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Universidad de Cuenca

Facultad de Ingeniera, Escuela de Ingeniera Elctrica

Ciencias de los Materiales

Ral Juca

Marzo 2015 Agosto 2015

Aislantes gaseosos

1. Aislantes gaseosos

Los dielctricos o aislantes elctricos, son materiales cuya principal propiedad es que presentan

una alta resistencia ante el flujo de electrones, estos materiales pueden ser slidos, lquidos o

gaseosos.

Los dielctricos en estado gaseoso tienen como principal objetivo prevenir las descargas

elctricas o eliminarlas rpidamente, los aislantes gaseosos son ampliamente utilizados en

aplicaciones de alta tensin, debido a esto dichos materiales deben poseer una alta resistencia,

alta estabilidad trmica e inercia qumica, no deben ser inflamables, deben de tener bajos niveles

txicos y buenas propiedades de transferencia de calor.

El aislante gaseoso ms conocido es el aire. Adems de este existen otros gases que presentan

propiedades aislantes superiores, cuyo uso se justifica por poseer una buena regeneracin

despus de la descarga, adems no son txicos y son relativamente econmicos. El SF6, CO2, N2

han permitido el diseo y construccin de sistemas encapsulados que ahorran notablemente el

espacio disponible. Estos gases son electronegativos, caracterstica que permite el control de

predescarga y de descargas en general.

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2. Propiedades y tecnologa de los aislantes

Los elementos dielctricos son de gran importancia ya que vuelven confiable la transmisin de

corriente elctrica de manera ptima y segura y con la mnima cantidad de prdidas, por lo que

es necesario conocer sus propiedades y caractersticas.

Todo material dielctrico debe poseer un conjunto de caractersticas y propiedades, mismas que

deben ser evaluadas mediante ensayos regidos en normas; entonces la eleccin de un

determinado dielctrico para una necesidad especfica, se hace de acuerdo al conocimiento

cuantitativo de sus propiedades.

Los aislantes elctricos poseen propiedades singulares de acuerdo a su naturaleza, las mismas

que se pueden destacar como:

2.1 Propiedades elctricas

Las propiedades elctricas de los materiales dielctricos dependen, del material utilizado para

su elaboracin, de su construccin, del volumen y de la longitud total, por lo que las propiedades

elctricas deben ser adecuadas y precisas para su buen funcionamiento:

Resistividad.

Constante dielctrica o permitividad relativa ( ): representa la cantidad de energa

electroesttica que puede ser almacenada por unidad de volumen.

Prdidas dielctricas: son prdidas elctricas que ocurren cuando se aplica una tensin

alterna a un dielctrico, estas se presentan como; un calentamiento por efecto Joule debido

a la corriente de conduccin, formacin de una corriente de desplazamiento y calentamiento

del material debido a la vibracin de las masas polares.

Factor de prdidas dielctricas: representan las prdidas de potencia en el dielctrico,

mismas que se presentan en forma de calor y dependen de la naturaleza del dielctrico

(conductividad y la constante dielctrica) y la frecuencia de transmisin.

(tan =

)

Rigidez dielctrica: representa el mximo potencial que puede soportar un dielctrico, sin

que se produzca una corriente disruptiva.

Absorcin elctrica: expresa la cantidad de carga absorbida por un dielctrico cuando se le

aplica una tensin.

Conductancia de aislamiento: se define como la inversa de la resistencia de prdidas de

aislamiento.

= 0 tan [

]

Efecto corona: si se sobrepasa el valor de la tensin disruptiva del material dielctrico, se

producir una ionizacin en las cercanas de la superficie del material, que se presenta como

haces luminosos, este fenmeno se lo conoce como efecto corona.

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2.2 Propiedades fsicas

La resistencia hmica volumtrica del elemento dielctrico puede ser disminuida por la

presencia de agua, gases disueltos, suciedad, polvo y aceites contaminantes. En gases como el

aire y el nitrgeno, cuando no estn ionizados tienen una resistividad infinita, sin embargo dicha

resistencia tiende a disminuir con el aumento de la temperatura.

2.3 Propiedades mecnicas

Todo dielctrico para cumplir con el propsito para el cual fue creado, debe cumplir con las

siguientes propiedades mecnicas: resistencia mecnica a la traccin, compresin, choques

trmicos, dureza, flexibilidad, fluidez, y facilidad de manipulacin.

2.4 Propiedades trmicas

Dentro de las propiedades trmicas que debe cumplir un dielctrico se encuentran: resistencia

al cambio brusco de temperatura, al calor, punto de fusin, de ebullicin y de congelamiento.

2.5 Propiedades qumicas

Las propiedades qumicas deben ser tales, que aseguren la estabilidad de la composicin del

material, es decir: resistencia a los cidos, a la luz solar, al oxgeno y a las reacciones qumicas.

3. Caractersticas de los materiales aislantes

Independientemente de su naturaleza fsica o qumica, todo dielctrico bajo accin de un campo

elctrico presenta los siguientes fenmenos.

