Conferencia 1. Tipos de Redes en Los Sistemas de Potencia

Profesor: Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe

Profesor Cuba

Cursos de Protecciones Eléctricas. Operación Rio Napo Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe Módulo I. Generalidades de las Protecciones Eléctricas Profesor Cubano

Conferencia 1 Tipos de Redes en los Sistemas Eléctricos de Potencia

Sumario:

Introducción

Redes con cables aéreos y subterráneos.

Tipología de las Redes en cuanto a su distribución.

Las Redes según el tipo de consumidor

Redes con neutros aterrizados y aislados.

Las Subestaciones Eléctricas

Conclusiones

Objetivo

Familiarizar a los cursantes con las características fundamentales de las Redes Eléctricas

en los Sistemas Eléctricos de Potencia.

Preguntas de control

1. ¿Qué ventajas usted le confiere al uso de las Redes con cables Aéreos?

2. ¿Qué ventajas usted le confiere al uso de las Redes con cables Subterráneos?

3. ¿Qué se conoce como una red con líneas paralelas?

4. ¿Qué se conoce como una red radial y en lazo?

5. ¿Tendrán los neutros de los transformadores y generadores un solo tipo de conexión?

Bibliografía:

1. IEE Green Book. Std 142. IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial

and Commercial Power Systems. 2007.

2. T.A Short. Electric Power Distribution Equipment and Systems. Taylor Francis. 2005.

3. Anthony Pansini. Guide to Electrical Power Distribution Systems. Sixth Edition. 2004.

1.1 Introducción

Las redes eléctricas constituyen el medio por donde se transporta la electricidad desde la

generación hasta los equipos donde se consume. Estas redes están compuestas por

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Cursos de Protecciones Eléctricas. Operación Rio Napo Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe Módulo II. Protección de Redes Eléctricas Profesor Cubano

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torres, postes, conductores, aisladores y otros accesorios que varían según el tipo de red

y su diseño.

Los tipos de redes no solo se diferencian por el nivel de voltaje a que se transporta la

electricidad sino por otros factores como son la cantidad de conductores que se utilizan, la

importancia de los consumidores, entre otros.

La protección de las Redes Eléctricas es un tema muy interesante dentro de las temáticas

de las protecciones en general. En dependencia del tipo de red así será su forma de

protección. Se emplean desde los fusibles, los relés de sobre corriente, direccionales de

sobre corrientes, distancias y hasta los más complejos relés que utilizan canales de

comunicación, como son los relés diferenciales de líneas.

Antes de pensar en los métodos que se emplean para la protección de las redes

eléctricas, es importante conocer a profundidad los accesorios y componentes de las

redes eléctricas, los regímenes que en estas se presentan, tanto los normales como los

anormales y es en esta conferencia que se pretende abordar el conocimiento básico de

los componentes y los tipos de redes existentes.

1.2 Redes con cables aéreos o subterráneos

Las redes se pueden construir utilizando conductores aéreos o con conductores

subterráneos. Las redes son conocidas de esta forma por Redes Aéreas y Subterráneas.

Incluso la realidad es que todas las redes de cualquier sistema pueden ser mixtas, es

decir, que combinan estos dos tipos de forma conveniente para la aplicación en cuestión.

Redes Eléctricas Aéreas

Las redes con conductores aéreos son ampliamente utilizadas en las instalaciones que

alimentan consumidores residenciales y donde el problema ambiental que dichas redes

provocan no resulta muy costoso. Así mismo, las redes de altos voltajes por cuestiones

netamente económicas resultan casi siempre redes aéreas.

En la figura 1 se muestra una fotografía donde se puede observar un poste de una red

aérea de distribución del cual está sujetados 4 conductores mediante aisladores. Estos

están separados a una distancia determinada del poste y entre cada uno.



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Figura 1. Fotografía de un poste de una Red Aérea.

Fuente: Anthony Pansini. Guide to Electrical Power Distribution Systems. Sixth Edition. 2004.

Lo típico de una Red Aérea es lo que se muestra en la figura 1. Normalmente están

situadas en postes, desde los cuales tienen conductores, los cuales están aisladores del

poste mediante aisladores.

Los postes no tienen que ser todos del mismo tipo, estos varían en dependencia de la

aplicación. En la figura 2 se muestran dos tipos de postes o estructuras que permiten la

función de sujetar los conductores de las redes aéreas.

a) Estructuras o torres b) Postes

Figura 2. Estructuras y postes utilizados en las redes aéreas.


Las estructuras o torres se emplean ampliamente en las redes aéreas superiores a los

69kV, debido a que son necesarias estructuras muy elevadas por los altos voltajes que se

manejan en estas redes y muy resistentes al peso de los cables y las condiciones



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climatológicas que se presenten. Las torres de acero son ampliamente utilizadas en

formas de cruces para darles mayor fortaleza sin aumentar sustantivamente el peso de

las mismas.

Los postes por su parte son muy utilizados en las redes aéreas de voltajes menores e

iguales a los 69kV, dado que en primer lugar no siempre se necesitan separar muchos

los conductores unos de los otros y el peso es totalmente económico sostenerlo con un

solo pedestal en lugar de una torre. En algunas ocasiones se realizan estructuras de dos

postes para lograr una separación determinada entre conductores que depende de la

aplicación en concreto (figura 3).

En algunas circunstancias es importante separar los conductores un poco más de lo

normalmente normado según el voltaje que se están transportando. Cuando se tienen que

utilizar vanos muy largos, es decir, cuando la topología del terreno obliga a utilizar un

poste muy lejos del otro, suele ser necesario separar un poco más los conductores de tal

forma que no puedan unirse por la acción de viento o las condiciones climáticas. En estas

circunstancias se emplean estructuras formadas por dos postes que permiten separar

más los conductores.

Figura 3. Utilización de dos postes para una red.

Fuente: Imágenes de Google Internet.

Otra aplicación de los dos postes formado una estructura es cuando el peso de los

equipos que en estos se instalarán supera las posibilidades o capacidades para un solo



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poste. Es ampliamente utilizada la instalación de dos postes para sostener a los

transformadores trifásicos.

Las torres de acero han comenzado a cambiar mucho y todo con el objetivo de que su

impacto ambiental sea mínimo. Hoy día se emplean torres que son reales obras de artes

que embellecen el lugar por donde pasan (Figura 4).

Figura 4. Nuevos Diseños de Torres y postes para reducir el impacto ambiental


Existe un problema relacionado con las torres o postes metálicos y es el tema de la

posibilidad de aparición de voltajes de contacto peligrosos. Las torres o postes metálicos

deben ser aterrizados adecuadamente para evitar la aparición de voltajes de contacto

peligrosos para los seres humanos y animales que puedan hacer contactos con estas

torres o postes en condiciones de pérdida de aislamientos o cuando un conductor

energizado se une a los mismos, quedando el poste o la torre energizado.

Se le conoce como circuito al conjunto de conductores que se instalen en unas

estructuras o postes para distribuir o transportar la energía hacia el consumidor. En este

sentido, lo normal es que se posean redes trifásicas, bifásicas y monofásicas (Figura 5).



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Figura 5. Tipos de circuitos o redes eléctricas según la cantidad de conductores.


Incluso puede existir más de un circuito instalado en una red y este tipo de red se conoce

como redes dobles circuitos (figura 6). Pueda que existan dos circuitos de un mismo nivel

de voltaje como circuitos de diferentes voltajes en un mismo poste o estructura de una red

eléctrica.

Figura 6. Redes doble y triple circuito.

Fuente: Imágenes de Google, Internet.

Es evidente que estos diseños donde existen más de un circuito en un poste o torre es un

diseño económico, dado que reducen los costos de instalación de otro poste para los

otros circuitos, pero aparecen otros costos que hacen que estos esquemas sean evitados

siempre que sea posible.

Por ejemplo, en las redes con dobles circuitos se vuelve más peligro la aplicación del

mantenimiento. Dado que un problema en unos de los aisladores de un circuito



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probablemente provoque la desconexión de los dos circuitos por la dificultad que resulta

de trabajar con un circuito tan cerca y energizado.

