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• Fidel Sánchez Cerqueda

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1.1 Definición, Clasificación Y Elementos Constitutivos De Una Subestación. Una subestación es un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos, que tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica, permitiendo el control del flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento. Las subestaciones se pueden clasificar como sigue: • Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas. • Subestaciones receptoras primarias. • Subestaciones receptoras secundarias. Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas.- Estas se encuentran en las centrales eléctricas o plantas generadoras de electricidad, para modificar los parámetros de la potencia suministrada por los generadores, permitiendo así la transmisión en alta tensión en las líneas de transmisión. Los generadores pueden suministrar la potencia entre 5 y 25 kV y la transmisión depende del volumen, la energía y la distancia. Subestaciones receptoras primarias.- Se alimentan directamente de las líneas de transmisión, y reducen la tensión a valores menores para la alimentación de los sistemas de subtransmisión o redes de distribución, de manera que, dependiendo de la tensión de transmisión pueden tener en su secundario tensiones de 115, 69 y eventualmente 34.5, 13.2, 6.9 o 4.16 kV. Subestaciones receptoras secundarias.- Generalmente estas están alimentadas por clas redes de subtransmisión, y suministran la energía eléctrica a las redes de distribución a tensiones entre 34.5 y 6.9 kV. Las subestaciones, también se pueden clasificar por el tipo de instalación, por ejemplo: • Subestaciones tipo intemperie. • Subestaciones de tipo interior. • Subestaciones tipo blindado. Subestaciones tipo intemperie.- Generalmente se construyen en terrenos expuestos a la intemperie, y requiere de un diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvia, viento, nieve, etc.) por lo general se utilizan en los sistemas de alta tensión. Subestaciones tipo interior.- En este tipo de subestaciones los aparatos y máquinas están diseñados para operar en interiores, son pocos los tipos de subestaciones tipo interior y generalmente son usados en las industrias.

1.2 Transformadores de potencia. Los transformadores de potencia han permitido el desarrollo de la electricidad. Se trata de máquinas capaces de modificar algunos aspectos de la corriente como el voltaje o la intensidad. La potencia puede regularse en función al transformador de potencia utilizado. Como su propio nombre indica, el transformador de potencia modifica la electricidad en magnetismo para volver a convertirlo en electricidad. Por lo general, los transformadores no pierden potencia pero hay máquinas que presentan un pequeño porcentaje de pérdidas dependiendo del estilo, el diseño, el tamaño, etcétera. El funcionamiento de los transformadores se regula por la inducción electromagnética. Los transformadores de potencia se utilizan en subestaciones para concentrar la transformación de energía en media y alta tensión. También se distribuyen en subestaciones, centrales de generación y usuarios de grandes potencia. Los transformadores de potencia se componen varias piezas como son: -Núcleo. Es uno de los elementos más importantes que permiten el funcionamiento de los transformadores de potencia. El núcleo está constituido por diferentes elementos como las chapas de acero al silicio, columnas y culatas. Cada uno de estos fragmentos realiza una función específica e imprescindible para mantener en perfecto estado el funcionamiento de los transformadores de potencia. -Devanados. Es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo del transformador de potencia. Los devanados suelen estar cubiertos de una capa aislante. Los devanados también se denominan bobinas y pueden ser primarios o secundarios, según corresponda a la entrada o salida del sistema en cuestión. También hay transformadores de potencia con más devanados.

1.1.1 Clasificación de transformadores. Existen diferentes tipos de transformadores y diversas formas de clasificar a los transformadores. Tanto como por su funcionalidad (de potencia, comunicaciones, de media), por sus aplicaciones (reductor de voltaje, de aislamiento de impedancia), entre otros  diferentes tipos de clasificaciones. Tipos de transformadores               

Por su fase (monofásico, trifásico) Autotransformador Impedancia Potencia Comunicaciones Medida Elevador/reductor de voltaje Aislamiento Alimentación Con diodo dividido Frecuencia variable Pulsos De linea o flyback Híbrido Balun

 Por su fase Monofásicos Los transformadores monofásicos son empleados frecuentemente para suministrar energía eléctrica para alumbrado residencial, toma-corrientes, acondicionamiento de aire, y calefacción. Trifásicos Es el de más extensa aplicación en los sistemas de transporte y distribución de energía eléctrica. Este tipo de transformadores se construyen para potencias nominales también elevadas. Se puede decir que está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común.  Autotransformador El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada

circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador. El principio de funcionamiento es el mismo que el del transformador común. Transformador de impedancia Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (Tarjetas de red, teléfonos, etc. .) Y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces. Los transformadores de impedancia se construyen generalmente a partir de un núcleo de ferrita o hierro pulverizado que puede encontrarse en forma de anillo, toroide o barra casi siempre cilíndrica. De potencia Son los que se utilizan en las subestaciones y transformación de energía en alta y media tensión. Son Dispositivos de grandes tamaños, los transformadores de potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos entre las bobinas primaria y secundaria. Elevador/Reductor de voltaje Los Transformadores Reductores y Elevadores permiten a los operadores aumentar o disminuir la tensión eléctrica (VCA) para coincidir con los requisitos de carga. De aislamiento Los transformadores de aislamiento tienen una relación de 1:1 entre sus devanados primario y secundario. Lo que significa que ambos devanados tienen las mismas espiras (vueltas), por lo cual su salida entrega el mismo voltaje que se aplico a la entrada. Se utiliza principalmente como medida de protección. De alimentación Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible térmico que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme. Es utilizado principalmente para alimentar circuitos electrónicos.

