender el servicio, pues para ello se necesitaría que una de las barras estuviera completamente libre para usarla como barra de transferencia, no presentándose así conjuntamente las propiedades de flexibilidad y confiabilidad. Figura 2.4 - Doble barra más seccionador by-pass o paso directo 3.5 Doble barra más seccionador de transferencia Esta configuración es una variante de la anterior, pero utilizando un seccionador menos (Figura 2.7). Como se verá en el Capítulo 6, Disposición Física de Subestaciones, para lograr esta configuración en forma práctica se requiere la utilización de seccionadores del tipo pantógrafo o semipantógrafo (en donde la conexión o desconexión se efectaa verticalmente) o seccionadores instalados en los pórticos de la subestación en por lo menos una de las conexiones a las barras. Tiene las mismas características generales de la doble barra con seccionador de by-pass. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 4 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Figura 2.5 - Doble barra más seccionador de transferencia 3.6 Doble barra más barra de transferencia Es una combinación de la barra principal y de transferencia y la doble barra, ya que se tienen dos barras principales más una de transferencia, dando como resultado un arreglo que brinda simultáneamente confiabilidad y flexibilidad (Figura 2.8). 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) para las dos operaciones, perdiéndose así la función fundamental de las tres barras con lo cual se asimila esta configuración a las dos anteriores; sin embargo, cuando se prefiere dejar uno de los barrajes como reserva (por ejemplo en zona de alta contaminación en donde éstos exigen limpieza periódica) se puede disponer de un sólo interruptor que cumpla ambas funciones con lo cual la solución pasa a ser muy económica (la alternativa se muestra también en la Figura 2.6). En el diseño se debe tener en cuenta lo estipulado anteriormente para la barra principal y de transferencia y la doble barra. En Europa, esta disposición encuentra un campo de aplicación muy amplio a niveles de 220 kV. Como desventaja puede anotarse que requiere una mayor área en comparación con las configuraciones anteriores. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 5 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Figura 2.6- Doble barra más barra de transferencia 4 CONFIGURACIONES DE CONEXIÓN DE INTERRUPTORES TENDENCIA AMERICANA Por configuraciones de conexión de interruptores se entienden aquellas en las cuales los circuitos se conectan a las barras o entre ellas por medio de interruptores. Estas configuraciones incluyen la barra sencilla (que ya fue descrita anteriormente), el anillo, el interruptor y medio, el anillo cruzado, y la doble barra con doble interruptor, lo mismo que otras versiones que son poco prácticas y por ello no serán descritas. 4.1 Anillo En esta configuración no existe una barra colectora como tal, la conexión de los circuitos se realiza sobre un anillo conformado por interruptores, con los circuitos conectados entre cada dos de ellos (Figura 2.7). Para aislar un circuito es necesaria la apertura de los dos interruptores correspondientes, abriéndose así el anillo. Cuando se quiere aislar un circuito por un período largo, se debe abrir el seccionador de conexión del mismo para poder cerrar los interruptores asociados a dicho circuito y así dar continuidad al anillo. Es una configuración económica y segura, además de confiable, pero sin flexibilidad. Es segura y confiable por permitir continuidad de servicio por falla o durante mantenimiento de un interruptor, ya que cada línea o circuito está asociado a dos interruptores. El principal inconveniente consiste en que, 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. Para cumplir la función de seguridad y confiabilidad para los cuales esta subestación fue ideada, es necesario operarla con todos los interruptores cerrados (tal como es su operación normal); por lo ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 6 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. tanto, bajo el punto de vista de la flexibilidad, la subestación es similar a una barra sencilla. Para efectos de distribución de comentes, los circuitos conectados al anillo se deben repartir de tal manera que las fuentes de energía se alternen con las cargas. Figura 2.7 Anillo Por consideraciones prácticas conviene limitar el uso de esta configuración a un máximo de seis salidas. En caso de ser necesario agregar más, es preferible