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 otras funciones importantes. Entre la estación generadora y el consumidor, la energía eléctrica puede fluir a través de varias subestaciones con 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. Son un componente común de la infraestructura. Hay 55.000 subestaciones en Estados Unidos. [2]
Las subestaciones pueden ser propiedad de una empresa de servicios eléctricos y estar operadas por ella, 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 anteriores a que el sistema de distribución se convirtiera en red . A medida que las estaciones centrales de generación crecieron, 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 , donde se alojaban los generadores, y eran filiales de esa central.
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 materiales de las estructuras utilizadas. Estas categorías no están inconexas; por ejemplo, para resolver un problema particular, una subestación de transmisión puede incluir importantes funciones de distribución.
Una subestación de transmisión conecta dos o más líneas de transmisión. [3] 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 líneas para eliminación de fallas o 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 VAR estáticos y equipos como transformadores de desplazamiento de fase para controlar el flujo de energía entre dos sistemas de energía adyacentes.
Las subestaciones de transmisión pueden variar desde simples hasta complejas. Una pequeña "estación de conmutación" puede ser poco más que un autobús 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 .
Una subestación de distribución transfiere energía del sistema de transmisión al sistema de distribución de un área. [3] 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 para una subestación de distribución suele ser al menos dos líneas de transmisión o subtransmisión. El voltaje de entrada puede ser, por ejemplo, 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 atendida 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 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. Las subestaciones de distribución suelen ser 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 zonas céntricas de las grandes ciudades cuentan con complicadas subestaciones de distribución, 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 bajo voltaje.
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 va en dirección opuesta, desde muchas turbinas eólicas o inversores hasta la red de transmisión. Por lo general, para ahorrar en la construcción, el sistema colector funciona alrededor de 35 kV, aunque algunos sistemas colectores son de 12 kV y la subestación colectora 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 HVDC.
También existen subestaciones colectoras en las proximidades de varias centrales térmicas o hidroeléctricas de potencia comparable. Ejemplos de este tipo de subestaciones son Brauweiler en Alemania y Hradec en la República Checa, donde la energía se obtiene de centrales eléctricas cercanas alimentadas con lignito . Si no se requieren transformadores para aumentar el voltaje al nivel de transmisión, la subestación es una estación de conmutación.
Las subestaciones convertidoras podrán estar asociadas a plantas convertidoras de HVDC , de corriente 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 continua o viceversa. Antiguamente los convertidores rotativos cambiaban de frecuencia para interconectar dos sistemas; Hoy en día, este tipo de subestaciones son raras.
Una estación de conmutación es una subestación sin transformadores y que funciona con un único nivel de tensión. Las estaciones de conmutación a veces se utilizan como estaciones colectoras y de distribución. 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 de la línea de transmisión HVDC Inga-Shaba .
Una estación de conmutación también puede conocerse como patio de conmutación, y comúnmente se encuentran directamente adyacentes o cerca de una central eléctrica . En este caso, los generadores de la central eléctrica suministran su energía al patio a través del 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 mantenimiento o para una nueva construcción, por ejemplo, agregar o quitar una línea de transmisión o un transformador. Para mantener la confiabilidad del suministro, las empresas apuntan a mantener el sistema en funcionamiento mientras realizan 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:
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. [5]
Los ferrocarriles electrificados también utilizan subestaciones, a menudo subestaciones de distribución. En algunos casos se produce una conversión del tipo 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 demás estaciones.
Una subestación móvil es una subestación sobre ruedas que contiene un transformador, disyuntores y barras montadas en un semirremolque autónomo , destinado a ser remolcado por un camión . Están diseñados para ser compactos para viajar por vías públicas y se utilizan como respaldo temporal en tiempos de desastre natural 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 viaje por carretera. [6]
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Las subestaciones generalmente cuentan con equipos de conmutación, protección y control, y transformadores. En una subestación grande, los disyuntores se utilizan para interrumpir cualquier cortocircuito o corriente de sobrecarga que pueda ocurrir en la red. Las estaciones de distribución más pequeñas pueden utilizar disyuntores o fusibles reconectadores para proteger los circuitos de distribución. Las subestaciones en sí 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 superficie en recintos vallados, subterráneas o en edificios de uso especial. Los edificios de gran altura pueden tener varias subestaciones interiores. Las subestaciones interiores generalmente se encuentran en áreas urbanas para reducir el ruido de los transformadores, mejorar la apariencia o proteger los interruptores del clima extremo o la contaminación.
Se debe diseñar un sistema de puesta a tierra. El aumento total del potencial de tierra y los gradientes de potencial durante una falla (llamados potenciales de contacto y de paso ) [7] 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 causar 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 tenga una cerca metálica, ésta deberá estar debidamente conectada a tierra para proteger a las personas de este peligro.
Los principales problemas que enfrenta un ingeniero energético son la confiabilidad y el costo. Un buen diseño intenta lograr un equilibrio entre ellos para conseguir fiabilidad sin costes excesivos. El diseño también debería permitir la ampliación de la estación. [8]
La selección de la ubicación de una subestación debe considerar muchos factores. Se requiere suficiente superficie de terreno para la instalación de equipos con los espacios necesarios para la seguridad eléctrica y para el acceso para mantener aparatos grandes, como transformadores.
