DIPLOMADO EN ELECTROTECNIA INDUSTRIAL

MODULO VII

Subestaciones eléctricas industriales

Ing. José Manuel Páez

𝐶 =𝑄𝑐

𝑊.𝑉𝑟𝑚𝑠2

Compensación del factor de potencia

Definición:Una Subestación es un conjunto de dispositivoseléctricos, que forman parte de un sistema eléctricode potencia; sus funciones principales son:transformar tensiones y derivar circuitos depotenciaTransformación de tensión Transformación de tension Transformación de frecuencia Transformación del numero de faces Rectificación Compensación del factor de potencia Conexión de dos o mas circuitos

El lote de la subestación es el conformado por las áreas de los patios de conexión y transformación, vías de circulación y mantenimiento, edificaciones, etc.

Elemento físico de un patio de conexiones que representa el nodo del sistema, es decir, el punto de conexión en donde se unen eléctricamente todos los circuitos que hacen parte de un determinado patio de conexiones.

Es el ordenamiento físico de los diferentes equipos constitutivos de un patio de conexiones para una configuración determinada.

Es el conjunto de equipos necesarios para conectar un circuito (generación, transformación, interconexión o distribución, equipo de compensación, etc) al sistema de barrajes colectores de un patio de conexiones.

Seguridad

Confiabilidad

Simplicidad de operación

Calidad de voltaje

Mantenimiento

Flexibilidad

Coste

Selección de nivel de tensión

Capacidad de cortocircuito

Sistema de conexión a tierra

Adecuación de las protecciones

Define los niveles de tensión soportada por los componentes de la subestación.

Se definen los siguientes niveles:

Tensión soportada de frecuencia industrial.

Tensión soportada para sobretensiones de tipo rayo.

Tensión soportada para sobretensiones de maniobra.

Nivel básico de aislamiento al impulso, es la medida de la capacidad que tiene el sistema para soportar sobre voltajes debido a descargas atmosféricas o a operaciones de conexión o desconexión.

Define la capacidad de la subestación y de sus componentes en cuanto a los efectos de los cortocircuitos:

Efectos Térmicos: Ice / 1 seg, 2seg,

La intensidad de cortocircuito fase-tierra es importante para el diseño del sistema de puesta a tierra.

Define la capacidad para soportar en régimenpermanente las corrientes presentes en losdiferentes circuitos que componen la subestación.Los valores de corriente sirven para eldimensionamiento tanto del aparellaje como de losconductores y material de conexión que formanparte de los diferentes circuitos y de juegos debarras. Normalmente se definen dos tipos devalores:

Intensidad de régimen permanente para los circuitos.

Intensidad de régimen permanente para los juegos de barras

Como distancias de seguridad se han considerado las distancias mínimas que deben ser mantenidas en el aire entre las partes energizadas de los equipos (conductores), sobre los cuales sea necesario llevar a cabo un trabajo. Para determinar las distancias de seguridad se ha tenido en cuenta la Norma ANSÍ C37.32 y NEMA SG6.

La distancia de seguridad es la suma de los siguientes valores: Un valor básico relacionado con el nivel de

aislamiento, el cual determina una "zona de guarda" alrededor de las partes energizadas.

Un valor que es función de movimientos del personal de mantenimiento, así como del tipo de trabajo y la maquinaria usada.

Esto determina una "zona de seguridad" dentro de la cual queda eliminado cualquier peligro relacionado con acercamientos eléctricos.

En la tabla siguiente, se muestra las Distancias Mínimas de Seguridad.

Efecto de la Altitud

Según la publicación IEC N° 721, el factor de corrección de incremento de la tensión de diseño de los equipos, es de 1,25% por cada 100 metros de exceso a partir de los 1000 msnm. El factor de corrección por altura, está dado por:

Para una altitud h del área del proyecto, en metros

Efecto de la Temperatura

El aumento en la altitud produce disminución en la densidad del aire lo cual a su vez eleva la temperatura en los transformadores que dependen del aire para la disipación del calor.