Existen otros problemas relacionados con la posibilidad de que una avería en uno de los

circuitos aparezca al mismo tiempo en el otro circuito de al lado, ya sea del mismo voltaje

o de voltaje diferente y por tanto, se presentan regímenes muy interesantes y complejos

que pueden afectar el funcionamiento básico de las protecciones eléctricas.

Las estructuras o torres casi siempre son de acero, pero los postes pueden existir:

1. Madera tratada.

2. Concreto reforzado.

3. Metálicos.

4. Fibras especiales.

La madera tratada es un excelente aislante que evitaría que aunque el cable se uniera al

poste, se provocara un cortocircuito de gran magnitud, pero al mismo tiempo, tiene

inconvenientes como que suelen deteriorarse justamente en el contacto con el suelo. La

humedad y los ácidos que existen en el terreno suele deteriorarla y por tanto, el poste se

debilita. Otro problema es que la madera mojada, ya no es tan buen aislante como la

madera seca e incluso, la madera es un combustible y puede formarse fuego con el paso

de corrientes por los postes de madera.

El concreto reforzado es el tipo de poste que más se utiliza hoy día. Suelen ser más

pesados que los postes de madera tratada, aunque existen diseños con huecos para

poder alivianarlos un poco. El concreto no es buen conductor de la electricidad, quizás no

tan buen aislante que la madera seca y tratada, pero igualmente puede tener las mismas

ventajas de los postes de madera en la reducción de las corrientes de cortocircuitos

cuando un cable se una al poste. Estos postes de concreto suelen ser mucho más

resistentes que la madera al contacto con el suelo, pero su principal problema es el peso

y su transportación hasta el lugar de instalación. Existen hoy día carros especializados

para instalarlos e incluso los ingenieros los están construyendo directamente en el lugar

donde serán instalados para evitar los costos de transportación y reducir los costos de

instalación.



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Los postes de metal se pueden utilizar aunque su utilización hoy día es casi exclusiva

para las torres de alto voltaje. El metal, que suele ser acero o algún material férrico, es

conductor de la electricidad, por tanto, el aislamiento del conductor de la tierra es logrado

solo a través del aislador. Los postes de metal suelen gastar más en aislamiento que los

postes de madera y concreto. Adicionalmente, si un conductor hace contacto con el poste

de metal se provocan grandes corrientes de cortocircuitos a tierra con la posible formación

de potenciales peligrosos entre el poste y el terreno donde está instalado. Estos postes

deben estar aterrizados sólidamente a la tierra, para evitar la aparición de estos voltajes

peligros en personas que hagan contacto con el poste metálico.

Los postes de fibra de vidrio, están comenzando a tener más aplicaciones porque suelen

tener muy poco peso si se comparan con los restantes postes y añadir las buenas

capacidades aislantes del concreto y la madera. Incluso suelen ser muy robustos al

contacto con el terreno donde se instalan. Estos postes se hacen de materiales

compuestos que integran las ventajas de los materiales que los componen. En

condiciones climáticas fuertes con las zonas costeras, pueden presentar problemas de

aislamiento o integridad física del material de fibra.

En estas redes aéreas los conductores se separan utilizando crucetas metálicas, diseños

novedosos y aisladores. Estos últimos tienen como función fundamental separar

eléctricamente al conductor del poste o la torre.

Los aisladores pueden ser de muchas formas (figura 7), pero su función no solo es la de

aislamiento eléctrico, sino que adicionalmente tienen una fuerte componente mecánico.

Los aisladores deben soportar todo el peso que en régimen normal, anormal o en

condiciones climáticas fuertes le imponen los conductores.

No es lo mismo sostener un cable seco tendido y que esté sin apenas moverse a un cable

húmedo y sacudiéndose fuertemente por la acción del viento. En algunos países estos

conductores comienzan a llenarse de otros materiales que le incrementan el peso como

los musgos.



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Figura 7. Tipos de Aislamientos empleados en las Redes Aéreas.


En los países más al norte o muy al sur del planeta, suele nevar en determinada época

del año. La nieve acumulada en los conductores aumenta mucho el peso del cable y el

aislador tiene que soportarlos sin dañarse.

En otros países más al Ecuador o el trópico del planeta se pueden llenar de musgos u

otras plantas parásitas que se alimentan del polvo acumulado en el conductor. Estas

plantas acumuladas también le incrementan el peso al conductor y por tanto los

aisladores deben sostener estos pesos.

Incluso cuando ocurre un cortocircuito en las redes, los conductores suelen atraerse

fuertemente unos a los otros o repelerse, esto hace que en estas condiciones de averías,

los aisladores experimenten fuertes tensiones que pueden llegar a deteriorarlos.

No todos los aisladores soportan peso o esfuerzo en todas las direcciones. Por ejemplo,

el aislador tipo Tornillo (pin) y el tipo columna suele ser muy fuerte para contraerse pero

soporta muy poco una tensión en forma de expansión (Figura 8).



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Figura 8. Capacidad de los aisladores tipo pin y tipo torre o columna.


El problema con los materiales aislantes es que normalmente para que sean más fuertes

a tensiones transversales deben ser más gruesos y robustos, es decir, necesitan más

material aislante, pero al mismo tiempo aumentan su capacidad aislante y aunque no se

crea esto puede ser un problema importante.

Los aisladores tienen como función fundamental aislar el conductor del poste y de la

tierra, pero mientras mayores o más aislantes sean, son más caros, y no solo esto, sino

que además ya pueden que no cumplan con la coordinación del aislamiento tan necesaria

para la protección contra sobre voltajes (leer la conferencia relacionada con los regímenes de averías).

Estos aisladores suelen ser de tres tipos:

1. Porcelana.

2. Vidrio.

3. Poliméricos.

Los materiales aislantes hechos de porcelana, suelen ser muy pesados, pero son aún

muy utilizados no solo por la capacidad aislante de la porcelana, sino porque suelen

mostrar cuando se destruyen o dañan. La porcelana es de color café fuerte por el

exterior, pero al romperse se suele mostrar su contenido interno blanco.

Los materiales aislantes de vidrio suelen ser igualmente pesados, un poco menos que la

porcelana, son buenos aislantes, pero tienen como desventajas que no suelen mostrarse

cuando están deteriorados y dificultan el mantenimiento.



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Los materiales poliméricos están tomando más y más aplicación hoy día. Son muy

livianos si se comparan con sus compañeros: la porcelana y el vidrio. Son incluso hasta

mucho más aislantes, pero de la misma forma que el vidrio, no se muestran claramente

cuando están perforados por algún sobre voltaje.

Los aisladores pueden ser vencidos por el voltaje que transporta el conductor, el cual está

aislando. Normalmente se diseñan para que esto jamás suceda al voltaje normal que

estará transportando el conductor, pero pueden aparecer sobre voltajes y los aisladores

pueden no tolerarlos.

Los normal es que los aisladores sean muy fuertes o que soporten sin dañarse los sobre

voltajes que aparezcan en las redes, pero no siempre lo logran. Estos aisladores toleran

cierta cantidad de sobre voltaje y esto depende del tipo de sobre voltaje en sí mismo, la

magnitud y duración del mismo.

Cuando en un aislador es superada su capacidad aislante, lo normal es que tenga una

descarga superficial (figura 9a). Esta descarga superficial resulta en la unión del

conductor a la tierra a través de la superficie del aislador y luego a través del aire, este

último se ioniza y deja de ser tan aislante como suele ser en régimen normal. En estas

condiciones, las protecciones deben actuar, desaparece el voltaje y si la descarga no duró

mucho tiempo, el problema no pasó a mayores.

Si la descarga es muy elevada y de muy corta duración, como son las que provocan las

descargas atmosféricas, el aislador se puede perforar (figura 9b). Esto significa que la

descarga hacia la tierra ocurre por el interior del aislador. Lo normal es que este aislador

deba ser sustituido. En algunas condiciones si se apaga el circuito la corriente

desaparece, pero al volverlo a conectar la avería no aparece inmediatamente sino luego

de un calentamiento del conductor por el paso de la corriente de carga o por humedad en

el medio ambiente.