3.1 Polarizacin

En un dielctrico, las distribuciones de cargas puntuales de un campo electroesttico, presentan

una movilidad muy limitada, debido a que la formacin de dipolos generados por la separacin

de cargas es contrarrestada por las fuerzas de cohesin atmica.

3.2 Conduccin

En un dielctrico, la conduccin se da debido a que la polarizacin aumenta con la intensidad

del campo externo, entonces si el campo aumenta hasta un punto tal en el cual las fuerzas de

cohesin no pueden mantener juntas las cargas, el tomo se ioniza por desprendimiento de

electrones. Estos electrones generan un efecto avalancha (desprendimiento de ms electrones),

que produce una circulacin de corriente muy intensa, lo cual desborda en una ruptura

dielctrica.

3.3 Temperatura

Al someter un dielctrico a una tensin elctrica, este es atravesado por corrientes de fuga. Al

presentarse dichas corrientes, el dielctrico genera calor debido al efecto Joule, lo cual

representa prdidas de energa.

= 2

4

3.4 Ruptura dielctrica

La ruptura dielctrica se produce cuando un material dielctrico se convierte en conductor;

debido a que la intensidad de un campo elctrico genera un potencial que ioniza el material,

produciendo as la circulacin de una corriente elctrica (arco).

4. Tipos y Propiedades de los aislantes gaseosos

Algunos materiales gaseosos son aislantes y que en presencia de campos elctricos elevados

pueden convertirse en materiales conductores, esta condicin de conduccin es conocida como

descarga.

El aislante gaseoso de ms amplio uso es el aire y lo podemos encontrar en sistemas de

transmisin de alta, media y baja tensin. Otros aislantes gaseosos poseen propiedades y

caractersticas diferentes debido a que son elementos naturales o producto de reacciones

qumicas.

4.1 Aire

El aire es un material aislante y los elementos que lo componen pueden ser considerados de la

misma forma. La composicin del aire se ilustra en la siguiente tabla:

Nitrgeno 78%

Oxgeno 20.99 %

Argn 0.9325 %

Gas carbnico 0.03 %

Hidrgeno 0.01 %

Nen, Helio, Kriptn, Xenn < 0.01 % Tabla 1. Elementos gaseosos que conforman el aire.

Propiedades del aire:

Peso molecular: 28.95/

Punto de fusin: 213.4

Fase lquida:

Densidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 875 /3

Punto de ebullicin: 194.5

Calor latente de vaporizacin (1.013 bar): 198.7 /

Punto crtico:

Temperatura crtica: 140.5

Presin critica: 37.71

Conductividad trmica (1.013 0 (32 )): 23.94 /()

4.2 Dixido de carbono

El dixido de carbono es un gas resultante de la combinacin de dos materiales: el carbono y el

oxgeno. El CO2 es un gas de olor ligeramente picante, incoloro y ms pesado que el aire, dicho

gas es utilizado por tener un adecuado aislamiento, capacidad para extinguir el arco elctrico,

estabilidad qumica, no es inflamable, no explota. El CO2 es usado en equipos de potencia, puesto

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que la cantidad que se usa de estos y su contaminacin es despreciable en comparacin con las

emisiones globales.

Propiedades del dixido de carbono:

Peso molecular: 44.01 /

Fase slida

Calor de fusin (1.013 bares): 196.104/.

Densidad del solido: 1562 /3

Punto crtico

Temperatura crtica: 31

Presin crtica: 73.825

Densidad crtica: 464 /3

Conductividad trmica (1.013 0 (32 )): 14.65/()

4.3 Nitrgeno

Este gas inerte posee varias aplicaciones industriales; en su forma gaseosa es neutro, incoloro,

inerte y no permite la vida, es usado como proteccin contra impurezas y oxidacin en

semiconductores. En su forma fra y lquida se lo utiliza como medio de enfriamiento de

dispositivos elctricos.

Propiedades del nitrgeno:

Peso molecular: 28.01314 /

Punto de fusin: 210

Fase lquida

Densidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 808.607 /3

Punto de ebullicin (1.013 bar): 195.9

Calor latente de vaporizacin (1.013 bar): 198.38 /

Punto crtico

Temperatura crtica: 147

Presin crtica: 33.99

Densidad crtica: 314.03 /3

Conductividad trmica (1.013 0 (32 )): 24 /()

4.4 Hexafluoruro de azufre SF6

El Hexafluoruro de Azufre es un gas inerte ms pesado que el aire, no es txico ni inflamable,

pero es asfixiante y es el elemento que ms produce efecto invernadero y no posee un color y

olor caractersticos. Es qumicamente muy estable, debido a que su estructura molecular se basa

en un arreglo de tomos, en donde un tomo de Azufre cuyos seis electrones de valencia que

constituyen los enlaces libres, son utilizados por seis tomos de Flor para completar su capa

electrnica perifrica.