Nivel isoceráunico:

Para la ubicación de una Subestación es de mucha importancia conocer datos sobre las descargas atmosféricas que se producen en la zona en la que se ubicará la Subestación, pueden ser datos mensuales o anuales, estos datos colaboran para el diseño de las diferentes protecciones para la nueva Subestación.

Por el nivel de aislamiento:◦ AIS

◦ GIS

◦ HIBRIDAS

Por la función que desempeñan◦ Subestación de maniobra o generación

◦ Subestación de enlace

◦ Subestación de distribución

◦ Subestación industriales

Son tradicionalmente las más utilizadas. La aparamenta, cables y embarrados se encuentran aislados en aire. Además, por este motivo cada dispositivo se encuentra de manera individual y separada del resto. Los tamaños de los dispositivos y embarrados resultan mucho mayores en conjunto ya que las distancias de seguridad a tener en cuenta son mucho mayores.

Como solución a los problemas deaislamiento se diseñaron las subestacionesblindadas con la aparamenta y losembarrados aislados en gas. Los tamaños sonmenores pero al ir todo encapsulado setienen que cumplir otros requisitos depresión del gas, sellado de las cámaras etc.diferentes a los que se pueden encontrar enla tecnología AIS. Existen dos formas derealizar el aislamiento en gas:

Una de ellas contiene las fases en un mismo blindaje,aisladas entre sí por el propio gas. Resultanposiciones mucho más compactas llegando a reducirla anchura de una posición de diez metros para 132kV hasta un metro. Las tensiones permisibles bajoesta tecnología son hasta 170 kV.

La otra solución consiste en tener cada fase, tanto deembarrado como de posición aislada, en su propioblindaje. El tamaño del dispositivo crece respecto alanterior pero las tensiones admisibles aumentanhasta los 800 kV. En ambos casos las posiciones secompartimentan para separar aislamientos de gas yde esta manera, si ocurre algún imprevisto en algúnelemento, que no afecte al resto.

Este tipo de subestación modular presenta características de ambas tecnologías AIS y GIS. Los embarrados siguen estando aislados en aire pero la aparamenta viene integrada en un único compartimento aislado en gas tipo GIS. Así se puede compactar una fase de una subestación de intemperie aislada en aire en un elemento sencillo y de mucho menor tamaño.

Se puede utilizar para un rango de tensiones de entre 72.5 kV y 550 kV, para servicio exterior.Cada módulo está compuesto por un interruptor, seccionadores, elementos de medida de tensión y corriente.

Subestación de maniobra en una estación de generación

Tiene como objetivo facilitar la conexión de la planta generadora hacia la red eléctrica, transformando la energía eléctrica para su transmisión.

Subestaciones de enlace

Se encuentra dentro de la red de transmisión de la energía eléctrica, tiene la función de facilitar el enlace y/o direccionamiento de la misma, normalmente con estas subestaciones finaliza la línea de transmisión desde la subestación de maniobra

Subestaciones de distribución

Son las más comunes dentro del sistema eléctrico, los cuales se encuentran cerca de los centros decarga, en su caso, una ciudad.

Subestaciones industriales

Funciona a partir de una línea principal del sistema eléctrico o acometida que nos entrega CFE, tiene la característica de cumplir con los requerimientos técnicos del cliente. Este tipo de subestación será estudiado en este capítulo.

Barras Transformadores de potencia Pararrayos Servicios auxiliares Batería Condensadores Obra civil Celdas Relé multifunción Aparatos de maniobra y corte

seccionadores Interruptor automático

Aparatos de protección y medida Transformadores de intensidad Transformación de tensión

1. TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Transformador de potencia es el aparato más importante de los centros de transformación. Es la máquina eléctrica estática capaz de transformar, por inducción electromagnética, los niveles de voltaje.

Para cumplir con este requerimiento especifico, resulta que el transformador de potencia es el equipo más grande, pesado, complejo y también más costoso de los equipos usados en una Subestación Eléctrica.

