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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas

SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

“UNIDAD 1: EQUIPOS PRIMARIOS DE UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA”

DOCENTE: ING. MUNGUÍA TAPIA JOSÉ ENRIQUE

Ciudad y Puerto de Lázaro Cárdenas, Michoacán, Febrero del 2016.

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INDICE

1.1 Definición, clasificación y elementos constitutivos de una subestación…........3 1.2 Transformadores de potencia……………………………………………………….4 1.2.1 Clasificación de transformadores……………………………………………..4-5 1.2.2 Tipos de enfriamiento en transformadores……………………………………5-6 1.3 Interruptores de potencia…………………………………………………………….6 1.3.1 Definición y tipos de interruptores…………………………………………… 6-8 1.3.2 Interruptores de gran volumen de aceite……………………………………8-10 1.3.3 Interruptores en aire……………………………………………………………..10 1.3.4 Interruptores de vacío…………………………………………………………...10 1.3.5 Interruptores de hexafloruro de azufre…………………………………….11-14 1.3.6 Especificación de interruptores de potencia………………………………14-15 1.3.7 Selección de interruptores de potencia………………………………………..15 1.4 Cuchillas y fusibles………………………………………………………………….16 1.4.1 Definición y operación de cuchillas conectoras………………………………16 1.4.2 Fusibles de potencia y sus curvas de operación…………………………….16 1.4.3 Especificaciones de cuchillas y fusibles……………………………………..16

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1.5 Apartarrayos………………………………………………………………………….17 1.5.1 Naturaleza de las sobretensiones y sus efectos en los sistemas eléctricos de potencia………………………………………………………………….. 17-18 1.5.2 Definición y operación de apartarrayos………………………………………18 1.5.2.1

Nivel básico al impulso maniobra…………………………………………18

1.5.2.2

Nivel básico al impulso de descargas…………………………………….18

1.5.2.3

Distancia de no flameo………………………………………………….18-19

1.5.2.4

Coordinación de aislamiento……………………………………………19-20

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INTRODUCCION

Los equipos primarios en las subestaciones, como su nombre lo indica, es la parte más importante ya que de estos depende la calidad y el servicio de la energía eléctrica que será entregada al cliente. Cada uno de ellos elabora un papel muy importante en el sistema eléctrico nacional, desde los transformadores, capaces de transformar diferentes valores de voltaje-corriente, hasta los interruptores, que son muy utilizados para proteger y realizar maniobras para mantener los demás equipos en buen estado.

DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN.

Una subestación eléctrica es una instalación destinada a modificar y establecer los niveles de tensión de una infraestructura eléctrica, para facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica.

Las Subestaciones pueden clasificarse bajo unos criterios básicos que cubran los tipos existentes dentro de nuestro medio: •Por su función dentro del sistema de potencia. •Por su tipo de operación. •Por su forma constructiva.

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Clasificación de las Subestaciones por su función dentro del sistema Subestación de Generación: Es la estación primaria de la energía producida por las plantas generadoras, su objetivo esencial es transformar el voltaje a niveles altos para lograr economía con la reducción de la corriente. Subestación de transmisión: Su función es interconectar las diferentes líneas de transmisión de 115 kV o 220 kV. Estas generalmente alimentan también barrajes de 34.5 kV y/o 13.2 kV. Subestación de subtransmisión: Son aquellas que alimentan o interconectan líneas de nivel intermedio de tensión, 44 kV o 34.5 kV, para transporte a distancias moderadas y de cargas no muy altas, con cargas distribuidas a lo largo de la línea. Subestación de distribución: Su función es reducir la tensión a niveles de distribución 13.2 kV para enviarla a los centros de consumo industrial o residencial, donde los transformadores de distribución instalados a lo largo de los circuitos, se encargan de reducir los niveles a baja tensión (440, 220, 108 V), para alimentar a los usuarios.

Clasificación de las Subestaciones por tipo de operación Subestación de transformación: Son estaciones que transforman la tensión dentro del sistema de potencia, a valores adecuados para su transporte o utilización. De acuerdo a la función de transformación que cumplan en el sistema de potencia se dividen en:

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a. Subestación de transformación: La tensión de salida es diferente de la de entrada; estas son las que permiten elevar o reducir los niveles de tensión desde los puntos de generación, pasando por lo niveles más altos de transmisión, hasta lo niveles más bajos de subtransmisión o distribución. b. Subestación de maniobra: Su función es unir algunas líneas de transporte con otras de distribución, con el propósito de dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio; el nivel de tensión es uno solo, por lo tanto no se utilizan transformadores de potencia que eleven o reduzcan el voltaje.