Sus principales caractersticas son su alta constante dielctrica y adems puede apagar arcos

elctricos en forma efectiva debido a su alta capacidad calorfica y sus propiedades

electronegativas, adems posee una alta tasa de recombinacin despus de disociarse bajo el

efecto de descargas elevadas, por lo que es muy empleado como gas aislante en equipos para

distribucin de energa elctrica.

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4.5 Propiedades del Hexafluoruro de azufre SF6:

Peso molecular: 146.05 /

Fase slida

Calor de fusin (1.013 bares, en el punto triple): 39.75 /.

Fase lquida

Densidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin): 1880 /3

Punto de ebullicin (en el punto triple): 63.9

Presin de vapor (a 21 C): 21.5 /

Punto crtico

Temperatura crtica: 45.5

Presin crtica: 37.59

Densidad crtica: 314.03 /3

Conductividad trmica (1.013 0 (32 )): 12.058 /()

4.6 Vaco

La interrupcin de corriente en el vaco es considerada una tcnica de conmutacin ideal, y en

la actualidad es una gran solucin en equipos de alta tensin.

5. Gas Hexafluoruro de azufre SF6

Como ya se mencion anteriormente, el Hexafluoruro de azufre es uno de los mejores gases

aislantes que existe, ya que posee un valor elevado de la constante dielctrica. El SF6 posee la

capacidad de absorber electrones, debido al carcter muy electronegativo del tomo de Flor, al

que le falta un electrn para que su capa exterior quede completa, lo que crea un nivel de atraccin

muy elevado para todos los electrones que entren en su zona de influencia, impidiendo as la

circulacin de corriente.

5.1 Almacenamiento y Transporte

5.1.1 Almacenamiento

El almacenamiento del SF6 se debe realizar en reas secas, frescas, bien ventiladas y lejos de

lugares de trfico vehicular, adems no se debe permitir que en dichas reas la temperatura

exceda los 52 C.

Los cilindros de almacenamiento se los deben colocar parados y bien asegurados para evitar

cualquier dao fsico como golpes, no se los debe arrastrar, deslizar o hacer rodar, no se los debe

calentar y no se los puede almacenar por periodos largos.

Se debe utilizar una vlvula de control o de retencin para evitar riesgos de retroceso de flujo al

interior del cilindro. La carga de los cilindros debe ser efectuada por el fabricante o se debe

contar con su debido consentimiento.

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Figura 1. Cilindros de almacenamiento para el SF6.

5.1.2 Transporte

Al transportar se debe verificar que los cilindros se encuentren en posicin vertical, jams

transportar los cilindros en los bales de los automviles, compartimientos cerrados, cabinas

de camiones o en compartimientos de pasajeros, los cilindros deben estar asegurados en

plataformas.

5.2 Degradacin del Hexafluoruro de azufre SF6

La degradacin del SF6 (vida media de 3200 aos), se puede dar por la adicin de vapor de agua,

aire u otros gases producto de la descomposicin del propio SF6. El aire mezclado en

concentraciones mayores al 20% puede reducir significativamente la rigidez del SF6.

5.3 Impactos ambientales del Hexafluoruro de azufre SF6

En caso de escapar a la atmsfera, el SF6 contribuye al efecto invernadero, debido a que su

molcula es muy reflectante, por su gran densidad, por lo cual se toman las medidas necesarias

para evitar esto.

Se debe utilizar un equipo de recuperacin de gas, para evitar posibles escapes, adems se debe

de contar con una instruccin medioambiental para el correcto uso de este compuesto.

En su forma pura, el SF6 no es txico, ni peligroso al ser inhalado, sin embargo, debido a que es

casi seis veces ms pesado que el aire, desplaza el oxgeno, existiendo el riesgo de asfixia para

las personas.

Los gases que afectan la capa de ozono contienen cloro, el SF6 no contiene cloro en su

composicin y en consecuencia no daa la capa de ozono.

5.4 Regeneracin y Reciclaje

La regeneracin y reciclaje del SF6 se realiza en plantas criognicas. La reutilizacin del SF6,

trata de prevenir las emisiones, tanto como sea posible durante el servicio y retiro del equipo.

El SF6 extrado de un equipo elctrico, debe cumplir con requisitos de calidad que garanticen su

pureza, para poder ser reutilizado en un equipo. Adems, el gas usado puede ser considerado

como un producto o materia prima para la produccin de nuevo SF6 y puede ser devuelto al

fabricante del gas.

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Durante el proceso de regeneracin, la etapa criognica elimina gases no condensables tales

como el nitrgeno, y un proceso de filtrado elimina contaminantes como agua, diversos cidos,

subproductos txicos y aceite. Todo este proceso se realiza de manera automtica para evitar

los peligros de contacto con el operario y la exposicin ambiental.

Figura 2. Ciclo de vida del SF6.

5.5 Destruccin

La rigidez dielctrica del SF6 en casi todas las aplicaciones, es directamente proporcional a la

densidad del gas, cuando este empieza a pasar a su estado lquido, su densidad baja y puede

presentar fallas.