cambiar la configuración a interruptor y medio. Por lo anterior, el diseño inicial de la subestación debe prever este desarrollo de anillo a interruptor y medio. La aplicación de la disposición en anillo exige especial cuidado en lo referente a ciertos aspectos como la operación de dos interruptores con falla en una salida, el recierre automático, lo mismo que la protección y la medida. E] dallo de un interruptor durante la falla en uno de los circuitos de salida, origina la pérdida de otro circuito debida a la operación de la protección contra falla de interruptores. El sistema en anillo es muy utilizado en los Estados Unidos de América para todo tipo de subestaciones y a nivel mundial para subestaciones encapsuladas en SF6 en AT y EAT. 4.2 Interruptor y medio Esta configuración debe su nombre al hecho de exigir tres interruptores por cada dos salidas (Figura 2.8). Un grupo de tres interruptores, llamado diámetro (bahía en los Estados Unidos de América), se conecta entre los dos barajes principales. Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor o barraje sin suspender el servicio y sin alterar el sistema de protección; además, una falla en un barraje no interrumpe el servicio a ningún circuito, presentando así un alto índice de confiabilidad y de seguridad tamo por falla en los interruptores como en los circuitos y en las barras. Normalmente se opera con ambas barras energizadas y todos los interruptores cerrados y, por tal motivo (igual que en el caso del anillo), no es flexible; además, el tener dos barras no significa que los circuitos puedan ser conectados independientemente a cualquiera de ellas manteniendo la configuración, como es el ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 7 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. caso de la doble barra. Figura 2.8 Interruptor y medio Como en el caso del anillo, la desconexión de un circuito implica [a apertura de dos interruptores. La protección y el recierre automático se dificultan por el hecho de que el interruptor intermedio (entre dos circuitos) debe trabajar con uno u otro de los circuitos asociados. Por otra parte, la falla de un interruptor en el peor de los casos sólo saca de servicio un circuito adicional. La definición de la capacidad de los equipos es difícil por cuanto exige prever la distribución de las corrientes, especialmente durante contingencias. En el caso de que la subestación tenga un número impar de circuitos, uno de ellos necesitaría dos interruptores, lo cual representa un sobrecosto para la instalación. Usando el interruptor intermedio es posible pasar directamente a través de la subestación un circuito que normalmente entre a ella y que salga por el mismo campo. 4.3 Doble barra con doble interruptor En esta configuración se duplican tanto las barras como los interruptores de cada circuito (Figura 2.9). Presenta la mayor seguridad, tanto por falla en barras como en interruptores, entre todas las configuraciones y gran libertad para operación, para trabajos de revisión y mantenimiento. Para lograr la mayor seguridad, cada circuito se conecta a ambas barras o sea que la aplicación normal es con todos los interruptores cerrados y las dos barras energizadas. En algunos casos, los circuitos se pueden separar en dos grupos conectándolos cada uno a una barra; en tal condición, la falla en una de las barras saca del servicio todo lo que está conectado a ella, perdiéndose la seguridad que brinda la operación normal y no justificándose el extracosto con respecto a una doble barra. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 8 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Figura 2.9 - Doble barra con doble Interruptor 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. También, como en la configuración de interruptor y medio, ésta pueda sufrir modificaciones para la conexión de los transformadores directamente a barras (un solo interruptor y un seccionador a modo de transferencia). 