1.1.2 TIPOS DE ENFRIAMIENTO El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido. Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una temperatura de operación suficiente baja y prevenir “puntos calientes” en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones: Actúa como aislante eléctrico. Actúa como refrigerante. aisladores solidos contra la humedad y el aire.

Protege a los

La transferencia de calor en un transformador son las siguientes: 1) Convección. 2) Radiación. 3) Conducción. El enfriamiento de los transformadores se clasifica en los siguientes grupos: TIPO OA Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento mas comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el mas económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores tubulares o radiadores separables. TIPO OA/FA Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado. Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de salida. TIPO OA/FOA/FOA Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento de aceite forzadoaire forzado, con enfriamiento aceite forzado-aire forzado.

El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construccion se usan los radiadores desprendibles normales con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a los cabezales de los radiadores. El aumento de capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces sobre diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces el régimen OA. TIPO FOW Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. El transformador es prácticamente igual que el FOA, excepto que el cambiador de calor es del modelo agua-aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores. TIPO AA Tipo seco, con enfriamiento propio. La característica primordial es que no contienen aceite u otro liquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento, y es el aire el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas menos de 15KV y hasta 2 000 KVA. TIPO AFA Tipo seco, con enfriamiento por aire forzado. Para aumentar la potencia del transformador AA, se usa el enfriamiento con aire forzado. El diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador. TIPO AA/AFA Tipo sedo, con enfriamiento natural con enfriamiento por aire forzado. La denominación de estos transformadores indica que tienen dos régimen, uno por enfriamiento natural y el otro contando con la circulación forzada por medio de ventiladores, cuyo control es automático y opera mediante un relevador térmico.

1.3 EL INTERRUPTOR DE POTENCIA El interruptor de potencia es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado. 1.3.1 DEFINICION Y TIPOS DE INTERRUPTORES Un interruptor eléctrico es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. En el mundo moderno las aplicaciones son innumerables, van desde un simple interruptor que apaga o enciente un bombillo, hasta un complicado selector de transferencia automático de múltiples capas controlado por computadora. Tipos de Interruptores:  Interruptor basculante: Interruptor cuyo miembro de actuación es una palanca de bajo perfil (basculador) que debe inclinarse en la/las posición(es) indicada(s) para lograr un cambio en el estado del contacto.  Interruptor de pulsador: Interruptor cuyo miembro de actuación es un botón que debe presionarse para lograr un cambio en el estado del contacto.  Interruptor rotativo: Interruptor cuyo miembro de actuación es una barra o un eje que debe rotarse en la/las posición(es) indicada(s) para lograr un cambio en el estado del contacto.  El Interruptor magnetotérmico o Interruptor automático incluye dos sistemas de protección. Se apaga en caso de cortocircuito o en caso de sobre carga de corriente. Se utiliza en los cuadros eléctricos de viviendas, comercios o industrias para controlar y proteger cada circuito individualmente.  Reed switch es un interruptor encapsulado en un tubo de vidrio al vacío que se activa al encontrar un campo magnético.  Interruptor centrífugo se activa o desactiva a determinada fuerza centrífuga. Es usado en los motores como protección.

1.3.2 Interruptores De Gran Volumen De Aceite Ventajas: - Construcción sencilla, - Alta capacidad de ruptura, - Pueden usarse en operación manual y automática, - Pueden conectarse transformadores de corriente en los bushings de entrada. Desventajas: - Posibilidad de incendio o explosión. - Necesidad de inspección periódica de la calidad y cantidad de aceite en el estanque. - Ocupan una gran cantidad de aceite mineral de alto costo. - No pueden usarse en interiores. - No pueden emplearse en conexión automática. - Los contactos son grandes y pesados y requieren de frecuentes cambios.

1.3.3 Interruptores En Aire El interruptor de aire hasta la aparición del interruptor de SF6 fue el que operó más satisfactoriamente a altas tensiones; de hecho, en una época fue el único interruptor apropiado para operar a tensiones mayores de 345 KV. Con el desarrollo de este interruptor se eliminó el riesgo de explosión de los interruptores de aceite. Los interruptores de aire para tensiones entre 72,5 KV y 800 KV son del tipo tanque vivo. El apagado del arco se efectúa por la acción de un chorro de aire comprimido que barre el aire ionizado del arco. Las desventajas que presentan los interruptores de aire, básicamente son el alto costo de las instalaciones neumáticas y el mantenimiento frecuente que requieren debido al gran número de válvulas y equipos de compresión, además del fuerte ruido que se produce en la operación del equipo debido a las altas presiones a las que se encuentra sometido el aire. Estos interruptores dejaron de ser utilizados con la aparición de los interruptores en SF6.

