Subestación Eléctrica: Guía Completa de Componentes, Tipos, Diseño y Aplicaciones
Unsubestación eléctricaes una de esas partes del sistema eléctrico que la mayoría de la gente rara vez nota, pero casi todas las redes eléctricas confiables dependen de ella. La electricidad tiene que viajar a través de diferentes niveles de voltaje antes de llegar a los hogares, fábricas, edificios comerciales, centros de datos o proyectos de energía renovable. Las subestaciones lo hacen posible.
Dependiendo de la aplicación, una subestación eléctrica puede transformar voltaje, cambiar circuitos, proteger equipos, monitorear las condiciones eléctricas y controlar cómo la energía se mueve a través de la red. En una gran red de transmisión, una subestación puede cubrir un área enorme y contener transformadores de potencia de alto-voltaje, disyuntores, barras colectoras, sistemas de protección y otros equipos. Una subestación de distribución más pequeña puede ser mucho más compacta.
Para las empresas de servicios públicos, los contratistas de EPC, las instalaciones industriales, los desarrolladores de energía renovable y otros proyectos de energía, el diseño de la subestación rara vez se trata de una sola pieza de equipo. El transformador, el cuadro, el sistema de protección, el sistema de puesta a tierra y el equipo de control deben trabajar juntos.
¿Qué es una subestación eléctrica?
Unsubestación eléctricaEs una instalación donde se transforma, conmuta, controla, protege o distribuye la electricidad.
La idea básica es bastante simple. La electricidad generada en una central eléctrica normalmente necesita ser elevada a un voltaje más alto antes de que pueda viajar largas distancias. Un transformador en una estación generadora aumenta el voltaje, reduciendo la corriente y, por lo tanto, ayuda a limitar las pérdidas de transmisión.
A medida que la electricidad se acerca al usuario final, las subestaciones reducen gradualmente el voltaje a niveles adecuados para la distribución regional y el consumo final.
Una ruta de energía típica se parece a esto:
Generación de energía → Transformador elevador-Up → Subestación de transmisión → Subestación de distribución → Consumidores
Los niveles de voltaje reales varían de una red a otra. Las subestaciones de transmisión podrán operar en110 kilos, 220 kilos, 330 kilos, 500 kilos, 765 kilos, o superior. Las redes de distribución suelen utilizar niveles de tensión-medios, como10 kV, 11 kV, 20 kV o 35 kV.
Entonces, si bien la transformación de voltaje es una parte importante de lo que hace una subestación, ciertamente no es toda la historia.
¿Qué hace? ¿Qué hace una subestación eléctrica?
Una subestación eléctrica tiene varios puestos de trabajo y están estrechamente relacionados.
| Función | Descripción |
|---|---|
| Transformación de voltaje | Aumenta o disminuye el voltaje para transmisión y distribución. |
| Traspuesta | Conecta o desconecta circuitos y equipos. |
| Protección | Detecta fallas y aísla secciones dañadas. |
| Control y seguimiento | Mide parámetros eléctricos y gestiona el flujo de energía. |
En otras palabras, una subestación eléctrica no es simplemente un lugar donde se instala un transformador. Es un importante punto de control y protección dentro de la red eléctrica.
Componentes principales de una subestación eléctrica
El equipo dentro de una subestación depende de su nivel de voltaje, capacidad, ubicación y propósito. Aún así, varios componentes importantes son comunes en muchas instalaciones.
Eltransformador de potenciasuele ser uno de los equipos más grandes de un
subestación.
Su trabajo principal es cambiar el voltaje de un nivel a otro mientras transfiere energía eléctrica de manera eficiente. Una subestación de transmisión, por ejemplo, podría reducir 220 kV a 110 kV, mientras que una subestación de distribución podría reducir la tensión media a una tensión de utilización más baja.
Los grandes transformadores-inmersos en aceite se utilizan ampliamente en subestaciones de alta-capacidad porque pueden manejar grandes potencias nominales y proporcionar una refrigeración eficaz.