4.4 Anillo cruzado Las anteriores configuraciones de conexión de interruptores han probado proveer una mayor confiabilidad que las configuraciones de conexión de barras, debido básicamente a que cada circuito de salida está conectado al resto de la instalación por dos interruptores utilizan redundancia de interruptores para asegurar la operación bajo condiciones de contingencia). La disponibilidad de cada circuito puede ser obviamente incrementada usando tres interruptores en "paralelo" en lugar de dos. Esto puede ser ejecutado de muchas formas, siendo la más factible de lograr desde el punto de vista práctico, la configuración en anillo cruzado (Figura 2.10). La cantidad requerida de interruptores es (n + n/2), en donde n es el número de nodos (suponiendo un número par), siendo esta cantidad la misma requerida por la configuración de interruptor y medio. Cuando se tiene un número impar de nodos, se puede introducir un nodo "ficticio" tal como se hace para el interruptor y medio. La operación normal de la subestación es con todos los interruptores cerrados. Esta configuración fue ideada por ingenieros de la firma BBC (Brown Boveri and Co. Ltd. de Suiza), a principio de la década de 1980. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 9 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Figura 2.10- Anillo cruzado CONCFIGURACION DE LAS SUBESTACIONES ITEM TENDENCIA EUROPEA 1 BARRA SENCILLA 2 BARRA PRINCIPAL Y BARRA DE TRANSFERENCIA 3 DOBLE BARRA 4 DOBLE BARRA MAS BY PASS 5 DOBLE BARRA MAS BARRA DE TRANSFERENCIA CADA CIRCUITO TIENE UN ITERRUPTOR CON LA POSIBILIDAD DE CONECTARSE A UNA O MAS BARRAS POR MEDIO DE SECCIONADORES TENDENCIA AMERICANA 1 ANILLO 2 INTERRUPTOR Y MEDIO 3 DOBLE BARRA CON DOBLE INTERRUPTOR LOS CIRCUITOS SE CONECTAN A LAS BARRAS Ó ENTRE ELLAS POR MEDIO DE INTERRUPTORES 5 OTRAS CONFIGURACIONES Otras configuraciones no tan convencionales como las descritas anteriormente que se encuentran en algunas de las referencias de la literatura sobre subestaciones, son las siguientes: 5.1 Interruptor y tres cuartos Esta configuración es una variante del interruptor y medio, la cual se ha utilizado para reducción de equipos (Figura 2.11). ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 10 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Figura 2.11 Interruptor tres cuartos 5.2 Malla Esta configuración es de origen inglés (en donde se le conoce también por el nombre de anillo) y consiste básicamente en una barra sencilla unida por los dos extremos e introduciendo un seccionador de barras entre cada circuito. Figura 2.12 Malla 5.3 Doble transferencia Esta configuración está conformada por dos barras principales independientes con una barra de transferencia común. Adicionalmente, se instala un seccionador especial que provee el medio para que dos líneas puedan ser conectadas sin entrar a las barras principales (Figura 2.13). Con esta configuración se pueden dejar disponibles las dos barras principales o un campo para mantenimiento sin suspensión de servicio. 6 SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DE UNA SUBESTACIÓN 6.1 Información requerida Para seleccionar la configuración de una subestación es necesario conocer o evaluar, entre otros, los siguientes aspectos: ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 11 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Oficio que desempeña la subestación en el sistema de potencia para determinar el grado de flexibilidad, confiabilidad y seguridad que requiere Tipo de la subestación, es decir: generación. transformación o maniobra, o bien cuál de estas funciones es prioritaria si en un caso dado concurren más de una Características de las diferentes configuraciones Facilidad de extensión y modulación de acuerdo con la planeación y normalización de la empresa Simplicidad en el control y protección Facilidad de mantenimiento Área disponible Costos. 6.2 Análisis detallado de los aspectos que intervienen en la selección de la configuración A continuación se efectúa un análisis detallado de los diferentes aspectos o requerimientos descritos en el numeral anterior que se deben tener en cuenta para efectuar la correcta selección de la configuración para subestaciones de alta o extra alta tensión. Los puntos o requerimientos que se analizarán pueden estar en conflicto unos con otros y de aquí la importancia y responsabilidad del ingeniero de subestaciones de evaluarlos y determinar lo más conveniente para el sistema. 6.2.1 Oficio que desempeña la subestación en el sistema de potencia Cuando se quiere seleccionar la configuración de una subestación es necesario analizarla no como un punto independiente o aislado, sino como una parte integral de todo el sistema, de tal forma que por fallas no se afecte la seguridad o capacidad operativa de éste. De acuerdo con el papel que cumple dentro de un sistema, una subestación requiere disponer de un mayor o menor grado de flexibilidad, confiabilidad o seguridad. Estos conceptos fueran definidos en el Numeral 2.2. En la Figura 2.16 se muestra una comparación de confiabilidad de subestaciones. 