Diseño de Subestaciones Eléctricas: Una Introducción
Las subestaciones eléctricas constituyen secciones esenciales de la red de distribución de energía, funcionando como centros para transmitir y distribuir electricidad. Estas instalaciones complejas requieren una planificación, diseño e implementación rigurosas para asegurar un suministro de energía constante y eficiente.
En este artículo, examinaremos los fundamentos del diseño de subestaciones eléctricas, incluyendo diferentes componentes, preocupaciones de disposición y factores ambientales.
Criterios de Planificación de Subestaciones
El nivel máximo de falla en un nuevo bus de subestación no puede superar el 80% de la capacidad de ruptura nominal del interruptor de circuito.
El margen del 20% está destinado a tener en cuenta el aumento en los niveles de cortocircuito a medida que se desarrolla el sistema.
La tasa de corriente de interrupción y generación, así como las capacidades de tiempo de eliminación de fallas de los equipos de conmutación en diferentes niveles de tensión, pueden calcularse como:
| Tiempo de eliminación de fallas | Nivel de tensión | Tiempo de operación | Corriente de interrupción | Corriente de cierre |
| 150 ms | 33 kV | 60-80 ms | 25 KA | 62.5 KA |
| 120 ms | 132 kV | 50 ms | 25/31.5 KA | 70 KA |
| 100 ms | 220 kV | 50 ms | 31.5/40 KA | 100 KA |
| 100 ms | 400 kV | 40 ms | 40 KA | 100 KA |
La capacidad de cualquier subestación individual en diversos niveles de tensión no debe generalmente exceder.
| Subestación | Nivel de tensión |
| 765 kV | 2500 MVA |
| 400 kV | 1000 MVA |
| 220 kV | 320 MVA |
| 110 kV | 150 MVA |
El tamaño y número de transformadores interconectados (ICTs) deben planificarse de tal manera que la falla de cualquier unidad no sobrecargue a los ICTs restantes o al sistema subyacente.
Un interruptor atascado no puede interrumpir más de 4 alimentadores para un sistema de 220 kV, dos para un sistema de 400 kV y uno para un sistema de 765 kV.
Requisitos del Sistema de Subestación
| S.No | Technical Parameter Description | Units | System | |||||
| 1 | System Nominal Voltage | kVrms | 400 kV | 220 kV | 132 kV | 33 kV | ||
| 2 | System Maximum Voltage | kVrms | 420 kV | 245 kV | 145 kV | 36 kV | ||
| 3 | Power frequency withstand voltage | kVrms | 630 kV | 460 kV | 275 kV | 70 kV | ||
| 520 kV | ||||||||
| 4 | Switching surge withstand voltage | kVp | ||||||
| (for 250/2500ms) | ||||||||
| 1). Line-to-Earth | 1050 kVp | Not | Not | Not | ||||
| 2). Across Isolating Gap | 900kVp+345kVrms | applicable | applicable | applicable | ||||
| 5 | Lightning Impulse Withstand Voltage | kVp for 1.2/50(ms) | ||||||
| 1). Line-to-Earth | 1425 kVp | 1050 kVp | 650 kVp | 170 kVp | ||||
| 2). Across isolating gap | 1425 kVp+ 240kVrms | 1200 kVp | 750 kVp | 195 kVp | ||||
| 6 | One minute power frequency withstand value | |||||||
| Dry | ||||||||
| Wet | kVrms | 520 | 460 | 275 | 70 | |||
| kVrms | 610 | 530 | 315 | 80 | ||||
| 7 | System frequency | Hz | 50 | |||||
| 8 | Variation in frequency | % | 2.5 | |||||
| 9 | Corona extinction voltage | 320 kV | 156 kV | 84 kV | ||||
| 10 | Radio interference voltage | 1000 mV at | 1000 mV | 1000 mV at | ||||
| 266 kV | at 167 kV | 93 kV | ||||||
| 11 | System Neutral rating | Solidly earthed | ||||||
| 12 | Continuous Current Rating | 1600 A (or) 2000 A | 1600 A | 800 A | 600 A | |||
| 13 | Symmetrical fault current (ISC) | kA | 40 | 40 | 31.5 | 25 | ||
| 14 | Short circuit fault current duration | Second | 1 | 1 | 1 | 3 | ||
| 15 | Dynamic short circuit (ISC) current rating | kAp | 100 kA | 100 kA | 79 kA | 62.5kA | ||
| 16 | Conductor spacing for AIS layouts (Phase-to-Ground) | meter | ||||||
| Phase-to-Phase | meter | 6.5 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||
| 7 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||||
| 17 | Design ambient temperatures | oC | 50 | |||||
| 18 | Pollution level as per IEC-815 & 71 | III | ||||||
| 19 | Creepage -Distance | mm | 10500 mm | 6125 mm | 3625 mm | 900 mm | ||
| 20 | Maximum fault clearing time | ms | <100 | <100ms | <150ms | |||
| 21 | Bay Width | meter | 27 | 16.4-18 | 10.4.12.0 | 5.5 | ||
| 22 | Bus equipment interconnection height from ground | meter | 8 | 5.5 | 5 | 4 | ||
| 23 | Strung busbar height | meter | >15 | 10 | 8 | 5.5 | ||
Nomenclatura
Fiabilidad: La fiabilidad del sistema de energía es la suministración ininterrumpida de energía a la tensión y frecuencia requeridas. Las barras colectoras, interruptores, transformadores, aisladores y dispositivos reguladores afectan la fiabilidad de la subestación.