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a) b)

Figura 9. a) Descargas superficiales y b) perforaciones en aisladores

Existen muchos factores que afectan a un aislador en su capacidad aislante:

1. La magnitud del voltaje

2. La temperatura.

3. La humedad.

4. La contaminación.

5. La frecuencia o duración de la onda de voltaje.

En lugares donde existe mucha polvareda, mucha humedad o alta temperatura, es

importante utilizar más capacidad de aislamiento que en otros lugares, aunque tengan o

distribuyan el mismo nivel de voltaje.

El problema fundamental con las redes aéreas son los cortocircuitos frecuentes que estas

pueden aparecer. Estos cortocircuitos pueden ser provocados fundamentalmente por

varias razones:

1. Humanas

2. Flora

3. Fauna

4. Descargas atmosféricas.

Los operadores o profesionales pueden generan cortocircuitos no intencionados en las

redes eléctricas. Estos no son muy comunes pero pueden aparecer fundamentalmente

durante maniobras incorrectas.



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Los casos más conocidos son:

1. Accionamiento de equipos de maniobra y aislamiento bajo cargas que producen

corrientes y su consecuente arco eléctrico que se desplaza a las otras fases del

circuito o a la tierra, produciendo cortocircuitos.

2. Energización de líneas que están aterrizadas o donde los profesionales han

olvidado los equipos de aterrizamiento instalados y que producirán cortocircuitos a

tierra o entre fases.

3. Accidentes de automóviles contra los postes o torres de las redes eléctricas que

provocan la caída de los mismos o la unión de los conductores con sus respectivos

cortocircuitos.

4. Maniobras inadecuadas donde los profesionales enlazan redes que no están en

fases y que por tanto, pueden generar grandes corrientes al entrar en paralelo.

En cualquiera de estos casos, que no son muy comunes dado que los profesionales de la

electricidad toman muchas medidas de precaución para que no suceda, tienen algo en

común y es que pueden poner en peligro la vida de las personas.

Las otras causas que generan cortocircuitos son muy interesantes, dado que pueden

generar un tipo de cortocircuito que posee características especiales. Estos son

cortocircuitos conocidos como “transitorios” o “temporales” porque una vez que se

desconectan las redes, cuando se vuelvan a energizar, ya hayan desaparecido los

cortocircuitos que provocaron las desconexiones.

Las aves suelen posarse en los postes o en los conductores y pasar allí un tiempo

confundiendo a las redes como a las ramas de los árboles (figura 10). Algunas aves al

intentar salir en vuelo o al llegar a posarse, pueden hacer contactos entre dos

conductores o entre un conductor y la cruceta. Este último contacto es el más frecuente.

El ave muere porque circula una elevada corriente por su cuerpo, pero al mismo tiempo,

produce un cortocircuito. El arco eléctrico producto del cortocircuito permanece por un

tiempo elevado que hace que las protecciones operen. Al energizar la red, todo queda

energizado sin problemas como si no hubiera pasado nada. Este tipo de avería sería

contabilizada por los profesionales como una avería transitoria o de causa desconocida.



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Figura 10. Aves posadas en los conductores de una red eléctrica


Los responsables de estas averías no son solo las aves, las serpientes, los monos y otros

animales que pueden subirse a las redes y provocar estos tipos de averías. Lo cierto es

que esto es más común en las zonas rurales que en las zonas densamente pobladas.

Los árboles o sus ramas pueden tocar las redes eléctricas y provocar los cortocircuitos

(Figura 11). Normalmente cuando se construyen las redes eléctricas se deja un área

conocida como área de seguridad. Son unos metros libres de vegetación en ambos lados

de las redes eléctricas. Con el tiempo, crecen árboles en estas zonas o las personas

invaden estas zonas y siempre árboles que al crecer, pueden provocar cortocircuitos.

Figura 11. Los árboles que hacen contacto con las redes eléctricas.

Fuente: Imágenes de Google, Internet.

En próximas conferencias se abordará con mayor profundidad el tema de los tipos de

regímenes tanto los normales como los anormales. Es de suma importancia el tema del

estudio de los regímenes para la correcta selección y ajuste de las protecciones.

Redes Subterráneas



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Las redes con conductores subterráneos son redes que se utilizan mucho en las

instalaciones industriales y comerciales. Lo más importante es que no generan un impacto

ambiental visual importante, porque no se ven.

Estos conductores a diferencia de las mayorías de los utilizados en las redes aéreas son

conductores aislados (figura 12), dado que bajo tierra se instalan directamente sobre el

terreno o sobre los pisos de los ductos construidos bajo la tierra.

Figura 12. Conductores aislados utilizados en redes subterráneos.


Existen muchos tipos de conductores aislados, así como existe una amplia información

bibliográfica sobre los mismos. Existen los cables con un solo conductor, así como con

varios conductores todos aislados en el interior de un solo cable (figura 13).

a)

b)

Figura 13. Conductores en un mismo cable. a) un solo conductor b)tres conductores.


En sistemas trifásicos pueden ser construidos con un cable que tenga 3 conductores o

con tres cables de un solo conductor. La primera variante resulta más económica que la

segunda, pero presenta un problema para el mantenimiento. Al ocurrir una avería en un

conductor dentro de un cable con tres conductores, las altas corrientes provocarán altas

temperaturas que pueden deteriorar al resto del aislamiento de los conductores que no



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presentan averías. Esto significa que en la mayoría de los casos, se tendrán que sustituir

los tres conductores del cable. Con tres conductores separados por cable, la avería en un

conductor no significa la avería en el resto y por tanto, en caso de avería solo se sustituirá

el cable averiado y no el resto.

Los aislamientos externos de estos cables se realizan de numerosos materiales. Los

plásticos son ampliamente utilizados hasta medios voltajes. Los cauchos mineralizados se

emplean en condiciones especiales. Para voltajes mayores se emplean a los 110kV se

emplean ampliamente los aislamiento de papel impregnados en aceites.

Las redes subterráneas se pueden instalar directamente en la tierra, pero están expuestas

a mayores esfuerzos debido a los impactos de la humedad, condiciones ácidas en la

corteza terrestres, entre otros aspectos que pueden afectar los aislamientos (Figura 14).

Figura 14. Impactos en el aislamiento de los cables directamente enterrados.


Para instalar los cables directamente bajo tierra, estos se refuerzan con fuertes

armaduras que les sirve de protección mecánica contra golpes, torceduras e impactos

directos de objetos (figura 15).

Figura 15. Cables para ser instalados directamente en la tierra.


En la mayoría de los casos suele ser más ampliamente utilizado los ductos. Estos ductos

no son más que instalaciones de diferentes materiales que se construyen bajo tierra por

donde viajarán los cables subterráneos. Estos ductos se pueden construir de diferentes

materiales según la aplicación (figura 16).



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Figura 16. Materiales de fabricación de los ductos.


Estos ductos se instalan entre 50 a 80 centímetros bajo tierra y sus dimensiones

dependen de la cantidad de cables que se instalarán en su interior. Siempre se deben

dejar espacios para futuras instalaciones de cables adicionales.

Los ductos se instalan de tal forma que no se pueda empozar agua en sus interiores. Una

cierta inclinación debe permitir que el agua corra hasta los posos de revisión. En los

pozos de revisión el agua puede drenar automáticamente hacia la tierra o puede ser

drenada de forma forzada mediante bombas (Figura 17).

Figura 17. Instalación de los ductos en forma curva para permitir el drenaje del agua por gravedad.


Las instalaciones subterráneas se construyen a continuación de instalaciones aéreas

existentes y su conexión se realiza mediante conectores especiales (figura 18). Los

cables bajan por los laterales de los postes, generalmente, por el interior de tuberías

metálicas.



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Figura 18. Conexión entre redes aéreas y subterráneas.


Figura 19. Conector terminal individual para cada cable.




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Puede ser un conector tipo cuña o tres conectores terminales separados para tres cables

separados (figura 19). Normalmente se instala un descargador valvular en el punto de

unión entre los cables aéreos y los subterráneos. Desde el punto de vista de

desplazamiento de la onda de sobre voltaje, es en estos puntos donde cambia la

impedancia de la red, donde se puede amplificar la onda viajera y es donde el

descargador valvular estaría mejor posicionado para suprimir el sobre voltaje o derivarlo a

tierra.

