SUBESTACIONES ELÉCTRICAS INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ING. PABLO MANUEL MORCILLO VALDIVIA

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO OBJETIVOS Los objetivos planteados para esta unidad académica son los siguientes: Identificar los elementos y criterios para el diseño de las subestaciones eléctricas Relacionar los dispositivos legales vigentes para el diseño de las subestaciones eléctricas interiores y exteriores. Reconocer mediante la experiencia práctica las diferentes subestaciones en nuestro entorno cercano

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO GENERALIDADES

DEFINICIÓN Una Subestación Eléctrica es un conjunto de elementos o dispositivos que nos permiten cambiar las características de energía eléctrica (voltaje, corriente, frecuencia, etc.), tipo de corriente alterna a corriente continua, o bien, conservarle dentro de ciertas características.

GENERALIDADES La Subestación Eléctrica permitirá la utilización de la energía de las Centrales Generadoras mediante la elevación de la tensión (subestaciones elevadoras) para la transmisión a lo largo del sistema, así como su aprovechamiento en los puntos de utilización (subestaciones reductoras)

GENERALIDADES El elemento principal de una subestación es el Transformador, de allí la necesidad de establecer correctamente las características del sistema a atender, pues ello define el tipo de transformador. La magnitud del parámetro de potencia de la subestación condiciona el tipo de unidad transformadora

GENERALIDADES Al establecer las características del sistema a atender, se considera para su diseño, los siguientes parámetros, como por ejemplo: Potencia nominal (KVA o MVA) Potencia de cortocircuito Relación de transformación de tensión (Ep / Es) Grupo de conexión (Dy5, Dy11, etc) Tipo de unidad (Trifásica, Bancada monofásica en conexión trifásica)

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Los elementos que constituyen una subestación eléctrica se pueden clasificar como: Elementos principales o primarios, y Elementos secundarios

Los elementos principales o primarios se pueden considerar a: ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Los elementos principales o primarios se pueden considerar a: Transformador Interruptor de potencia Restaurador Cuchillas fusible Cuchillas desconectadoras Apartarrayos Transformadores de instrumento

Los elementos secundarios se pueden considerar a: ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Los elementos secundarios se pueden considerar a: Cables de potencia Cables de control Alumbrado Estructura Herrajes o ferretería Ductos, conductos, drenajes, etc. Cercas o casetas

El transformador es un dispositivo que: ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRIMARIOS El transformador es un dispositivo que: Transfiere energía a otro conservando la frecuencia constante. El principio físico que lo gobierna es el de inducción electromagnética. Tiene circuitos enlazados magnéticamente y aislados eléctricamente. Usualmente lo hace con un cambio en el nivel de tensión

Los elementos principales que constituyen a un transformador son: ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRIMARIOS Los elementos principales que constituyen a un transformador son: Núcleo magnético Devanados Tanque o recipiente Válvula de carga y de drenaje de aceite Tubos radiadores Aisladores de tensión Termómetro Manómetro Cambiador de derivaciones o taps

TIPOS DE TRANSFORMADORES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRIMARIOS TIPOS DE TRANSFORMADORES TIPO CLASIFICACIÓN Forma de su núcleo Tipo columnas Tipo acorazado Tipo envolvente Tipo radial Número de fases Monofásico Trifásico Número de devanados Dos devanados Tres devanados Medio refrigerante Aire Aceite Líquido inerte Regulación Fija Variable con carga Variable sin carga Operación Potencia Distribución Instrumento

TRANSFORMADORES SEGÚN SU SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRIMARIOS TRANSFORMADORES SEGÚN SU SISTEMA DE REFRIGERACIÓN FLUIDO REFRIGERANTE MODO DE CIRCULACIÓN ACEITE MINERAL O CONVECCIÓN NATURAL N LIQUIDO NO INFLAMABLE L CONVECCIÓN FORZADA F GAS G AGUA W AIRE A ORDEN DE LAS LETRAS EXTERIOR INTERIOR FLUIDO MODO 1 2 3 4