Tasa de fallos: Es el promedio anual de fallos.
Tiempo de interrupción: El tiempo de interrupción se refiere al tiempo necesario para reparar un componente que falla o cambiar a una fuente de suministro diferente.
Tiempo de conmutación: Tiempo desde el inicio de la interrupción hasta la restauración del servicio mediante operación de conmutación.
Esquema de conmutación: La colocación de las barras colectoras y el equipo tiene en cuenta el costo, la flexibilidad y la fiabilidad del sistema.
Distancia fase-tierra: La distancia fase-tierra de la subestación es
Distancia entre el conductor y la estructura.
Distancia entre los equipos en vivo y las estructuras &
Distancia entre el conductor en vivo y la tierra.
Distancia fase-fase: Las distancias fase-fase de la subestación son
Distancia entre conductores en vivo.
Distancia entre conductores en vivo y aparatos y
Distancia entre terminales en vivo en interruptores, aisladores, etc.
Distancia al suelo: Es la distancia mínima desde cualquier ubicación donde un humano pueda necesitar pararse hasta la parte más cercana no potencialmente a tierra de un aislante que soporta el conductor en vivo.
Distancia seccional: Es la distancia mínima desde cualquier ubicación de pie hasta el conductor en vivo más cercano no protegido. Tome la altura de una persona con los brazos extendidos y la distancia fase-tierra para calcular la distancia seccional.
Distancia de seguridad: Esto incluye la distancia al suelo y la distancia entre secciones.
Campo electrostático de la subestación: Los conductores o partes metálicas energizados crean campos electrostáticos. Las subestaciones EHV (superiores a 400 kV) tienen campos electrostáticos que varían según la geometría del conductor o parte metálica energizada y el objeto vecino a tierra o el suelo.
General
Líneas de transmisión,
Alimentadores de subtransmisión,
Circuitos generadores, y
Transformadores de elevación y reducción de tensión
se conectan a subestaciones o estaciones de conmutación.
Las subestaciones de 66 a 40 kV se llaman EHV. Por encima de 500 kV, se las denomina UHV.
Las preocupaciones y métodos de diseño para las subestaciones EHV son similares, sin embargo, algunos elementos predominan en varios niveles de voltaje. Hasta 220 kV, los sobretensiones de conmutación pueden ignorarse, pero por encima de 345 kV, son esenciales.
Criterios y estudios de diseño de subestaciones
Los requisitos de diseño de la subestación se determinarán mediante los siguientes estudios.
Estudios de flujo de carga
Estudios de cortocircuito
Estudios de estabilidad transitoria
Estudios de sobretensión transitoria
Estudios de flujo de carga
Una subestación asegura una transmisión confiable de energía a las cargas del sistema.
Las necesidades de conducción de corriente de la nueva subestación (o) estación de conmutación se determinan mediante estudios de flujo de carga mientras todas las líneas están en servicio y mientras ciertas líneas están fuera de servicio por mantenimiento.
Después de evaluar varias condiciones de flujo de carga, se pueden calcular las calificaciones continuas y de emergencia del equipo.
Estudios de cortocircuito
Además de las clasificaciones de corriente continua, el equipo de la subestación necesita tener clasificaciones de corta duración.
Estas deben ser suficientes para permitir que el equipo resista el calor y las presiones mecánicas de la corriente de cortocircuito sin dañarse.
Para proporcionar una capacidad de interrupción adecuada en los interruptores, resistencia en aisladores postes, y ajuste apropiado para relés de protección que detectan el fallo.
Se deben establecer las corrientes de cortocircuito máxima y mínima para diversos tipos y ubicaciones de cortocircuitos y configuraciones del sistema.