Clasificación de las Subestaciones por su forma constructiva



Subestaciones Interiores. Donde sus elementos constitutivos se instalan en el interior de edificios apropiados.



Subestaciones Exteriores o a la Intemperie. Sus elementos constitutivos se instalan a las condiciones ambientales.



Subestación Convencional. Es del tipo exterior pero la instalación de su equipo es abierta, sin que nada los proteja.



Subestación Encapsulada. Es una subestación cuyas partes vivas y equipos que soportan tensión están contenidos dentro de envolventes metálicos. Por ejemplo las Subestaciones encapsuladas en SF6.



Subestación Móvil. Se caracteriza porque todo el conjunto de equipos est instalado sobre un remolque. Su objetivo básico es el de ser utilizado bajo circunstancias de emergencia, en cualquier punto del sistema.

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Los elementos primarios que constituyen una subestación: 

Transformador.



Interruptor de potencia.



Cuchillas fusibles.



Cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba.



Apartarrayos.



Tableros duplex de control.



Condensadores.



Transformadores de instrumento.

TRANSFORMADORES DE POTENCIA Un transformador es un aparato eléctrico que por inducción electromagnética transfiere energía eléctrica de uno o más circuitos, a uno o más circuitos a la misma frecuencia, usualmente aumentando o disminuyendo los valores de tensión y corriente eléctrica.

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Clasificación de transformadores

A) La forma de su núcleo.    

Tipo columnas. Tipo acorazado. Tipo envolvente. Tipo radial.

B) Por el número de fases.  

Monofásico. Trifásico.

C) Por el número de devanados.  

Dos devanados. Tres devanados.

D) Por el medio refrigerante.   

Aire. Aceite. Líquido inerte.

E) Por el tipo de enfriamiento.         

Enfriamiento O A. Enfriamiento O W. Enfriamiento O W /A. Enfriamiento O A /A F. Enfriamiento O A /F A/F A. Enfriamiento F O A. Enfriamiento O A/ F A/F O A. Enfriamiento F O W. Enfriamiento A/A.

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

Enfriamiento AA/FA.

F) Por la regulación.   

Regulación fija. Regulación variable con carga. Regulación variable sin carga.

G) Por la operación.   

De potencia. Distribución De instrumento

Tipos de enfriamiento en transformadores Para prevenir el rápido deterioro de los materiales aislantes dentro de un transformador, se deben proveer los medios de enfriamiento adecuados, tanto para el núcleo como para los devanados. Los transformadores con potencias inferiores a 50 KVA se pueden enfriar por medio del flujo de aire circundante a los mismos. La caja metálica que los contiene se puede habilitar con rejillas de ventilación, de manera que las corrientes de aire puedan circular por convección sobre los devanados y alrededor del núcleo. Los transformadores un poco mayores se pueden construir de la misma manera, pero se puede usar la circulación forzada de aire limpio llamados tipo seco y se usan por lo general en el interior de edificios, retirados de las atmósferas hostiles. Los transformadores del tipo distribución, menores de 200 KVA, están usualmente inmersos en aceite mineral y encerrados en tanques de acero. El aceite transporta el calor del transformador hacia el tanque, donde es disipado por radiación y convección hacia el aire exterior del transformador. Debido a que el aceite es

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mejor aislante que el aire, se usa invariablemente en los transformadores de alta tensión. Tipo OA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio. Por lo general en transformadores de más de 50 kva se usan tubos radiadores o tanques corrugados para disminuir las pérdidas; En capacidades mayores de 3000kva se usan radiadores del tipo desmontable. Este tipo de transformador con voltajes de 46kv o menores puede tener como medio de enfriamiento líquido inerte aislante en vez de aceite. El transformador OA es el tipo básico y sirve como norma para capacidad y precio de otros. Tipo OA/FA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio, por medio de aire forzado. Este básicamente un transformador OA con adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor. Tipo OA/FA/FOA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio a base de aire forzado y aceite forzado. Este transformador es básicamente un OA, con adición de ventiladores y bombas para la circulación de aceite Tipo FOA. Sumergido en aceite, enfriado con aceite forzado y con enfriador de aire forzado. Este tipo de transformadores se usa únicamente donde se desea que operen al mismo tiempo las bombas de aceite y los ventiladores; tales condiciones absorben cualquier carga a pico a plena capacidad. Tipo OW.

