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.

Instalaciones eléctricas

El tablero eléctrico

• En un tablero eléctrico se concentran los dispositivos de protección y de maniobra de los circuitos eléctricos de la instalación (nota: para mayores antecedentes refiérase al Código Eléctrico NCH ELEC 4/84). En el caso de instalaciones residenciales este tablero generalmente consiste en una caja en cuyo interior se montan los interruptores automáticos respectivos.

• Para lograr una instalación eléctrica segura, se debe contar con dispositivos de protección que actúen en el momento en el que se produce una falla (cortocircuito, sobrecarga o falla de aislación) en algún punto del circuito. De esta forma se evita tanto el riego para las personas de sufrir "accidentes eléctricos", como el sobrecalentamiento de los conductores y equipos eléctricos, previniendo así daño en el material y posibles causas de incendio.

Seguridad del servicio

• A la hora de diseñar la instalación eléctrica, es recomendable distribuir las cargas en varios "circuitos", ya que ante eventuales fallas (operación de protecciones) se interrumpe solamente el circuito respectivo sin perjudicar la continuidad de servicio en el resto de la instalación. Por ejemplo, en una casa se recomienda instalar al menos tres circuitos, uno exclusivo para iluminación, otro para enchufes y un tercero para enchufes especiales en la cocina y lavadero.

Tipos de fallas eléctricas

Las fallas, según su naturaleza y gravedad se clasifican en:

• Sobrecarga: Se produce cuando la magnitud de la tensión ("voltaje") o corriente supera el valor preestablecido como normal (valor nominal). Comúnmente estas sobrecargas se originan por exceso de consumos en la instalación eléctrica. Las sobrecargas producen calentamiento excesivo en los conductores, lo que puede significar las destrucción de su aislación, incluso llegando a provocar incendios por inflamación.

• Cortocircuito: Se originan por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin aislación, entre las que existe una diferencia de potencial eléctrico (fase-neutro, fase-fase). Durante un cortocircuito el valor de la intensidad de corriente se eleva de tal manera, que los conductores eléctricos pueden llegar a fundirse en los puntos de falla, generando excesivo calor, chispas e incluso flamas, con el respectivo riesgo de incendio.

• Falla de aislación: Estas se originan por el envejecimiento de las aislaciones, los cortes de algún conductor, uniones mal aisladas, etc. Estas fallas no siempre originan cortocircuitos, sino en muchas ocasiones se traduce en que superficies metálicas de aparatos eléctricos queden energizadas (con tensiones peligrosas), con el consiguiente peligro de shock eléctrico para los usuarios de aquellos artefactos.

Elementos de protección
Existen varios tipos de protecciones diferentes, por lo que a continuación se explican los dispositivos más importantes utilizados para lograr continuidad en el servicio eléctrico y seguridad para las personas:

• Fusibles (protecciones térmicas)

Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico debido a que una sobrecorriente quema un filamento conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados después de cada actuación para poder reestablecer el circuito. Los fusibles se emplean como protección contra cortocircuitos y sobrecargas.

• Interruptor Termomagnético o Disyuntor 

 Estos interruptores cuentan con un sistema magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). Estos disyuntores se emplean para proteger cada circuito de la instalación, siendo su principal función resguardar a los conductores eléctricos ante sobrecorrientes que pueden producir peligrosas elevaciones de temperatura.

• Interruptor o protector diferencial

El interruptor diferencial es un elemento destinado a la protección de las personas contra los contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico después del interruptor automático del circuito que se desea proteger, generalmente circuitos de enchufes, o bien, se le puede instalar después del interruptor automático general de la instalación si es que se desea instalar solo un protector diferencial, si es así se debe cautelar que la capacidad nominal (amperes) del disyuntor general sea inferior o igual a la del protector diferencial.

El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro, que en condiciones normales debiese ser igual. Si ocurre una falla de aislación en algún artefacto eléctrico, es decir, el conductor de fase queda en contacto con alguna parte metálica (conductora), y se origina una descarga a tierra, entonces la corriente que circulará por el neutro será menor a la que circula por la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectando el circuito.

Estas protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el nivel de corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este valor es de 30 miliamperes (0,03 A). Es muy importante recalcar que estas protecciones deben ser complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de no ser así, el interruptor diferencial solo percibirá la fuga de corriente en el momento en que el usuario toque la carcaza energizada de algún artefacto, con lo que no se asegura que la persona no reciba una descarga eléctrica.