Dependiendo del proyecto, un transformador puede incluir uncambiador de tomas en-carga (OLTC), cambiador de tomas en-circuito apagado, Refrigeración ONAN u ONAF, Relevo Buchholz, dispositivo de alivio de presión, indicadores de temperatura del aceite y del devanado, tanque conservador y equipo de monitoreo en línea.
Los proyectos de energía renovable tienen sus propios requisitos.Granjas solares, parques eólicos, y los sistemas de almacenamiento de energía de baterías pueden utilizartransformadores elevadores-generadores, transformadores colectores o transformadores especialmente diseñados para conexión a red.
A cortacircuitostransporta corriente durante el funcionamiento normal e interrumpe el circuito cuando es necesario.
Si ocurre una falla, el relé de protección detecta la condición anormal y envía una señal de disparo al disyuntor. Luego, el disyuntor abre el circuito y ayuda a evitar que la falla se propague.
Las subestaciones de alto-voltaje pueden utilizar disyuntores SF₆ o tecnologías más nuevas diseñadas con un menor impacto ambiental. Los disyuntores de vacío son comunes en aplicaciones de media-tensión.
La elección correcta depende del nivel de voltaje, corriente de falla, capacidad de interrupción, condiciones de operación y requisitos del proyecto.
Los seccionadores, a menudo llamados aisladores, se utilizan principalmente para proporcionar aislamiento eléctrico durante el mantenimiento.
Normalmente no están destinados a interrumpir grandes corrientes de falla. En cambio, se operan después de que el circuito correspondiente se haya desenergizado-, lo que permite al personal de mantenimiento trabajar en equipos con un punto de aislamiento físico claro.
Ésta es una distinción importante:Los disyuntores interrumpen la corriente, mientras que los seccionadores proporcionan aislamiento..
Las barras colectoras son conexiones conductoras que unen los circuitos entrantes y salientes dentro de la subestación.
Diferentes proyectos pueden utilizarbarra colectora simple, barra colectora doble, barra colectora de anillo, disyuntor-y-un-mediou otros arreglos. No existe una configuración única que funcione mejor en todas partes.
La disposición de las barras colectoras afecta la confiabilidad, la flexibilidad del mantenimiento, el aislamiento de fallas y el costo del proyecto. Las subestaciones críticas pueden utilizar disposiciones más complicadas porque brindan mayor flexibilidad durante el mantenimiento o fallas del equipo.
A transformador de corriente (CT)convierte una corriente primaria alta en una corriente secundaria estandarizada más baja que puede medirse de forma segura mediante equipos de protección y medición.
Los CT se utilizan comúnmente para protección contra sobrecorriente, protección{0}}de falla a tierra, protección diferencial, medición de energía y monitoreo general de energía.
Es importante conseguir que la relación y la precisión del CT sean correctas. Los CT de protección, en particular, deben funcionar correctamente durante corrientes de falla altas, por lo que es necesario considerar la clase de precisión, la carga, las características de saturación y los requisitos de protección.
Los transformadores de voltaje (VT), también conocidos como transformadores de potencial (PT), reducen los altos voltajes del sistema a niveles más seguros para medición y protección.
Proporcionan señales de voltaje a medidores, relés, equipos de control y sistemas de monitoreo sin conectar directamente estos circuitos de bajo-voltaje al sistema de alto-voltaje.
Los sistemas de energía pueden experimentar sobretensiones transitorias causadas por rayos y operaciones de conmutación.
Descargadores de sobretensionesayudan a proteger transformadores, interruptores, cables y otros equipos al limitar estas sobretensiones y proporcionar un camino para que la energía sobretensiones llegue a tierra.
Su selección depende del voltaje del sistema, las condiciones de conexión a tierra, la sobretensión temporal y la coordinación del aislamiento. Es un componente relativamente pequeño en comparación con un transformador de potencia, pero su papel ciertamente no es menor.