TRANSFORMADORES SEGÚN SU SISTEMA DE REFRIGERACIÓN - APLICACIÓN ELEMENTOS CONSTITUTIVOS PRIMARIOS TRANSFORMADORES SEGÚN SU SISTEMA DE REFRIGERACIÓN - APLICACIÓN TIPO CLASIFICACIÓN ON / AN Parte activa en aceite a convección natural Tanque refrigerado por aire a convección natural OF / WF Parte activa en aceite a circulación con bomba de aceite Aceite refrigerado con intercambiador de calor aceite/agua.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Las características constructivas de las subestaciones eléctricas difieren una de otras en tanto se analice su forma de instalación y montaje. Sin embargo los elementos que deberán constituirla siempre son: La celda de llegada de energía La celda de medición de energía La celda de transformación de energía La celda de distribución de energía Los elementos de protección

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Entendiendo que una subestación difiere en su forma de instalación, sus características constructivas deben ajustarse a cada tipo. Para mostrar esta situación analizaremos una SUBESTACIÓN DE TIPO CONVENCIONAL. Es necesario señalar que este tipo de instalación puede alojarse a nivel de piso (dentro de una caseta construida especialmente para ello) o en el sótano de las edificaciones.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE LLEGADA En esta se recibe la energía en alta tensión y, dependiendo de si ésta llega por un sistema de distribución aéreo o subterráneo, se requiere del correspondiente terminal unipolar de energía que permita la conexión al sistema previsto en la celda de llegada. Esta celda debe estar provista de un mecanismo mecánico de cierre enclavado con la celda de transformación y el sistema de operación.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE LLEGADA Adicionalmente, también aloja a los dispositivos de interrupción de la energía, debiendo éste tener un sistema de accionamiento mecánico acoplado al tipo de puerta de la celda de llegada y de transformación. La mayoría de las veces los dispositivos de medición (transformadores de tensión y corriente) se alojan en las barras de la celda de llegada.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE MEDICIÓN Esta se encuentra adyacente a la celda de llegada de la energía. En ella se realizan las mediciones de los parámetros eléctricos de operación del sistema en alta tensión que se está alimentando. Debe tenerse especial cuidado al seleccionar las características de los transformadores de tensión y de corriente, los que se acoplaran al medidor respectivo.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE MEDICIÓN Las características de los transformadores de medida se determinan considerando: Potencia de los instrumentos de medición acoplados a ellos. Relación de transformación de los instrumentos de medición. Nivel de tensión donde se instalarán. Características de la barra donde se instalarán

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE TRANSFORMACIÓN Adyacente a la celda de medición, aloja al transformador y al sistema de protección del lado de baja tensión como a los cables de salida del mismo. Generalmente, la parte inferior de esta celda contiene un conducto por debajo de él que es empleado para su ventilación natural y distribución de energía.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE TRANSFORMACIÓN Dependiendo de la naturaleza concreta de la instalación, debe evaluarse la necesidad de emplear un sistema natural de ventilación del calor generado o un sistema forzado del mismo (extractores, ventiladores, etc). El transformador es alojado sobre unos rieles que permiten su montaje y posterior mantenimiento. Igualmente se debe evaluar el sistema de drenaje, que impida acumulaciones perjudiciales de algunos fluidos

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE DISTRIBUCIÓN En esta celda se distribuye la energía en baja tensión hacia los puntos requeridos por el sistema. Puede estar adyacente a la celda de transformación, como también en otro ambiente contiguo pero separado por una pared. En esta celda se encuentra el tablero principal de distribución y por lo tanto, el interruptor principal en baja tensión.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS LA CELDA DE DISTRIBUCIÓN La conexión física del transformador al tablero principal en B.T. se puede realizar mediante barras o cables de energía. En cualquiera de los casos se debe evaluar las características de espacio requerido para realizar las maniobras de montaje y mantenimiento posterior, así como los medios mecánicos y eléctricos de aislamiento necesarios.

SISTEMAS DE PROTECCIÓN INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO SISTEMAS DE PROTECCIÓN

SISTEMA DE PROTECCIÓN Siendo el transformador el elemento principal en una subestación eléctrica, los mecanismos de protección están orientados a protegerle. Podemos entonces diferenciarlos de aquellos que se pueden plantear como directamente involucrados con el transformador como aquellos de carácter del sistema eléctrico

CONTROL DE TEMPERATURA SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTROL DE TEMPERATURA La temperatura se controla por medio de termómetros de mercurio y, en algunos casos por termopares colocados en los devanados que alimentan a su vez a milivoltímetros calibrados en ºC. Los métodos más empleados son el control de temperatura por medio de imagen térmica y la protección por relevador Buchholz.

