Una subestación es parte de un sistema de generación , transmisión y distribución eléctrica . Las subestaciones transforman el voltaje de alto a bajo, o viceversa, 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 altos voltajes de transmisión y voltajes de distribución más bajos, o en la interconexión de dos voltajes de transmisión diferentes. Son un componente común de la infraestructura. Hay 55.000 subestaciones en los Estados Unidos. [2]
Las subestaciones pueden ser propiedad de una empresa eléctrica o de un gran cliente comercial o industrial, y pueden ser propiedad de esta. Por lo general, las subestaciones no requieren supervisión y dependen de un sistema SCADA para su supervisión y control remotos.
La palabra subestación proviene de la época anterior a que el sistema de distribución se convirtiera en una red eléctrica . A medida que las centrales generadoras 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 utilizar sus propios generadores. Las primeras subestaciones estaban conectadas a una sola central eléctrica , donde se alojaban los generadores, y eran subsidiarias de esa central eléctrica.
Las subestaciones pueden ser diseñadas y construidas por un contratista o, alternativamente, todas las fases de su desarrollo pueden ser manejadas por la empresa eléctrica . Lo más común es que la empresa se encargue de la ingeniería y la adquisición mientras contrata a un contratista para la construcción real. [3] Las principales limitaciones de diseño para la construcción de subestaciones incluyen la disponibilidad y el costo del terreno, las limitaciones en el período de construcción, las restricciones de transporte y la necesidad de poner en funcionamiento la subestación rápidamente. [4] La prefabricación es una forma común de reducir el costo de construcción. [5] Para conectar la nueva subestación, puede ser necesaria una interrupción parcial del suministro en otra subestación, pero la empresa de servicios públicos a menudo intenta minimizar el tiempo de inactividad. [6]
Las subestaciones suelen cumplir al menos uno de los siguientes propósitos: [7]
Una subestación de transmisión conecta dos o más líneas de transmisión. [10] El caso más simple es aquel en el que 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 despejar fallas o realizar tareas de 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 capacitores, reactores o compensadores estáticos de VAR , y equipos como transformadores de cambio de fase para controlar el flujo de energía entre dos sistemas de energía adyacentes.
Las subestaciones de transmisión pueden ser desde simples hasta 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 pueden implementarse utilizando 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 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 de una subestación de distribución suele ser al menos dos líneas de transmisión o subtransmisión. El voltaje de entrada puede ser, por ejemplo, de 115 kV, o el que sea común en la zona. La salida es una serie de alimentadores. Los voltajes de distribución suelen ser de media tensión, entre 2,4 kV y 33 kV, según el tamaño del área servida y las prácticas de la empresa de servicios local. Los alimentadores recorren calles elevadas (o subterráneas, en algunos casos) y alimentan los transformadores de distribución en las instalaciones del cliente o cerca de ellas.
Además de transformar la tensión, las subestaciones de distribución también aíslan las fallas en los sistemas de transmisión o distribución. Las subestaciones de distribución suelen ser los puntos de regulación de tensión , aunque en circuitos de distribución largos (de varias millas/kilómetros) también se pueden instalar equipos de regulación de tensión a lo largo de la línea.
Las áreas del centro de las grandes ciudades cuentan con subestaciones de distribución complejas, con conmutación de alta tensión y sistemas de conmutación y respaldo en el lado de baja tensión. Las subestaciones de distribución más típicas tienen un interruptor, un transformador e instalaciones mínimas en el lado de baja tensión.
En proyectos de generación distribuida , como un parque eólico o una central fotovoltaica , puede ser necesaria una subestación colectora. Se parece a una subestación de distribución, aunque el flujo de energía se produce en la dirección opuesta, desde muchas turbinas eólicas o inversores hasta la red de transmisión. Por lo general, para ahorrar energía, el sistema colector funciona alrededor de 35 kV, aunque algunos sistemas colectores son de 12 kV, y la subestación colectora eleva 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 HVDC.
También existen subestaciones colectoras en las proximidades de varias centrales térmicas o hidroeléctricas de potencia de salida comparable. Ejemplos de este tipo de subestaciones son Brauweiler en Alemania y Hradec en la República Checa, donde la energía se capta desde centrales térmicas de lignito cercanas . Si no se necesitan transformadores para aumentar la tensión hasta el nivel de transmisión, la subestación es una estación de conmutación.
Las subestaciones convertidoras pueden estar asociadas a plantas convertidoras HVDC , a redes de tracción o a 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. Antiguamente, los convertidores rotativos cambiaban la frecuencia para interconectar dos sistemas; hoy en día, este tipo de subestaciones son poco frecuentes.