Los relés de protección son esencialmente la parte-de toma de decisiones del sistema de protección de la subestación.
Monitorean corriente, voltaje, frecuencia, relaciones de fase y otros parámetros eléctricos. Cuando identifican una condición anormal, pueden enviar una señal de disparo al disyuntor correspondiente.
Las funciones de protección comunes incluyenProtección contra sobrecorriente, falla a tierra, diferencial, sobretensión, subtensión, sobrefrecuencia, subfrecuencia y distancia.
Los relés numéricos modernos pueden combinar varias funciones de protección con medición, registro de eventos, comunicación y monitoreo remoto. Esto ha hecho que los sistemas de protección de subestaciones sean considerablemente más capaces que los diseños electromecánicos más antiguos.
Un sistema de puesta a tierra confiable es esencial tanto para la protección del equipo como para la seguridad del personal.
El sistema de conexión a tierra proporciona una ruta controlada para la corriente de falla y ayuda a mantener los voltajes de contacto y de paso dentro de límites aceptables. Una red de puesta a tierra típica de una subestación utilizaconductores enterradosyelectrodos de puesta a tierraconectados a tanques de transformadores, marcos de equipos, estructuras de acero y otras partes conductoras.
El diseño de la conexión a tierra depende de factores como la resistividad del suelo, la corriente de falla disponible, el tiempo-de eliminación de la falla, las dimensiones de la red y los requisitos de seguridad aplicables.
tipos de Subestaciones Eléctricas
Hay varias formas de clasificar una subestación eléctrica. Los enfoques más comunes se basan en su función, nivel de voltaje, entorno de instalación o aplicación.
A subestación elevadora-aumenta el voltaje producido por una instalación generadora a un voltaje de transmisión más alto.
Un generador puede producir electricidad a un voltaje relativamente bajo en comparación con la red de transmisión. El transformador elevador-del generador eleva ese voltaje antes de que la electricidad ingrese al sistema de transmisión.
Un voltaje de transmisión más alto significa una corriente más baja para el mismo nivel de potencia, lo que ayuda a reducir las pérdidas en las líneas de transmisión.
Una subestación-reductora hace lo contrario.
Reduce un alto voltaje de transmisión a un voltaje más bajo para distribución regional o local. Por ejemplo, una línea de transmisión de 220 kV puede alimentar una subestación donde el voltaje se reduce a 110 kV o 35 kV.
A partir de ahí, equipos de distribución adicionales pueden reducir aún más el voltaje antes de que la electricidad llegue a los consumidores.
A subestación de distribucióngeneralmente se encuentra más cerca de la carga eléctrica.
Reduce la energía de voltaje medio-a un voltaje de distribución más bajo y suministra varios circuitos de salida. Las subestaciones de distribución pueden dar servicio a comunidades residenciales, desarrollos comerciales, fábricas, proyectos de infraestructura y otras cargas.
Su diseño suele ser más compacto que el de una subestación de transmisión importante, aunque la capacidad requerida aún puede ser sustancial.
Una subestación de conmutación realiza principalmente funciones de conmutación y protección en lugar de una transformación importante de tensión.
Puede conectar diferentes circuitos de transmisión o distribución, dividir una red en secciones y mejorar la flexibilidad operativa. En algunos lugares, se utilizan subestaciones de conmutación para mejorar la confiabilidad sin instalar grandes transformadores de potencia.
Una subestación industrial suministra electricidad a grandes instalaciones industriales, como fábricas, minas, plantas siderúrgicas, plantas químicas e instalaciones de procesamiento.
Estos proyectos suelen tener requisitos exigentes en cuanto a confiabilidad y calidad de la energía. Altas corrientes de arranque, motores grandes,armoníaLos equipos sensibles y los procesos de producción continuos pueden influir en el diseño de la subestación.