SISTEMA DE PROTECCIÓN – CONTROL DE TEMPERATURA MÉTODO DE IMAGEN TÉRMICA Devanado del transformador Disparo Alarma Ventilador Bobina Resistencia de caldeo

SISTEMA DE PROTECCIÓN MÉTODO DE RELEVADOR BUCHHOLZ Su principio de operación es que toda falla interna del transformador va acompañada de una producción de gases. El relevador buchholz se conecta en el tubo que va del transformador al tanque conservador, de manera que los gases producidos en aquel hagan que el aceite del tubo suba de nivel; al variar el nivel, se mueven unos flotadores que hay en su interior, accionando un circuito de alarma y, si la falla es mayor, acciona el disparo

SISTEMA DE PROTECCIÓN MÉTODO DE RELEVADOR BUCHHOLZ

INTERRUPTORES DE POTENCIA SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES DE POTENCIA Genéricamente el interruptor es dispositivo cuya función es interrumpir y reestablecer la continuidad de un circuito. Si la operación se realiza con carga o con corriente de cortocircuito se denomina DISYUNTOR. Si la operación es realizada en vacío (sin carga) se denomina DESCONECTADOR O SECCIONADOR

INTERRUPTORES DE POTENCIA SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES DE POTENCIA Estos interruptores se pueden clasificar de la siguiente manera: Interruptores de aceite Interruptores neumáticos Interruptores en hexafloruro de azufre (SF6)

INTERRUPTORES DE ACEITE Se pueden clasificar en tres grupos: SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES DE ACEITE Se pueden clasificar en tres grupos: Interruptores de gran volumen de aceite Interruptores de gran volumen de aceite con cámara de extinción Interruptores de pequeño volumen de aceite.

INTERRUPTORES NEUMÁTICOS SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES NEUMÁTICOS En estos interruptores, el medio de extinción del arco eléctrico es aire a presión. El aire a presión se obtiene por un sistema de aire comprimido que incluye una o varias compresoras, un tanque principal, un tanque de reserva y un sistema de distribución (si son varios interruptores) Se fabrican monofásicos y trifásicos, para uso exterior o interior.

VÁLVULA DISTRIBUIDORA SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES NEUMÁTICOS AISLADORES HUECOS VÁLVULA DISTRIBUIDORA TANQUE DE AIRE VÁLVULA PRINCIPAL MANDO DE SEÑALES

VENTAJAS DEL INTERRUPTOR NEUMÁTICO SOBRE LOS INTERRUPTORES DE ACEITE SISTEMA DE PROTECCIÓN VENTAJAS DEL INTERRUPTOR NEUMÁTICO SOBRE LOS INTERRUPTORES DE ACEITE Ofrece mejores condiciones de seguridad, ya que evita explosiones e incendios. Interrumpe las corrientes de falla en menos ciclos. Disminuye la posibilidad de reencebados de arco. Es más barato.

INTERRUPTORES EN HEXAFLORURO DE AZUFRE (SF6) SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERRUPTORES EN HEXAFLORURO DE AZUFRE (SF6) El hexafloruro de azufre tiene excelentes propiedades aislante y para extinguir arcos eléctricos, razón por la que es empleado en subestaciones de alta tensión. Otra ventaja es su mantenimiento relativamente reducido. Actualmente se fabrican hasta en 800 KV y corrientes de cortocircuito de hasta 63 KA.

TIPOS DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO TIPOS DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ING. PABLO MANUEL MORCILLO VALDIVIA

TIPOS DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS Las subestaciones eléctricas se pueden clasificar de la siguiente manera: TIPO CLASIFICACIÓN Por su forma de construcción Tipo intemperie Tipo interior Tipo blindado Por su operación De corriente continua De corriente alterna Por su servicio Elevadoras Receptoras reductoras Convertidoras o rectificadoras De enlace o distribución De maniobra o switcheo Por su instalación Aéreas Biposte o Monoposte Pedestal Bóveda o Subterránea Convencional

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELÉCTRICO MONTAJE Y EQUIPAMIENTO

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO Al respecto es necesario señalar las limitaciones que las normas consignan para el montaje y equipamiento de las subestaciones. Al respecto mostraremos algunas de las normatividades aplicadas por el CNE – Tomo V, vigente aún, en atención a la instalación de transformadores, y posteriormente las referidas al CNE - Suministro