Para que un transformador opere encondiciones normales, debe estar sujeto a suscaracterísticas de construcción para lascuales fue diseñado. Los más importantesdentro de un transformador para trabajar enun régimen normal son:

Tensión nominal (Vn).- Es la tensión máxima que puede soportar el transformador por tiempo indefinido. El transformador puede tener dos o más tensiones nominales. Alta tensión, media Tensión y baja tensión cuando es de tres devanados.

Relación de transformación.- es la relación de tensión primario con el secundario o sea V1 la tensión V2. Cambiando en ocasiones la relación de transformación en los transformadores de potencia la variable según la construcción del transformador y dependiendo la carga en VA que se va a utilizar lo que se le ha a agregado un cambiador de derivación para balancear la carga según la cantidad de potencia de salida a la cual va a trabajar

Corriente nominal (In).-Es la corriente de carga máxima que el transformador puede soportar durante el transcurso de su vida útil bajo la temperatura y condiciones climáticas para las cuales fue diseñado. Se tiene corrientes nominales en cada nivel.

Potencia nominal.- Es la potencia máxima que el transformador puede llevar por tiempo indefinido durante su vida útil. Se mide en MVA y se calcula a partir de la tensión y la corriente.

Frecuencia nominal.-la frecuencia a la cual deben operar los transformadores y autotransformadores debe ser de 60 Hz.

Circuito magnético

Es un circuito magnético cerrado que generalmente está formado por columnas unidas por yugos o culatas, hechas de acero de láminas y aisladas entre sí por medio de de laca. El espesor de las láminas va de 0.3 a 0.5 mm.

Devanados.

Cuando los transformadores son de dos devanados, en cada columna se colocan devanados concéntricos de baja y alta tensión de la fase correspondiente. Si el transformador es de tres devanados, en cada columna se colocan devanados de baja, media y alta tensión. En los transformadores monofásicos los devanados de todas las tensiones se colocan en cada una de las columnas.

Transformador de dos devanados

Normalmente empleado en subestaciones de Distribución.

Puede utilizar LTC para,

Pueden utilizar taps para regulación de la tensión.

Generalmente ∆ -Υ en unidades reductoras.

Para el caso de unidades elevadoras usualmente es Υ - ∆

Transformador de tres devanados

Normalmente empleado en subestaciones de Distribución

Puede utilizar TAPS para regulación

Puede utilizar LTC para regulación de tensión

Generalmente en unidades de distribución Υ-Υ- ∆

En plantas de generación el grupo es por lo general∆ -Υ-Υ.

Tanque del transformador.

Es un recipiente de acero laminado, soldado, con tapa desmontable y equipada con ruedas para facilitar su desplazamiento. En el fondo del tanque se soporta el núcleo con los devanados del transformador y sobre la tapa se instalan las terminales, el tanque conservador y la válvula de seguridad.

Tanque conservador,

Los transformadores con capacidades superiores a unos 20 MVA se equipan con un tanque conservador, el cual es de dimensiones no muy grandes y sirve entre otras cosas para recibir el aceite excesivo que se produce por la dilatación térmica principal durante la operación del transformador.

Cambiador de derivaciones.

El cambiador de derivaciones para regulación sin carga es un dispositivo muy simple que modifica el número de espiras por medio de una palanca.

El cambiador de derivaciones con carga se realiza de tal manera que durante el cambio de derivaciones no se produzca la ruptura del circuito de corriente ni el corto circuito entre las espiras del devanado.

Normas de fabricaciónConstruidos y ensayados bajo Normas IEC 60076 y ANSI C57.12.00. Se fabrican también de acuerdo a otras especificaciones particulares.

Los transformadores utilizados en los sistemas de potencia suelen funcionar con una tensión y una frecuencia constante, en su diseño tiene mucha importancia un buen rendimiento. Estos equipos, en general, poseen eficiencias de potencias que varían entre el 90% y el 99%. Los transformadores se emplean en la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias, elevan la tensión del devanado primario en el devanado secundario.