Subestacion electrica - Electrical substation

Elementos de una subestación
  1. Lado de las líneas eléctricas primarias
  2. Lado de las líneas eléctricas secundarias
  1. Líneas eléctricas primarias
  2. Cable de tierra
  3. Titulares
  4. Transformador para medida de tensión eléctrica
  5. Desconecte el interruptor
  6. Cortacircuitos
  7. Transformador de corriente
  8. Pararrayos
  9. Transformador principal
  10. Edificio de control
  11. Valla de seguridad
  12. Líneas eléctricas secundarias
Una subestación eléctrica de 50 Hz en Melbourne , Australia . Aquí se muestran tres de los cinco transformadores de 220 kV / 66 kV, así como barreras cortafuego de transformadores de alta tensión , cada uno con una capacidad de 150 MVA. Esta subestación se construye utilizando estructuras de celosía de acero para soportar cables y aparatos de bus de tensión.
Una subestación de 115 kV a 41.6 / 12.47 kV 5 MVA 60 Hz con conmutador de circuito, reguladores, reconectadores y edificio de control en Warren, Minnesota . Esta subestación muestra elementos de construcción de bajo perfil; El aparato está montado en columnas individuales.

Una subestación es parte de un sistema de generación , transmisión y distribución eléctrica . Las subestaciones transforman el voltaje de alto a bajo, o al revés, o realizan cualquiera de varias otras funciones importantes. Entre la estación generadora y el consumidor, la energía eléctrica puede fluir a través de varias subestaciones a diferentes niveles de voltaje. Una subestación puede incluir transformadores para cambiar los niveles de voltaje entre voltajes de transmisión altos y voltajes de distribución más bajos, o en la interconexión de dos voltajes de transmisión diferentes.

Las subestaciones pueden ser propiedad y estar operadas por una empresa eléctrica, o pueden ser propiedad de un gran cliente industrial o comercial. Generalmente, las subestaciones están desatendidas y dependen de SCADA para la supervisión y el control remotos.

La palabra subestación proviene de los días antes de que el sistema de distribución se convirtiera en una red . A medida que las estaciones centrales de generación se hicieron más grandes, las plantas generadoras más pequeñas se convirtieron en estaciones de distribución, recibiendo su suministro de energía de una planta más grande en lugar de usar sus propios generadores. Las primeras subestaciones estaban conectadas a una sola central , donde se alojaban los generadores, y eran subsidiarias de esa central.

Estación 220 kV / 110 kV / 20 kV en Alemania

Tipos

Subestación de alta tensión en Kaanaa , Pori , Finlandia

Las subestaciones pueden describirse por su clase de voltaje, sus aplicaciones dentro del sistema de energía, el método utilizado para aislar la mayoría de las conexiones y por el estilo y los materiales de las estructuras utilizadas. Estas categorías no están desarticuladas; por ejemplo, para resolver un problema particular, una subestación de transmisión puede incluir importantes funciones de distribución.

Subestación en Rusia

Subestación de transmisión

Una subestación de transmisión conecta dos o más líneas de transmisión. El caso más simple es donde todas las líneas de transmisión tienen el mismo voltaje. En tales casos, la subestación contiene interruptores de alto voltaje que permiten que las líneas se conecten o se aíslen para eliminar fallas o realizar mantenimiento. Una estación de transmisión puede tener transformadores para convertir entre dos voltajes de transmisión, dispositivos de control de voltaje / corrección del factor de potencia como condensadores, reactores o compensadores VAR estáticos y equipos como transformadores de cambio de fase para controlar el flujo de energía entre dos sistemas de energía adyacentes.

Estación de AT mínima en Alemania

Las subestaciones de transmisión pueden variar de simples a complejas. Una pequeña "estación de conmutación" puede ser poco más que un bus más algunos disyuntores . Las subestaciones de transmisión más grandes pueden cubrir un área grande (varios acres / hectáreas) con múltiples niveles de voltaje, muchos disyuntores y una gran cantidad de equipos de protección y control ( transformadores de voltaje y corriente , relés y sistemas SCADA ). Las subestaciones modernas se pueden implementar utilizando estándares internacionales como el estándar IEC 61850 .

