Subestaciones eléctricas.

CAPITULO 4. SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

La energía eléctrica es siempre transmitida a tensiones muy altas desde la planta generadora, hasta la periferia del área de consumo.

En general, la energía eléctrica trifásica proveniente de la planta generadora es elevada a 80,000 - 200,000 o 400,000 Volts y enviada mediante una “línea de distribución” a una subestación reductora local (Manual SELMEC 1985).

En está subestación se utilizan transformadores para reducir la tensión a 13,200 - 23, 000 0 34,500 y se envía la energía mediante una “línea de distribución” a una subestación ubicada en el área del consumidor (Manual SELMEC 1985).

El usuario puede recibir la energía en baja tensión, si esa condición se establece en el contrato, o en alta tensión, necesitando el usuario tener su propia subestación eléctrica industrial.

A los conductores que sirve para alimentar la energía eléctrica del sistema general de abastecimiento a la propiedad servida se le llama acometida.

Cuando el usuario cuenta con su propia subestación, esta reduce la tensión a 440, 220 / 127 Volts, dicha tensión es transmitida al interior del área de consumo para su utilización.

Se utilizan otras combinaciones de transmisión y distribución, pero la instalación que ha sido mencionada es una de las más utilizadas.

4.1. Clasificación de las Subestaciones Eléctricas.

FIGURA 4-1. Tipos de subestaciones eléctricas. (Manual SELMEC 1985).

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SUBESTACIONES ELECTRICAS

INDUSTRIALES RURALES

TIPO INTEMPERIE TIPO INTERIOR

COMPACTAS CONVENCIONALES COMPACTAS CONVENCIONALES.

MONTADO EN 1 POSTE MONTADO EN 2 POSTES

Subestaciones eléctricas.

La figura 4-1 muestra una clasificación general de las subestaciones eléctricas, de todas estas, en este trabajo se describirá la de tipo rural o tipo poste, que es la que mayormente se utiliza en las plantas de bombeo.

Una subestación eléctrica es un conjunto de elementos integrados que transforman, distribuyen, controlan y miden la energía eléctrica proveniente de las plantas generadoras, líneas de transmisión o líneas de distribución en alta tensión. (Manual SELMEC 1985).

Las subestaciones eléctricas intervienen en las distintas etapas que tiene la energía eléctrica desde su generación; es decir, la transmisión, la distribución, y la utilización.

Las subestaciones que se utilizan más comúnmente en los equipos de bombeo de los pozos profundos con fines de riego, son las de montaje en un poste y las de montaje en dos postes o pedestal.

Figura 4-2. Subestaciones eléctricas rurales, montada en un poste y en dos postes.

Material requerido en una subestación rural para un transformador de 112,5 a 150 KVA, según normas CFE, clase 15 KV.

CANT. DESCRIPCION1133411

Poste de concreto de 10,65 m.Poste de concreto de 9 m.Cruceta p/remate de fierro canal, galv. de 100 x 2000 m.Dado de fierro fundido para cruceta.Perno doble rosca galv. de 16 x 355 mm y tuercas.Adrazadera c/cruceta tipo U, de fierro galvanizado de 16 x 178 mm y tuercas.Juego fase central galvanizado de 16 mm.

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263333331

161215111

Tuerca de ojo galvanizado de 16 mm.Aislador de suspensión de 7 ½”, 15 KV.Horquilla cabo para remate de línea (juego).Remate preformado para cable de aluminio ACSR # 2.Apartarrayos para 15 KV.Cortacircuitos fusible tipo XS, marca S&C 7,2/14, 4 KV.Eslabón fusible universal adecuado.Conector para línea viva de acero inox.Transformador de distribución, clase __________, tipo poste, marca ________, catálogo __________, KVA ________, Volts primarios ________, secundarios _________, 3 fases _________ ciclos.Plataforma (entre postes) para transformador y abrazaderas galvanizadas.kg de alambre de cobre desnudo # 4, p/puentes y conexiones.Varilla Cooper Weld para tierra, con conector.Grapa paralela y tornillos de 38 x 152 mm galv.Metros de cable de 3/8”, de acero para retenida.Guarda-cabo de lámina galvanizada p/cable de retenida.Perno de ancla y tuerca de 16 x 1820 mm, galv. para retenida.Cono de concreto entrada de 5/8” p/retenida.Mano de obra de instalación incluida.

