Subestación

Una subestación de transmisión conecta dos o más líneas de transmisión. ^{[ 10 ]} El caso más simple es cuando todas las líneas de transmisión tienen el mismo voltaje. En tales casos, la subestación contiene interruptores de alto voltaje que permiten conectar o aislar las líneas para la eliminación de fallas o el 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 tales como condensadores, reactores o compensadores estáticos de VAR y equipos tales como transformadores de cambio de fase para controlar el flujo de potencia entre dos sistemas de potencia adyacentes.

Las subestaciones de transmisión pueden variar desde simples hasta complejas. Una pequeña estación de conmutación puede consistir en poco más que una barra colectora y algunos interruptores . Las subestaciones de transmisión más grandes pueden abarcar una amplia superficie (varias hectáreas) con múltiples niveles de tensión, numerosos interruptores y una gran cantidad de equipos de protección y control ( transformadores de tensión y corriente , relés y sistemas SCADA ). Las subestaciones modernas pueden implementarse siguiendo estándares internacionales como la norma IEC 61850 .

Una subestación de distribución transfiere energía del sistema de transmisión al sistema de distribución de un área. ^{[ 10 ]} No es económico conectar directamente a los consumidores de electricidad a la red principal de transmisión, 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. ^{[ 12 ]}

La entrada de una subestación de distribución suele constar de al menos dos líneas de transmisión o subtransmisión. La tensión de entrada puede ser, por ejemplo, de 115 kV, o la que sea habitual en la zona. La salida consiste en varios alimentadores. Las tensiones de distribución suelen ser de media tensión, entre 2,4 kV y 33 kV, dependiendo del tamaño de la zona atendida y de las prácticas de la compañía eléctrica local. Los alimentadores discurren por las calles, aéreos (o subterráneos, en algunos casos), y alimentan los transformadores de distribución en las instalaciones del cliente o cerca de ellas.

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

Las zonas céntricas de las grandes ciudades cuentan con subestaciones de distribución complejas, con sistemas de conmutación de alta tensión y sistemas de conmutación y respaldo en el lado de baja tensión. Las subestaciones de distribución más comunes tienen un interruptor, un transformador e instalaciones mínimas en el lado de baja tensión.

En proyectos de generación distribuida, como parques eólicos o centrales fotovoltaicas , puede ser necesaria una subestación colectora. Esta se asemeja a una subestación de distribución, aunque el flujo de energía se produce en sentido contrario, desde múltiples aerogeneradores o inversores hacia la red de transmisión. Generalmente, para optimizar la construcción, el sistema colector opera a unos 35  kV, si bien algunos sistemas colectores funcionan a 12 kV. La subestación colectora eleva la tensión a la tensión de transmisión para la red. La subestación colectora también puede proporcionar corrección del factor de potencia , medición y control del parque eólico, si fuera necesario. En algunos casos especiales, una subestación colectora puede incluir una estación convertidora HVDC.

También existen subestaciones colectoras donde varias centrales térmicas o hidroeléctricas de potencia comparable se encuentran cerca. Ejemplos de estas subestaciones son Brauweiler en Alemania y Hradec en la República Checa, donde se recoge la energía de centrales eléctricas cercanas que utilizan lignito . Si no se requieren transformadores para elevar la tensión al nivel de transmisión, la subestación es una estación de conmutación.

Las subestaciones convertidoras pueden estar asociadas a plantas convertidoras 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 convertirla de corriente alterna a continua, o viceversa. Antiguamente, los convertidores rotativos cambiaban la frecuencia para interconectar dos sistemas; hoy en día, este tipo de subestaciones son poco comunes.

Una estación de conmutación es una subestación sin transformadores que opera a un único nivel de tensión. En ocasiones, las estaciones de conmutación se utilizan como estaciones colectoras y de distribución. Otras veces, se emplean para conmutar la corriente a líneas de respaldo o para paralelizar circuitos en caso de fallo. Un ejemplo son las estaciones de conmutación de la línea de transmisión HVDC Inga-Shaba .