Subestación de distribución

Torre transformadora en Alemania. Alimentación de media tensión en la parte delantera, salida de baja tensión en el lateral.
Una subestación de distribución en Scarborough , Ontario , disfrazada de casa, completa con un camino de entrada, una acera y un césped cortado y arbustos en el patio delantero. Se puede ver claramente un aviso de advertencia en la "puerta de entrada". Los disfraces para subestaciones son comunes en muchas ciudades.

Una subestación de distribución transfiere energía del sistema de transmisión al sistema de distribución de un área. No es económico conectar directamente los consumidores de electricidad a la red de transmisión principal, a menos que utilicen grandes cantidades de energía, por lo que la estación de distribución reduce el voltaje a un nivel adecuado para la distribución local.

La entrada para una subestación de distribución es típicamente al menos dos líneas de transmisión o subtransmisión. El voltaje de entrada puede ser, por ejemplo, 115 kV, o lo que sea común en el área. La salida es una serie de alimentadores. Los voltajes de distribución son típicamente de voltaje medio, entre 2.4 kV y 33 kV, según el tamaño del área servida y las prácticas de la empresa de servicios públicos local. Los alimentadores corren a lo largo de calles aéreas (o subterráneas, en algunos casos) y alimentan los transformadores de distribución en o cerca de las instalaciones del cliente.

Además de transformar el voltaje, las subestaciones de distribución también aíslan fallas en los sistemas de transmisión o distribución. Las subestaciones de distribución son típicamente los puntos de regulación de voltaje , aunque en circuitos de distribución largos (de varias millas / kilómetros), también se pueden instalar equipos de regulación de voltaje a lo largo de la línea.

Las áreas del centro de las grandes ciudades cuentan con subestaciones de distribución complicadas, con conmutación de alto voltaje y sistemas de conmutación y respaldo en el lado de bajo voltaje. Las subestaciones de distribución más típicas tienen un interruptor, un transformador e instalaciones mínimas en el lado de baja tensión.

Subestación colectora

En proyectos de generación distribuida como un parque eólico o una central fotovoltaica , puede ser necesaria una subestación colectora. Se asemeja a una subestación de distribución, aunque el flujo de energía es en la dirección opuesta, desde muchas turbinas eólicas o inversores hacia la red de transmisión. Por lo general, por economía de construcción, el sistema de colectores opera alrededor de 35 kV, aunque algunos sistemas de colectores son de 12 kV, y la subestación de colectores aumenta el voltaje a un voltaje de transmisión para la red. La subestación colectora también puede proporcionar corrección del factor de potencia si es necesario, medición y control del parque eólico. En algunos casos especiales, una subestación colectora también puede contener una estación convertidora de HVDC.

También existen subestaciones colectoras en las proximidades de varias centrales térmicas o hidroeléctricas de potencia de salida comparable. Ejemplos de tales subestaciones son Brauweiler en Alemania y Hradec en la República Checa, donde la energía se obtiene de las centrales eléctricas de lignito cercanas . Si no se requieren transformadores para aumentar el voltaje al nivel de transmisión, la subestación es una estación de conmutación.

Subestaciones convertidoras

Las subestaciones convertidoras pueden estar asociadas con plantas convertidoras de HVDC , corriente de tracción o redes no síncronas interconectadas. Estas estaciones contienen dispositivos electrónicos de potencia para cambiar la frecuencia de la corriente, o bien convertir de corriente alterna a corriente continua o viceversa. Anteriormente, los convertidores rotativos cambiaron de frecuencia para interconectar dos sistemas; hoy en día tales subestaciones son raras.

Estación de conmutación

Una estación de conmutación es una subestación sin transformadores y que opera solo a un nivel de voltaje único. Las estaciones de conmutación se utilizan a veces como estaciones de recolección y distribución. A veces se utilizan para cambiar la corriente a líneas de respaldo o para paralelizar circuitos en caso de falla. Un ejemplo son las estaciones de conmutación para la línea de transmisión HVDC Inga – Shaba .

Una estación de conmutación también se puede conocer como patio de conmutación, y estos se encuentran comúnmente directamente adyacentes o cerca de una estación de energía . En este caso, los generadores de la central eléctrica suministran su energía al patio al bus del generador en un lado del patio, y las líneas de transmisión toman su energía de un bus alimentador en el otro lado del patio.