4.2. Elementos principales de una subestación eléctrica.

I. Apartarrayos y cuchilla fusible.1.- Equipo de medición.2.- Cuchillas de prueba.3.- El apartarrayos.4.- Cuchillas desconectadoras.5.- Interruptor general.6.- Transformador.7.- Interruptor principal secundario.8.- Interruptores principales de circuitos derivados y alimentadores. ( ver figura 4-3)

Figura 4-3. Diagrama unifilar simplificado de una subestación. (Enríquez Harper. 1996).

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I 1 2

3

4

56

7

8

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4.3.- Descripción.

El diagrama unifilar simplificado de una subestación representa una forma de indicar los elementos que la constituyen y tiene la forma que indica la figura 4-3.

Del diagrama unifilar simplificado anterior, los principales elementos constitutivos son los siguientes:

I. Apartarrayos y cuchillas fusible.

1. Equipo de medición.El equipo de medición lo suministra e instala la compañía suministradora en el lado de alimentación para capacidades en la subestación de 500 KVA o mayores.

2. Cuchillas de prueba.Generalmente estas cuchillas desconectadoras son de operación en grupo y sin carga, su propósito es permitir la conexión de equipos de medición portátiles que permitan verificar al equipo instalado por la compañía suministradora.

3. Apartarrayos.El apartarrayos sirve para proteger a la subestación y principalmente al transformador contra las sobretensiones de origen atmosférico.

4. Cuchillas desconectadoras.Normalmente son de operación sin carga, sirven para conectar, desconectar o cambiar conexiones en instalación. Por lo general se accionan después de que se ha operado al interruptor. (Figura 4-5a).

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Este equipo es proporcionado por la compañía suministradora en el punto de alimentación, su ubicación depende de voltaje de alimentación de la carga, de la distancia a la red suministradora, etc., el apartarrayo tiene la función de proteger la instalación contra sobretensiones de origen atmosférico principalmente, la cuchilla fusible es un elemento de protección (cuando se funde el fusible por la sobrecarga a corto circuito) y de desconexión, en algunas ocasiones se reemplaza por otro equipo como restauradores, dependiendo de la importancia de la red, nivel de falla, criterios de operación y protección, etc.

Figura 4-4. Cortacircuito fusible de potencia tipo SMD-20. IEM – S y C SELMEC

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Figura 4-5- a). Cuchilla desconectadora Tripolar para operación sin carga. b). Cuchilla desconectadora para abrir con carga tipo ALDUTI. S y C SELMEC.

5. Interruptor general.Este equipo es de seccionamiento de la operación tiene funciones de desconexión con carga o con corrientes de corto circuito, es decir, cumple con requisitos de control y protección del equipo de transformación, alimentadores y cargas en general.

El transformador mostrado en la figura 4-4 es útil en redes aéreas para reducción de la tensión de distribución primaria en 3 hilos a tensiones de utilización en 4 hilos, para alumbrado y cargas trifásicas o monofásicas domésticas, comerciales, residenciales o rurales; diseñado de acuerdo con normas K-0000-01 de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Desde el punto de vista de su construcción, que normalmente esta relacionado con su potencia (capacidad) los transformadores pueden ser:

- De tipo interior o intemperie.- De montaje en poste o en piso.- Por su enfriamiento:

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a b

6. Transformador.Es el elemento principal de la subestación, ya que cumple con la función de reducir el voltaje de alimentación de la compañía suministradora a los voltajes de utilización de las cargas, constituyen junto con el interruptor general los elementos centrales de la subestación eléctrica. ( figura 4-4).

Figura 4-6. Transformador de distribución tipo poste trifásico. IEM.

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Tipo seco (enfriamiento por aire) – A.Enfriamiento por aceite y aire - OA.Enfriamiento por aceite y aire con circulación de aire forzado - OA / FA.Enfriamiento por aceite y aire con circulación de aceite forzado - OA / FOA.