Dimensionamiento de los conductores

Los conductores eléctricos se dimensionan en base a dos criterios: Intensidad de corriente que impone la carga y caída de tensión que se produce en la línea.

Según el diámetro de cada conductor, este tiene asociada una capacidad de trasporte de corriente (en amperes), en la cual también tiene que ver su la aislación (recubrimiento) y el método de canalización a emplear (tubería, bandeja, etc). Es así como un conductor de 1,5 mm2, con aislación del tipo NYA, canalizado en tubería, puede transportar hasta 15 A, mientras que el mismo conductor, pero tendido al aire libre, puede transportar hasta 23 A. Los distintos tipos de aislación existentes para los conductores tiene relación con el uso y ambiente en el que se van a situar estos, es decir que puedan ser resistentes al agua, líquidos corrosivos, radiación UV, etc.

En todo caso, como premisa del dimensionamiento de conductores se puede establecer que:

I carga < I disy < I cond

donde, I carga : Corriente nominal de la carga o consumo eléctrico

              I disy : Corriente nominal del interruptor automático que protegerá al circuito

              I cond : Capacidad máxima de transporte de corriente del conductor seleccionado.

El segundo criterio (caída de tensión) tiene relación con el hecho de que mientras más lejos se encuentre el punto de consumo del punto de suministro, la caída de tensión en el extremo de la línea será mayor. Esto puede solucionarse empleándo conductores de mayor diámetro al seleccionado originalmente (según criterio de capacidad de transporte).

A nivel domiciliario, comúnmente se emplean conductores con aislación del tipo NYA, de 1,5 mm2 para circuitos de iluminación y de 2,5 mm2 para circuitos de enchufes.

Se exige el uso de colores estandarizados para identificar los dinstintos conductores: los conductores de fase deben ser de color azul, negro o rojo, el neutro debe ser de color blanco y el conductor de la puesta a tierra de protección debe ser de color verde o verde amarillo:

Canalizaciones

Existe una amplia variedad en las tipos de canalizaciones, por lo que se hace referencia a la norma antes mencionada. Cabe mencionar que en instalaciones domiciliarias un medio común de canalización de los conductores son tuberías de PVC o metálicas (comúnmente de acero galvanizado). También en oficinas se emplea como método de canalización para enchufes, e incluso corrientes débiles (teléfono, señal de computación o red), bandejas plásticas o molduras.

Básicamente las dimensiones de las canalizaciones se definen de acuerdo a la cantidad y sección de los conductores a emplear, lo cual está normalizado.


Tierra de servicio
La puesta a tierra de servicio corresponde a un método de protección contra elevaciones de tensión producidas por fallas en el sistema de distribución (corte del neutro en el tendido eléctrico). La "tierra de servicio" consiste básicamente en conectar a tierra el neutro de la instalación eléctrica, comúnmente en el punto de empalme, mediante un electrodo de cobre, o bien, un enmallado.


Tierra de protección
La puesta a tierra de protección es uno de los elementos más importantes de una instalación eléctrica, en lo que se refiere a protección a las personas contra contactos indirectos.

Este sistema consiste en conectar a tierra todos los elementos conductores (carcasas) de lo equipos que, bajo condiciones normales, no deberían presentar tensiones de contacto peligrosas. Es para esto que a los enchufes llegan tres alambres (fase, neutro y tierra), lo que permite que cada artefacto que sea enchufado a una toma de corriente pueda quedar conectado a la tierra de protección.

Una buena puesta a tierra de protección nos asegura que ante una falla de aislación (conductor de fase en contacto con partes metálicas expuestas de un artefacto, como por ejemplo una lavadora) se produzca la descarga a tierra operando las protecciones del caso y no quede esta falla latente, a la espera de que alguien toque esa superficie para canalizarse a través de esa persona, electrocutándola. El buen funcionamiento de la puesta a tierra depende del valor de resistencia eléctrica que se logre en su instalación.

En la práctica, como sistema de tierra de protección se emplean electrodos de cobre o barras tipo Copperweld, o bien, enmallados de conductor de cobre, enterrados a cierta profundidad. Los resultados de resistencia que se logren para la "tierra de protección" dependerán del tipo de suelo (humedad y sales que contenga), superficie que abarque la puesta a tierra, y ciertos parámetros eléctricos del sistema.