6.2.2 Tipos de subestaciones Fundamentalmente pueden distinguirse tres tipos de subestaciones: generación, transformación y maniobra. Las necesidades o requerimientos de cada tipo de subestación se describen a continuación. 6.2.2.1 Subestaciones de generación Se considera subestación de generación aquella que sirve como punto de conexión al sistema de una central generadora. La necesidad primordial de una subestación de generación es la confiabilidad; la seguridad y la flexibilidad están dadas por la importancia de la subestación y por su ubicación en el sistema. En general, si la centralFigura 2.14 - Malla generadora es de una capacidad e importancia tal que su salida del sistema produzca suspensiones, inestabilidades ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 12 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. y problemas de racionamiento en el mismo, la subestación de dicha central requiere un alto grado de seguridad. Determinar qué capacidad de la planta es importante en lo referente a la seguridad, es algo que depende de cada situación particular y deberá ser coordinado con el personal de planeación y operación del sistema. 6.2.2.2 Subestaciones de maniobra Una subestación de maniobra es aquella que sirve para interconectar sistemas o, dentro de un sistema, es la que distribuye la energía a subestaciones de transformación. En este caso la necesidad primordial es la flexibilidad; las necesidades adicionales de confiabilidad y seguridad estarán dadas por el pape] que desempeña en el sistema. De acuerdo con la definición antes mencionada, una subestación de maniobra es un nodo del sistema que recibe energía de circuitos provenientes de centrales generadoras o de sistemas interconectados y la distribuye a subestaciones de carga o a otros sistemas interconectados; por esto, dicha subestación debe ser capaz de acomodarse a diferentes situaciones, lo que concuerda con lo descrito en la definición de flexibilidad. En términos generales, una subestación de maniobra requiere confiabilidad y/o seguridad por falla en barras ya que, como su definición lo dice, es el punto de unión entre sistemas o entre generación y carga. La confiabilidad y/o seguridad por falla en interruptores dependerá de cada circuito en particular. Requerimientos adicionales de confiabilidad y/o seguridad dependerán de si existe además generación o transformación y de la importancia de estos en el sistema. 6.2.2.3 Subestaciones de transformación Se consideran subestaciones de transformación aquellas cuyo objetivo primordial es el de suministrar energía a un sistema con un nivel de tensión diferente. Puede llamarse también subestación elevadora cuando la tensión de salida es más elevada que la tensión de entrada, lo contrario sería una subestación reductora, de distribución o de carga. La necesidad de la subestación de transformación reductora es primordialmente de confiabilidad, aunque puede llegar a ser importante también la seguridad dependiendo de las necesidades del sistema secundario y de la disponibilidad de transformación. Esto es, si el sistema secundario tiene más de una alimentación y/o los transformadores están cargados muy por debajo del 100%, la necesidad principal sería la confiabilidad; pero si el sistema secundario no tiene sino una alimentación y/o los transformadores están cargados cerca del 100%, dicha necesidad sería la seguridad (lógicamente esto dependería del tipo de la carga y de su importancia). Podrían además estas subestaciones requerir flexibilidad en caso de existir un gran número de circuitos de conexión. 6.2.3 Características de las configuraciones Las diferentes configuraciones que pueden tener las subestaciones fueron ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 13 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. descritas en los Numerales 2.3, 2.4 y 2.5, de los cuales se puede extractar lo siguiente: Las subestaciones con barra de transferencia brindan confiabilidad por falla o mantenimiento en interruptores. Las subestaciones con doble barra brindan flexibilidad para la operación del sistema y confiabilidad por falla o mantenimiento en barras. Las subestaciones con doble barra, en donde una de ellas también sirva como barra de reserva, no brindan simultáneamente flexibilidad y confiabilidad. El seccionamiento de barras brinda parcialmente confiabilidad por falla o mantenimiento en barras. Las subestaciones con conexión de interruptores brindan mejor confiabilidad y seguridad sacrificando