En algunas instalaciones de hogares, servicios, comercios e industrias que utilizan redes

subterráneas, se suelen instalar estos conectores antes mencionados. Las tuberías

bajantes poseen un terminal en forma de codo (figura 20) que evitar el ingreso de agua

hacia el interior de los ductos subterráneos. En otros casos se rellenan las partes

sobrantes de las tuberías bajantes con resinas para evitar el ingreso de agua.

Figura 20. Tuberías bajantes con terminales en forma de codo.

Las redes subterráneas se pueden construir no solo en bajo voltaje sino para medio y alto

voltajes. Las estructuras de las redes pueden ser múltiples según sus aplicaciones. En

ciudadelas o grandes urbes residenciales o de servicios, las instalaciones primarias puede

ser una sola y ahí se conectan los transformadores de donde salen las redes secundarias

de bajo voltaje (figura 21).

Estos transformadores pueden suministrar energía a más de una vivienda. Esta forma de

distribución es mucho menos costosa, pero menos confiable, dado que una avería en la

línea principal resulta en la desconexión de todo el circuito. Así como una avería en la red

secundaria, igualmente resulta en la desconexión de varios consumidores.



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Figura 21. Redes primarias radiales y subterráneas con transformadores conectados en la superficie.


Si las cargas son más potentes o importantes se puede construir redes mucho más

costosas pero más robustas y confiables (figura 22). Un transformador para una sola

carga y una red primaria menos radial y estructurada a lo largo de toda la geografía,

pueden resultar en mucho más gastos en la instalación, pero al mismo tiempo, una mayor

confiabilidad y seguridad del circuito.

Figura 22. Redes subterráneas más confiables y robustas.


En las redes donde se precise mucho más confiabilidad dos redes primarias secundarias

pueden llegar hasta cada transformador y este, mediante un interruptor especial se podrá

conectar a cualquiera de las dos redes, según las necesidades de generación (figura 23).



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Figura 23. Conexión de los transformadores a dos redes primarias diferentes.


Las redes subterráneas suelen ser mucho más costosas que las redes aéreas, pero la

frecuencia de las averías son mucho menores y es por esto que son casi siempre

recomendables para las redes industriales. Adicionalmente no existe la posibilidad de la

caída directa o indirecta de las descargas atmosféricas, así como no afectan el ornato

público porque no son visibles.

Estas poseen desventajas. Las averías son más difíciles de encontrar dado que los cables

están bajo tierra. Y es mucho más difícil el cambio de conductores dañados por otros, así

que el mantenimiento se hace un poco más costoso que en las redes aéreas.

1.3 Tipología de las Redes en cuanto a su distribución

Aunque en las redes de distribución tienen múltiples tipos en dependencia del consumidor

mayoritario que se alimente de la misma, el nivel de voltaje, entre otros factores, las redes

tiene características que permiten reconocerlas (Figura 24).

Las Redes de Distribución son muy ramificadas y en su mayoría mezclan diferentes tipos

de cargas y redes. Se parece a árboles y se les llama a sus partes como las partes de los

árboles. A la línea que sale de la subestación se le conoce como tronco o línea principal.

A las líneas que salen de este tronco o línea principal se les conoce como ramas o

ramales.

Pueden existir ramales monofásicos, bifásicos y trifásicos. Existen transformadores

conectados a estas redes que son conocidos como transformadores de distribución. Estos

transformadores son monofásicos y trifásicos. También pueden existir bancos de

transformadores monofásicos, ya sea de dos o tres transformadores.



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Figura 24. Tipo genérico de una red de distribución.

Fuente: T.A Short. Electric Power Distribution Equipment and Systems. Taylor Francis. 2005.

Estas redes de distribución se dividen en dos tipos, las primarias y secundarias. Las

primarias son aquellas que están alimentadas desde la subestación y llegan hasta los

transformadores de distribución. Las redes secundarias son las redes de bajo voltaje que

salen desde los transformadores de distribución y llegan hasta los consumidores.

Es normal que una red o un alimentador de distribución se pueda interconectar con otro

alimentador de distribución. Esto permite pasarse cargas entre ellos para equilibrarlos,

para poder dar mantenimiento sin tener que desconectar las cargas más importantes,

entre otros aspectos (Figura 25).

La interconexión entre los alimentadores pueden ser múltiples o por múltiples zonas.

Incluso se pueden interconectar alimentadores de una misma subestación como de otras

subestaciones de la misma empresa. Cuando son alimentadores de otras subestaciones,



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se debe respetar la igualdad del grupo de conexión de ambas subestación y que la

secuencia de fase sea la misma.

Figura 25. Interconexión entre alimentadores de las redes de distribución.


Los alimentadores de las redes de distribución aéreas pueden tener múltiples formas

radiales. Lo más común es un solo tronco del cual salen el resto de los ramales ya sean

monofásicos o trifásicos según como se necesite (figura 26).

Figura 26. Alimentador con un solo tronco o línea principal y los ramales que salen del mismo.




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El tipo de alimentador con un solo tronco es el más común en las redes del ecuador,

aunque en las grandes zonas urbanas se pueden encontrar otros tipos como los que

posean más de un tronco con múltiples ramificaciones (figura 27).

Figura 27. Alimentador con varios troncos y ramales.


En redes que alimentan grandes centros de comercios, servicios o industrias, se pueden

encontrar alimentadores que salen de la subestación y se despliegan por el terreno sin

alimentar ninguna carga, hasta llegar al centro de industrias, comercios o servicios que se

desea alimentar. A estos se les conoce como alimentadores expresos (figura 28).

Figura 28. Alimentadores primarios expresos.




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Las redes en lazo son ampliamente utilizadas cuando se alimentan industrias que son

alimentadas de forma mixta con otras cargas de menor importancia. También son

comunes en redes netamente industriales (Figura 29).

Figura 29. Redes en lazo trabajando en forma radial


Estas redes en lazo se pueden trabajar en lazo cerrado o se puede trabajar en lazo

abierto. Es decir, aunque se tenga posibilidad de cerrar el lazo, se trabajan como si fuera

dos alimentadores radiales normales.

Figura 30. Redes para trabajar en lazo cerrado con protecciones especiales.




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Trabajar en lazo genera una ventaja muy grande en cuanto a la confiabilidad, dado que

para cualquier avería, las cargas no tienen por qué ser desconectadas. Pero no siempre

es fácil lograrlo, se necesitan de protecciones especiales para que este nivel de

confiabilidad sea logrado (figura 30). Por tanto, muchas veces, aunque se tenga la

posibilidad de trabajar en lazo cerrado, en la mayoría de los casos de las redes de medio

voltaje 13.8kV se trabaje en lazo abierto. Se precisan relés direccionales de sobre

corrientes.

Como las redes en lazo cerrado obligan a la instalación de protecciones especiales, si se

necesita elevar la confiabilidad de las mismas se puede optar por redes con

alimentadores paralelos o con alimentación seleccionable (figura 31).

Figura 31. Redes primarias de distribución con cargas que pueden seleccionar el alimentador a donde conectarse.




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En este tipo de redes no se necesitan protecciones muy complejas pero si un sistema de

control que permita seleccionar de qué alimentador se desea conectar y esto se debe

hacer de forma automática.

Se puede tener un solo transformador y con un sistema de control, seleccionar de qué

alimentador se va a conectar o se pueden tener dos transformadores energizados de

cada uno de los alimentadores y en el lado de bajo voltaje, seleccionar de forma

automática a cuál de los se conectará la carga.

1.4 Las redes según el tipo de consumidor

Según el nivel de voltaje que se está utilizando en el sistema y la parte del sistema en sí

mismo, se utilizan diferentes tipos de redes eléctricas. Las torres son más o menos altas,

los aisladores más o menos potentes, etc (Figura 32).

Como en este curso, se está hablando de redes de distribución, en dependencia de los

tipos de consumidores así se denominará a los distintos tipos de redes de distribución. A

continuación se enumerarán:

1. Redes Residenciales Rurales

2. Redes Residenciales Urbanas

3. Redes Comerciales

4. Redes de Servicios

5. Redes Industriales

6. Redes Mixtas.

La configuración de las redes se diseña en dependencia del tipo de consumidor al que se

le suministrará energía. Conociéndose que es en las redes donde existe la mayor

posibilidad de averías, la confiabilidad contra el costo son los aspectos en competencia

para decidirse por uno u otro tipo de diseño.