Una función importante que realiza una subestación es la conmutación , que es la conexión y desconexión de líneas de transmisión u otros componentes hacia y desde el sistema. Los eventos de cambio pueden ser planificados o no. Es posible que sea necesario desenergizar una línea de transmisión u otro componente para su mantenimiento o para una nueva construcción, por ejemplo, para agregar o quitar una línea de transmisión o un transformador. Para mantener la confiabilidad del suministro, las empresas tienen como objetivo mantener el sistema en funcionamiento mientras se realiza el mantenimiento. Todo el trabajo a realizar, desde las pruebas de rutina hasta la adición de subestaciones completamente nuevas, debe realizarse manteniendo todo el sistema en funcionamiento.

Los eventos de conmutación no planificados son causados ​​por una falla en una línea de transmisión o cualquier otro componente, por ejemplo:

  • una línea es alcanzada por un rayo y forma un arco ,
  • una torre es derribada por un fuerte viento.

La función de la estación de conmutación es aislar la parte defectuosa del sistema en el menor tiempo posible. Desenergizar el equipo defectuoso lo protege de daños mayores y aislar una falla ayuda a mantener el resto de la red eléctrica operando con estabilidad.

Vias ferreas

Los ferrocarriles electrificados también utilizan subestaciones, a menudo subestaciones de distribución. En algunos casos se produce una conversión del tipo de corriente, comúnmente con rectificadores para trenes de corriente continua (DC) o convertidores rotativos para trenes que utilizan corriente alterna (AC) en frecuencias distintas a la de la red pública. En ocasiones también son subestaciones de transmisión o subestaciones colectoras si la red ferroviaria también opera su propia red y generadores para abastecer a las otras estaciones.

Subestación móvil

Una subestación móvil es una subestación sobre ruedas que contiene un transformador, disyuntores y barras montadas en un semirremolque autónomo , destinado a ser arrastrado por un camión . Están diseñados para ser compactos para viajar en vías públicas y se utilizan como respaldo temporal en tiempos de desastres naturales o guerras . Las subestaciones móviles generalmente tienen una clasificación mucho más baja que las instalaciones permanentes y pueden construirse en varias unidades para cumplir con las limitaciones de viaje por carretera.

Diseño

La subestación Adélard-Godbout en el Viejo Montreal es la subestación más antigua de Canadá, en funcionamiento continuo desde 1901. Tiene una fachada de ladrillos de arcilla con adornos de piedra gris, para integrarse en el ambiente del centro.
Subestación en un edificio similar a un castillo de la década de 1910, sirve como punto de distribución junto a la presa de Lésna, una de las varias centrales hidroeléctricas en el río Bóbr .
Torre de distribución de 15 kV / 400 V en Polonia

Elementos de una subestación

Las subestaciones generalmente cuentan con equipos de conmutación, protección y control y transformadores. En una gran subestación, los disyuntores se utilizan para interrumpir cualquier cortocircuito o sobrecarga de corriente que pueda ocurrir en la red. Las estaciones de distribución más pequeñas pueden usar disyuntores o fusibles reconectadores para proteger los circuitos de distribución. Las propias subestaciones no suelen tener generadores, aunque una central eléctrica puede tener una subestación cercana. Otros dispositivos como condensadores , reguladores de voltaje y reactores también pueden estar ubicados en una subestación.

Las subestaciones pueden estar en la superficie en recintos cercados, subterráneos o ubicadas en edificios para propósitos especiales. Los edificios de gran altura pueden tener varias subestaciones interiores. Las subestaciones interiores se encuentran generalmente en áreas urbanas para reducir el ruido de los transformadores, por razones de apariencia, o para proteger la aparamenta de condiciones climáticas extremas o de contaminación.

Una puesta a tierra del sistema (toma de tierra) debe estar diseñado. El aumento total del potencial de tierra y los gradientes de potencial durante una falla (llamados potenciales de contacto y paso ) deben calcularse para proteger a los transeúntes durante un cortocircuito en el sistema de transmisión. Las fallas a tierra en una subestación pueden causar un aumento del potencial de tierra. Las corrientes que fluyen en la superficie de la Tierra durante una falla pueden hacer que los objetos metálicos tengan un voltaje significativamente diferente al del suelo bajo los pies de una persona; este potencial de contacto presenta un peligro de electrocución. Cuando una subestación tiene una cerca metálica, debe estar debidamente conectada a tierra para proteger a las personas de este peligro.