Una subestación de conmutación, también conocida como patio de maniobras, suele estar ubicada justo al lado o cerca de una central eléctrica . En este caso, los generadores de la central eléctrica suministran energía al patio de maniobras a través del bus de generadores situado en un lado del mismo, y las líneas de transmisión toman la energía de un bus de alimentación situado en el otro lado.

Una función importante de una subestación es la conmutación , que consiste en conectar y desconectar líneas de transmisión u otros componentes del sistema. Las maniobras de conmutación pueden ser planificadas o imprevistas. Una línea de transmisión u otro componente puede necesitar ser desenergizado para mantenimiento o para nuevas construcciones, por ejemplo, para añadir o eliminar una línea de transmisión o un transformador. Para mantener la fiabilidad del suministro, las empresas se esfuerzan por mantener el sistema en funcionamiento mientras realizan el mantenimiento. Todo el trabajo que se realice, desde las pruebas rutinarias hasta la instalación de subestaciones completamente nuevas, debe llevarse a cabo manteniendo el sistema en funcionamiento.

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  Subestación eléctrica en la presa Grand Coulee , Estados Unidos, 2006. Se trata de una subestación de 500 kV.
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  Antigua subestación de alta tensión en Stuttgart, Alemania, ahora  estación de conmutación de 110 kV. El  nivel de 220 kV se eliminó para simplificar la red eléctrica.
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   Subestación de conmutación de alta tensión de 230 kV en Washington, Estados Unidos.

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 desarrolla 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 funcionando con estabilidad. ^{[ 13 ]}

Los ferrocarriles electrificados también utilizan subestaciones, a menudo de distribución. En algunos casos, se realiza una conversión del tipo de corriente, generalmente con rectificadores para trenes de corriente continua (CC) o con convertidores rotativos para trenes que utilizan corriente alterna (CA) con frecuencias distintas a las de la red pública. En ocasiones, también funcionan como subestaciones de transmisión o de captación si la red ferroviaria opera su propia red y generadores para abastecer a las demás estaciones.

Una subestación móvil es una subestación sobre ruedas que contiene un transformador, interruptores y barras colectoras montadas en un semirremolque autónomo , diseñado para ser remolcado por un camión . Están diseñadas para ser compactas y facilitar su transporte por vías públicas, y se utilizan como respaldo temporal en caso de desastres naturales o guerra . Las subestaciones móviles suelen tener una capacidad nominal mucho menor que las instalaciones permanentes y pueden construirse en varias unidades para cumplir con las limitaciones de circulación por carretera. ^{[ 14 ]}

La selección de la ubicación de una subestación debe considerar muchos factores. Se requiere un terreno suficiente para la instalación de equipos con las distancias de seguridad necesarias y para el acceso que permita el mantenimiento de aparatos de gran tamaño, como transformadores. El emplazamiento debe contar con espacio para futuras ampliaciones debido al aumento de la demanda o a la planificación de nuevas líneas de transmisión. Asimismo, deben considerarse los efectos ambientales de la subestación, como el drenaje , el ruido y el impacto del tráfico rodado.

La subestación debe ubicarse en una posición razonablemente céntrica respecto al área de distribución a la que presta servicio. El emplazamiento debe estar protegido contra la intrusión de transeúntes, tanto para proteger a las personas de lesiones por descargas eléctricas o arcos eléctricos, como para proteger el sistema eléctrico de fallos de funcionamiento debidos a actos vandálicos.