Una estación de conmutación es una subestación sin transformadores y que opera solo a un nivel de voltaje. Las estaciones de conmutación a veces se utilizan como estaciones colectoras y distribuidoras. A veces se utilizan para conmutar 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 conoce como patio de maniobras y, por lo general, se ubica directamente adyacente o cerca de una central eléctrica . En este caso, los generadores de la central eléctrica suministran su energía al patio mediante el bus de generadores en un lado del patio, y las líneas de transmisión toman su energía de un bus de alimentación en el otro lado del patio.
Una función importante que desempeña una subestación es la conmutación , que consiste en conectar y desconectar líneas de transmisión u otros componentes hacia y desde el sistema. Los eventos de conmutación pueden ser planificados o no planificados. Es posible que sea necesario desenergizar una línea de transmisión u otro componente para realizar tareas de 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 intentan mantener el sistema en funcionamiento mientras realizan el mantenimiento. Todo el trabajo que se debe realizar, desde pruebas de rutina hasta agregar subestaciones completamente nuevas, debe realizarse mientras se mantiene 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:
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. [12]
Los ferrocarriles electrificados también utilizan subestaciones, a menudo subestaciones de distribución. En algunos casos se realiza una conversión de tipo corriente, habitualmente con rectificadores para trenes de corriente continua (CC), o convertidores rotativos para trenes que utilizan corriente alterna (CA) a frecuencias distintas a la de la red pública. En ocasiones también son subestaciones de transmisión o subestaciones colectoras si la red ferroviaria también opera con su propia red y generadores para abastecer a las demás estaciones.
Una subestación móvil es una subestación sobre ruedas que contiene un transformador, disyuntores y barras colectoras montadas en un semirremolque autónomo , destinado a ser arrastrado por un camión . Están diseñadas para ser compactas para circular por vías públicas y se utilizan como respaldo temporal en tiempos de desastres naturales o guerra . Las subestaciones móviles suelen tener una clasificación mucho más baja que las instalaciones permanentes y pueden construirse en varias unidades para cumplir con las limitaciones de circulación por carretera. [13]
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El diseño de la subestación tiene como objetivo minimizar los costos, garantizar la disponibilidad y confiabilidad de la energía y permitir cambios en la subestación en el futuro. [14]
Las subestaciones pueden construirse al aire libre, en interiores, bajo tierra o en una combinación de estas ubicaciones. [15] [16]
La selección de la ubicación de una subestación debe tener en cuenta muchos factores. Se requiere una superficie de terreno suficiente para la instalación de equipos con los espacios libres necesarios para la seguridad eléctrica y para el acceso para realizar el mantenimiento de aparatos grandes, como transformadores. El sitio debe tener espacio para la expansión debido al crecimiento de la carga o a las adiciones planificadas a la transmisión. Se deben considerar los efectos ambientales de la subestación, como el drenaje , el ruido y los efectos del tráfico vial.
El sitio de la subestación debe estar razonablemente centralizado respecto del área de distribución que se va a atender. El sitio debe ser seguro 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 un mal funcionamiento debido al vandalismo.
Si no son propiedad de una empresa de servicios públicos ni están operadas por ella, las subestaciones generalmente están ocupadas mediante un contrato de arrendamiento a largo plazo , como un contrato de arrendamiento renovable de 99 años, lo que le da a la empresa de servicios públicos seguridad de tenencia . [17]
El primer paso para planificar el diseño de una 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 entrantes y los alimentadores o líneas de transmisión salientes. Es una práctica habitual de muchas empresas eléctricas preparar diagramas unifilares con los elementos principales (líneas, interruptores, disyuntores, transformadores) dispuestos en la página de manera similar a la forma en que se distribuirían los aparatos en la estación real. [10]
En un diseño común, las líneas entrantes tienen un interruptor de desconexión y un disyuntor . En algunos casos, las líneas no tendrán ambos, y un interruptor o un disyuntor es todo lo que se considera necesario. Un interruptor de desconexión se utiliza para proporcionar aislamiento, ya que no puede interrumpir la corriente de carga. Un disyuntor se utiliza como un 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 se puede utilizar para disparar el disyuntor, lo que resulta 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 de forma remota desde un centro de control de supervisión.
En las líneas aéreas de transmisión , la propagación de rayos y sobretensiones transitorias puede provocar fallos de aislamiento en los equipos de la subestación. Para proteger los equipos de la subestación se utilizan pararrayos de entrada de línea . Se realizan estudios de coordinación de aislamiento de forma exhaustiva para garantizar que los fallos de los equipos (y las interrupciones asociadas ) sean mínimos.