Los principales problemas que enfrenta un ingeniero de energía son la confiabilidad y el costo. Un buen diseño intenta lograr un equilibrio entre estos dos, para lograr confiabilidad sin un costo excesivo. El diseño también debe permitir la expansión de la estación, cuando sea necesario.

Selección de ubicación

La selección de la ubicación de una subestación debe considerar muchos factores. Se requiere suficiente área de tierra para la instalación de equipos con los espacios libres necesarios para la seguridad eléctrica y para el acceso para mantener aparatos grandes como transformadores.

Donde la tierra es costosa, como en las áreas urbanas, la aparamenta aislada con gas puede ahorrar dinero en general. Las subestaciones ubicadas en áreas costeras afectadas por inundaciones y tormentas tropicales a menudo pueden requerir una estructura elevada para mantener el equipo sensible a sobretensiones endurecido contra estos elementos. El sitio debe tener espacio para la expansión debido al aumento de la carga o adiciones de transmisión planificadas. Se deben considerar los efectos ambientales de la subestación, como el drenaje , el ruido y los efectos del tráfico rodado.

El sitio de la subestación debe ser razonablemente central para el área de distribución a ser servida. El sitio debe ser seguro contra la intrusión de los transeúntes, tanto para proteger a las personas de lesiones por descargas eléctricas o arcos, como para proteger el sistema eléctrico de un mal funcionamiento debido al vandalismo.

Diagramas de diseño

Subestación Tottenham, ubicada en un parque salvaje en el norte de Londres.

El primer paso en la planificación de un diseño de subestación es la preparación de un diagrama unifilar , que muestra de forma simplificada la disposición de conmutación y protección requerida, así como las líneas de suministro de entrada y los alimentadores o líneas de transmisión de salida. Es una práctica habitual de muchas empresas eléctricas preparar diagramas unifilares con elementos principales (líneas, interruptores, disyuntores, transformadores) dispuestos en la página de forma similar a como se distribuiría el aparato en la estación real.

En un diseño común, las líneas entrantes tienen un interruptor de desconexión y un disyuntor . En algunos casos, las líneas no tendrán ambos, siendo un interruptor o un disyuntor todo lo que se considera necesario. Se utiliza un interruptor de desconexión para proporcionar aislamiento, ya que no puede interrumpir la corriente de carga. Un disyuntor se usa como dispositivo de protección para interrumpir las corrientes de falla automáticamente, y puede usarse para encender y apagar cargas, o para cortar una línea cuando la energía fluye en la dirección "incorrecta". Cuando una gran corriente de falla fluye a través del disyuntor, esto se detecta mediante el uso de transformadores de corriente . La magnitud de las salidas del transformador de corriente puede usarse para disparar el disyuntor resultando en una desconexión de la carga suministrada por el disyuntor del punto de alimentación. Esto busca aislar el punto de falla del resto del sistema y permitir que el resto del sistema continúe operando con un impacto mínimo. Tanto los interruptores como los disyuntores pueden operarse localmente (dentro de la subestación) o remotamente desde un centro de control de supervisión.

Con líneas aéreas de transmisión , la propagación de un rayo y de conmutación sobretensiones puede causar aislamiento fallos en el equipo de subestación. Los supresores de sobretensión de entrada de línea se utilizan para proteger el equipo de la subestación en consecuencia. Los estudios de coordinación de aislamiento se llevan a cabo exhaustivamente para garantizar que las fallas del equipo (y las interrupciones asociadas ) sean mínimas.

Una vez pasados ​​los componentes de conmutación, las líneas de un voltaje determinado se conectan a uno o más buses . Estos son conjuntos de barras colectoras , generalmente en múltiplos de tres, ya que la distribución de energía eléctrica trifásica es en gran parte universal en todo el mundo.

La disposición de los interruptores, disyuntores y buses utilizados afecta el costo y la confiabilidad de la subestación. Para las subestaciones importantes, se puede utilizar una barra de anillo, barra doble o la llamada configuración de "interruptor y medio", de modo que la falla de cualquier interruptor no interrumpa la energía a otros circuitos, y para que partes de la subestación puedan ser desenergizado para mantenimiento y reparaciones. Las subestaciones que alimentan solo una carga industrial pueden tener disposiciones de conmutación mínimas, especialmente para instalaciones pequeñas.

