Subestaciones eléctricas

Cálculo de una subestación eléctrica

Una subestación eléctrica es usada para la transformación de la tensión de la energía eléctrica. El componente principal (y más caro) de una subestación eléctrica es el transformador.

Las subestaciones eléctricas elevadoras se ubican en las inmediaciones de las centrales eléctricas para aumentar la tensión de salida de sus generadores. En España los niveles de tensión normalizados más habituales son 13.2, 15, 20, 45, 66, 132, 220 y 400 kV. En México, 13.2, 23, 34.5, 110, 220 y 400 kV. De ellos, tanto en España como en México los dos últimos voltajes corresponden a la red de tranmisión, y las tensiones restantes corresponden a los niveles de subtransmisión ydistribución primaria.

Cerca de las poblaciones y de los consumidores, se encuentran las subestaciones eléctricas reductoras que reducen el nivel de tensión para que sea apto para su uso por medianos consumidores (fábricas, centros comerciales, hospitales, etc). Dicha reducción tiene lugar entre tensiones de transporte (400 o 220kV) a tensiones de distribución. Repartidos en el interior de las ciudades existen centros de transformación (CT's) que bajan la tensión a 400V en trifásica (tres fases y neutro), la cual es apropiada para su distribución a pequeños consumidores, entre los que se encuentra el consumo doméstico. Para este tipo de consumo se utiliza en cada vivienda una fase y el neutro, por lo que la tensión que se mide con un polímetro es de 230 V.

La razón técnica para realizar esta operación es la conveniencia de transportar la energía eléctrica a larga distancia a tensiones elevadas para reducir las pérdidas resistivas por efecto Joule (P= I^2\cdot R), que dependen de la intensidad de corriente.

Las líneas de la subestación eléctrica están protegidas por equipos principalmente con dos principios de funcionamiento: diferencial de línea y distancia. En el primer caso se compara la intensidad de ambos extremos de la línea en cada instante y se comprueba que coincidan, mientras que en el segundo se obtiene la impedancia de la línea realizando el cociente entre tensión e intensidad para verificar que se encuentre entre unos valores predeterminados.

También poseen aparatos de maniobra tanto en carga (interruptores) como sin carga (seccionadores) y de medida (transformadores de intensidad y de tensión). Así mismo es necesario establecer comunicaciones entre las subestaciones que se encuentran en los extremos de las líneas, y ésta puede realizarse bien mediante fibra óptica, comunicaciones en alta frecuencia a través de la misma línea (onda portadora) o por un enlace de radio.

Para proteger líneas de media tensión (<66 kV) frente a caídas de rayos durante tormentas eléctricas y prevenir que se vean afectadas por averías en CT's de clientes se instalan fusibles (comúnmente llamados XS) de manera que éstos sean los elementos que se deterioren en caso de sobreintensidades.

Coordinación de aislamiento

Coordinación de aislamiento en una subestación es el ordenamiento y dimensionamiento de los diferentes equipos, de forma que al presentarse una onda de sobre tensión esta se descargue en el elemento adecuado.
 

Asimismo es el diseño de distancias eléctricas de modo que se no existan arcos eléctricos en condiciones normales y de sobre tensiones normalizadas
Antes de proceder al calculo de las distancias en subestaciones es necesario definir la tensión critica de flameo TCF,BIL, δ
TCF es la tensión obtenida en forma experimental que presenta una probabilidad de flameo del 50%
BIL es el nivel básico de aislamiento del equipo o tensión de aguante del equipo para S.T. Por rayo.
δ es la densidad del aire y aplica para aislamiento auto recuperables.
δ = 3.92*b/(273+T); es la densidad del aire que toma en cuenta:
T = Temperatura de la región donde se instalara la subestación.
b = presión barométrica en cm de HG.

Si las condiciones son estándar la densidad del aire se considerar igual a la unidad y esto es valido entre 0 y 1000 msnm.
IEC recomienda aumentar las distancias un 10% para tensiones hasta 245 KV y 6% para tensiones mayores, bajo la consideración de que no se conservan las condiciones estándar y debido a que la configuración de placa varilla es diferentes en las subestaciones.
Distancias de fase – fase: para calcular las distancias de fase se debe tomar en cuenta que la tensión máxima que puede aparecer entre fases es igual al BIL mas el valor de cresta de la onda de tensión a tierra, por lo que IEC recomienda: que la Dff es igual a 15% mayor que Dft. Se debe considerar en estas distancias el diámetro de los conductores o elementos metálicos.

Para estimar la distancias entre buses o barras flexibles se toma en cuenta los desplazamientos por efecto del viento y los sismos y lo común es usar un factor que varia entre 1.8 y 2 por la distancia mínima de fase a tierra. Valores validos hasta 1000 msnm y para voltajes de hasta 230 KV.
Para el caso de soporte de barras rígidas el factor para encontrar la separación entre barras varia entre 1.7 a 1.8 de la distancia de fase a tierra igualmente se toma en cuenta los efectos por viento, las fuerzas resultantes de las corrientes de corto circuito, las distancias entre apoyos de una misma fase y respetando los limites de fatiga para el material en función de la fuerza que actúa sobre los apoyos.

Zonas de seguridad para circulación de:
Personas
Vehículos

Para ambos casos se debe tomar en cuenta las distancias verticales y horizontales y para el caso de personas también la zonas de trabajo.
Circulación de personas:

Distancias vertical se calcula considerando la distancia de fase a tierra mas 2.30 metros con un mínimo de 2.25, en ningún caso la distancia de la parte viva debe ser menor a 3 metros entonces:
dv = 2.30 + dft
La distancia horizontal:
dh = dft + 0.90
Tanto en el caso de Dv y Dh los valores de 2.30 y 0.90 metros son medidas que salen de la talla media de una persona con la mano estirada en forma vertical y un brazo en forma horizontal.
Para el caso de zonas de trabajo se considera en el caso vertical una altura mínima de 2.30 + dft y para el caso horizontal una distancia de 1.75 + dft, donde 1.75 es la talla promedio de una persona con los dos brazos estirados en forma horizontal.
Para calcular la distancias de circulación vehículos, se toma en cuenta la parte mas exterior del vehiculo
dh = dft + 0.70
dv = dft + 0.50
En donde las distancias se consideran desde la parte mas exterior del vehiculo de mayores dimensiones.