Si no son propiedad de una empresa de servicios públicos ni están operadas por ella, las subestaciones suelen ocuparse mediante un contrato de arrendamiento a largo plazo , como un contrato renovable de 99 años, lo que le da a la empresa de servicios públicos seguridad de tenencia . ^{[ 18 ]}

El primer paso en la planificación del diseño de una subestación es la elaboración de un diagrama unifilar , que muestra de forma simplificada la disposición de conmutación y protección requerida, así como las líneas de suministro entrantes y las líneas de alimentación o transmisión salientes. Es práctica habitual entre muchas compañías eléctricas elaborar diagramas unifilares con los elementos principales (líneas, interruptores, disyuntores, transformadores) dispuestos en la página de forma similar a como se distribuirían los aparatos en la subestación real. ^{[ 10 ]}

En un diseño común, las líneas de entrada cuentan con un seccionador y un interruptor automático . En algunos casos, las líneas no disponen de ambos, siendo suficiente con un interruptor o un interruptor automático. Un seccionador se utiliza para proporcionar aislamiento, ya que no puede interrumpir la corriente de carga. Un interruptor automático se utiliza como dispositivo de protección para interrumpir automáticamente las corrientes de falla y puede utilizarse para conectar y desconectar cargas, o para cortar una línea cuando la energía fluye en la dirección incorrecta. Cuando una gran corriente de falla atraviesa el interruptor automático, esta se detecta mediante transformadores de corriente . La magnitud de las salidas del transformador de corriente puede utilizarse para disparar el interruptor automático, lo que provoca la desconexión de la carga alimentada por el interruptor automático 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 interruptores automáticos pueden operarse localmente (dentro de la subestación) o remotamente desde un centro de control de supervisión.

En las líneas de transmisión aéreas , la propagación de rayos y sobretensiones por conmutación puede provocar fallos de aislamiento en los equipos de la subestación. Para proteger estos equipos, se utilizan pararrayos en la entrada de la línea . Se realizan estudios exhaustivos de coordinación del aislamiento para garantizar que los fallos de los equipos (y las interrupciones asociadas ) sean mínimos.

Una vez superados 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 prácticamente universal en todo el mundo.

La disposición de los interruptores, disyuntores y barras colectoras influye en el costo y la confiabilidad de la subestación. Para subestaciones importantes, se puede utilizar una barra colectora en anillo, una barra colectora doble o la denominada configuración de "interruptor y medio", de modo que la falla de un disyuntor no interrumpa el suministro eléctrico a otros circuitos y permita desenergizar partes de la subestación para realizar tareas de mantenimiento y reparación. Las subestaciones que alimentan una sola carga industrial pueden tener una mínima capacidad de conmutación, especialmente en instalaciones pequeñas. ^{[ 19 ]}

Debido al riesgo de descarga eléctrica, las subestaciones son inherentemente peligrosas para los trabajadores eléctricos. ^{[ 20 ]} Para mitigar este peligro, las subestaciones se diseñan con diversas características de seguridad. ^{[ 21 ]} Los conductores activos y los equipos desnudos se mantienen separados, ya sea con equipos protegidos o mediante pantallas o distancias. ^{[ 21 ]} Según la jurisdicción o la empresa, ^{[ 22 ]} existen normas de seguridad con una separación mínima requerida entre diferentes equipos o conductores activos o entre metal activo y tierra, que a menudo varía, requiriéndose una mayor separación para voltajes más altos debido a la mayor capacidad de generar descargas disruptivas . ^{[ 23 ]} A esto se le suma el espacio necesario para que los empleados trabajen de forma segura y los vehículos puedan pasar. ^{[ 24 ]} A veces es necesario trabajar en partes de la subestación mientras está energizada, pero los empleados deben mantener una distancia segura de al menos 3 metros (9,8 pies) . ^{[ 25 ]} El objetivo de reducir la huella de la subestación entra en conflicto con la facilidad de mantenimiento mejorada al incluir espacios donde los empleados pueden trabajar de forma segura. ^{[ 26 ]} 