Efectos de la corriente sobre el cuerpo humano

Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano dependen de:
 Intensidad de la corriente que lo atraviesa

 Duración del contacto (tiempo de exposición al shock eléctrico)

 Resistencia eléctrica del propio cuerpo.

Efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo, de acuerdo a la intensidad que lo atraviesa

Intensidad de corriente en miliamperes (mA)	Efectos sobre el cuerpo
hasta 1	Imperceptible para el hombre
2 a 3	Sensación de hormigueo en la zona expuesta
3 a 10	Contracción involuntaria. El sujeto generalmente consigue liberarse del contacto, de todas maneras la corriente no es mortal.
10 a 50	La corriente no es mortal si se aplica durante intervalos decrecientes a medida que aumenta su intensidad, de lo contrario los músculos de la respiración se ven afectados por calambres que pueden provocar la muerte por asfixia.
50 a 500	Corriente decididamente peligrosa en función creciente con la duración del contacto que da lugar a la fibrilación ventricular (funcionamiento irregular del corazón con contracciones muy frecuentes e ineficaces), lo que constituye un serio riesgo vital.
más de 500	Decrece la posibilidad de fibrilación, pero aumenta el riesgo de muerte por parálisis de centros nerviosos y quemaduras internas.

Resistencia eléctrica del cuerpo humano

En general, la resistencia eléctrica del cuerpo humano varía según las condiciones físicas y psíquicas (estado de ánimo) del sujeto y del estado de su piel. Es así como una persona "estresada" o nerviosa es más "conductora de la electricidad" que una persona tranquila, así como también una persona con la piel "húmeda" es más conductora que una persona con la piel seca.
Como estimación general, se asume una resistencia para el cuerpo humano de 3.000 Ohms, para baja tensión, y de 1.000 Ohms para alta tensión, siendo lógicamente estos datos extremadamente variables por las razones descritas anteriormente.

Como ahorrar energía

Generalidades

• Al comprar un electrodoméstico fíjese en las indicaciones de consumo de electricidad del artefacto, y elija el de menor consumo, hoy marcados con una letra que indica su nivel de eficiencia energética (los "A" son los más eficientes).
• Trate de evitar la electricidad para calefacción o para calentar el agua, ya que debido principalmente a las pérdidas que ocurren en su generación y transmisión, esto resulta poco eficiente desde el punto de vista del buen aprovechamiento de las energías primarias usadas para generar electricidad. Lo cual no significa que, mirado a corto plazo, el uso de la electricidad para estos fines no pudiese resultar conveniente en lo que a costos se refiere. Prefiera el uso de energías renovables, y procure contar con aislamientos adecuados para mantener el calor en su hogar por más tiempo.
•  Verifique si tiene corrientes de pérdidas en su hogar. Para esto, desconecte todos los artefactos y verifique que el disco del medidor de energía no esté girando. En caso que hayan pérdidas, contacte un instalador autorizado para resolver el problema.
• Si deja de usar su computador por un momento, apague el monitor, ya que en promedio el consumo de estos es equivalente al de una ampolleta incandescente.

Iluminación

• Apague la luz cuando no la necesite, y todo aquello que no se esté usando en el momento. Los cargadores de baterías para teléfonos celulares, cámaras de video, equipos portátiles de comunicación y computación (note book, palm, etc.), consumen energía si se encuentran conectados, estén o no cargando. Lo mismo ocurre con los aparatos a control remoto conectados, aun cuando estén apagados. (Siempre que vea usted una señal luminosa en cualquier aparato, ésta indica que ahí se está consumiendo electricidad).

• Mantenga abiertas las cortinas y persianas durante el día; la luz natural siempre es mejor. (Si usted vive en un lugar de clima cálido, ciérrelas en el día, pues al abrirlas entrará la luz natural, pero también el calor y, en todo caso, el costo de la iluminación artificial es más bajo que el de “climatizar” la habitación).

• Pinte las paredes de su hogar con colores claros; esto ayuda a aprovechar mejor la luz, tanto la natural como la artificial.

• Sustituya los focos incandescentes y los halógenos por lámparas ahorradoras (fluorescentes compactas), las cuales son más caras que las ampolletas comunes, pero consumen solo un 20% de la energía y duran diez veces más tiempo. Aplique esta medida en todos los espacios de su hogar donde sea posible, especialmente en aquellos de iluminación permanente como son los pasillos, escaleras, pórticos.