la flexibilidad. La configuración en anillo siempre se debe diseñar en forma modular, tal que se pueda convertir en interruptor y medio (Numeral 2.4). Las configuraciones más utilizadas para subestaciones encapsuladas en SF 6 en alta tensión son: doble barra, anillo e interruptor y medio; para extra alta tensión adicionalmente doble interruptor. La barra sencilla es una configuración sin confiabilidad, seguridad o flexibilidad, que se debe utilizar sólo para subestaciones pequeñas y/o de media y baja tensión o de menor importancia en el sistema. La doble barra más seccionador de by-pass o paso directo es una configuración que brinda, pero no simultáneamente, flexibilidad y confiabilidad, complicada en su operación y control, que puede ser utilizada en subestaciones de maniobra con generación o transformación. La doble barra más seccionador de transferencia es una configuración similar a la anterior pero un poco más simple en su operación y control. El anillo cruzado es una configuración un poco más confiable que el interruptor y medio pero más complicada en su control y operación. 6.2.4 Facilidad de extensión y modulación La mayoría de las configuraciones antes descritas son de fácil extensión, en el sentido de que se pueden adicionar campos siempre y cuando ellos sean iguales a los existentes (del mismo tipo de la configuración de la subestación). Sin una configuración satisfactoria en la etapa final de la subestación, consiste en que usualmente se debe dejar equipo en exceso en las etapas iniciales, sacrificándose así la simplicidad operacional e implicando un elevado costo inicial; además, puede llegar a suceder que la configuración inicialmente designada para la etapa final de la subestación no corresponda a las necesidades que pueda tener el sistema en el futuro. Solamente se puede justificar una subestación más costosa de lo requerido en etapas iniciales, cuando se está completamente seguro del crecimiento y conformación en las etapas finales. ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 14 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. Existe una forma de desarrollo modular de los dos tipos básicos de conexión de subestaciones (conexión de barras y conexión de interruptores) de tal manera que permita cambios de configuración a medida que el desarrollo del sistema lo requiera, sin mayores alteraciones en la subestación misma, eliminándose así los 6.2.5 Simplicidad en el esquema de control y protección Mientras mayor sea eI número de interruptores que se deben disparar durante condiciones de falla, más complejo será el sistema de control y protecciones. Esto es particularmente cierto cuando existe recierre automático. La configuración que brinda una mayor simplicidad en los esquemas de control y protección obviamente es la barra sencilla; estos se complican más a 'medida que la configuración va teniendo más equipos y barrajes, hasta llegar a las configuraciones en donde los interruptores hacen parte de dos zonas diferentes de protección de líneas (configuraciones de conexión de interruptores) o en donde se tienen enclavamientos muy complicados para la operación de algunos equipos (dos barras o más en configuración de conexión de barras). La simplicidad en el esquema de control y protección puede tener una relativa influencia en la selección de la configuración; por ejemplo, en el caso de subestaciones alejadas de centros urbanos y de dificil acceso, y especialmente de operación local. No tendría tanta influencia para el caso de la subestación de una central generadora en donde existan facilidades para el personal de operación, o de subestaciones en o cerca de centros urbanos y, menos aún, en subestaciones no atendidas o de operación remota y automática en muchas de sus funciones. Con las tecnologías actuales de control numérico de subestación, el concepto de simplicidad en el sistema de control de una subestación es relativo, ya que los sistemas de enclavamientos y las lógicas de operación se logran por medio de sofiware, no de lógicos cableados como es el caso de controles convencionales. De cierta forma se puede decir, en términos generales, que el sistema de control para una subestación con configuración de interruptor y medio es más simple que el control de las subestaciones con configuración de seccionadores, porque para la primera no se requiere intercambiar información entre diámetros o bahías, como si se requiere para las segundas. Lo contrario ocurre en el caso del sistema de protecciones porque mientras para la primera se maniobran dos interruptores, para las segundas uno solo. 6.2.6 Facilidades de mantenimiento Hay ciertos períodos en la operación de una subestación en los cuales se tiene que llevar a cabo mantenimiento, ya sea por un plan programado o por una emergencia. La importancia de este aspecto depende de la filosofía de planeamiento del sistema y del conocimiento, por experiencia, de la confiabilidad del equipo. En la Tabla 2.1 se ilustran las facilidades de mantenimiento y las ventajas y desventajas que brindan las diferentes configuraciones en el aspecto del mantenimiento. 