1.3.4 Interruptores De Vacio La alta rigidez dieléctrica que presenta el vacío (es el aislante perfecto) ofrece una excelente alternativa para apagar en forma efectiva el arco. En efecto, cuando un circuito en corriente alterna se desenergiza separando un juego de contactos ubicados en una cámara en vacío, la corriente se corta al primer cruce por cero o antes, con la ventaja de que la rigidez dieléctrica entre los contactos aumenta en razón de miles de veces mayor a la de un interruptor convencional (1 KV por µs para 100 A en comparación con 50 V/µs para el aire). Esto hace que el arco no vuelva a reencenderse. Estas propiedades hacen que el interruptor en vacío sea más eficiente, liviano y económico. La presencia del arco en los primeros instantes después de producirse la apertura de los contactos se debe principalmente a: • Emisión termoiónica. • Emisión por efecto de campo eléctrico. En otras palabras, los iones aportados al arco, provienen de los contactos principales del interruptor. Conviene destacar que en ciertas aplicaciones se hace conveniente mantener el arco entre los contactos hasta el instante en que la corriente cruce por cero. De esta forma se evitan sobre-tensiones en el sistema, producto de elevados valores de di/dt. La estabilidad del arco depende del material en que estén hechos los contactos y de los parámetros del sistema de potencia (voltaje, corriente, inductancia y capacitancia). En general la separación de los contactos fluctúa entre los 5 y los 10 mm. Ventajas - Tiempo de operación muy rápidos, en general la corriente se anula a la primera pasada por cero. - Rigidez dieléctrica entre los contactos se restablece rápidamente impidiendo la reignición del arco. - Son menos pesados y más baratos. - Prácticamente no requieren mantención y tienen una vida útil mucho mayor a los interruptores convencionales. - Especial para uso en sistemas de baja y media tensión. Desventajas:

- Dificultad para mantener la condición de vacio. - Generan sobre-tensiones producto del elevado di/dt. - Tienen capacidad de interrupción limitada.

1.3.5 Interruptores De Hexafloruro De Azufre El SF 6 se usa como material aislante y también para apagar el arco. El SF 6 es un gas muy pesado (5 veces la densidad del aire), altamente estable, inerte, inodoro e inflamable. En presencia del SF 6 la tensión del arco se mantiene en un valor bajo, razón por la cual la energía disipada no alcanza valores muy elevados. La rigidez dieléctrica del gas es 2.5 veces superior a la del aire (a presión atmosférica). La rigidez dieléctrica depende de la forma del campo eléctrico entre los contactos, el que a su vez depende de la forma y composición de los electrodos. Si logra establecerse un campo magnético no uniforme entre los contactos, la rigidez dieléctrica del SF 6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la rigidez del aire. Son unidades selladas, trifásicas y pueden operar durante largos años sin mantenimiento, debido a que prácticamente no se descompone, y no es abrasivo. Otra importante ventaja de este gas, es su alta rigidez dieléctrica que hace que sea un excelente aislante. De esta forma se logra una significativa reducción en las superficies ocupadas por subestaciones y switchgear. La reducción en espacio alcanzada con el uso de unidades de SF 6 es cercana al 50% comparado a subestaciones tradicionales. Esta ventaja muchas veces compensa desde el punto de vista económico, claramente se debe mencionar que hay un mayor costo inicial, en su implementación. La presión a que se mantiene el SF 6 en interruptores, es del orden de 14 atmósferas, mientras que en switchgear alcanza las 4 atmósferas.

1.3.6 Especificaciones de interruptores.

1.3.7 Selección de interruptores. La selección de un interruptor de potencia para una determinada aplicación consiste en definir un conjunto de valores que limitan las condiciones de operación máximas del interruptor. Los parámetros a indicar son algunos de los cuales deben tenerse presente: •  Tensión nominal. •  Frecuencia nominal. •  Corriente nominal. •  Rigidez dieléctrica (clase de aislación). •  Ciclo de trabajo.

•  Corriente de cortocircuito momentánea. •  Corriente de cortocircuito de interrupción. 1.4 Cuchillas Y Fusibles Son interruptores que se utilizan ya sea en el lado de alta o de baja tensión, sirven como protección para el transformador o el equipo asociado ya que pueden seccionarse en caso de emergencia. Este tipo de protección se conecta en serie con el circuito. Existen cuchillas individuales, es decir, una cuchilla para cada fase, y cuchillas de operación en grupo.Por la forma en la que operan se pueden clasificar en: Cuchillas desconectadoras: Este tipo de cuchillas se encuentran sostenidas mecanicamente y pueden operarse ya sea automática o manualmente. Para reestablecer basta con volverlas a conectar automáticamente o bien, con ayuda de una pértiga. Cuchillas fusibles: Este tipo de cuchillas abren al presentarse una sobrecorriente. Este tipo de cuchillas tienen internamente un elemento fusible calibrado para que con determinada corriente alcance su punto de fusión e interrumpa el paso de la corriente eléctrica a través de él.

1.4.1 DEFINICIÓN Y OPERACIÓN DE CUCHILLAS CONECTORAS.