• Es importante saber que el 85% de la energía eléctrica utilizada en un foco incandescente de tecnología antigua se convierte en calor y sólo el 15% restante en luz. Alguien ha dicho que el foco es un calentador eléctrico, que tiene un subproducto: la luz. En caso de no poder instalar lámparas de tecnología eficiente en los lugares donde se requiere poca iluminación (habitaciones, pasillos, cornisas), se recomienda usar focos (incandescentes) máximo de 25 watts.
• En lámparas múltiples puede quitar uno o dos de cada tres focos o reemplazarlos por los de 25 ó 40 watts. Recuerde también que las ampolletas "dicroicas" son de 50 W cada una y que hoy tienen reemplazos eficientes también.

• Limpie periódicamente focos y lámparas, pues el polvo bloquea la luz que emiten.

Equipos de aire acondicionado

• Mantenga la habitación cerrada mientras esté funcionando el equipo.

• Desconecte o apague el aparato al salir de la habitación.

• Limpie el filtro de aire cada 15 días. Los filtros sucios y los depósitos saturados de polvo provocan que el motor trabaje sobrecargado y reduzca su utilidad.

Lavado y planchado

• Al usar la máquina lavadora o secadora de ropa, prefiera cargarla completamente (no usarla para lavar o secar una sola prenda) y emplear programas de lavado económico.

• Limpie periódicamente los filtros de su lavadora, ya que un rendimiento óptimo garantiza un menor consumo y un mejor funcionamiento del aparato.

• Nunca seque la ropa con la plancha y gradúe el termostato de esta de acuerdo a la tela que va a planchar.

• Junte la mayor cantidad de ropa posible para planchar, así evitará desperdicios de calor en el encendido y apagado de la plancha.

• No deje la plancha encendida innecesariamente.

Refrigerador

• ¿Sabía usted que los refrigeradores pueden llegar a consumir cerca de la tercera parte de la energía eléctrica utilizada en los hogares?

• Coloque el refrigerador en un lugar con suficiente espacio para permitir la circulación del aire por la parte posterior (5 cm aproximadamente) y evite colocar objetos que obstruyan una adecuada ventilación, ya que de lo contrario el aparato trabajará más y, por tanto, habrá un mayor consumo de electricidad.

             Instálelo en donde no esté al alcance de los rayos solares, la estufa o cocina, y otras fuentes de calor, pues    cerca de ellos tiene que trabajar más.

• Revise que el refrigerador esté nivelado, ya que si su base o el piso están desnivelados, el empaque de la puerta sellará mal y dejará entrar aire caliente.

• Asegúrese que la puerta cierre herméticamente y que no deje que el aire frío se escape. Esto lo puede comprobar poniendo una hoja de papel al cerrar la puerta; si ésta cae o se desliza fácilmente cuando usted la jala, indica que los empaques deben cambiarse.

• Verifique que la puerta esté bien cerrada y no la deje entreabierta, pues un refrigerador trabaja con eficiencia cuando se abre lo menos posible. Así que tome sus decisiones antes de abrirlo y ciérrelo de inmediato para evitar que entre el aire caliente y salga el frío.

• Evite introducir alimentos calientes dentro del aparato, permita que se enfríen a la intemperie antes de guardarlos, pues de este modo trabajará menos su refrigerador.

• Use la temperatura correcta para conservar los alimentos. El ajuste del termostato debe estar entre los números 2 y 3 en lugares de clima templado y entre 3 y 4 en sitios calurosos.

• Mantenga los alimentos cubiertos; así se conservan mejor y será menor el acumulamiento de humedad en el interior del refrigerador.

• Descongele con regularidad su refrigerador, si es de deshielo manual. En refrigeradores de este tipo o semi-automáticos, revise que la cantidad de escarcha que se forma en el congelador no sobrepase el medio centímetro. Descongélelo antes de que esto ocurra.

• Limpie periódicamente la parte posterior del refrigerador (el condensador, especialmente). Si la rejilla posterior del condensador está sucia, puede ocasionar costos más altos de operación del aparato. Las rejillas que se encuentran en la parte posterior o inferior delantera del mismo, deberán ser revisadas y limpiadas cuando menos dos veces por año. Mantenga principalmente estas rejillas con ventilación y sin objetos que obstruyan la circulación de aire.

• Si sale de vacaciones por más de 15 días, desconecte el refrigerador, límpielo y deje las puertas abiertas para que se ventile y no guarde olores desagradables