Las redes residenciales son por lo general redes con conductores aéreos, en forma radial

muy ramificadas. En algunas zonas residenciales muy densamente pobladas, se suelen

construir redes subterráneas, no muy ramificas o no muy complejas. Las subterráneas

son un poco menos impactantes en el ambiente, dado que no se ven.



29

Figura 32. Tipos de Redes en dependencia del tipo de sistema.


En los grandes centros comerciales o grandes zonas de servicios como zonas de

instalaciones hoteleras, por lo general se instalan redes subterráneas, más que todo, para

evitar o reducir el impacto ambiental de los cables aéreos.



30

En instalaciones industriales es casi obligatorio el uso de las redes subterráneas. Esta

exigencia es para evitar la posibilidad de las averías transitorias. En estas redes suelen

utilizarse varios circuitos y permitir que las industrias se puedan instalar al circuito que

considere según la aplicación o la condición de operación determinada. En este sentido la

confiabilidad sería la prioridad, dado que la producción de las industrias suelen pagar

cualquier diseño en pocos meses.

Las redes mixtas son realmente muy complejas. Estas son las redes que combinan

diferentes tipos de consumidores en una misma red. Precisamente es que estas redes

son probablemente las más complejas de diseñar, debido a la constitución de las cargas

que en estas se instalan. Si se instalan redes aéreas simples circuitos serían factibles

para las cargas residenciales, pero no serían lo suficientemente confiables para las

instalaciones industriales medias y grandes.

1.5 Redes con neutros aterrizados y aislados.

Las redes también son conocidas según la conexión del neutro en los generadores y los

transformadores de potencia. Los generadores pueden poseer algunas conexiones como

las que se mencionan a continuación (figura 33):

1. Generador con el neutro sólidamente aterrizado.

2. Generador con el neutro aterrizado con resistencias.

3. Generador con el neutro aterrizado con reactancias.

4. Generador con el neutro aislado.

5. Generador conectado en delta.

A los esquemas eléctricos que poseen generadores con el neutro aterrizado, ya sean

directamente, mediante resistencia o impedancia, se conocen como redes con neutros

aterrizados. Aunque existen clasificaciones según la magnitud de la impedancia

conectada al neutro.

Los generadores eléctricos con el neutro aterrizado sólidamente, se aplican más en redes

de bajo voltaje. En estas redes el voltaje de fase a tierra permanece muy cercano al

voltaje de fase a neutro del generador, en condiciones de severos cortocircuitos a tierra.

Esta condición del voltaje es muy importante, dado que el aislamiento de los equipos



31

conectados a la red y el de la red misma, no sufre mucho de fatigas por sobre voltajes a

frecuencia fundamental.

Cuando la impedancia del neutro del generador comienza a aumentar, ya sea en forma de

resistencia o reactancia, los voltajes de fase a tierra a lo largo de la red pueden subir muy

por encima del voltaje de fase a neutro, por tanto, es necesario seleccionar el aislamiento

de la red y sus equipos de la forma adecuada.

Figura 33. Conexiones de los generadores eléctricos.

Fuente: IEEE Std 142 – 2007 Green Book (Grounding of Industrial and Commercial Systems).

La conexión del neutro con neutralizador de fallas que se muestra como la última en la

figura 33, es una conexión no muy común, pero útil en algunos casos. Se coloca una

impedancia que casi siempre es variable, que tiene como objetivo hacer cero la corriente

que circule hacia tierra en caso de averías de fase a tierra en la red. La corriente inductiva



32

que circula por el neutro del generador, se hace igual a la corriente capacitiva que circula

por la red proveniente de las componentes capacitivas del aislamiento y se neutralizan.

De ahí la denominación del esquema de conexión del neutro.

Las redes no solo son alimentadas por los generadores, sino mayormente desde los

transformadores de potencia. Estos últimos por ser de dos o tres devanados tienen aún

muchas más conexiones que los generadores en cada una de estos devanados o incluso,

combinaciones de conexiones.

Unas conexiones muy utilizadas en las redes eléctricas según varios tipos de sistemas,

son los transformadores en delta – estrella aterrizada sólidamente. El devanado de mayor

voltaje conectado en delta y el de menor voltaje conectado en estrella con el neutro

aterrizado sólidamente.

Figura 34. Conexión de aterrizamiento independiente para cada nivel de voltaje.




33

En la figura 34 se observa un sistema conocido como de conexión de tierra independiente

para cada nivel de voltaje. La conexión delta del transformador, provoca que las

impedancias de secuencia cero de un nivel de voltaje no participen en el análisis de otro

nivel de voltaje para fenómenos relacionados con la tierra. En la misma figura 34, se

muestra como cada nivel de voltaje queda alimentado mediante una conexión en estrella

aterrizada. En esta conexión existe la posibilidad de utilizar tanto los voltajes de fase a

fase como los de fase a tierra.

Figura 35. Conexiones más comunes en los Transformadores de Potencia.



34

Las conexiones más comunes en los transformadores de potencia son las que se

muestran en la figura 35. Cada devanado posee una conexión igual o diferente a las

utilizadas en los restantes devanados. Cada uno de estos casos posee una aplicación

determinada, pero no es objetivo de este curso analizarlas cada una de forma individual

sino su influencia en las redes eléctricas.

Conexión Delta – Estrella Sólidamente Aterrizada

La conexión más común de todas las mostradas es la conexión delta – estrella

sólidamente aterrizada (figura 36). En este caso, el neutro del devanado que alimentará la

red, se une mediante un conductor de muy baja impedancia a tierra. Los voltajes de fase

a neutro en el transformador se hacen iguales a los voltajes de fase a tierra en las

cercanías del transformador. Estos voltajes son iguales a:

Figura 36. Conexión delta - estrella sólidamente aterrizada.


Esta condición se cumple solo en las cercanías de la conexión del neutro sólidamente a

tierra. Esta condición se cumplirá aguas abajo en la red, en dependencia de la conexión

del neutro de la red misma. Existen redes con neutro corrido multi-aterrizado, que buscan

mantener esta relación a lo largo de la red, pero también existen redes que no utilizan el

neutro. En esto se diferencian las tecnologías NorteAmeriana y Europeas (Figura 37).



35

a)

b)

Figura 37. Diferencias entre las tecnologías de las redes según la conexión del neutro a tierra.

a) Sistema de 4 hilos con neutro multiaterrizado (tecnología Norte Americana)

b) Sistema con 3 hilos (tecnología Europea).



36

Conexión Estrella – Estrella Sólidamente Aterrizada

Otra conexión muy utilizada es la conexión estrella – estrella (figura 38). En esta

conexión, los desequilibrios que provocan la aparición de las corrientes de secuencia

cero, circulan desde el devanado secundario al primario sin dificultad. Estos desequilibrios

de corrientes resultan luego en desequilibrios de voltajes en las redes aguas arriba.

Figura 38. Conexión Estrella – Estrella en Transformadores de Potencia.


En esta conexión las corrientes de cortocircuitos de fase a tierra nunca serán mayores a

las corrientes de cortocircuitos trifásicas. Adicionalmente los voltajes de fase a tierra no

crecerán excesivamente si se comparan con las conexiones con el neutro sin aterrizar.

Conexión Delta – Estrella Aterrizada con una resistencia de alto valor

Figura 39. Conexión Delta – Estrella aterrizada con resistencia de alto valor.

Fuente: IEEE Std 142 – 2007 Green Book (Grounding of Industrial and Commercial Systems)



37

La conexión a tierra con neutro aterrizado mediante una resistencia de alto valor también

puede ser utilizada pero no es muy común (figura 39). Esta resistencia reduciría la

corriente de cortocircuitos a magnitudes pequeñas, pero el voltaje de fase a tierra puede

aumentar considerablemente cuando ocurran averías o cortocircuitos de fase a tierra.