Si la inspeccin del SF6 revela que el gas no rene los requisitos de reutilizacin, este ha de ser

puesto a disposicin de una instalacin qumica, para ser destruido mediante incineracin.

El SF6 puede ser destruido calentndolo con caliza en un horno de altas temperaturas, con este

proceso el gas se transforma en yeso y flor, mismos que por su composicin natural, son no

txicos y completamente inofensivos para el medio ambiente.

5.6 Aplicaciones

Las aplicaciones del gas Hexafluoruro de azufre como dielctrico son diversas, entre las ms

importantes tenemos:

Interruptores de media y alta tensin, usados como medio de extincin del arco

Seccionadores.

Reconectadores.

Transformadores.

Interruptores automticos

Subestaciones aisladas en gas GIS.

Guas de ondas de radar

Todas estas aplicaciones son sistemas cerrados, muy seguros, sin posibilidades de filtraciones.

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6. El aire como aislante gaseoso

El aire se encuentra prcticamente rodeando a todos los implementos y dispositivos que

conducen corriente elctrica. En las lneas areas, por ejemplo, es prcticamente el nico aislante;

los aisladores de porcelana o vidrio lo que hacen es mantener a los conductores a una distancia

entre s y las torres tal que el aislamiento proporcionado por el aire sea el suficiente y no se

produzca una descarga a travs de l.

El aire es un material que en la prctica no es del todo homogneo y que se halla afectado por una

serie de condiciones tales como presin, humedad, temperatura, polvo, etc., que tienen que ser

considerados al hacer un estudio de sus propiedades dielctricas. Es prcticamente imposible

determinar en forma exacta cul va a ser su "resistencia dielctrica" o cul es la intensidad de

campo elctrico que, provocado por una tensin producira una ruptura dielctrica. Los

conocimientos que se tienen actualmente son puramente experimentales y se basan en pruebas

en lneas o en laboratorios especializados de alta tensin.

7. Pruebas en aislantes gaseosos

Las pruebas se basan en el estudio experimental del comportamiento de los gases aislantes frente

a altos voltajes, y la comprobacin experimental de la ley de Paschen.

7.1 Mtodo de prueba estndar para determinar el voltaje de ruptura y rigidez dielctrica de

gases aislantes a frecuencias de energa industrial.

Este mtodo de prueba realiza la determinacin de la tensin de ruptura y rigidez dielctrica de

gases aislantes, utilizados en transformadores, interruptores, cables y aparatos similares.

Durante el ensayo se utiliza electrodos planos o esfricos que proporcionan un campo casi

uniforme en el rea de descarga de energa elctrica. El mtodo utiliza una cmara de presin

para gas, compuesta por un cilindro de vidrio, completamente sellada. La tasa de aumento de

tensin ser de 0.5 kV/s.

Figura 3. Cmara de presin con electrodos esfricos para pruebas de rigidez dielctrica en gases aislantes.

El flujo de gas a utilizar dentro de la cmara debe ser controlado mediante una vlvula. Adems

antes de realizar la prueba, tanto el gas como la cmara deben estar a temperatura ambiente.

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7.2 Procedimiento del ensayo en gases aislantes

Las pruebas de rigidez dielctrica en gases aislantes deben realizarse de la siguiente manera:

Evacuar la cmara a una presin menor de 133 kPa.

Llenar la cmara con el gas de prueba a la presin atmosfrica o ligeramente por encima.

Nuevamente evacuar la cmara a una presin menor de 133 kPa.

Llenar la celda con el gas de prueba a la presin de 5 bares o a presin atmosfrica.

Aplicar la tensin aumentando desde cero a un ritmo de aproximadamente 0.5 kV/s hasta

que se produzca la ruptura.

Hacer cinco pruebas y obtener el promedio correspondiente.

Registre el voltaje de ruptura.

Para poner a prueba una segunda muestra se debe repetir el procedimiento realizado

previamente.

8. Subestaciones elctricas aisladas en SF6

Las Subestaciones Elctricas aisladas en gas usan estos elementos para el aislamiento elctrico de

sus distintos componentes de maniobra, medicin, barras, etc.

Las Subestaciones Elctricas clsicas eran aisladas en aire (AIS: Air-Insulated Switchgear); sin

embargo, en la actualidad, debido a sus propiedades ptimas, es ms utilizado el hexafloruro de

azufre. Cuando se trata de alta tensin su denominacin comn es GIS (Gas-Insulated Switchgear).

En media tensin se denominan MV-GIS (Medium Voltage-Gas-Insulated Switchgear).

La primera GIS de alta tensin se instal en 1966 en Plessis-Gassot, Francia, esta fue un prototipo

experimental de 245 kV. Las ventajas ms importantes a favor de las GIS es que son de rpido

montaje, poseen alta confiabilidad, con materiales de alto rendimiento, durabilidad y de muy bajo

mantenimiento y sobre todo sus dimensiones son muy reducidas. El volumen ocupado por una

GIS est entre el 3 al 8% del que le corresponde a una AIS de la misma tensin nominal y para las

mismas funciones. Del mismo modo, el rea ocupada por una GIS est entre el 3 al 12% de la que

le corresponde a una AIS de la misma tensin nominal y para las mismas funciones.