6.2.6.1 Efectos del mantenimiento sobre la seguridad del sistema En general, el efecto de una suspensión programada de energía por un mantenimiento de rutina no es tan perjudicial como el que pueda ocurrir en ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 15 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. cualquier momento debido a una falla, puesto que las suspensiones planeadas son llevadas a cabo en tiempos de baja carga y cuando el sistema está en períodos de bajo riesgo. El mantenimiento de interruptores se efectúa más fácilmente en las configuraciones de conexión de interruptores y en las que tienen barra de transferencia, aunque se puede dejar algún medio de paso directo o by-pass al interruptor, ya sea permanente o temporal, por medio de cambios en la conexión de los equipos o de los equipos a los barrajes, para el caso de la barra sencilla o la doble barra. La facilidad de mantenimiento en barras depende del número de alternativas de conexión disponibles. 6.2.6.2 Facilidades para el mantenimiento Una de las razones de las configuraciones de conexión de interruptores es la necesidad de mantener el circuito en servicio aún durante mantenimiento. Sin embargo, puede resultar una gran economía reducir el número total de interruptores, siempre y cuando ellos puedan ser mantenidos o reparados rápidamente. Esto puede lograrse, ya sea teniendo el equipo de manejo (grúas, etc.) rápidamente disponible, o efectuando un diseño que permita una rápida sustitución de los interruptores por una unidad de repuesto disponible en el sitio. Lo anterior (tendencia europea referente al mantenimiento de subestaciones) implica tener personal, equipos de manejo y equipos de repuesto disponibles en los sitios de las subestaciones, lo cual no es muy aplicable en nuestro medio por razones económicas y por lo alejado, en algunos casos, de las subestaciones con respecto a los centros urbanos. Los sistemas modernos de supervisión y diagnóstico de los equipos de subestación están produciendo el cambio de orientación del mantenimiento en las compañías de servicio a efectuarlo no en forma periódica sino solamente basado en la condición del equipo, lo cual seguramente traerá la adopción de configuraciones más simples y, por consiguiente, más económicas 2.6.2.6.3 Área disponible La disponibilidad de un sitio puede ser el aspecto más importante en el planeamiento de una nueva subestación. Cuando el espacio es limitado es necesario imponer restricciones en el diseño, lo cual puede dar como resultado una subestación con características inferiores a las requeridas por el sistema. Usualmente aquellas subestaciones que son simples en un diagrama y utilizan menos cantidad de interruptores ocupan la menor área. Cuando las restricciones del área, por ejemplo en áreas urbanas o en terrenos montañosos, o su costo de adecuación son excesivos se deberá seguir un diseño del tipo encapsulado en SF6. Efectuar una comparación general del espacio requerido para las diferentes disposiciones es difícil, ya que se presentan en cada configuración situaciones variadas tal como se ilustra en el Capítulo 6, Disposición Física de Subestaciones. Se pueden comparar en primer lugar, los espacios requeridos por los diferentes arreglos ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 16 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. físicos de una misma configuración y, en segundo lugar, las áreas necesarias para las diferentes configuraciones utilizando una determinada disposición física. 