Como la corriente de cortocircuito de fase a tierra no se eleva mucho más de los 10A,

entonces no se precisa de una conexión rápida de la avería. Este esquema puede ser

utilizado en plantas industriales cuando una conexión instantánea o de corta duración de

una avería, puede causar grandes pérdidas productivas. Normalmente los esquemas de

protecciones de cortocircuitos de fase a tierra en estos esquemas se utilizan para dar una

alarma en lugar de desconectar el circuito.

Uno de los esquemas que se puede utilizar para detectar un cortocircuito de fase a tierra

en los esquemas con pequeños valores de corrientes, se muestra en la figura 40. En lugar

de la corriente se detecta la avería a través de la medición del voltaje en el neutro.

Figura 40. Esquema para detectar un cortocircuito de fase a tierra en un sistema aterrizado con una resistencia de gran valor.


Un transformador de pequeña potencia, normalmente un transformador de distribución

seco, se conecta al neutro del transformador o del generador y a tierra. En régimen

normal, no existirá voltaje en el secundario del transformador donde está conectada la

resistencia de gran magnitud. Cuando ocurre un cortocircuito a tierra en la red, un voltaje



38

similar al voltaje de fase a neutro aparece en el secundario, el cual puede ser detectado

por un relé de sobre voltaje (ANSI 59).

El problema de la conexión anterior donde se conecta un resistor de gran valor al neutro,

es que los voltajes transitorios durante averías o cortocircuitos de fase a tierra, pueden

llegar a valores de 2.5 veces el voltaje de fase a neutro en régimen normal. Como la

avería puede permanece por un lapso largo de tiempo, entonces los aislamientos se

encarecen dado que deben ser diseñados para estos fines y serán de mucho mayor

voltaje.

Conexión Delta – Estrella Aterrizada con una resistencia de bajo valor

Para reducir estos niveles de voltajes se puede emplear el método de aterrizamiento del

neutro mediante una resistencia de bajo valor (figura 41). En este tipo de esquema las

corrientes de cortocircuitos son mucho más elevadas que en el esquema anterior, y la

resistencia se escoge en dependencia del nivel que se desea que se alcance la corriente

durante la avería.

Figura 41. Conexión Delta – Estrella aterrizada con resistencia de bajo valor.


Las corrientes provenientes de las capacitancias propias de la red, son despreciables

para el nivel de corriente que circula por el neutro y la resistencia de baja magnitud.

Normalmente este fenómeno de aporte de la red es despreciado en la mayoría de los

softwares que calculan las corrientes de cortocircuitos a tierra en bajo y medio voltaje.



39

Para detectar las averías en este tipo de esquema se emplean métodos de sobre

corrientes. En la figura 42 se muestra la utilización del método de sobre corriente de

secuencia cero utilizando un transformador de corriente conectado en el mismo neutro y

un relé de sobre corriente, conocido como relé de sobre corriente de tierra (ANSI 51G).

Figura 42. Utilización del método 51G para detectar cortocircuitos a

tierra en instalaciones aterrizadas con resistencia de bajo valor.


Conexión Delta – Estrella Aterrizada con una reactancia de bajo valor

Esta conexión es poco utilizada en generadores, pero quizás pueda ser encontrada en las

redes alimentadas por transformadores con conexiones en delta – estrella aterrizada. La

reactancia limita el nivel de la corriente de cortocircuito de fase a tierra, que suele ser muy

grande en este tipo de conexiones (figura 43). Incluso la reactancia es menos costosa que

la resistencia y consume mucho menos potencia activa, lo cual no afectará a las pérdidas

de la empresa.

Si la reactancia tiene tan bajo valor que solo logra bajar la corriente de cortocircuito de

fase a tierra a valores iguales a la corriente de cortocircuito trifásico o ligeramente menor,

entonces los voltajes de fase a tierra en las restantes fases no involucradas al

cortocircuito no crecerán por encima de 1.5 a 2 veces el voltaje de fase a tierra nominal.

La corriente de aporte de la capacitancia proveniente de la red, son siempre más

pequeñas que la corriente que circula por la reactancia conectada al neutro. En

numerosos casos, estas corrientes capacitivas se desprecian en los cálculos de

cortocircuitos de fase a tierra.



40

Figura 43. Conexión Delta – Estrella Aterrizada por una reactancia de bajo valor.


Conexión Delta – Estrella Aterrizada con una reactancia neutralizadora

La conexión con una reactancia neutralizadora (figura 44) es una conexión útil en

sistemas que fueron diseñados como sistemas con neutro aislados. En los esquemas con

neutro aislados, tales como la conexión en delta o en estrella sin aterrizar, los voltajes de

fase a tierra pueden llegar a ser muy grandes y una forma de intentar reducirlos es

utilizando esta reactancia neutralizadora.

Por lo general se utiliza una reactancia de valor variable que se suele adaptar para igualar

la corriente inductiva que circulan por el neutro con la corriente capacitiva de secuencia

cero que circula por la red hacia la avería. El resultado es una corriente casi resistiva

pura, debido a las pérdidas por calor en la red y en la propia reactancia.



41

Figura 44. Conexión con una reactancia neutralizadora


En la tabla I que sigue, se muestran las características de cada uno de los métodos de

aterrizamiento que se han explicado. Para cada uno de estos métodos de aterrizamiento

se muestra hasta donde pueden llegar las corrientes de cortocircuitos de fase a tierra, el

voltaje de fase a tierra en las fases no cortocircuitadas, el tipo de pararrayos que se debe

utilizar, así como otras observaciones relacionadas con la recomendación o no de este

método para los sistemas de potencia industriales o comerciales.



42

Tabla I. Características de los distintos métodos de aterrizamiento


Las redes pueden ser alimentadas desde generadores o desde transformadores de

potencia, pero siempre es importante analizar el tipo de conexión de estos elementos para

poder dimensionar el aislamiento que se empleará en la red, así como los descargadores

valvulares que se emplearán en la protección de sobre voltajes.

Cuando existen redes con el neutro aislado o son redes que no corrieron el neutro junto a

los demás cables de las fases por largas distancias, se suele emplear algún método de

aterrizamiento.

Dentro de los métodos de creación de un neutro virtual se enumeran a continuación:

1. Utilización de transformadores en zig-zag (figura 45)

2. Utilización de un transformador en estrella sólidamente aterrizada-delta (figura 47).

Estos métodos intentan crear una reactancia de secuencia cero con un valor bajo de tal

forma que se puedan controlar los voltajes de fase a tierra que pueden crecer muy por

encima de 1.5 veces los voltajes de fase a tierra en régimen nominal, y además crear una

fuente de corriente de secuencia cero para detectar cortocircuitos de fase a tierra.



43

Figura 45. Conexión en zig – zag de un transformador de aterrizamiento (grounding bank)


En algunas ocasiones en sistemas con neutros sin aterrizar, las corrientes de

cortocircuitos de fase a tierra son tan pequeñas que resultan imperceptibles para las

protecciones de corrientes convencionales. En la conexión en zig – zag se pueden instalar

relés de sobre corrientes (figura 46) que permitan detectar y desconectar las partes de la

red que estén averiadas.

Figura 46. Protección de sobre corriente de tierra para la conexión en zig – zag.




44

En caso de que un transformador en zig – zag resulte un diseño muy caro para algunas

instalaciones, entonces se puede optar por la utilización de un transformador conectado

en estrella sólidamente aterrizada y delta (figura 47). Esta conexión ya fue analizada con

anterioridad, pero su utilización como método de aterrizamiento es muy posible y

económico.

En este caso el devanado de la estrella sólidamente aterrizada del transformador estará

conectado a la red y el devanado en delta quedará sin conectar o en vacío. Este esquema

representa una solución con un diseño simple, pero que resulta tener el mismo efecto que

un transformador en zig – zag.

El problema es que estos transformadores de aterrizamiento, cualquier sea su tipo, son

equipos que trabajan en vacío y que por tanto, son pérdidas para el sistema en tenerlos

energizados todo el tiempo. Su funcionamiento comienza cuando el sistema presenta un

cortocircuito de fase a tierra, en régimen normal y balanceado, es como si no existieran.

Figura 47. Conexión en estrella sólidamente aterrizado – delta como método de aterrizamiento.