Figura 4. Subestacin elctrica aislada en SF6 (GIS).

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8.1 Aplicaciones de SSEE aisladas en SF6

Como ya se mencion la ventaja principal de las GIS es el espacio reducido que ocupan, por lo

que resulta muy conveniente su utilizacin en zonas pobladas en donde se carece de espacio

suficiente para la instalacin de una AIS. Las Subestaciones GIS tienen sus partes aisladas en

hexafloruro de azufre, en lugar de aislacin en aire como en las Subestaciones AIS. Cada equipo

de alta tensin, est encapsulado independientemente en un compartimiento metlico provisto

de gas SF6 a presin mayor que la atmosfrica. Se forman as mdulos individuales, que luego

se interconectan mecnica y elctricamente entre s utilizando bridas selladas y atornilladas.

Los mdulos individuales corresponden a:

Mdulo de juego de barras principales o colectoras.

Mdulo del interruptor de potencia.

Mdulo de seccionador de barras.

Mdulo de seccionador de lnea.

Mdulo de seccionador de puesta a tierra.

Mdulo de seccionador de aislamiento.

Mdulo de transformador de corriente.

Mdulo de transformador de tensin.

Mdulo de transformador de tensin de barras.

Mdulo de descargador de sobretensiones.

Mdulo de empalme con cable subterrneo.

Mdulo de empalme con lnea area.

Mdulo de Cuchillas de puesta tierra.

Cubculo de control local integrado.

Mdulo de empalme con mquinas (transformador/autotransformador de potencia, reactor,

etc.).

Figura 5. Seccin transversal de una GIS. 1 Interruptor de potencia. 2 Accionamiento de acumulador de resorte con unidad de

control del interruptor de potencia. 3 Mdulo de salida con seccionador y cuchilla de tierra. 4 Mdulo divisor. 5

Transformador de corriente. 6 Transformador de tensin. 7 Caja de bornes del transformador. 8 Cuchilla de tierra rpida. 9

Salida de cable. 10 Bushing areo. 11 Bastidor

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8.2 Interruptores de potencia

Los interruptores de las GIS utilizan el principio de autocompresin. Ante un cortocircuito, el

SF6 se recalienta debido al contacto con la energa desarrollada por el arco elctrico,

aumentando as la presin en el interior del cilindro de contacto, sumndose a la presin de

separacin propia de su mecanismo de accionamiento. As la presin total en el interior de

mecanismo es capaz de extinguir el arco elctrico. De este modo, los accionamientos modernos

son simples y basados en la acumulacin de energa en resortes.

Los interruptores modernos de alta tensin soportan hasta 500 kV y poseen una vida til de

alrededor de 10000 operaciones. En tensiones superiores se utilizan accionamientos

electrohidrulicos, constructivamente muy compactos, y con un control simplificado de las

vlvulas.

El accionamiento por acumulador de resorte proporciona la fuerza necesaria para abrir y cerrar

el interruptor de potencia, este se encuentra alojado en una caja compacta de aluminio

anticorrosivo. Los resortes de cierre y de apertura estn dispuestos de manera visible en el

bloque de accionamiento. La unidad del accionamiento est separada de los compartimentos de

gas SF6. El empleo de rodamientos y un mecanismo tensor que no exige mantenimiento

garantizan el funcionamiento seguro del mdulo.

Figura 6. Mdulo del interruptor de potencia. 1 Disparador Cerrar. 2 Leva. 3 Mecanismo de reenvo. 4 Barra de

accionamiento. 5 Biela del resorte de cierre. 6 Biela del resorte de apertura. 7 Resorte de cierre. 8 Tensor manual. 9

Mecanismo tensor. 10 Eje tensor. 11 Palanca de rodillos. 12 Amortiguador Cerrar. 13 Eje de maniobra. 14

Amortiguador Abrir. 15 Disparador Abrir. 16 Caja del accionamiento. 17 Resorte de apertura.

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8.3 Transformadores de corriente

Los transformadores de corriente son de tipo inductivo y se pueden instalar en cualquier punto

de la GIS, ya que su primario est constituido por la barra conductora de alta tensin que puede

ser del tipo barra pasante o tipo toroidal, mientras que los secundarios deben ser devanados

sobre los ncleos anulares que forman el circuito magntico.

El SF6 es el aislamiento principal entre devanados. Los ncleos y devanados secundarios deben

alojarse en una envolvente metlica conectada al potencial de tierra, mientras que sus

terminales deben salir a travs de las envolventes metlicas hasta una caja de conexiones

exterior, donde deben ser rematadas en tablillas cortocircuitables.