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Sumergido en aceite y enfriado con agua. En este tipo de transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislarte del transformador. El aceite circula alrededor de los serpentines por convicción natural.

Tipo AA. Tipo seco, con enfriamiento propio, no contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento; son usados en voltajes nominales menores de 15 Kv en pequeñas capacidades. Tipo AFA. Tipo seco, enfriado por aire forzado. Estos transformadores tienen una capacidad simple basada en la circulación de aire forzado por ventiladores o sopladores.

INTERRUPTORES DE POTENCIA Definición y tipos de interruptores Un interruptor es un dispositivo cuya función es interrumpir y restablecer la continuidad en un circuito eléctrico. Si la operación se efectúa sin carga (corriente), el interruptor recibe el nombre de desconectador o cuchilla desconectadora. Si la operación de apertura o de cierre la efectúa con carga(corriente nominal), o con corriente de corto circuito (en caso de alguna perturbación), el interruptor recibe el nombre de disyuntor o interruptor de potencia. Los tipos de interruptores son:

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   

Interruptores de gran volumen de aceite. Interruptores en aire. Interruptores de vacío. Interruptores de hexafloruro de azufre.

Interruptores de gran volumen de aceite Se dividen en dos grupos:  

Interruptores de gran volumen de aceite Interruptores de pequeño volumen de aceite

Interruptores de gran volumen de aceite Estos interruptores reciben ese nombre debido a la gran cantidad de aceite que contienen. Generalmente se constituyen de tanques cilíndricos y pueden ser monofásicos. Los trifásicos son para operar a voltajes relativamente pequeños y sus contactos se encuentran contenidos en un recipiente común, separados entre sí por separadores (aislante). Por razones de seguridad, en tensiones elevadas se emplean interruptores monofásicos (uno por base de circuitos trifásicos. Las partes de éste interruptor son:       

Tanque o recipientes. Boquillas Contactos fijos Conectores (elementos de conexión al circuito) Vástago Contactos móviles Aceite de refrigeración

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Cuando opera el interruptor debido a una falla, los contactos móviles se desplazan hacia abajo, separándose de los contactos fijos. Al alejarse los contactos móviles de los fijos, se va creando una cierta distancia entre ellos, y en función de esta distancia está la longitud del arco eléctrico. El arco da lugar a la formación de gases, de tal manera que se crea una burbuja de gas alrededor de los contactos, que desplaza una determinada cantidad de aceite. Conforme aumenta la separación entre los contactos, el arco crece y la burbuja se hace mayor, de tal manera que al quedar los contactos en su separación total, la presión ejercida por el aceite es considerable. Los interruptores de grandes capacidades con gran volumen de aceite originan fuertes presiones internas que en algunas ocasiones pueden explosiones. Para disminuir estos riesgos se idearon dispositivos donde se forman las burbujas de gas, reduciendo las presiones a un volumen menor. Estos dispositivos reciben el nombre de "cámaras de extracción" y dentro de estas cámaras se extingue el arco.

Interruptores en aire. Debido al peligro de explosión e incendio que representan los interruptores en aceite, se fabrican los interruptores neumáticos, en los cuales la extinción del arco se efectúa por medio de un chorro de aire a presión. El aire a presión se obtiene por un sistema de aire comprimido que incluye una o varias impresoras, un tanque principal, un tanque de reserva y un sistema de distribución en caso de que sean varios interruptores. El proceso general es el siguiente:

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1. Cuando ocurre una falla la detecta el dispositivo de control, de tal manera que una válvula de solenoide acciona a la válvula principal, ésta se abre, permitiendo el acceso de aire a los aisladores huecos. 2. El aire a presión que entra en los aisladores huecos presiona por medio de un embolo a los contactos. 3. Los contactos accionan a los contactos que operan simultáneamente abriendo el circuito. 4. Como los aisladores huecos se encuentran conectados directamente a las cámaras de extinción, al bajar los contactos para accionar a los contactos el aire a presión que se encuentra en los aisladores entra violentamente a la cámara de extinción extinguiéndose el arco.

