Deseño de subestación eléctrica: Unha introdución

As subestacións eléctricas constitúen seccións esenciais da rede de distribución de enerxía, funcionando como núcleos para a transmisión e distribución de electricidade. Estas instalacións complexas requiren un planeamento, deseño e implementación rigorosos para asegurar un suministro de enerxía constante e eficiente.

Neste artigo, examinaremos os fundamentos do deseño de subestacións eléctricas, incluíndo diferentes compoñentes, preocupacións de disposición e factores ambientais.

Criterios de planeamento de subestacións

O nivel máximo de fallo nun novo barramento de subestación non pode ser superior ao 80% da capacidade de ruptura nominal do interruptor de circuito. 

O buffer do 20% está destinado a ter en conta o aumento dos niveis de curto circuito á medida que se desenvolve o sistema. 

A taxa de corrente de interrupción e xeración, así como as capacidades de tempo de limpeza de fallos do equipo de conmutación a diferentes niveis de tensión, poden calcularse como:

A capacidade de calquera subestación individual a distintos niveis de tensión non debe superar xeralmente.

O tamaño e o número de Transformadores Interconectados (ICTs) deben planificarse de tal xeito que a falla de calquera unidade non sobrecargue os ICTs restantes nin o sistema subxacente.

Un interruptor bloqueado non pode interromper máis de 4 alimentadores para un sistema de 220 KV, dous para un sistema de 400 KV e un para un sistema de 765 KV.

Requisitos do Sistema da Subestación

Nomenclatura

Fiabilidade: A fiabilidade do sistema eléctrico é o fornecimento ininterrupto de energia á tensión e frecuencia requeridas. As barras de distribución, interruptores, transformadores, separadores e dispositivos de regulación afectan á fiabilidade da subestación.

Taxa de fallo: É a media anual de fallos.

Tempo de interrupción: O tempo de interrupción refírese ao tempo necesario para reparar un compoñente en fallo ou cambiar a unha fonte de alimentación diferente.

Tempo de conmutación: O tempo dende o inicio da interrupción ata a restauración do servizo mediante operacións de conmutación.

Esquema de conmutación: A colocación das barras de distribución e equipamento ten en conta o custo, a flexibilidade e a fiabilidade do sistema.

Espazo entre fase e terra: O espazo entre fase e terra na subestación é 

• A distancia entre o condutor e a estrutura. 

• A distancia entre os equipos activos e as estruturas &

• A distancia entre o condutor activo e a terra.

Espazo entre fases: Os espazos entre fases na subestación son 

• A distancia entre condutores activos. 

• A distancia entre condutores activos e aparellos e 

• A distancia entre terminais activos en interruptores, separadores, etc.

Espazo ao solo: É o espazo mínimo desde calquera localización onde un humano poida estar ata a parte máis próxima non conectada á terra dun aislante que soporta o condutor activo.

Espazo seccional: É o espazo mínimo desde calquera localización de pé ata o condutor activo máis próximo non protexido. Toma a altura dun home con as mans estendidas e o espazo entre fase e terra para calcular o espazo seccional.

Seguridade de distancias: Isto inclúe a distancia ao solo e a distancia entre seccións.

Campo electrostático da subestación: Os conductores ou partes metálicas energizados crean campos electrostáticos. As subestacións EHV (por riba de 400 KV) teñen campos electrostáticos que varían dependendo da xeometría do conductor energizado/parte metálica e do obxecto terrado veciño ou do terreo.

Xeral

• Liñas de transmisión,

• Alimentadores de subtransmisión,

• Circuitos xeradores, e

• Transformadores de elevación e redución de tensión

conectan con subestacións ou centros de manobra.

As subestacións de 66 a 40 KV chámanse EHV. Por riba de 500KV, chamámase UHV.

As preocupacións e métodos de deseño para as subestacións EHV son similares, no entanto, algúns elementos dominan en diversos niveis de tensión. Ata 220 KV, os sobresaltos de comutación poden ignorarse, pero por riba de 345 KV, son esenciais.

Criterios de deseño e estudos da subestación

Os requisitos de deseño da subestación determinaranse polos seguintes estudos.

• Estudos de fluxo de carga

• Estudos de curto circuito

• Estudos de estabilidade transitória

• Estudos de sobretensión transitória

Estudos de fluxo de carga

• A subestación asegura a transmisión fiable de enerxía eléctrica ás cargas do sistema.

• As necesidades de conducción de corrente da nova subestación (ou) centro de manobra determinaranse mediante estudos de fluxo de carga mentres todas as liñas están en servizo e mentres liñas seleccionadas están fóra de servizo para manutención.

• Despois de avaliar varias condicións de fluxo de carga, pódense calcular as capacidades continuas e de emerxencia do equipo.

Estudos de curto circuito

• Ademais das valoracións de corrente continua, o equipo da subestación debe ter valoracións a curto prazo. 