Los transformadores deben soportar un 20% de sobrecorriente de manera permanente, sin

rebasar los lmites de temperatura estipulados. Deben ser capaces de resistir los esfuerzos

trmicos y dinmicos que resulten de un corto circuito (la corriente que soportan los devanados

primarios al estar cortocircuitados sin exceder los lmites de temperatura es de 31.5 kA).

Figura 7. Mdulo del transformador de corriente. (1) envoltura, (2) barra de traccin, (3) ncleos, (4) paso de cables de

BT, (5) barra conductora de AT.

8.4 Transformadores de potencial

Los transformadores de potencial pueden ser tipo inductivo o capacitivo. Todo el conjunto debe

estar alojado en un compartimento metlico, lleno de gas como aislamiento principal entre

devanados, mientras que las terminales de los devanados secundarios deben llevarse a una caja

de conexiones exterior, donde deben rematarse en tablillas de terminales con porta fusibles

integrados.

Los TP se pueden colocar antes o detrs del seccionador de salida y deben disearse para que

los devanados puedan llevar una tensin igual a 1.2 veces el valor de su tensin nominal, adems

deben ser capaces de resistir los esfuerzos trmicos y dinmicos que resulten de un

cortocircuito.

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Figura 8. Mdulo del transformador de potencial (1) transformador, (2) envoltura, (3) barra conductora de AT, (4) aislador cnico.

8.5 Cuchillas de tierra

Las cuchillas de Puesta a Tierra son dispositivos que sirven para dar seguridad durante trabajos

de mantenimiento tanto al personal como al propio equipo, por lo que se requiere que todas las

partes conductoras de los equipos que necesitan mantenimiento o revisin, deben contar con

conexiones a tierra, mediante cuchillas de puesta a tierra. La localizacin de las cuchillas se debe

indicar en un diagrama unifilar.

Las cuchillas de puesta a tierra son interruptores de puesta a tierra con contacto mvil en forma

de clavija, estas deben de estar dentro de la envolvente metlica y deben ser accionadas

mediante un resorte tensado por motores; el aislamiento principal entre contactos y la

envolvente metlica debe ser el SF6. La cuchilla debe estar formada por tres polos de operacin

independiente en el caso de subestaciones con envolventes monofsicos, y de operacin tripolar

en el caso de envolventes trifsicos.

8.6 Barras

Su compartimiento est formado por barras conductoras de aluminio o cobre, de seccin

circular y soportadas por aisladores situados a lo largo de la envolvente metlica. El espacio

entre las barras conductoras y su envolvente permanece con SF6 a presin mayor que la

atmosfrica. Hasta la tensin nominal de 145 kV existen envolventes tripolares (las tres fases

dentro de un mismo encapsulado). A partir de esa tensin, son unipolares (fases separadas).

Las GIS unipolares son ms voluminosas que las tripolares. Tambin las tripolares tienen un

mantenimiento ms sencillo debido a que poseen menos partes mviles y por ser una sola

envolvente en lugar de tres, la posibilidad de fugas de gas es menor. Adems, los flujos

magnticos de cada una de las tres fases se compensan, ahorrando as prdidas de energa.

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Figura 9. Mdulo tripolar de barras.

8.7 Sistemas de control

El sistema de control de cada mdulo de la subestacin, se realiza mediante tableros de comando

y control, que se disponen de manera individual en un gabinete de control general, mismo que

puede ser comandado de la siguiente manera:

Local, en el propio gabinete de control desde el tablero respectivo a cada mdulo.

Remoto desde la sala de control general ubicada en el mismo edificio.

Remoto desde un centro de despacho de cargas regional y/o nacional.

Figura 10. Gabinete de control general de una subestacin.

El gabinete se debe construir con base de lmina y perfiles estructurales de hierro, se lo debe

montar sobre el piso y debe ser diseado para recibir el cableado externo por la parte inferior.

Estos gabinetes deben contar con los equipos y aparatos necesarios para desempear las

siguientes funciones bsicas.

Control local de los equipos de maniobra, cuchillas e interruptores.

Sealizacin de alarmas locales y remotas para la indicacin de fallas en algn mdulo.

Centralizacin del cableado, incluyendo circuitos de control de interferencia de los

diferentes mdulos, circuito de sealizacin y de alarmas, circuitos de cierre, disparo y

bloqueo, circuitos secundarios de transformadores, cableado de contactos auxiliares,

circuitos de fuerza y calefaccin.

Representacin del diagrama unifilar de la subestacin en la parte frontal del gabinete, de

acuerdo a la clave de colores siguiente:

morado para tensiones de 123 kV y 138 kV

16

verde para tensiones de 139 kV a 161 kV

amarillo para tensiones de 230 kV

azul para tensiones superiores a 230 kV

Control y proteccin de circuitos de alimentacin auxiliares, mediante elementos tales como

relevadores, arrancadores, interruptores termomagnticos, fusibles, entre otros.

Enlace con el tablero de control, medicin y proteccin de la subestacin.