Interruptores de vacío Los mejores conductores de electricidad, son aquellos materiales que ofrecen la mayoría de electrones libres y, por el contrario, los mejores aisladores o dieléctricos ofrecen el mínimo número de electrones libres. Debido a que el vacío constituye una ausencia de cualquier substancia y, por lo tanto, una ausencia de electrones, en teoría, representa el mejor dieléctrico. Basado en esta teoría, pueden haber grandes ventajas que se pueden realizar, si operan mecánicamente los contactos eléctricos cuando abren en una cámara de vacío. La mayoría de los fabricantes han sido capaces de construir tales dispositivos para su uso en alta tensión. Dentro de las ventajas que se tienen, se pueden mencionar los siguientes: son más rápidos para extinguir el arco eléctrico, producen menor ruido durante la operación, el tiempo de vida de los contactos es mayor y elimina o

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reduce sensiblemente el riesgo de explosiones potenciales por presencia de gases o líquidos. El mantenimiento de estos interruptores es reducido y se pueden usar en casi cualquier lugar, debido a que no son afectados por la temperatura ambiente u otras condiciones atmosféricas.

Interruptores de hexafloruro de azufre El SF6 tiene excelentes propiedades aislantes y para extinguir arcos eléctricos, razón por la que ha sido usado exitosamente, por más de veinte años en la construcción de equipo en alta tensión. En el caso de los interruptores, el uso del SF6 representa una solución ventajosa, funcional y económica. Otra ventaja es el mantenimiento reducido en comparación con los demás. Se indica que se fabrican en tensiones de hasta 800 kV y corrientes de corto circuito de hasta 63 kA con dos cámaras de interrupción por polo; dependiendo del voltaje y de la capacidad interruptiva, se encuentran distintas versiones:   

Como cámara sencilla hasta 245 kV y 50 kA. Como dos cámaras y columnas sencillas entre 245-550 kV y 63 kA. Como cuatro cámaras y dos columnas hasta 800 kV y 63 kA.

Especificación de interruptores de potencia Entre los datos técnicos que se deben proporcionar se pueden mencionar como funcionamiento los siguientes: a) Tensión normal de operación. b) Corriente nominal.

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c) Corriente de ruptura en KA. d) Capacidad de ruptura en MVA. e) Capacidad de ruptura para S SRG, de duración de falla.

Selección de interruptores de potencia 

Tipo "GC" Un solo tanque. Características. 14.4 KV 100, 250, 500 MVA.



TIPO "G" Tres tanques. Características. 14.4 hasta 69 KV, -500 hasta 2500 MVA. Usado en transmisiones de potencia.



TIPO "GM" Montado sobre el piso. Características. 69 hasta 1614 KV, -1500 hasta 1500 MVA. Empleado en sistemas de trasmisión.



TIPO "GW" 230 KV a 345 KV 1200 a 1600 Amp. Este interruptor se emplea para circuitos de líneas de alto voltaje en que se requiere una capacidad de interrupción muy rápida, y con características de reenganche rápido efectivo.

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CUCHILLAS Y FUSIBLES Definición y operación de cuchillas conectoras La cuchilla fusible es un elemento de conexión y desconexión de circuitos eléctricos. Tiene dos funciones: como cuchilla desconectadora, para lo cual se conecta y desconecta, y como elemento de protección. Fusibles de potencia y sus curvas de operación El elemento de protección lo constituye el dispositivo fusible, que se encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión. El dispositivo fusible se selecciona de acuerdo con el valor de corriente nominal que va a circular por él, pero los fabricantes tienen el correspondiente valor de corriente de ruptura para cualquier valor de corriente nominal.

Especificaciones de cuchillas y fusibles



Garantizar un aislamiento dieléctrico a tierra y sobre todo en la apertura. Por lo general, se requiere entre puntos de apertura de la cuchilla un 15 o 20% de exceso en el nivel de aislamiento con relación al nivel de



aislamiento a tierra. Conducir en forma continua la corriente nominal sin que exista una elevación de temperatura en las diferentes partes de la cuchilla y en



particular en los contactos. Debe soportar por un tiempo especificado (generalmente 1 segundo) los efectos térmicos y dinámicos de las corrientes de cortocircuito.