• Estas deben ser suficientes para permitir que o equipo soporte o calor e as presións mecánicas da corrente de curto circuito sen danos. 

• Para proporcionar unha capacidade de interrupción adecuada nos interruptores, resistencia nas aislantes post, e un axuste apropiado para os relés protectores que detectan a falla. 

• Debe establecerse a corrente máxima & mínima de curto circuito para varios tipos e ubicacións de curtos circuitos e configuracións do sistema.

Estudos de Estabilidade Transitoria

• A entrada mecánica normal do xerador é igual á saída eléctrica máis as perdas do xerador. 

• Os xeradores do sistema xiran a 50 Hz mentres isto continue. Calquera perturbación no fluxo mecánico ou eléctrico fai que a velocidade do xerador se desvie dos 50Hz e oscile arredor dun novo punto de equilibrio.

• Unha perturbación moi común é o curto circuito. Os cortos circuitos preto do xerador reducen a tensión no terminal inferior e aceleran a máquina. 

• Despois de corrixir o erro, o dispositivo alimentará enerxía en excesso ao sistema eléctrico para restaurar o seu estado orixinal. 

• Cando as ligazóns eléctricas son fortes, a máquina decelera rapidamente e estabilízase. As ligazóns débiles causarán inestabilidade na máquina.

• Os factores que afectan a estabilidade inclúen:

• Gravedade da falla,

• Velocidade de limpeza da falla,

• Ligazóns entre a máquina e o sistema após a resolución da falla.

• A estabilidade transitoria da subestación depende de

• Tipo e velocidade de relés de protección de liña e barramento, 

• Tempo de interrupción do interruptor, e 

• Configuración do barramento unha vez resolvida a falla. 

• O último punto afecta á disposición do barramento. 

• Só se verá afectada unha liña se a falla se resolve durante a proteción primaria. 

• Un interruptor bloqueado pode provocar a perda de múltiples liñas durante a proteción por fallo do interruptor, debilitando a ligazón do sistema.

Estudos de Sobretenso Transitoria

• A sobretenso transitoria pode resultar de raio ou conmutación de circuito. 

• Os estudos do Analizador de Rede Transitorio (TNA) son a forma máis precisa de determinar a sobretenso por conmutación.

Disposición da Subestación

A disposición da subestación determina-se por consideracións físicas e eléctricas, incluíndo as seguintes:

• Seguridade do Sistema

• Flexibilidade Operativa 

• Arranxos de Protección Fáceis

• Limitación dos Niveis de Curto Circuito

• Instalacións de Mantemento

• Ampliación Fácil

• Factores do Terreo

• Economía 

Seguridade do Sistema

• As subestacións ideais inclúen interruptores separados para cada circuito e permítense a substitución de barramentos ou interruptores durante o mantemento ou as fallas. 

• A seguridade do sistema pode determinarse permitindo unha dependencia do 100% na integridade da subestación ou permitindo un porcentaxe de tempo de inactividade debido a fallas periódicas (ou) mantemento.

• Aínda que un sistema de dobre barramento con deseño de dobre interruptor sexa perfecto, é unha subestación cara.

Flexibilidade nas operacións

• Controlar a carga de MVA e MVAR en todas as condicións de conexión do circuito é esencial para a eficiencia da carga do xerador.

• Os circuitos de carga deben agruparse para proporcionar un control óptimo en condicións normais e de emerxencia.

Arranxos de protección sinxelos

• Se un interruptor controla moitos circuitos ou se rompen máis interruptores, isto pode mitigarse mediante o sectoreamento do bus.

• Aínda que a relé de protección sexa sinxela, un sistema de bus único é ríxido para protexións complicadas.

Limitación dos niveis de cortocircuito

• Unha subestación pode dividirse en dúas partes, totalmente ou mediante conexión con reactor, para reducir os niveis de cortocircuito.

• O uso adecuado de interruptores nos sistemas en anel pode proporcionar unha instalación similar.

Instalacións de manutención

• É necesaria a manutención durante a operación da subestación, tanto planeada como de emerxencia.

• O rendemento da subestación durante a manutención depende das disposicións de protección.

Extensión sinxela

• O deseño da subestación debe permitir a extensión de baias para novos alimentadores.

• A medida que o sistema mellora, pode ser necesario cambiar dunha disposición de bus único a un sistema de dous buses ou ampliar unha estación en malla a unha estación de dous buses.

• O espazo e as instalacións de expansión estarán dispoñibles.

Factores do sitio

• A disponibilidade do sitio é esencial para a planificación da subestación. A construción dunha estación con menos flexibilidade pode ser necesaria en lugares limitados.

• A subestación con menos interruptores e un esquema máis simple ocupa menos espazo.

Economía

• Se a economía é factible, pódese crear un arranxo de conmutación mellorado para as necesidades tecnolóxicas.