Debajo de una subestación, una malla o rejilla de conductores colocada a unos 0,5 o 0,6 metros (1 pie 8 pulgadas o 2 pies 0 pulgadas) bajo tierra proporciona la puesta a tierra . ^{[ 27 ] [ 28 ]} Esta rejilla, que suele ser de cobre, aunque en algunos países puede ser de hierro galvanizado , ^{[ 28 ]} se utiliza para poner a tierra los circuitos en los que se está trabajando para evitar la reenergización accidental mientras los trabajadores están en contacto con un circuito desenergizado. ^{[ 29 ]} A menudo, las varillas de tierra se clavan más profundamente en el suelo desde la rejilla de puesta a tierra para una puesta a tierra de menor resistencia, ^{[ 30 ]} y pueden estar rodeadas de bentonita o marconita para reducir aún más la resistencia y garantizar una puesta a tierra eficaz durante la vida útil de la subestación. ^{[ 31 ]} Sobre el suelo, los conductores de puesta a tierra pueden ser de acero, aluminio o cobre. Deben ser lo suficientemente gruesos para transportar la corriente esperada de una falla durante 1 a 3 segundos y permanecer intactos. ^{[ 28 ]} Las vallas de las subestaciones, que suelen tener al menos 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de altura, protegen al público de los riesgos eléctricos y también protegen la subestación del vandalismo. ^{[ 32 ]} También se pueden incorporar vallas internas para proteger a los empleados de las zonas que son inseguras cuando están energizadas. ^{[ 33 ]}      

Los interruptores de alta tensión se utilizan comúnmente para interrumpir el flujo de corriente en los equipos de subestaciones. En el momento de la interrupción, la corriente puede ser normal, demasiado alta debido a una carga excesiva, inusual debido a una falla o disparada por relés de protección antes de un problema previsto. ^{[ 35 ]} Las tecnologías más comunes para extinguir el arco eléctrico al separar los conductores en el interruptor incluyen: ^{[ 36 ]}

• Aire a presión atmosférica (aparamenta con aislamiento de aire (AIS)), que es la más común en todo el mundo. ^{[ 37 ]} El aire es el aislante más barato y es fácil de modificar, pero la AIS ocupa más espacio y deja el equipo expuesto al ambiente exterior. ^{[ 38 ]} Una desventaja de la AIS es el impacto visual de una subestación más grande con líneas eléctricas aéreas que entran y salen, lo que puede ser inaceptable en áreas paisajísticas o urbanas. ^{[ 39 ]} La AIS requiere arriostramiento adicional en un área sísmicamente activa y emite más campos electromagnéticos y ruido que las tecnologías alternativas. ^{[ 40 ]}
• Gas (interruptor de circuito de gas (GCB) o aparamenta aislada con gas (GIS)), más comúnmente hexafluoruro de azufre (SF6 ₎ o una mezcla de gases que incluye SF6 _. [ ^{37 ] Aunque} es el más caro, estos gases son un aislante mucho más eficaz que el aire. ^{[ 38 ]} Los GIS requieren solo del 10 al 20 por ciento del área de terreno que los AIS, ^{[ 41 ]} lo que puede ahorrar en el costo de adquisición de terrenos en áreas urbanas, ^{[ 38 ]} y permite que la subestación se construya en la ubicación exacta donde se usa su energía en un área industrial o urbana, lo que puede ser un ahorro de costos significativo. En el lado de la generación, los GIS se pueden instalar más cerca del generador, lo que permite ahorros de costos en cableado, conexiones de conductos de barras y construcción civil y puede aumentar la confiabilidad. ^{[ 39 ]} Los GIS pueden reemplazar a los AIS si aumentan los requisitos de energía sin requerir área de terreno adicional. ^{[ 39 ]} Además, los GIS se instalan comúnmente en un edificio cerrado que mantiene el equipo protegido de la contaminación y la sal. ^{[ 38 ] [ 39 ]} A menos que la subestación se utilice con frecuencia para maniobras, el costo de mantenimiento puede ser muy bajo o incluso cero durante muchos años. ^{[ 42 ]} Debido a que el SF ₆ se solidifica alrededor de −40 °C (−40 °F) , en algunos climas estos interruptores automáticos requieren calentadores para funcionar en climas extremadamente fríos. ^{[ 43 ]} El SF ₆ se ha utilizado en aparamenta eléctrica desde la década de 1960. ^{[ 44 ]}  
• El aceite mineral (denominado OCB por interruptor de circuito de aceite) proporciona una alta resistencia entre los contactos abiertos, deteniendo eficazmente el flujo de corriente. ^{[ 36 ]} Si bien los interruptores de circuito de aceite son adecuados para un amplio rango de voltajes, el aceite se contamina durante la supresión de arcos y debe filtrarse o reemplazarse periódicamente. ^{[ 45 ]}
• El vacío es mejor aislante que el aire, pero menos que el gas o el aceite. Los interruptores automáticos de vacío (VCB) son más pequeños que los interruptores automáticos de aire y se utilizan comúnmente en la distribución y otros equipos de conmutación por debajo de 35 kV. ^{[ 43 ]}
• Mixto, incluyendo aislamiento de gas y aire. Aunque es la opción menos común ^{[ 37 ]} , puede ser útil cuando se necesita ampliar una subestación con aislamiento de aire, pero el espacio para construcciones adicionales es muy limitado. ^{[ 38 ]}