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

Las maniobras de cierre y apertura se deben realizar sin posibilidad de que se presenten falsos contactos o posiciones falsas aún en condiciones atmosféricas desfavorables.

APARTARRAYOS Naturaleza de las sobretensiones y sus efectos en los sistemas eléctricos de potencia

Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser de dos tipos: 

Sobretensiones de tipo atmosférico. Al impactar, el rayo provoca un impulso de corriente que llega a alcanzar decenas de miles de amperios. Esta descarga genera una sobretensión en el sistema eléctrico que puede causar incendios, destrucción de maquinaria e incluso muertes de personas.



Sobretensiones por fallas en el sistema. Los motores eléctricos son cargas muy inductivas cuya conexión y desconexión provoca sobretensiones. Existen asimismo otros procesos capaces de producirlas, como por ejemplo el encendido y apagado del arco de soldadura. En caso de cortocircuito en algún punto de la red, las protecciones de la compañía eléctrica responden abriendo el circuito y con subsiguientes intentos de reenganche por si fuera una falta transitoria, lo que genera las sobretensiones típicas de conexión de cargas inductivas.

Definición y operación de apartarrayos

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El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico. Su principio general de operación se basa en la formación de un arco eléctrico entre dos explosores cuya operación está determinada de antemano de acuerdo a la tensión a la que va a operar. Nivel básico al impulso por maniobra y descargas

Dichos niveles establecen el máximo impulso de voltaje de los equipos conectados a la Línea de Transmisión pueden soportar sin que se produzca flameo (arcos eléctricos).

Distancia de no flameo Voltaje crítico de flameo VCF (kV): es el voltaje al cual ocurre el flameo o arco eléctrico. Se calcula según se halla seleccionado la coordinación de aislamiento por rayo (BIL) o por maniobra (NBS), las ecuaciones que definen el VCF son: V (50 )=VCF =

( NBAI)( FS) σ=3 (1−1.3)(σ )

V (50 )=VCF =

(NBAM )(FS) σ=3 (1−1.3)(σ )

Determinación de distancia entre fase mínima entre fases y tierra (estructura de soporte). Los métodos para el cálculo de aislamiento tienen su base entre otros métodos probabilísticos, por lo cual todos pasan a ser hasta cierto punto semiempíricos. El

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método de L París y GalletLeroy, establece el cálculo de la distancia de fase a tierra mínimo que ser puede dar entre un conductor y tierra (estructura de la torre) sin riesgo a que se produzca arco eléctrico. En las dos técnicas existe una proporcionalidad entre el voltaje crítico de flameo y la distancia de fase a tierra.

500 K ( VCF ) d= ¿ ( 0.6 )−−−→ Ec . L . París ¿

d=

(

(8 ) ( 0.6 )−−−→ Ec .Gallet −Leroy 3400 K −1 VCF

)

Tabla de factores espinterométricos

Coordinación de aislamiento

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La coordinación de aislamiento eléctrico es la correlación de esfuerzos dieléctricosen los aislamientos de los distintos componentes de un sistema eléctrico de potencia en alta tensión, con el objeto de minimizar el riesgo de pérdida del suministro de Energía Eléctrica, causado por sobretensiones que pudieran causar daños en el equipo y en los distintos elementos de una instalación. La coordinación de aislamiento es necesaria ya que los sistemas de transmisión

están

expuestos

a sobrevoltajes temporales que pueden ocurrir

por una gran variedad de causas, entre las más importantes tenemos: fallas, operación de interruptores y rayos. El aislamiento puede ser seleccionado en función de la altitud de la línea sobre el nivel del mar, manteniendo el nivel básico de impulso de la tensión nominal de operación. El diseño de aislamiento consistirá en la selección del espaciamiento entre fases, fases y tierra, número adecuado de aisladores.

Criterio para el nivel de aislamiento De acuerdo al nivel de voltaje seleccionado a partir del momento eléctrico y según las normas, para cada voltaje estándar se define los siguientes voltajes: nivel básico de aislamiento para impulso de rayo (NBAI) y nivel básico de aislamiento por maniobra de interruptores (NBAM). Dichos niveles establecen el máximo impulso de voltaje de los equipos conectados a la Línea de Transmisión pueden soportar sin que se produzca flameo (arcos eléctricos).