Este diagrama unifilar ilustra el concepto de interruptor y medio que se utiliza a menudo en los patios de distribución.

Una vez establecidos los buses para los distintos niveles de voltaje, se pueden conectar transformadores entre los niveles de voltaje. Estos tendrán nuevamente un disyuntor, al igual que las líneas de transmisión, en caso de que un transformador tenga una falla (comúnmente llamado "cortocircuito").

Junto con esto, una subestación siempre tiene los circuitos de control necesarios para ordenar que los diversos interruptores automáticos se abran en caso de falla de algún componente.

Automatización

Las primeras subestaciones eléctricas requerían conmutación o ajuste manual de equipos y recopilación manual de datos para carga, consumo de energía y eventos anormales. A medida que crecía la complejidad de las redes de distribución, se hizo económicamente necesario automatizar la supervisión y el control de las subestaciones desde un punto de atención centralizada, para permitir la coordinación general en caso de emergencias y reducir los costos operativos. Los primeros esfuerzos para el control remoto de subestaciones utilizaron cables de comunicación dedicados, que a menudo se ejecutan junto con los circuitos de alimentación. El portador de línea eléctrica , la radio de microondas , los cables de fibra óptica , así como los circuitos de control remoto cableados dedicados, se han aplicado al control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) para subestaciones. El desarrollo del microprocesador supuso un aumento exponencial del número de puntos que podían controlarse y supervisarse económicamente. En la actualidad, los protocolos de comunicación estandarizados como DNP3 , IEC 61850 y Modbus , para enumerar algunos, se utilizan para permitir que múltiples dispositivos electrónicos inteligentes se comuniquen entre sí y con centros de control de supervisión. El control automático distribuido en las subestaciones es un elemento de la llamada red inteligente .

Aislamiento

Los interruptores, disyuntores, transformadores y otros aparatos pueden estar interconectados por conductores desnudos aislados en aire tendidos en estructuras de soporte. El espacio de aire requerido aumenta con el voltaje del sistema y con la clasificación de voltaje de sobrevoltaje del rayo. Para las subestaciones de distribución de media tensión, se pueden utilizar equipos de conmutación encerrados en metal y no se exponga ningún conductor vivo. Para voltajes más altos, los equipos de conmutación con aislamiento de gas reducen el espacio requerido alrededor del bus activo. En lugar de conductores desnudos, el bus y los aparatos se integran en contenedores tubulares presurizados llenos de gas hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Este gas tiene un valor aislante superior al del aire, lo que permite reducir las dimensiones del aparato. Además del aire o el gas SF 6 , el aparato utilizará otros materiales aislantes, como aceite de transformador , papel, porcelana y aislantes de polímero.

Estructura

Las estructuras de subestaciones al aire libre sobre el suelo incluyen postes de madera, torres metálicas de celosía y estructuras metálicas tubulares, aunque hay otras variantes disponibles. Cuando el espacio es abundante y la apariencia de la estación no es un factor, las torres de celosía de acero brindan soportes de bajo costo para las líneas de transmisión y los aparatos. Se pueden especificar subestaciones de bajo perfil en áreas suburbanas donde la apariencia es más crítica. Las subestaciones interiores pueden ser aparamenta aislada en gas (a altos voltajes), o aparamenta encerrada o revestida de metal a voltajes más bajos. Las subestaciones interiores urbanas y suburbanas se pueden terminar en el exterior para que se mezclen con otros edificios en el área.

Una subestación compacta es generalmente una subestación al aire libre construida en un recinto metálico, en el que cada elemento del equipo eléctrico está ubicado muy cerca uno del otro para crear un tamaño de huella relativamente más pequeño de la subestación.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

RMS de Oliveira y CLSS Sobrinho (2009). "Entorno computacional para la simulación de relámpagos en una subestación de energía por el método de dominio de tiempo de diferencia finita". Transacciones IEEE sobre compatibilidad electromagnética . 51 (4): 995–1000. doi : 10.1109 / TEMC.2009.2028879 .