Una vez pasados los elementos de conmutación, las líneas de una tensión determinada se conectan a uno o más buses . Se trata de conjuntos de barras colectoras , normalmente 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 utilizadas afecta el costo y la confiabilidad de la subestación. Para subestaciones importantes se puede utilizar una barra en anillo, una barra doble o la denominada configuración de "disyuntor y medio", de modo que la falla de un disyuntor no interrumpa la alimentación a otros circuitos y que partes de la subestación puedan quedar desenergizadas para mantenimiento y reparaciones. Las subestaciones que alimentan sólo una carga industrial pueden tener disposiciones de conmutación mínimas, especialmente para instalaciones pequeñas. [18]
Debido al riesgo de descarga eléctrica, las subestaciones son inherentemente peligrosas para los trabajadores eléctricos. [19] Para mitigar este peligro, las subestaciones están diseñadas con varias características de seguridad. [20] Los conductores activos y el equipo desnudo se mantienen separados, ya sea con equipo protegido o usando pantallas o distancia. [20] Según la jurisdicción o la empresa, [21] existen estándares de seguridad con espacio libre mínimo requerido entre diferentes equipos o conductores activos o entre el metal activo y el suelo, que a menudo varía y se requiere un espacio libre mayor para voltajes más altos debido a la mayor capacidad de generar descargas disruptivas . [22] A esto se suma el espacio necesario para que los empleados trabajen de manera segura y los vehículos pasen. [23] 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). [24] El objetivo de reducir las huellas de la subestación entra en conflicto con la facilidad de mantenimiento mejorada al incluir espacios donde los empleados puedan trabajar de manera segura. [25]
Debajo de una subestación, una estera o rejilla de conductores colocados alrededor de 0,5 o 0,6 metros (1 pie 8 pulgadas o 2 pies 0 pulgadas) bajo tierra proporciona conexión a tierra . [26] [27] Esta rejilla, que normalmente es de cobre aunque puede ser de hierro galvanizado en algunos países, [27] se utiliza para conectar a tierra circuitos en los que se está trabajando para evitar la reenergización accidental mientras los trabajadores están en contacto con un circuito desenergizado. [28] A menudo, las varillas de tierra se introducen más profundamente en el suelo desde la rejilla de puesta a tierra para una puesta a tierra de menor resistencia, [29] y pueden estar rodeadas de bentonita o marconita para reducir aún más la resistencia y garantizar una conexión a tierra efectiva durante la vida útil de la subestación. [30] 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 1-3 segundos y permanecer sin daños. [27] Las cercas de las subestaciones, normalmente de al menos 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de altura, protegen al público de los peligros eléctricos y también protegen a la subestación del vandalismo. [31] También se pueden incorporar cercas internas para proteger a los empleados de áreas que no son seguras cuando están energizadas. [32]
Las subestaciones generalmente cuentan con equipos de conmutación, protección y control, y transformadores. En una subestación grande, se utilizan disyuntores para interrumpir cualquier cortocircuito o corriente de sobrecarga que pueda ocurrir en la red. Las estaciones de distribución más pequeñas pueden utilizar disyuntores reconectadores o fusibles para proteger los circuitos de distribución. Las subestaciones en sí mismas no suelen tener generadores, aunque una planta de energía puede tener una subestación cerca. 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, bajo tierra o en edificios especiales. Los edificios de gran altura pueden tener varias subestaciones interiores. Las subestaciones interiores suelen encontrarse en áreas urbanas para reducir el ruido de los transformadores, mejorar la apariencia o proteger los tableros de distribución de condiciones climáticas extremas o contaminación.
Las subestaciones suelen utilizar barras colectoras como conductores entre los equipos eléctricos. Las barras colectoras pueden ser tubos de aluminio de 3 a 6 pulgadas (76 a 152 mm) de espesor o cables (barras de deformación). [33]
Las estructuras de subestaciones exteriores sobre el suelo incluyen postes de madera, torres de celosía metálica 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 proporcionan soportes de bajo costo para líneas de transmisión y aparatos. Se pueden especificar subestaciones de perfil bajo en áreas suburbanas donde la apariencia es más crítica. Las subestaciones interiores pueden ser subestaciones aisladas en gas (GIS) (a altos voltajes, con tableros de distribución aislados en gas), o usar tableros de distribución revestidos en metal o encerrados en metal a voltajes más bajos. Las subestaciones interiores urbanas y suburbanas pueden tener un acabado en el exterior para que se integren con otros edificios en el área.
Una subestación compacta es generalmente una subestación al aire libre construida dentro de un recinto metálico, en la 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.