Las principales características a especificar son las siguientes:

- Potencia o capacidad (kVA).- Voltaje primario y secundario (relación de transformación).- Número de fases y conexión primaria y secundaria (en caso de ser trifásicas).- Frecuencia de operación (Hertz).- Número y porciento de cada paso de las derivaciones arriba y debajo de la tensión nominal.- Tipo de enfriamiento.- Altura sobre el nivel del mar de operación del transformador.- Tipo de servicio.- Impedancia (en porciento).- Sobreelevación de temperatura permitida (en °C).- Condiciones especiales de servicio (ambientes corrosivos, ambientes explosivos, etc.).- Accesorios.

De los renglones anteriores vale la pena hacer algunos comentarios sobre los aspectos relevantes a considerar, por ejemplo:

A) La capacidad del transformador.

Como se indicó antes se calcula a partir del valor de la potencia instalada (P I)y los factores de demanda (FD) y utilización (FU) o la combinación de ellos: (FS)

PT = PI FD FS

Esta potencia se expresa normalmente en KVA y debe entregar por un tiempo especificado en condiciones de voltaje y frecuencia de diseño sin exceder los límites de temperatura que establece la norma y que para el caso de los transformadores en aceite la temperatura promedio de un devanado no debe exceder de 65 °C sobre una temperatura promedio de 30 °C y máxima de 40 °C.

Cuando la temperatura ambiente promedio máxima excede a los valores indicados, pero sin ser mayor a la promedio de 30 °C y opera a una altura superior a 1000 m.s.n.m. para lo cual se diseñan como se sabe a altitudes superiores a la de diseño, el aire se enrarece y la capacidad de disipación de calor disminuye y por lo tanto su capacidad en un valor de aproximadamente 0.4 % por cada 100 m. en exceso de los 1000 m. Se puede operar también los transformadores a sus capacidades nominales a alturas superiores a los 1000 m.s.n.m. siempre que la temperatura ambiente promedio máxima no exceda de 3 °C / 1000 m. por abajo de 30 °C.

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B) Impedancia.

El valor de impedancia es una de las características de “placa” de los transformadores, su valor se expresa en porciento y representa la caída de voltaje expresada en porciento para el circuito equivalente del transformador, este valor de impedancia permite:

- Calcular el valor de la regulación.- Intervenir para el cálculo de las corrientes de corto circuito.- Analizar las condiciones de operación en paralelo con otro(s) transformador(es).

Algunos valores típicos de impedancias para transformadores usados en instalaciones industriales se dan en la tabla siguiente:

C) Conexión primaria y secundaria.

Por lo general la alimentación se hace en conexión estrella con el neutro aterrizado.

D) Frecuencia de operación.

En México la frecuencia es de 60 Hz.

E) Accesorios.

Se deben especificar los accesorios especiales para el transformador según sea su capacidad, estos accesorios pueden ser entre otros: termómetro indicador de la temperatura interior, cambiador de derivación, tanque conservador, indicador de nivel de aceite, ganchos de sujeción, posición de las gargantas (para subestaciones unitarias), base para rolar, caja para acoplamiento con tablero, etc.

7. Interruptor principal secundario.

Este interruptor se encuentra en el tablero de baja tensión y es el que protege a los alimentadores o circuitos derivados (según sea el caso) de la instalación, puede ser un pequeño volumen de aceite, termomagnético, electromagnético o en vacío según sea el tamaño de la instalación.

8. Interruptores principales de circuitos derivados y alimentadores.

Estos son los interruptores principales de centros de carga, centros de control de motores, motores, circuitos de alumbrado, etc. por lo general son termomagnéticos o electromagnéticos, según sea su capacidad.

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Subestaciones eléctricas.

4.4.- Selección.

Uno de los problemas importantes a resolver en el proyecto de instalaciones eléctricas lo constituye la determinación de la capacidad de la subestación eléctrica, o dicho con más propiedad, del transformador o transformadores que la constituirán. Este aspecto no sólo involucra problemas de índole técnico, sino también de tipo económico, ya que puede ocurrir que por desconocimiento del problema se dimensione la subestación en forma limitado o se sobredimensione; lo que en cualquier caso constituiría un factor que afectaría económicamente el proyecto.