Las protecciones eléctricas para la detección de cortocircuitos de fase a tierra en este tipo

de esquemas, depende del tipo de aterrizamiento que se utilice en la red. Cuando las

redes poseen neutros aterrizados con resistencias o reactancias de pequeño valor,

entonces los métodos simples de sobre corrientes se pueden utilizar. Cuando las redes

son con neutros aislados, entonces métodos más complejos con la utilización de sobre

voltajes, se pueden utilizar.



45

1.6 Las Subestaciones Eléctricas

Aunque este es una temática muy amplia, se abordará muy someramente con el fin de

que los cursantes conozcan los tipos de subestaciones para que luego puedan entender

lo relacionado con la protección de los alimentadores que salen de las mismas y las

protecciones intrínsecas a estas.

Existen distintos tipos de subestaciones de acuerdo a numerosas características, las

cuales se enumerarán:

1. De acuerdo al nivel de voltaje:

a. Subestación de Alto Voltaje.

b. Subestación de Distribución.

2. De acuerdo a la función que realiza:

a. Subestación de Generación.

b. Subestación Transformadora.

c. Subestación de Seccionamiento.

d. Subestación de Compensación.

e. Subestación Rectificadora.

f. Subestación Mixta.

3. De acuerdo a su grado de exposición al ambiente:

a. Subestaciones de Exteriores.

b. Subestaciones de Interiores.

c. Subestaciones Blindadas.

d. Subestaciones Mixtas.

4. De acuerdo al grado de movilidad:

a. Subestaciones Fijas.

b. Subestaciones Móviles.

5. De acuerdo a la configuración:

a. Barras Simples.

b. Barras Dobles.

c. Barras en Interruptor y Medio.

d. Barras Anillo.



46

Las subestaciones generadoras son aquellas que se encargan de exportar la energía que

sale de la central eléctrica (figura 48). Se instalan muy cerca de las centrales eléctricas y

su función fundamental es elevar el voltaje para trasmitir la potencia generada hacia otras

subestaciones ya sean de seccionamiento o transformadoras.

Figura 48. Imagen de una Subestación Generadora.

Estas subestaciones generadoras son un poco más complejas que las restantes que se

explicarán, porque pueden ser controladas desde la misma central eléctrica o viceversa,

desde la misma subestación se pueden controlar los generadores de la central. Los

centros de control de dichas centrales son complejos.

Desde las centrales de generación se pueden abrir y cerrar los interruptores de las

Subestaciones Generadoras, se puede saber el estado de los seccionadores si están

abiertos o cerrados, entre otras acciones de control, medición y protección que posee una

subestación.

Otro tipo de Subestación que se mencionó y es la más utilizada dentro de todas son las

Subestaciones Transformadoras (figura 49). Su función lo dice el mismo nombre, se

utilizan para Transformar, ya sea reducir o incrementar, el voltaje desde un sistema a otro.

El Transformador de Potencia es el elemento o componente eléctrico más costoso que

existe en la Subestación.

Pueden ser subestaciones muy complejas o sencillas en dependencia de la capacidad del

transformador de potencia y su utilización. Además de poseer un transformador, necesitan

de la instalación de seccionadores, interruptores, descargadores valvulares, entre otros



47

componentes que se emplean en la operación y mantenimiento del transformador de

potencia de la Subestación.

Figura 49. Subestación Transformadora.

Fuente: Imagen de Google, Internet.

Para distribuir la energía eléctrica de un circuito a otro del sistema de potencia se

emplean las Subestaciones de Seccionamiento (figura 50). Este tipo de subestaciones se

emplea mucho en los sistemas eléctricos de distribución, aunque no es común encontrarla

sola sino mesclada con alguna subestación transformadora.

Figura 50. Subestación Seccionadora.


En estas Subestaciones Seccionadora no se modifica el nivel de voltaje del sistema, solo

se distribuye la energía en numerosos circuitos o alimentadores. Cada circuito posee un



48

interruptor con sus respectivos seccionadores, los cuales se pueden abrir y cerrar para

poder ser energizados de manera controlada.

Las Subestaciones Compensadoras no son muy empleadas y su función como el nombre

lo indica es Compensar la Potencia Reactiva de algunos circuitos o partes del sistema de

potencia. El elemento más complejo y costoso es el capacitor. Estas se pueden encontrar

internamente como una parte de las Subestaciones de Transformación o Seccionamiento.

Hoy día va tomando mucha fuerza el control no solo de reactivos sino de armónicos en los

sistemas de potencia y las formas actuales de controlar estos reactivos y armónicos es

utilizando otros aparatos de Electrónica de Potencia. Igualmente para trasmitir la potencia

de un país a otro se están empleando cada vez con más frecuencia la corriente continua.

En la actualidad las Subestaciones Rectificadoras están apareciendo y los componentes

de Electrónica de Potencia (rectificadores, inversores, reguladores, entre otros) son los

más costosos dentro de los restantes componentes eléctricos.

Figura 51. Subestación de Exteriores.


Las Subestaciones conocidas como Mixtas son las más empleadas dentro de todas. Hoy

día es muy poco común encontrar una Subestación con una sola función, sino con varias



49

funciones a la vez. Las Subestaciones Transformadoras, también poseen esquemas de

barras e interruptores que les permiten distribuir o seccionar en múltiples circuitos el

Sistema de Potencia.

De acuerdo al grado de exposición las subestaciones más empleadas por su menor costo

comparadas con las otras son las Subestaciones de Exteriores (figura 51). Estas

Subestaciones de Exteriores se caracterizan por poseer sus equipos de fuerza o de

mayor voltaje, instalados en la intemperie.

Evidentemente estos equipos poseen un grado de protección IP muy elevado, dado que

les puede caer agua de lluvia directamente y con fuerza, les incide el sol directamente, las

condiciones ambientales como polvo, salinidad, humedad no pueden afectarles mucho en

su funcionamiento normal.

Las Subestaciones Blindadas (figura 52) poseen menor utilización que las de exteriores,

pero se están encontrando cada vez con mayor frecuencia. Estas Subestaciones se

emplean porque normalmente ocupan menor espacio que las de exteriores. Como se

emplea un medio aislante entre los equipos que no es el aire, estos pueden estar más

cercas uno de los otros y por tanto, reducen el espacio.

Figura 52. Subestación Blindadas.




50

Hoy día se están empleando con mayor frecuencia las Subestaciones conocidas como

GIS (Gas Isolated Substation), que emplean el gas conocido como SF6 para aislar

componentes eléctricos y no eléctricos energizados.

Este gas no es nocivo en estado puro, pero al contacto con otros gases del medio

ambiente si puede ser tóxico, así que es mejor que estas subestaciones se instalen a la

intemperie. Se conocen de casos donde se han instalado en lugares subterráneos pero

se deben instalar extractores y detectores de gases precisos y rápidos.

Las Subestaciones de Interiores (figura 53) se emplean mucho para ser escondidas en

edificaciones o construcciones civiles que las protegen del agua y otras condiciones

climáticas complejas. En estas subestaciones se instalan tanto los equipos de fuerza

como los de control en el mismo interior de la instalación civil. Es muy común que se

construyan utilizando gabinetes o cabinas eléctricas donde se instalan tanto los

interruptores de potencia, como los relés de protección, los instrumentos de medición y

los equipos de control necesarios.

Figura 53. Subestación de Interiores.


Los equipos eléctricos instalados en las Subestaciones de Interiores no tienen porqué

poseer tan alto nivel de protección IP como los que se instalan en las Subestaciones de

Exteriores.

De acuerdo al grado de movilidad las Subestaciones Fijas (figura 54) son las menos

costosas. Se construyen para permanecer en el sitio donde se construyeron por un plazo

largo de tiempo. En este sentido es importante que se construyan tomando en cuenta el

centro de carga futuro que se tendrá con el crecimiento de la carga de la empresa. Es

común que se construyan las subestaciones fijas en un lugar y luego quedan tan alejadas



51

de las cargas más consumidoras, que las pérdidas eléctricas que se presentan en la

distribución de la energía obligan a cambiarlas de posición.

Figura 54. Subestación Fijas.