Los centros de datos son otro buen ejemplo. Sus sistemas eléctricos pueden requerir transformadores redundantes, protección de alta-calidad, gestión de armónicos y sistemas de energía de respaldo cuidadosamente coordinados.
Las grandes plantas solares fotovoltaicas, los parques eólicos y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías generalmente requieren una infraestructura eléctrica dedicada para la conexión a la red.
Una subestación de energía renovable puede incluir transformadores colectores, aparamenta de media-tensión, transformadores de potencia, sistemas de protección, medición, compensación de energía reactiva y equipos de conexión a la red.
El diseño del transformador debe tener en cuenta el perfil de generación del proyecto, los requisitos del código de red-, los armónicos, las condiciones ambientales y las condiciones de funcionamiento.
Subestaciones interiores versus exteriores
Las subestaciones también se pueden clasificar según el lugar donde estén instalados los equipos.
Las subestaciones exteriores se utilizan ampliamente paraaplicaciones de voltaje medio- y alto-.
Los equipos principales se instalan al aire libre sobre cimientos de hormigón o estructuras de acero. Esta disposición proporciona suficiente espacio para transformadores grandes, disyuntores, barras colectoras y conexiones de alto-voltaje.
Las subestaciones al aire libre suelen ser una opción práctica para grandes proyectos de transmisión y distribución, especialmente cuando hay suficiente terreno disponible.
Subestación interior
En una subestación interior, los equipos principales se instalan dentro de un edificio o recinto exclusivo.
Este enfoque puede resultar útil cuando el terreno es limitado o cuando el equipo necesita protección adicional contra el polvo, la humedad, la contaminación o el acceso no autorizado.
Las subestaciones urbanas, las instalaciones industriales y los proyectos con estrictas limitaciones de espacio pueden utilizar aparamenta interior y transformadores de tipo seco-para crear una instalación más compacta.
Subestaciones AIS vs GIS
Las subestaciones de alto-voltaje se suelen dividir ensubestaciones-aisladas en aire (AIS)ysubestaciones aisladas-de gas (GIS).
AIS utiliza aire atmosférico como principal medio de aislamiento entre los componentes energizados. Generalmente requiere más espacio, pero el equipo es relativamente accesible para inspección visual y mantenimiento.
GIS coloca componentes de alto-voltaje dentro de gabinetes metálicos sellados utilizando un gas aislante o un medio aislante alternativo. El resultado puede ser una huella mucho más pequeña, lo cual es particularmente útil en ciudades, áreas industriales, instalaciones subterráneas y otras ubicaciones con espacio-limitado.
| Característica | AIS | SIG |
| Medio de aislamiento | Aire | Gas/medio aislante |
| Huella | Más grande | Más compacto |
| Costo inicial | Generalmente más bajo | Generalmente más alto |
| Espacio de instalación | Requiere más terreno | Adecuado para sitios restringidos |
| Acceso de mantenimiento | relativamente sencillo | Más especializado |
| Aplicaciones típicas | Subestaciones de servicios públicos y de áreas-abiertas | Subestaciones urbanas, industriales y con restricciones de espacio- |
No existe un ganador universal entre AIS y GIS. La elección generalmente se reduce al terreno disponible, el presupuesto del proyecto, el nivel de voltaje, las condiciones ambientales, la estrategia de mantenimiento y el espacio requerido.
Diseño de Subestaciones Eléctricas
Diseñando unsubestación eléctricacomienza con la comprensión del sistema eléctrico que debe servir.
Los ingenieros primero analizan la carga esperada, los niveles de voltaje, los niveles de falla, los requisitos de confiabilidad, la expansión futura y el punto de conexión a la red. Estos factores dan forma a casi todas las decisiones de diseño posteriores.
Capacidad del transformadores una de las primeras consideraciones importantes. El transformador debe soportar la carga esperada sin sobredimensionarse innecesariamente. Al mismo tiempo, a menudo es necesario dejar un margen razonable para el crecimiento futuro.