4.4.1.- Determinación de la capacidad de un transformador para un equipo de bombeo.

Las subestaciones eléctricas usadas en las plantas de bombeo generalmente son de tipo poste, en este tipo de subestaciones, para fines prácticos se considera que 1 HP es igual a 1 KVA por lo tanto el transformador para un motor cuya potencia es igual a equis HP será igual a equis KVA, por ejemplo: si se tiene un motor de 75 HP, partiendo de que 1HP = 1 KVA, entonces el transformador debe ser de 75 KVA.

Si se desea ser estricto en el cálculo para no desperdiciar potencia en los transformadores, se aplica la fórmula siguiente:

(4-1)

Que se deduce de la fórmula:

(4-2)

porque

(4-3)

entonces (2) nos queda

(4-4)

sustituyendo (4-3) en (4-4) se obtiene (4-1):

(4-5)

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Subestaciones eléctricas.

Donde:

KVA- Potencia aparente, kilo volt-amperes;kW - Potencia activa o real, kilo watts;I - Corriente de fase, Amperes;V - Voltaje de línea, Volts;FP - Factor de potencia del motor; - Eficiencia del motor; yP - Potencia en caballos de fuerza = 746 Watts.

Así por ejemplo para 75 HP, aplicando la fórmula (4-1) considerando: FP = 0,9, = 0,9 resulta.

4.4.2. Capacidad del transformador requerida por los motores sumergibles.

Monofásicos y trifásicos.

La capacidad de los transformadores debe ser adecuada para satisfacer los KVA requerido por estos motores sumergibles. Cuando los transformadores son muy pequeños para suministrar la carga o el rendimiento deseado, se crea una reducción en el voltaje suministrado al motor.

La tabla 4-3 (anexo D) muestra la potencia en HP de los motores Monofásicos y trifásicos, los KVA operativos requeridos, y el transformador mas pequeño requerido por el sistema, ya sea abierto o cerrado. El sistema abierto requiere transformadores más grandes debido a que sólo dos transformadores son usados.

Otras cargas se agregan directamente a la capacidad en KVA de los transformadores.

4.4.3. Selección de cuchillas desconectadoras.

Las cuchillas desconestadores de operación sin carga se pueden instalar en redes de distribución, subtransmisión y transmisión, así como en subestaciones de potencia.

Seccionan, conmutan y aíslan circuitos eléctricos.

Para la selección de las cuchillas desconectadoras de operación sin carga se requieren los siguientes datos del sistema donde serán instaladas:

a) Tensión nominal.b) Corriente de carga en régimen continuo.

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c) Nivel básico de aislamiento al impulso (NBAI).d) Corriente momentánea de corto circuito. (NOM).e) Especificar: Monopolar o Tripolar y tipo de montaje.

Con los datos anteriores se escoge la cuchilla desconectadora en la tabla 4-4. (Anexo D).

4.4.4. selección de apartarrayos.

Para la selección de apartarrayos de una subestación eléctrica rural, se considera la tensión a la cual se encuentra la línea de distribución aérea. Estas tensiones pueden ser de 15, 25 o 34,5 kV. Este equipo es proporcionado por la compañía suministradora de energía eléctrica.

4.5.- Ejemplo de cálculo.

Ejemplo:

Calcular la capacidad del transformador requerido para una planta de bombeo que tiene una carga total conectada de 80 KVA monofásica y 60 KVA trifásica en estrella.

Solución.

El tamaño requerido por los transformadores para alimentar una carga conectada en estrella en su secundario se puede determinar de acuerdo al siguiente procedimiento:

1.- Sumando las cargas monofásicas y trifásicas juntas.2.- Multiplicando el valor de esta carga total calculada de acuerdo al punto anterior por 0,33 ó 1/3.

Por lo tanto:El tamaño de la carga para cada transformador es:

KVA monofásicos totales: (80 KVA) (0,33) = 26,4 KVA.KVA trifásicos totales: (60 KVA) (0,33) = 19,80 KVA.

Total: 26,4 + 19,8 = 46,2 KVA.

Se puede seleccionar entonces 3 transformadores monofásicos de 50 KVA cada uno, ó 1 transformador trifásico de 150 KVA.

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