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO El CNE – Tomo V señala en el acápite 5.4 Transformadores y Bóvedas de transformación 5.4.2. Generalidades 5.4.2.1 Ubicación e instalación: Los transformadores deben ser instalados en forma de reducir al mínimo las posibilidades de su destrucción por el fuego o por cualquier otro agente nocivo. Los transformadores deben ser construidos de manera tal que todas sus partes activas estén encerradas. Los transformadores que empleen líquidos deben ser montados en forma tal que habrá un espacio de aire de 15 cm entre transformadores, y entre transformadores y superficies adyacentes de material combustible

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO CNE – Tomo V: 5.4.2.3 Resguardos: Protección mecánica. Deberán tomarse todas las medidas para reducir a un mínimo la posibilidad de daño a los transformadores por causas externas, cuando sean expuestos a daños materiales. Aviso de peligro. La tensión de trabajo de las part4es activas expuestas de las instalaciones de un transformados deberá indicarse por medio de letreros o marcas bien visibles.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO El CNE – Tomo V: 5.4.2.4 Ventilación. La ventilación deberá se adecuada para disipar las pérdidas a plena carga sin que se produzca una temperatura ambiente excesiva.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO El CNE – Tomo V: 5.4.8.1 Transformadores de tipos seco en instalaciones interiores: Los transformadores de una capacidad de 112,5KVA o menor instalados al interior, deberán tener una separación no menor de 30 cm de cualquier material combustible. Los transformadores de una capacidad no mayor a 112,5KVA deberán instalarse en un cuarto de transformación de construcción resistente al fuego.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO El CNE – Tomo V: 5.4.9 Bóvedas para transformadores 5.4.9.1 Ubicación. Las bóvedas se ubicarán de modo que puedan ser ventiladas sin el empleo de canales o ductos, siempre que sea factible. 5.4.2.9 Paredes, techo y piso. Las paredes y el techo de las bóvedas deberán construirse con materiales resistentes al fuego que tengan la resistencia estructural adecuada a las condiciones de uso y una resistencia mínima al fuego de 3 horas. Los pisos de las bóvedas en contacto con tierra deberán ser de concreto con un espesor mínimo de 10cm y ciando la base de la bóveda se construya sobre un espacio libre, el piso deberá tener la adecuada resistencia estructural para la carga soportada y una resistencia mínima al fuego de 3 horas.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO El CNE – Tomo V: 5.4.9.4 Aberturas de ventilación Ubicación. Las aberturas de ventilación deberán ubicarse lo más lejos posible de puertas, ventanas, escaleras de incendio y materiales combustibles. Tamaño. En el caso de bóvedas con ventilación natural hacia un área exterior, el área neta combinada de todas las aberturas de ventilación, después de restar las áreas ocupadas por pantallas o rejillas, no deberá ser menor de 20cm2 por cada KVA de los transformadores en servicio. Para capacidades menores de 50KVA, el área no deberá ser menor de 1000 cm2.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO De manera similar el CNE – Suministro señala entre otras cosas: 152. Ubicación y disposición de transformadores 152.A Instalaciones externas 152.A.1 Los transformadores y reguladores de potencia deberán ser instalados de tal manera que las partes energizadas se encuentre encerradas, o protegidas para que limiten la posibilidad de contacto involuntario

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO CNE – Suministro: 152.A.2 La instalación de los transformadores llenos de líquidos, utilizará cualquiera de los siguientes métodos para minimizar el riesgo de incendio: El uso de líquidos menos inflamables, Separación de espacios, Barreras resistentes al fuego, Sistemas automáticos extintores de incendios, Colchones de absorción y recintos de seguridad que retienen el líquido del tanque del transformador roto.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO CNE – Suministro: 152.B Instalaciones internas 152.B.1 Los transformadores y reguladores de 75KVA y de mayor potencia que contengan una cantidad de líquido inflamable, y que estén ubicados bajo techo deberán ser instalados en salas ventiladas, o cámaras subterráneas separadas del resto de las edificaciones mediante paredes contra fuego. Los accesos que conducen al interior de la edificación deberán ser equipadas con paredes contra fuego y deberán contar con los medios para contener el líquido.

MONTAJE Y EQUIPAMIENTO CNE – Suministro: 152.B.2 Los transformadores y reguladores del tipo seco o que no contengan líquidos o gases inflamables pueden ser instalados en una edificación que no cuente con u recinto de protección a prueba de incendios. Cuando sean instalados en una edificación utilizada para otros fines que no sean los de la estación, la caja o el recinto de seguridad será diseñado de tal manera, que las partes energizadas se encuentren encerradas en la caja, que estará puesta a tierra.