Cuando el terreno es costoso, como en áreas urbanas, los tableros aislados con gas pueden 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 los equipos sensibles a las sobretensiones endurecidos contra estos elementos. [9] El sitio debe tener espacio para expansión debido al crecimiento 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 estar razonablemente central con respecto al área de distribución a la que se prestará servicio. El sitio debe estar seguro contra la intrusión de 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.
Si no son propiedad de una empresa de servicios públicos ni están operadas por ella, las subestaciones generalmente se ocupan mediante un contrato de arrendamiento a largo plazo , como un contrato de arrendamiento renovable de 99 años, lo que brinda a la empresa de servicios públicos seguridad de tenencia . [10]
El primer paso en la planificación del 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 como se distribuirían los aparatos en la estación real. [3]
En un diseño común, las líneas entrantes tienen un interruptor de desconexión y un disyuntor . En algunos casos, las líneas no tendrán ambos, siendo todo lo que se considera necesario un interruptor o un disyuntor. Se utiliza un interruptor de desconexión para proporcionar aislamiento, ya que no puede interrumpir la corriente de carga. Un disyuntor se utiliza como dispositivo de protección para interrumpir 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 desde el 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.
Con las líneas de transmisión aéreas , la propagación de rayos y sobretensiones pueden causar fallas de aislamiento en los equipos de la subestación. Los supresores de sobretensiones de entrada de línea se utilizan para proteger los equipos de la subestación en consecuencia. Se llevan a cabo estudios exhaustivos de coordinación de aislamiento 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 . Se trata de conjuntos de barras colectoras , normalmente en múltiplos de tres, ya que la distribución de energía eléctrica trifásica es en gran medida 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 configuración de bus en anillo, bus doble o el llamado "disyuntor y medio", de modo que la falla de cualquier disyuntor no interrumpa la energía a otros circuitos y para que partes de la subestación puedan estar desenergizado para mantenimiento y reparaciones. Las subestaciones que alimentan sólo una carga industrial pueden tener provisiones de conmutación mínimas, especialmente para instalaciones pequeñas. [8]
Una vez establecidas las barras para los distintos niveles de tensión, se pueden conectar transformadores entre los niveles de tensión. Estos nuevamente tendrán un disyuntor, muy parecido a las líneas de transmisión, en caso de que un transformador tenga una falla (comúnmente llamado "cortocircuito").
Además de esto, una subestación siempre tiene los circuitos de control necesarios para ordenar la apertura de los distintos disyuntores en caso de falla de algún componente.
Las primeras subestaciones eléctricas requerían conmutación o ajuste manual de equipos y recopilación manual de datos de 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 centralizado, para permitir la coordinación general en caso de emergencias y reducir los costos operativos. Los primeros esfuerzos para controlar remotamente las subestaciones utilizaron cables de comunicación dedicados, a menudo tendidos junto a circuitos de energía. Se han aplicado portadores de línea eléctrica , radio de microondas , cables de fibra óptica y circuitos de control remoto cableados dedicados al control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) para subestaciones. El desarrollo del microprocesador permitió un aumento exponencial del número de puntos que podían controlarse y supervisarse económicamente. Hoy en día, se utilizan protocolos de comunicación estandarizados como DNP3 , IEC 61850 y Modbus , por mencionar 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 las subestaciones es un elemento de la llamada red inteligente .
Los interruptores, disyuntores, transformadores y otros aparatos pueden interconectarse mediante conductores desnudos aislados en aire tendidos sobre estructuras de soporte. El espacio de aire requerido aumenta con la tensión del sistema y con la tensión nominal de sobretensión del rayo. Para las subestaciones de distribución de media tensión, se pueden utilizar equipos de distribución encapsulados en metal y ningún conductor activo expuesto al medio ambiente. Para voltajes más altos, la aparamenta aislada en gas en una subestación aislada en gas (GIS) reduce el espacio requerido alrededor de los autobuses activos. En lugar de conductores desnudos, los autobuses y aparatos como los interruptores se construyen en contenedores tubulares presurizados llenos de hexafluoruro de azufre (SF 6 ) o un gas alternativo. Este gas tiene un valor aislante superior al del aire, lo que permite reducir las dimensiones del aparato. Además de aire o gas SF 6 , los aparatos utilizarán otros materiales aislantes como aceite de transformador , papel, porcelana y aislantes poliméricos.
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 y aparatos de transmisión. Se pueden especificar subestaciones de bajo perfil en áreas suburbanas donde la apariencia es más crítica. Las subestaciones interiores pueden ser subestaciones aisladas en gas (GIS) (a altos voltajes, con aparamenta aislada en gas), o utilizar aparamenta encapsulada o revestida de metal a voltajes más bajos. Las subestaciones interiores urbanas y suburbanas podrán tener acabados exteriores para mimetizarse con el resto de edificaciones de la zona.
Una subestación compacta es generalmente una subestación al aire libre construida en una carcasa metálica, en la que cada elemento del equipo eléctrico está ubicado muy cerca uno del otro para crear una huella relativamente más pequeña de la subestación.
RMS de Oliveira y CLSS Sobrinho (2009). "Entorno computacional para simular rayos en una subestación eléctrica mediante el método de dominio de tiempo de diferencias finitas". Transacciones IEEE sobre compatibilidad electromagnética . 51 (4): 995–1000. doi :10.1109/TEMC.2009.2028879.