Los disyuntores de alto voltaje se utilizan comúnmente para interrumpir el flujo de corriente en los equipos de las 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 activada por relés de protección antes de que se produzca un problema previsto. [34] Las tecnologías más comunes para extinguir el arco eléctrico al separar los conductores en el disyuntor incluyen: [35]
Los reconectadores son similares a los disyuntores y pueden ser más económicos porque no requieren relés de protección independientes. Se utilizan a menudo en distribución y suelen estar programados para dispararse cuando los amperios superan una determinada cantidad durante un período de tiempo. Los reconectadores intentarán volver a energizar el circuito después de un retraso. Si no lo logran varias veces, un electricista deberá reiniciar el reconectador manualmente. [45]
Los bancos de condensadores se utilizan en subestaciones para equilibrar el consumo de corriente rezagada de cargas inductivas (como motores, transformadores y algunos equipos industriales) con su carga reactiva. [46] Puede ser necesaria una capacidad de condensador adicional si se añade al sistema generación dispersa (como pequeños generadores diésel, paneles solares fotovoltaicos en azoteas o turbinas eólicas ). [47] Los condensadores pueden reducir la corriente en los cables, lo que ayuda a detener las pérdidas del sistema por caída de tensión o permite enviar energía adicional a través de los conductores. Los condensadores pueden dejarse encendidos en respuesta a una carga inductiva constante o encenderse cuando aumenta la carga inductiva, como en verano para los acondicionadores de aire . La conmutación puede ser remota y puede hacerse de forma manual o automática. [46]
Las subestaciones más grandes tienen salas de control para el equipo que se utiliza para monitorear, controlar y proteger el resto del equipo de la subestación. A menudo contienen relés de protección, medidores, controles de disyuntores, comunicaciones, baterías y registradores que guardan datos detallados sobre las operaciones de la subestación, en particular cuando hay alguna actividad inusual, para ayudar a reconstruir lo que sucedió después del hecho. Estas salas de control generalmente tienen calefacción y aire acondicionado para garantizar el funcionamiento confiable de este equipo. [48] Se necesita equipo adicional para manejar las sobrecargas de energía asociadas con la energía renovable intermitente, como la generación dispersa de energía eólica o solar. [49]
La mayoría de los transformadores pierden entre el 5 y el 1,5 por ciento de su entrada en forma de calor y ruido. Las pérdidas en el hierro son sin carga y constantes siempre que el transformador esté energizado, mientras que las pérdidas en el cobre y los auxiliares son proporcionales al cuadrado de la corriente. Las pérdidas auxiliares se deben al funcionamiento de los ventiladores y las bombas [50], lo que genera ruido cuando el transformador está funcionando a máxima capacidad. [51] Para reducir el ruido, a menudo se construyen envolventes alrededor del transformador y también se pueden añadir después de que se construya la subestación. [51]
Los transformadores a base de aceite suelen construirse con áreas protegidas para evitar el escape de aceite en llamas o fugas. Se construyen áreas de separación contra incendios o cortafuegos alrededor del transformador para detener la propagación del fuego. [52] A los vehículos de extinción de incendios se les permite un camino para acceder al área. [53]
El mantenimiento de las subestaciones implica inspecciones, recopilación y análisis de datos y trabajos programados de rutina. Mediante el uso de métodos como el escaneo infrarrojo y el análisis de gases disueltos, se puede predecir cuándo la subestación necesitará mantenimiento y predecir los peligros antes de que se materialicen. La tecnología infrarroja encuentra puntos calientes en la subestación donde la energía eléctrica se está convirtiendo en calor, [54] lo que indica un problema y puede causar daños adicionales por el calor elevado. El análisis de gases disueltos puede indicar cuándo es necesario filtrar o reemplazar el aceite de un transformador aislado en aceite, y también detectar otros problemas. [55]
Las primeras subestaciones eléctricas requerían la conmutación o ajuste manual de los equipos y la recopilación manual de datos sobre la carga, el consumo de energía y los eventos anormales. A medida que la complejidad de las redes de distribución creció, se hizo económicamente necesario automatizar la supervisión y el control de las subestaciones desde un punto atendido centralmente, para permitir la coordinación general en caso de emergencias y reducir los costos operativos. Los primeros esfuerzos para controlar remotamente las subestaciones utilizaban cables de comunicación dedicados, que a menudo corrían junto con los circuitos de energía. La portadora 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 generó un aumento exponencial en la cantidad de puntos que se podían controlar y monitorear económicamente. Hoy en día, se utilizan protocolos de comunicación estandarizados como DNP3 , IEC 61850 y Modbus , por nombrar algunos, para permitir que múltiples dispositivos electrónicos inteligentes se comuniquen entre sí y con los centros de control de supervisión. El control automático distribuido en subestaciones es un elemento de la llamada red inteligente .