8.8 Sistemas de monitoreo del SF6

8.8.1 La deteccin de fugas de gas SF6

Debido al alto potencial de calentamiento global y la posible contaminacin a travs de las fugas

que produce el SF6, se realiza rigurosas tcnicas de control.

La deteccin de SF6 con espectrofotometra (Sensor infrarrojo no dispersivo)

La mayora de los gases absorben ciertas longitudes de onda de la luz infrarroja, esta

caracterstica es utilizada para el anlisis cuantitativo del SF6 ya que es directamente

proporcional a la concentracin de la sustancia absorbente. La sensibilidad del instrumento es

aproximadamente una tasa de fuga de 3,43 g/ao.

Deteccin de gas con cmara por infrarrojos

Esta tcnica se basa en la tecnologa de visualizacin trmica, las cmaras equipadas con filtros

especiales detectan varios gases, que pueden aparecer en las subestaciones y por lo tanto

perjudicar la medicin. El principal problema de esta tecnologa es la dificultad de medir bajo

radiacin solar.

La deteccin de los iones de gas en vaco

Estos dispositivos detectan la alteracin de las caractersticas elctricas del aire cerca de un

sensor. Esta tecnologa tiene sus races en la industria de la refrigeracin y constituye una

solucin de bajo coste para detectar fugas de cualquier gas. Por lo general se alcanza una alta

sensibilidad y regulacin.

Sin embargo esta alta sensibilidad puede provocar errores en ciertas aplicaciones, ya que la

alarma puede ser provocada por el viento y gases halgenos solventes como pinturas.

Figura 11. Deteccin de fugas del SF6 en una subestacin elctrica

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8.8.2 Supervisin del gas:

Debido a que la resistencia dielctrica del SF6, depende principalmente de su densidad y sta de

la variacin de la presin del gas, se debe medir la densidad en forma directa o indirecta a travs

de la medicin de la presin, compensando las variaciones de sta, originadas por cambios de

temperatura. Para llevar a cabo la supervisin de gas en forma individual para cada uno de los

compartimentos, debe disponerse de dispositivos provistos de contactos de sealizacin para

alarma y bloqueo. Estos dispositivos deben enviar seales de alerta cuando la presin a la que

est sometida el SF6 disminuye, entonces se bloqueara el mecanismo de operacin para realizar

el respectivo mantenimiento y revisin.

9. Subestaciones elctricas aisladas en aire

Son tradicionalmente las ms utilizadas. La aparamenta, cables y embarrados se encuentran

aislados en aire. Adems, por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y

separado del resto. Los tamaos de los dispositivos resultan mucho mayores en conjunto ya que

las distancias de seguridad a tener en cuenta son muy grandes.

Gran parte del siglo XX se centr en el desarrollo de nuevas tecnologas que aumentaran la

capacidad, la disponibilidad y redujeran el mantenimiento de las AIS, y tambin en la solucin de

aspectos como el tamao, la velocidad y la automatizacin.

Figura 12. Subestacin elctrica aislada en aire (AIS).

9.1 Aplicaciones de SSEE aisladas en aire

Las AIS son ampliamente utilizadas en sectores que se cuenta con el espacio necesario para su

construccin, ya que en estos casos resulta ms econmico su construccin en lugar de una GIS.

9.2 Configuraciones de barra y seccionamiento

9.2.1 Arreglo barra simple, interruptor simple

La configuracin de la barra simple, es la ms sencilla y por tanto la ms econmica, se usa

preferiblemente en subestaciones de menor tamao, todos los circuitos de la subestacin se

encuentran conectados a una misma barra. El principal inconveniente es que para dar

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mantenimiento a cualquier equipo adyacente a la barra se debe poner fuera de servicio toda

la subestacin.

Si la revisin se realiza en el interruptor o en el conjunto interruptor-transformador, solo debe

ponerse fuera de servicio el aparato afectado, con lo cual quedara fuera servicio y sin

alimentacin el circuito conectado a travs de dicho aparato. El depender de una sola barra

principal puede ocasionar paradas graves en el caso de un fallo en el interruptor o en la barra.

9.2.2 Arreglo de barra simple con by-pass

Para evitar los inconvenientes de la configuracin de barra simple, se instala en paralelo con

cada mdulo, un seccionador llamado de by-pass. Esto permite que, en el caso de tener que

realizar trabajos en un interruptor, se puede dar servicio a la posicin afectada a travs del

seccionador de by-pass. Mientras el servicio est por by-pass la instalacin queda sin

protecciones, y en el supuesto de una perturbacin, dispararn los interruptores de las lneas

de alimentacin.

9.2.3 Arreglo barra principal y barra de transferencia

La disposicin de barra simple y barra de transferencia consiste en aadir una barra auxiliar

a la configuracin de barra simple. Se aade un acoplamiento en las barras, uniendo de esta

manera las barras principal y de transferencia. Esta configuracin se desarroll para permitir

el mantenimiento al interruptor. Cuando un interruptor requiera ser mantenido, se sustituyen

sus funciones por el interruptor de enlace de barras para no dejar sin tensin al circuito.