Los reconectadores son similares a los interruptores automáticos y pueden ser más económicos porque no requieren relés de protección independientes. Se utilizan frecuentemente en la distribución y suelen programarse para dispararse cuando la corriente supera un cierto valor durante un período de tiempo. Los reconectadores intentarán restablecer la energía del circuito tras un retardo. Si no lo consiguen tras varios intentos, un electricista deberá reiniciarlos manualmente. ^{[ 46 ]}

Los bancos de condensadores se utilizan en subestaciones para equilibrar la corriente retardada de las cargas inductivas (como motores, transformadores y algunos equipos industriales) con su carga reactiva . ^{[ 47 ]} Puede ser necesaria capacidad de condensadores adicional si se añade generación dispersa (como pequeños generadores diésel, paneles solares fotovoltaicos en tejados o turbinas eólicas ) al sistema. ^{[ 48 ]} Los condensadores pueden reducir la corriente en los cables, lo que ayuda a mitigar las pérdidas del sistema por caída de tensión o permite enviar potencia adicional a través de los conductores. Los condensadores pueden permanecer encendidos en respuesta a una carga inductiva constante o encenderse cuando aumenta la carga inductiva, como en verano para los aires acondicionados . La conmutación puede ser remota y realizarse de forma manual o automática. ^{[ 47 ]}

Las subestaciones más grandes cuentan con salas de control para los equipos utilizados para monitorear, controlar y proteger el resto de los equipos de la subestación. A menudo contienen relés de protección, medidores, controles de interruptores, comunicaciones, baterías y registradores que almacenan datos detallados sobre las operaciones de la subestación, especialmente cuando hay alguna actividad inusual, para ayudar a reconstruir lo sucedido posteriormente. Estas salas de control suelen estar climatizadas para garantizar el funcionamiento confiable de estos equipos. ^{[ 49 ]} Se requiere equipo adicional para manejar las sobretensiones asociadas con energías renovables intermitentes, como la generación dispersa de energía eólica o solar. ^{[ 50 ]}

La mayoría de los transformadores pierden entre el 5 y el 1,5 por ciento de su potencia de entrada en forma de calor y ruido. Las pérdidas en el hierro son constantes y no se producen en carga cuando el transformador está energizado, mientras que las pérdidas en el cobre y los componentes auxiliares son proporcionales al cuadrado de la corriente. Las pérdidas auxiliares se deben al funcionamiento de ventiladores y bombas ^{[ 51 ]} , lo cual genera ruido cuando el transformador opera a su máxima capacidad. ^{[ 52 ]} Para reducir el ruido, a menudo se construyen cerramientos alrededor del transformador, los cuales también pueden añadirse después de la construcción de la subestación. ^{[ 52 ]}

Los transformadores de aceite suelen construirse con áreas de contención para evitar la fuga de aceite en llamas o con fugas. Se construyen áreas de separación contra incendios o cortafuegos alrededor del transformador para detener la propagación del fuego. ^{[ 53 ]} Se permite el acceso de vehículos de bomberos a la zona. ^{[ 54 ]}