Estudios de Estabilidad Transitoria
La entrada mecánica normal del generador es igual a la salida eléctrica además de las pérdidas del generador.
Los generadores del sistema giran a 50 Hz mientras esto continúe. Cualquier perturbación en el flujo mecánico o eléctrico hace que la velocidad del generador se desvíe de 50 Hz y oscile alrededor de un nuevo punto de equilibrio.
Una perturbación muy común es el cortocircuito. Los cortocircuitos cerca del generador reducen el voltaje en el terminal inferior y aceleran la máquina.
Después de corregir el error, el dispositivo inyectará energía excedente en el sistema de potencia para restaurar su estado original.
Cuando los enlaces eléctricos son fuertes, la máquina se desacelera rápidamente y se estabiliza. Enlaces débiles causarán inestabilidad de la máquina.
Factores que afectan la estabilidad incluyen:
Gravedad del fallo,
Velocidad de limpieza del fallo,
Enlaces entre la máquina y el sistema después de la resolución del fallo.
La estabilidad transitoria de la subestación depende de
Tipo y velocidad de los relés de protección de línea y barras,
Tiempo de interrupción del interruptor, y
Configuración de la barra una vez que se ha eliminado el fallo.
El último punto afecta la disposición de la barra.
Solo una línea se verá afectada si el fallo se resuelve durante la relé primaria.
Un interruptor bloqueado puede causar la pérdida de múltiples líneas durante la relé de fallo del interruptor, debilitando el enlace del sistema.
Estudios de Sobrevoltaje Transitorio
El sobrevoltaje transitorio puede resultar de rayos o conmutación de circuitos.
Los estudios con Analizador de Red Transitoria (TNA) son la forma más precisa de determinar el sobretensión por conmutación.
Distribución de la Subestación
La distribución de la subestación se determina por consideraciones físicas y eléctricas, incluyendo lo siguiente:
Seguridad del Sistema
Flexibilidad Operativa
Arreglos de Protección Fáciles
Limitación de Niveles de Cortocircuito
Instalaciones de Mantenimiento
Extensión Fácil
Factores del Sitio
Economía
Seguridad del Sistema
Las subestaciones ideales incluyen interruptores separados para cada circuito y permiten el reemplazo de barras colectoras o interruptores durante el mantenimiento o los fallos.
La seguridad del sistema puede determinarse permitiendo una dependencia del 100% en la integridad de la subestación o permitiendo un porcentaje de tiempo de inactividad debido a fallos periódicos (o) mantenimiento.
Aunque un sistema de doble barra colectora con diseño de doble interruptor es perfecto, es una subestación costosa.
Flexibilidad operativa
Controlar la carga de MVA y MVAR en todas las condiciones de conexión del circuito es esencial para la eficiencia de la carga del generador.
Los circuitos de carga deben agruparse para proporcionar un control óptimo en condiciones normales y de emergencia.
Arreglos de protección sencillos
Si un interruptor controla muchos circuitos o si más interruptores están dañados, esto se puede mitigar mediante el sectoreo de barras.
Aunque la relé de protección sea simple, un sistema de barra única es rígido para protecciones complicadas.
Limitación de los niveles de cortocircuito
Una subestación puede dividirse en dos partes, ya sea completamente o a través de una conexión de reactor, para reducir los niveles de cortocircuito.
El uso adecuado de interruptores en los sistemas anulares puede proporcionar una instalación similar.
Instalaciones de mantenimiento
Se requiere mantenimiento durante la operación de la subestación, ya sea planificado o de emergencia.
El rendimiento de la subestación durante el mantenimiento depende de las disposiciones de protección.
Extensión fácil
La disposición de la subestación debe permitir la extensión de bahías para nuevos alimentadores.
A medida que el sistema se mejora, puede ser necesario cambiar de un sistema de barra única a un sistema de doble barra o ampliar una estación en malla a una estación de doble barra.
Espacio y facilidades de expansión estarán disponibles.
Factores del sitio
La disponibilidad del sitio es esencial para la planificación de la subestación. En lugares limitados, puede ser necesario construir una estación con menos flexibilidad.
La subestación con menos interruptores y un esquema más simple ocupa menos espacio.
Economía
Si la economía lo permite, se puede crear un arreglo de conmutación mejorado para satisfacer los requisitos tecnológicos.
Diseño de la subestación y disposición de conmutación
El diseño de la subestación y la disposición de conmutación deben ser cuidadosamente diseñados basándose en IEEE 141 para garantizar la eficiencia y seguridad del sistema de distribución eléctrica.
Transformadores,
Interruptores y
Conmutadores
debe seleccionarse en función de los requisitos de voltaje y carga.