6.2.7 Costos El costo de una subestación está constituido por el costo original (costo de equipos, del terreno y obras complementarias) más el costo marginal, el cual puede resultar de la inhabilidad de suministrar energía a los consumidores o la inhabilidad de hacer uso en la forma más eficiente de la capacidad disponible de generación durante toda la vida útil de la instalación. Cualquier decisión para adoptar un diseño particular de configuración en una subestación debe ser tomado con base en los requerimientos técnicos, previendo que, en lo económico, sea aceptable. Cualquier ahorro efectuado por el solo hecho de ahorrar en el costo inicial se encuentra usualmente que es contraproducente en un tiempo o en otro. Un método simplificado para comparar el costo de distintas configuraciones consiste en asignar un valor de 1,0 a los interruptores y de 0,2, 0,25 y 0,3 a los seccionadores. Así, por ejemplo, si se quieren comparar para una subestación de ocho circuitos a nivel 550 kV las configuraciones de doble barra e interruptor y medio, se procede de la siguiente forma: 2.6.2.8 Influencia ambiental La contaminación, ya sea salina o industrial, es el aspecto ambiental que más puede influenciar en la selección de una configuración, ya que cuando es severa trae como consecuencia la necesidad de utilizar una configuración que permita efectuar mantenimiento en barras sin interrupción del suministro de energía, aunque dicha configuración no sea la seleccionada después de analizar los requerimientos del sistema. 6.2.9 Historia y tradición Aún después de las evaluaciones sobre los requerimientos del sistema y los estudios estadísticos sobre confiabilidad, es dificil concluir cual es la configuración ideal en una subestación en particular. En la mayoría de los casos la decisión final sobre la configuración que se debe utilizar estará también condicionada por la historia y tradición de la compañía dueña y de sus ingenieros de diseño y operación o, inclusive, por la influencia que puedan tener o hayan tenido firmas de ingeniería de consulta en dicha compañía. Introducir nuevas tendencias y filosofías sobre la selección de una configuración es tarea difícil y a veces imposible. 6.2.10 Tendencias actuales Desde hace varios años se presenta a nivel internacional la tendencia de la liberación o desregulación de los sistemas eléctricos, creándose así la competencia en la prestación de los servicios de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. Esto hace que los agentes que participan en los ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 17 CONFIGURACIONES DE LAS S.E.E. diferentes negocios de prestación de los diferentes servicios deban organizar gastos, ya sea en la inversión inicial o durante la operación y mantenimiento de las instalaciones. Esta tendencia se reflejará en configuraciones de subestaciones más simples y económicas y en la utilización cada vez más de sistemas expertos de supervisión y diagnóstico para un mantenimiento basado solamente en la condición de los equipos, eliminando esto último la necesidad, en ciertas subestaciones, de contar con los seccionadores de paso directo o by-pass. 2.6.3 Metodología de selección La metodología a seguir para determinar la configuración de una subestación se puede establecer como sigue: Determinar el número de módulos o campos de conexión, definir si los circuitos son de transmisión, generación o transformación y establecer su procedencia. Cabe anotar que circuitos de inyección provenientes de transformadores de tensión superior, se pueden considerar como circuitos de generación; asimismo circuitos hacia una subestación de carga se pueden considerar como de transformación. De acuerdo con el número de campos de transmisión, generación o transformación y con su importancia, identificar el tipo o función principal de la subestación. Debe tenerse en cuenta que cada subestación por lo general tiene una función secundaria; así, por ejemplo, una subestación puede ser de generación como tipo principal y tener una función secundaria de transformación. De acuerdo con el tipo principal de la subestación, establecer sus necesidades de flexibilidad, confiabilidad y seguridad. Además, determinar las necesidades derivadas de su función secundaria. Determinar las configuraciones que llenen los requisitos anteriores. Evaluar costo, área requerida y confiabilidad de las configuraciones que llenen los requisitos exigidos. Evaluar otros factores (mantenimiento, tradición de la compañía, contaminación, nuevas tendencias, etc.) y la influencia que puedan tener sobre las configuraciones que llenan los requisitos exigidos. Con base en lo anotado en los numerales anteriores, determinar la configuración, el tipo y el estado del desarrollo; asimismo, los cambios que puede tener dicho desarrollo con ampliaciones futuras. FIN DEL DOCUMENTO ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA HUBER MURILLO MANTIQUE Page 18