Aunque esta disposicin es de bajo coste y soluciona bastantes de los problemas de la

configuracin de barra simple. Aun as, no llega a los altos grados de seguridad de servicio y

flexibilidad requeridos actualmente por el Sistema Elctrico.

9.2.4 Arreglo barra doble, interruptor simple

En la configuracin de doble barra e interruptor simple, al igual que en otras configuraciones

de barras dobles, se requiere un gran espacio fsico para su construccin; los objetos se

dividen tpicamente entre las barras colectoras, de manera que la subestacin est conectada

como en una configuracin de barra simple seccionada. Cuando se requiere el mantenimiento

en una de las barras o seccionadores adyacentes, los dems equipos se pueden transferir a

una sola barra. En este caso slo se ver afectado el objeto que requiere mantenimiento.

La configuracin de doble barra e interruptor simple se introdujo para hacer posible el

mantenimiento de los seccionadores adyacentes a la barra sin que ello afecte a los dems

objetos conectados en la subestacin.

9.2.5 Arreglo barra doble, interruptor doble

En la configuracin de doble barra con doble interruptor, se tiene dos interruptores por cada

circuito (lo que ocasiona que el arreglo sea costoso) y normalmente cada circuito est

conectado a las dos barras. En algunos casos, la mitad de los circuitos pueden trabajar con

cada barra.

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En esta configuracin, el fallo de una barra o interruptor ocasionara la prdida de la mitad de

los circuitos. Sin embargo, cuando todos los circuitos estn conectados para poder funcionar

con ambas barras, el grado de seguridad de servicio es elevado.

Este sistema es usado generalmente en Media Tensin.

9.2.6 Arreglo barra en anillo

En una configuracin en anillo, todos los objetos se conectan a travs de dos interruptores al

mismo. Hay por tanto el mismo nmero de circuitos que de interruptores. Durante el

funcionamiento normal, todos los interruptores estn cerrados. Cuando se presenta un fallo

en un circuito, se disparan solamente dos interruptores.

Durante el mantenimiento de un interruptor, el anillo queda roto pero todas las lneas siguen

en servicio. Los circuitos conectados al anillo estn dispuestos de forma que los circuitos de

generacin se alternen con las cargas. Cuando se produce una parada prolongada, puede

abrirse el seccionador de lnea y cerrarse el anillo.

Las configuraciones en anillo ofrecen una disponibilidad muy buena, pero son difciles de

ampliar. Una configuracin en anillo tpica contiene un mximo de seis circuitos. El arreglo de

anillo es de bajo coste, posee buena regularidad de servicio, es seguro y flexible y

normalmente se considera adecuado para subestaciones importantes hasta un mximo de

cinco circuitos.

La configuracin en anillo tiene el inconveniente de ser de difcil ampliacin, adems de

quedar abierto ante el disparo de cualquiera de sus circuitos. Para evitar estos inconvenientes

se pueden aadir interruptores intermedios que permiten la formacin de subanillos adems

de permitir su ampliacin en cualquier direccin. Sin embargo, el aumento de interruptores

encarece la subestacin.

9.2.7 Arreglo interruptor y medio

En la configuracin de un interruptor y medio, tambin llamada de triple conexin, tiene tres

interruptores en serie entre las barras principales. Dos circuitos estn conectados entre los tres

interruptores, cada circuito se conecta a una barra mediante un interruptor y comparten entre s

un tercer interruptor.

En condiciones de trabajo normales, todos los interruptores estn cerrados y las dos barras estn

con tensin. Para la realizacin de mantenimiento, se desconecta un circuito abriendo los dos

interruptores que le corresponden. Cualquiera de las dos barras puede quedar fuera del sistema

en cualquier momento sin interrumpir el servicio.

La disposicin de interruptor y medio requiere gran espacio fsico para su construccin y es ms

cara que las otras, excepto para el caso del arreglo de doble interruptor y doble barra. Sin

embargo, es superior en flexibilidad, regularidad y seguridad.

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10. Comparacin entre las subestaciones AIS y GIS

11. Conclusiones y Recomendaciones.

En los ltimos aos se ha avanzado de manera muy significativa en el desarrollo de la GIS,

permitiendo reducir espacios en las subestaciones elctricas, adems tambin se han creado

centros de investigacin dedicados al desarrollo de maneras de realizar el reciclaje del SF6,

impidiendo as cualquier posibilidad de contaminacin ambiental.

Las principales ventajas de utilizar una GIS son su espacio reducido, su elevada compactacin

y su bajo impacto ambiental y visual. Sin embargo un AIS tiene la aparamenta separada

individualmente que permite sustituciones sencillas y adems es ms barata en coste.

12. Bibliografa

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[2] Vivanco Carlos, Estudio de las caractersticas funcionales y econmicas de las subestaciones para optimizar la

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y en la actualidad. Revista ABB, 2008.

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