Para maximizar el espacio, facilitar el mantenimiento y permitir la extensión, el diseño debe planificarse cuidadosamente. Las barras colectoras deben vincular eficientemente el equipo, y los circuitos deben mejorar el flujo de energía y la confiabilidad.
Para una detección e aislamiento rápidos de fallas, se necesitan sistemas de protección y control robustos. Las normas regulatorias y las preocupaciones ambientales determinan el diseño de la subestación para garantizar la seguridad, la confiabilidad y el cumplimiento ambiental.
Varios aspectos deben considerarse al diseñar un esquema de EHV y configuraciones de conmutación:
Debe ser confiable, seguro y asegurar una excelente continuidad del servicio.
Los esquemas típicos de barras colectoras de subestaciones y la protección se explican en detalle en:
¿Qué es una barra colectora? Tipos, ventajas, desventajas &
Esquemas de protección de barras colectoras
Diferentes configuraciones de barras colectoras ofrecen diferentes ventajas en términos de redundancia, flexibilidad operativa y accesibilidad para el mantenimiento.
Un diseño eficiente de barras colectoras asegura un flujo de energía eficiente y facilita la expansión futura.
Estructuras de la estación de maniobras
Se necesitan estructuras para soportar e instalar equipos eléctricos de barras y terminar cables de líneas de transmisión.
Las estructuras pueden estar hechas de acero, madera, RCC o PSC. Según el tipo de suelo, necesitan cimientos.
Las subestaciones utilizan construcciones de acero prefabricadas por sus ventajas.
El
Distancia de fase,
distancia al suelo,
aisladores,
longitud del bus, y
peso del equipo
afectan el diseño estructural.
Flexión,
abolladura de la unión,
cortante vertical y horizontal, y
colapso de la nervadura
deben prevenir el fallo de vigas y viguetas de acero.
Las vigas en cajón reticulado deben ser de 1/10 a 1/15 de la luz y cuadrada. Generalmente, la deflexión de la viga no puede exceder 1/250 de la longitud de la luz.
Los pernos y tuercas de la estructura deben tener 16 mm de diámetro, excepto en secciones con carga ligera, donde pueden ser de 12 mm.
La carga de diseño para columnas y vigas debe incluir
tensión del conductor,
tensión del cable de tierra,
peso de los aisladores y herrajes, y
carga fraccionaria (alrededor de 350 kg),
peso del trabajador y las herramientas (200 kg)
cargas de viento e impacto
durante la operación del equipo.
El tramo de descarga de la línea aérea debe terminar en las estructuras de pórticos de la subestación. Puede llegar hasta +15 grados verticalmente y +30 grados horizontalmente.
Las estructuras del patio pueden ser pintadas o galvanizadas por inmersión en caliente.
Las estructuras hechas con acero galvanizado requieren un mantenimiento mínimo.
Sin embargo, las estructuras pintadas ofrecen mejor resistencia a la corrosión en algunas áreas extremadamente contaminadas.
Espaciado de fases normalmente empleado como:
| 11 kV | 1,3 m |
| 33 kV | 1,5 m |
| 66 kV | 2,0 a 2,2 m |
| 110 kV | 2,4 a 3 m |
| 220 kV | 4,5 m |
| 400 kV | 7,0 m |
Diseño de barras colectoras
Para facilitar la conexión entre los muchos componentes que componen una subestación, las barras colectoras son barras conductoras utilizadas para transmitir energía eléctrica a lo largo de la subestación.
Las pérdidas eléctricas se reducen, la distribución de energía se hace más consistente y el rendimiento de la subestación mejora cuando las barras colectoras están diseñadas y dimensionadas correctamente.
Subestación – Sistemas de control
La automatización de subestaciones optimiza la operación y la eficiencia al combinar sistemas de control, dispositivos inteligentes y redes de comunicación.
El monitoreo en tiempo real, el control remoto, el análisis de datos y el mantenimiento predictivo mejoran la confiabilidad y reducen el tiempo de inactividad con la automatización.
Sistemas de control avanzados como SCADA mejoran la automatización de subestaciones, la recopilación de datos y el control remoto.
La automatización de subestaciones utiliza sistemas SCADA para el control y monitoreo centralizados.
Los sistemas SCADA recopilan datos de la subestación para mejorar el flujo de energía, tomar decisiones y resolver fallas rápidamente.
Diseño de subestaciones – Protocolos de comunicación
La arquitectura de diseño de subestaciones requiere protocolos de comunicación confiables como IEC 61850, DNP3 o Modbus para interoperabilidad, integridad de datos y ciberseguridad.
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