El funcionamiento continuo con carga excesiva puede aumentar la temperatura del devanado y del aceite, acelerar el envejecimiento del aislamiento y acortar la vida útil del transformador.
Condiciones de cortocircuito-también necesita una atención cuidadosa. Los disyuntores, barras colectoras, transformadores, CT, cables y otros componentes importantes deben tener capacidades adecuadas de interrupción y resistencia a cortocircuitos.
Coordinación de protecciónes otra cuestión clave. Un buen sistema de protección debe aislar una falla rápidamente y al mismo tiempo evitar disparos innecesarios de equipos en buen estado. Parece sencillo, pero lograr la coordinación correcta puede requerir estudios detallados del sistema.
Eldiseño físicoimporta también. Antes de comenzar la construcción, es necesario considerar las distancias eléctricas, el acceso para mantenimiento, el tendido de cables, la protección contra incendios, el drenaje, la ventilación, el ruido, el transporte de equipos y la futura expansión.
Para proyectos más grandes, el diseño de subestaciones generalmente implica estudios eléctricos, especificaciones de equipos, diseño de protección y control, ingeniería civil, diseño de puesta a tierra, trabajo de diseño detallado y puesta en servicio.
Selección de transformador de subestación
Para empresas de servicios públicos y contratistas EPC, seleccionar la opción adecuadatransformador de subestaciónes una de las partes más importantes del proyecto.
La especificación del transformador normalmente cubre la potencia nominal, el voltaje primario y secundario, la frecuencia, el grupo de vectores, la impedancia, el rango de derivación, el nivel de aislamiento, las pérdidas, el aumento de temperatura, el método de enfriamiento y los estándares aplicables.
Para un transformador de potencia sumergido en aceite-, la especificación
También puede cubrir el aceite del transformador, la disposición del conservador, el equipo de enfriamiento, los casquillos, el cambiador de tomas, los dispositivos de monitoreo y otros accesorios.
Para instalaciones interiores, untransformador tipo seco-Puede ser una opción práctica cuando la seguridad contra incendios, la instalación en interiores, las condiciones ambientales o los requisitos de mantenimiento lo hacen apropiado.
La selección del transformador no debe basarse únicamente en la clasificación de MVA o kVA. El entorno operativo importa bastante.
La temperatura ambiente, la altitud de instalación, el perfil de carga, los armónicos, las características de generación de energía renovable, las condiciones de sobrecarga esperadas y los requisitos de la red pueden afectar el diseño del transformador.
Para un proyecto de energía renovable, por ejemplo, el transformador puede experimentar un perfil operativo muy diferente al de un transformador industrial convencional. Se aplica el mismo principio básico de transformación de voltaje, pero los detalles del diseño pueden ser bastante diferentes.
Estándares de subestaciones eléctricas
Los equipos de subestaciones normalmente se diseñan, fabrican y prueban de acuerdo con estándares internacionales, nacionales y específicos del proyecto-.
Para transformadores de potencia,CEI 60076es uno de los principales estándares internacionales. Dependiendo de la ubicación del proyecto y los requisitos del cliente, también pueden aplicarse los estándares IEEE y ANSI.
Los interruptores, disyuntores, transformadores de medida, equipos de protección y otros componentes de subestaciones tienen sus propios estándares aplicables.
Para proyectos internacionales, es una buena idea confirmar los estándares requeridos al principio del proceso de adquisición. De lo contrario, el equipo que parece técnicamente adecuado sobre el papel puede necesitar pruebas, documentación o cambios de diseño adicionales más adelante.
Por qué es importante la confiabilidad de las subestaciones
Un problema de subestación rara vez permanece aislado.
Una falla en un transformador, una falla en la barra colectora, un mal funcionamiento de la protección o una falla en el disyuntor pueden interrumpir el suministro eléctrico a un área mucho más grande. Para las plantas industriales y los centros de datos, incluso una interrupción relativamente breve puede tener graves consecuencias operativas y financieras.