Las Subestaciones Eléctricas móviles (figura 55) son muy útiles porque se pueden

desplazar para el sitio donde sean necesarias. En algunas instalaciones y por corto

espacio de tiempo, es importante alimentar un circuito o parte de un sistema de potencia

desde un generador de emergencia y es donde las subestaciones móviles pueden hacer

mejor el trabajo. Se desconecta la instalación fija para darle mantenimiento, pero la

subestación móvil queda conectada y permitiendo la generación de la energía eléctrica al

circuito.

Figura 55. Imágenes de algunas Subestaciones Móviles.


En estas instalaciones hay que asegurar que se conecten al esquema de tierra de la

instalación fija que van a sustituir temporalmente o asegurarles un buen esquema de



52

puesta a tierra temporal. Los peligros de voltajes de contacto y de paso no desaparecen

por ser subestaciones móviles.

Tipos de subestaciones según la estructura de las barras

Las subestaciones también se clasifican por el grado o estructura de los interruptores y

las barras colectoras instaladas en su interior. Para comprender estos tipos de

subestaciones, es importante conocer los símbolos eléctricos que se emplean para su

dibujo (figura 56).

a) Símbolo de los generadores eléctricos

b) Símbolos de los Transformadores de dos y tres devanados

c) Símbolos de los Interruptores de Potencia.

d) Símbolo de los Descargadores Valvulares conocido como Pararrayos.

e) Símbolo de los Seccionadores con Fusibles

f) Símbolo de los Capacitores

g) Símbolo de las puestas a tierra del sistema

Figura 56. Dibujo de los símbolos que se emplean para los diagramas de las subestaciones o de las

instalaciones eléctricas en general.

Esquema de Barras simples

Los tipos de subestaciones de barras simples (figura 57) son los más utilizados por su

sencillez en la operación y por su bajo costo, cuando se compara con otros tipos de

subestaciones o estructuras de barras. Las desventajas consisten en que una pérdida de

aislamiento en cualquier equipo conectado a la barra, constituye un cortocircuito que

provocará el disparo de toda la subestación. En las barras simples están conectados los



53

seccionadores tipo barras, los fusibles, los transformadores de potenciales, entre otros

equipos que de averiarse, desconectarían toda la subestación.

Figura 57. Subestación con barra simple

Otra desventaja consiste en que si se precisa del mantenimiento de un interruptor, la

carga conectada al mismo, deberá ser desconectada o ser mallada aguas abajo de la

subestación para poder continuar con servicio eléctrico.

En este caso, lo único que se debe tener en cuenta a la hora de operar la subestación

barra simple es que no se podrá manipular ningún seccionador con el interruptor abierto.

El operador se debe percatar y verificar que el interruptor haya abierto los contactos y ya

no exista corriente circulando por el mismo.

La subestación con una barra simple pero con interruptor o seccionamiento intermedio

(figura 58), es una solución al problema de la barra simple. Es una solución que provoca

un incremento en los costos comparada con la anterior, pero al menos las dos barras

simples que quedan divididas por el seccionamiento no tienen porqué quedar

desconectada con una avería en cualquier elemento conectada a ellas.

El seccionamiento se puede hacer mediante un seccionador o mediante un interruptor tal

y como se muestra en la figura 58. La ventaja del uso del un interruptor es que la acción

puede ser automática y no necesariamente se deben desconectar la subestación

completamente para una avería en uno de los elementos conectados a la barra simple. El

costo es la desventaja fundamental de usar interruptores.

Aún con el incremento del costo por el seccionamiento intermedio, este nuevo esquema

no soluciona el problema de que se precisa desconectar la carga para cuando se quiera

dar un mantenimiento en cualquiera de los interruptores.



54

Figura 58. Subestación con barra simple con interruptor o seccionamiento intermedio

Las subestaciones de barras simples pero con bypass (figura 59) pueden ser una solución

al problema de la desconexión de la carga cuando se quiera dar mantenimiento a un

interruptor. La subestación puede ser barra simple o con seccionamiento intermedio, el

esquema con bypass igual puede funcionar.

Figura 59. Subestación con barra simple con bypass

Si se precisa dar mantenimiento en alguno de los interruptores, se cierra el fusible que

está conectado en forma de bypass al interruptor y luego se abre el interruptor y sus

seccionadores.

Esquema de Barras dobles

Otro esquema un poco más complejo que se emplea para poder mantenimiento a un

interruptor sin desconectar la carga, es el esquema de Barra Principal y Barra de

Transferencia (figura 60).



55

Todos los alimentadores están conectados a la barra principal la cual está energizada y la

barra de transferencia permanece sin energizar. Cuando se precisa sacar un interruptor

para darle mantenimiento, entonces se energiza la barra de transferencia y se conecta el

alimentador a dicha barra. El interruptor de transferencia funciona como el interruptor del

alimentador.

Figura 60. Esquema de la Subestación de Barra Principal y de Transferencia.

Otro esquema ampliamente utilizado de doble barra es el esquema Doble barra y Simple

Interruptor (figura 61). Pueden que todos los interruptores estén conectados a una sola

barra o a las dos. En caso de que una barra tenga un problema, los interruptores pueden

quedar conectados a una sola barra. El estado normal es cuando el interruptor de

transferencia está conectado y ambas barras están energizadas.

Figura 61. Subestación con barra doble y simple interruptor.

El esquema doble barra y doble interruptor (figura 62) es un poco más costoso y más

complicado para su operación, pero mucho más confiable. Para alimentar cada línea se



56

utilizan dos interruptores. Cualquiera de ellos puede trabajar cerrado e incluso los dos al

mismo tiempo.

Figura 62. Subestación con barra doble y sobre interruptor.

El esquema de doble barra con interruptor y medio (figura 63) es una versión más

económica que la anterior. Se emplean 3 interruptores por cada línea de salida. La

operación de este esquema es mucho más compleja que el anterior.

Figura 63. Subestación con barra doble e interruptor y medio.



57

1.7 Conclusiones

Para poder proteger las redes eléctricas es importante su conocimiento a profundidad.

Las redes se clasifican en dependencia de múltiples factores: si son aéreas o

subterráneas, el tipo de carga que alimenta, la forma en que distribuye la electricidad y

finalmente la configuración del neutro del generador o el transformador del que se

alimenta.

Las redes aéreas son más económicas que las subterráneas, pero son más vulnerables a

averías transitorias y a la incidencia de las descargas atmosféricas directas e indirectas.

Al mismo tiempo, constituyen un impacto ambiental negativo importante.

Las redes aéreas suelen ser radiales o en lazo. Las redes radiales poseen múltiples

configuraciones, así como también existen varias formas de aumentar la confiabilidad a

los consumidores más importantes utilizando redes aéreas.

Según la disposición del neutro de los generadores o transformadores de potencia que

alimentan una red eléctrica cualquiera, será otro tipo de clasificación de las redes. Las

redes con neutros aterrizados sólidamente son las empleadas, aunque se pueden

emplear métodos de aterrizamiento mediante resistencia o reactancias, con el fin de

disminuir las corrientes de cortocircuitos de fase a tierra.

Los esquemas de redes con el neutro aislado, se emplean en medio y bajo voltaje, con el

fin de mantener producción en empresas de régimen de producción continua. En estos

esquemas pueden existir sobre voltajes peligrosos y por tanto, el aislamiento se diseña

con mayor robustez.

Preguntas de control

1. ¿Qué ventajas y desventajas posee una red con conductores aéreos?

2. ¿Las redes radiales cuales son su desventaja fundamental?

3. ¿Dónde se emplean mayormente las redes subterráneas?

4. ¿A qué se le conoce como red con neutro aterrizado?

5. ¿Cuántos esquemas con neutro aterrizado usted conoce?

6. ¿Cuándo se suele emplear las redes con neutros aislados?



58

Motivación de las clases posteriores

En las próximas clases se harán preguntas de control con situaciones prácticas de tal

forma que los estudiantes puedan enfatizar en los conocimientos aprendidos en esta

conferencia. Se harán ejercicios prácticos sobre la temática.

La próxima conferencia se abordará el tema de los regímenes normales que suceden en

las redes eléctricas. Es importante el conocimiento de estos regímenes normales para

evitar que las protecciones eléctricas actúen con un régimen normal.

Conferencia 1. Tipos de Redes en Los Sistemas de Potencia

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