Deseño da subestación e disposición de conmutación

O deseño da subestación e a disposición de conmutación deben ser cuidadosamente desenhados baseándose en IEEE 141 para asegurar a eficiencia e seguridade do sistema de distribución eléctrica.

• Transformadores,

• Interruptores, e

• Comutadores

debe escollerse en función dos requisitos de voltagem e carga. 

Para maximizar o espazo, facilitar a manutención e permitir a extensión, o deseño debe planearse con coidado. As barras de distribución deben ligar eficientemente o equipo, e os circuitos deben mellorar o fluxo de enerxía & a fiabilidade. 

Para unha rápida detección e aislamento de fallos, son necesarios sistemas robustos de protección & control. As normas reguladoras e as preocupacións ambientais determinan o deseño da subestación para asegurar a seguridade, a confiabilidade e o cumprimento ambiental.

Deben considerarse varios aspectos ao deseñar un esquema EHV e configuracións de conmutación:

• Debe ser fiable, seguro e garantir unha excelente continuidade do servizo.

Os esquemas típicos de barras de distribución e a protección das subestacións están explicados con detalle en:

1. Que é unha barra de distribución? Tipos, vantaxes, desvantaxes &

2. Esquemas de protección de barras de distribución

As diferentes configuracións de barras de distribución ofrecen diferentes vantaxes en termos de redundancia, flexibilidade operativa e accesibilidade á manutención. 

Un deseño eficiente de barras de distribución asegura un fluxo de enerxía eficiente & facilita a expansión futura.

Estructuras do parque de conmutadores

Son necesarias estructuras para sostener & instalar o equipo eléctrico de barras e terminar os cables de liña de transmisión. 

As estruturas poden estar feitas de acero, madeira, RCC ou PSC. Basándonos no solo lateral, necesitan cimentacións. 

As subestacións usan construcións de acero fabricado polas súas vantaxes. 

O 

• Despeño de fase, 

• Despeño ao solo, 

• Aisladores, 

• Lonxitude do bus, e 

• Peso do equipo 

afectan o deseño estrutural.

• Flexión, 

• Buckling da brida, 

• Corte vertical e horizontal, e 

• Fracaso da lama 

deben prevenir o fracaso das vigas e poutres de acero. 

As poutres cajón treliçadas deben ser 1/10 a 1/15 da luz e cadrada. Xeralmente, a deflexión da viga non pode superar 1/250 da luz. 

Os parafusos e as porcas da estrutura deben ter 16 mm de diâmetro, excepto nas seccións con carga lixeira onde poden ser 12 mm.

A carga de deseño para columnas e poutres debe comprender 

• Tensión do conductor, 

• Tensión do cable terra, 

• Peso dos aisladores e ferraxes, e 

• Carga fraccionada (aproximadamente 350 kg), 

• Peso do operario e ferramentas (200 kg) 

• Cargas de vento e impacto 

durante a operación do equipo.

O intervalo de descarga da liña aérea debe rematarse nas estruturas de pórtico da subestación. Pode chegar a +15 graos verticalmente e +30 graos horizontalmente.

As estruturas do patio poden pintarse ou galvanizarse a ferver. 

As estruturas feitas con acero galvanizado requiren un mantemento mínimo. 

No entanto, as estruturas pintadas proporcionaron maior resistencia á corrosión en algúns áreas extremadamente contaminadas.

Espaciados de fase normalmente empregados como:

Deseño de barras colectoras

Para facilitar a conexión entre os moitos compoñentes que conforman unha subestación, as barras colectoras son barras condutoras que se utilizan para transmitir enerxía eléctrica a lo largo da subestación.

As perdas eléctricas diminúen, a distribución de enerxía fágose máis consistente e o rendemento da subestación mellora cando as barras colectoras están deseñadas e dimensionadas correctamente.

Subestación – Sistemas de control

A automatización da subestación optimiza a operación e a eficiencia combinando sistemas de control, dispositivos intelixentes e redes de comunicación.

O monitorización en tempo real, o control remoto, a análise de datos e a manutención predictiva melloran a fiabilidade e reducen o tempo de inactividade grazas á automatización.

Sistemas de control avanzados como SCADA melloran a automatización da subestación, a recollida de datos e o control remoto.

A automatización da subestación utiliza sistemas SCADA para o control e a monitorización centralizados.

Os sistemas SCADA recollen datos da subestación para mellorar o flujo de enerxía, tomar decisións e resolver fallos rapidamente.

Deseño de subestación – Protocolos de comunicación

O equipo da subestación e os centros de control necesitan redes de comunicación eficientes para compartir datos e control.

A arquitectura de deseño da subestación require protocolos de comunicación fiables como IEC 61850, DNP3 ou Modbus para interoperabilidade, integridade dos datos e ciberseguridade.

Declaración: Respetar o original, artigos bóis méritos de compartir, se hai infracción por favor contacte para eliminar.