Es por eso que las subestaciones críticas suelen utilizar transformadores redundantes, barras colectoras seccionales, protección de respaldo, fuentes de alimentación de control independientes y múltiples capas de monitoreo.
El monitoreo del estado de los transformadores también es cada vez más importante.Prueba de aceite, análisis de gases disueltos (DGA), el monitoreo de temperatura, el monitoreo de casquillos y el monitoreo de descargas parciales en línea pueden ayudar a identificar problemas en desarrollo antes de que se conviertan en fallas importantes.
A menudo es mucho más fácil y menos costoso hacer frente a una alerta temprana que a una falla inesperada del transformador.
Subestaciones eléctricas en sistemas de energía modernos
El papel delsubestación eléctricaestá cambiando a medida que la industria energética se vuelve más descentralizada y más digital.
Las plantas de energía solar, los parques eólicos, los sistemas de almacenamiento de energía en baterías, la infraestructura de vehículos eléctricos, los centros de datos y las grandes cargas industriales están creando nuevas demandas en la red.
Al mismo tiempo, las subestaciones modernas utilizan dispositivos electrónicos inteligentes, redes de comunicación, monitoreo remoto, control automatizado y sistemas de protección digital. Los operadores pueden obtener mucha más información sobre el estado de los equipos y el rendimiento de la red que en el pasado.
Los proyectos de energía renovable son particularmente interesantes porque los flujos de energía ya no son siempre predecibles ni uni-direccionales. Es posible que una subestación necesite manejar niveles de generación cambiantes, requisitos de energía reactiva, armónicos y requisitos de código de red-a lo largo del día.
Esto hace que el rendimiento del transformador, la coordinación de la protección, la calidad de la energía y el monitoreo del sistema sean cada vez más importantes.
Conclusión
Unsubestación eléctricaes una parte crítica del sistema de energía. Cambia el voltaje, controla el flujo de energía, protege los equipos eléctricos, aísla fallas y proporciona el monitoreo necesario para mantener la red funcionando de manera confiable.
El transformador puede ser el componente más visible y costoso, pero es sólo una parte del sistema.Transformadores de potencia, aparamenta, disyuntores, relés de protección, CT, TT, barras colectoras, descargadores de sobretensiones, sistemas de puesta a tierra y equipos de control.todos tenemos que trabajar juntos.
Para las empresas de servicios públicos, los contratistas de EPC, las instalaciones industriales, los desarrolladores de energía renovable y otros proyectos de energía, un buen diseño de subestaciones comienza con la comprensión de las condiciones operativas reales en lugar de simplemente elegir equipos de un catálogo estándar.
A medida que la demanda de electricidad siga creciendo, se acelere la expansión de la energía renovable y el almacenamiento en baterías, y las cargas de alta-densidad, como los centros de datos de inteligencia artificial, ejerzan más presión sobre la red, la necesidad de subestaciones confiables será cada vez más importante.
Para fabricantes de transformadores comoTransformador Yawei, esto significa desarrollar soluciones que puedan adaptarse a diferentes niveles de voltaje, capacidades, entornos de instalación y requisitos del proyecto. Ya sea que la aplicación sea una subestación de transmisión, una subestación de distribución, un proyecto de energía renovable, una instalación industrial u otra infraestructura eléctrica, el transformador sigue siendo una parte central de un sistema eléctrico confiable.
P: ¿Qué tan pronto se puede entregar el transformador?
R: Depende de la cantidad y capacidad del transformador, normalmente dentro de un mes desde la fecha del dibujo confirmada por el comprador.
P: ¿Cuánto tiempo puede ofrecer la garantía de calidad?
R: 24 meses desde la fecha en que operó el transformador.
P: ¿Qué método de pago aceptan?
R: Se prefiere T/T (transferencia bancaria), se aceptan L/C.
