Las estaciones transformadoras (ET) en AT y EAT surgen como necesidades para el transporte de grandes cantidades de energía desde los centros de generación a los centros de consumo, dado que la potencia transmitida está aproximadamente en relación directa con U2.
Para realizar la transmisión se debe primero elevar la tensión al nivel de AT apto para transmitir la energía en condiciones económicas (132, 220 o 500 [kV] en nuestro país), ello se realiza en ET “Elevadoras”. Luego en los centros de cargas se reduce el nivel de tensión a los adecuados para la distribución, en las ET “Reductoras”.
Con la finalidad de posibilitar una operación confiable y segura de la transmisión se deben instalar en puntos intermedios de la línea ET de “Maniobras”, generalmente con equipos de compensación de reactivo (reguladores de tensión bajo carga en transformadores y bancos de capacitores) y que pueden tener o no, transformadores reductores o elevadores.
SEGÚN su comportamiento en el Sistema de Transmisión
Estaciones transformadoras de centrales eléctricas
Se encuentran adyacentes a las centrales eléctricas para modificar los parámetros de la potencia suministrada por los generadores para permitir la transmisión en alta tensión a través de las líneas de transmisión.
Los generadores pueden suministrar la potencia entre 0,4 y 25 [kV] y la transmisión, dependiendo del volumen de energía y la distancia se puede efectuar desde 66 a 500 [kV] en nuestro país.
Estaciones de Distribución o Seccionamiento (E.S.)
Son aquellas que aumentan o disminuyen el número de ramas de la red de AT al considerar el sentido del flujo energético. Esta E.S. No posee transformador de potencia.
Estaciones Transformadoras de Interconexión (E.T.I.)
Son aquellas que transforman el nivel de la tensión de transmisión. Por ejemplo de 500 [kV] a 132 [kV]. Disponen de al menos un transformador de potencia.
Estaciones Transformadoras Principales o de Transformación (E.T.P.)
Son aquellas que transforman el nivel de la tensión de transmisión en otro inferior de distribución (MT). En la generalidad de los casos, estas Estaciones tienen dos niveles de tensión de distribución (33 [kV] y 13,2 [kV]) que conforman las redes Urbanas e Interurbanas o Rurales.
Estaciones transformadoras secundarias (E.T.S.)
En el área de Distribución se introduce la denominación de Sub-Estaciones Transformadoras (S.E.T.), resultando ser la mayoría de ellas del tipo intemperie para el nivel de 33 [kV]. En los Sistemas de Distribución en 13,2 [kV], las S.E.T. Pueden ser de tipo interior, clasificándose en S.E.T. De nivel y subterráneas. Las S.E.T. De tipo intemperie en 13,2 [kV] son aéreas por lo general.
Estas S.E.T reducen los niveles de tensión de distribución en MT (33 y 13,2 [kV]) a a niveles de BT (0,4 y 0,231 [kV]) que son los utilizados por los usuarios finales.
Según el tipo de instalación
Subestación intemperie
Se construyen al exterior, por lo que su aparamenta debe soportar condiciones atmosféricas adversas dependiendo de la zona de ubicación. Generalmente se alimentan mediante líneas aéreas de AT.
Las ET instaladas en los Sistemas de Transmisión, excepto los casos especiales, son de tipo intemperie.
Subestación de interior
Se instalan en el interior de edificios. Esta solución se adopta en subestaciones transformadoras secundarias, ya que al emplear tensiones menores, permite disminuir el espacio ocupado por la subestación.
Subestaciones blindadas
Las partes activas sometidas a tensión se encuentran encerradas en el blindaje por cuyo interior circula un gas aislante, generalmente hexafloruro de azufre (SF6). Este sistema consigue una reducción de espacio muy importante y su forma modular permite ampliaciones posteriores.
Consideraciones técnicas para el diseño de una E.T. De Alta Tensión
Para el diseño de las E.T. De Alta Tensión se debe conocer la configuración del Sistema Eléctrico existente y proyectado, de modo que el diseño de las E.T. No solo satisfagan las necesidades actuales sino también las necesidades futuras.
El estudio del Sistema Eléctrico comprende fundamentalmente los siguientes estudios:
Flujo de Potencia
Permite conocer en condiciones normales y de contingencia (simple), con máxima y mínima generación, las transferencias de potencia entre las E.T., los niveles de tensión en las distintas barras de las mismas, los requerimientos de
compensación necesarios para la segura operación de la red y las pérdidas presentes en el Sistema Eléctrico considerado. De este modo se puede seleccionar:
La capacidad del equipamiento.
Los extremos de regulación de los transformadores.
La capacidad de compensación necesaria en la red.
Las protecciones.
Cortocircuito
Este estudio permite determinar los niveles de cortocircuito en las barras de las distintas E.T. Con diferentes topologías de la red, y distintos parques de generación.
Estabilidad
Los estudios de estabilidad, muestran la estabilidad del Sistema Eléctrico ante contingencias seleccionando los interruptores y protecciones en función de la velocidad de operación de los mismos, así como determinar el tipo de recierre automático de modo de mantener el sincronismo del sistema.
Sobretensiones
Permite determinar el nivel de aislamiento de los equipos así como los elementos de protección, tales como relés, pararrayos, descargadores, hilos de guardia, etc.
Diseño de una E.T
Para proceder al diseño de una E.T. Se debe definir su finalidad, o sea, su importancia en el sistema eléctrico, el número de líneas concurrentes, el número de transformadores de potencia, el módulo de los mismos, la capacidad de compensación, etc. En base a esta información, se determina el grado de confiabilidad, la facilidad de mantenimiento, la capacidad de maniobrabilidad y las posibilidades de ampliación.
Este análisis lleva a definir el sistema de barras a emplearse, o sea la configuración de la E.T., dependiendo de ello el funcionamiento de la misma y del sistema eléctrico.
En síntesis, el esquema eléctrico de una E.T. Queda determinado por los siguientes factores:
Tensión y potencia a instalar.
Costos de inversión.
Posibilidades de ampliación.
Importancia de la continuidad del servicio.
Circuitos eléctricos
Los circuitos eléctricos en una E.T. Se pueden dividir en:
Circuitos Principales
Son aquellos que componen el sistema de potencia, o sea son los circuitos de MT o AT por donde pasa el flujo de potencia a transformar o distribuir en la E.T.
Circuitos Auxiliares
Son los utilizados para la vigilancia y control de la instalación, es decir, los indispensables para el correcto funcionamiento del equipamiento electromecánico como ser comando, protección, medición, fuerza motriz, etc.
Los servicios auxiliares se dividen en las siguientes categorías.
Servicios de la subestación: Transformadores auxiliares (generalmente de 13,2/0,4 [kV]), Baterías para alimentación de protecciones de AT y cargadores de baterías (rectificadores).
Alumbrado: Interior y Exterior.
Sistema contra incendios.
Aparamenta ELÉCTRICA de una E.T
Los circuitos principales y auxiliares de una E.T. Se componen generalmente de los siguientes equipos eléctricos:
Transformador de potencia.
Seccionadores.
Interruptores.
Descargador de sobretensión.
Transformadores de medida (tensión y corriente).
Bobinas de bloqueo y equipo de comunicación.
Aisladores y herrajes.
Sistema de barras y estructura soporte.
Red de puesta a tierra.
Canalizaciones, conductos y drenajes.
Edificio de control.
Alumbrado normal y de emergencia.
Sistema de alimentación de c.C.
A continuación se describen los equipos más relevantes.
Transformador de potencia
El transformador es la parte primordial de una E.T., ya que realiza la conversión del nivel de tensión de alta (500, 220, 132 [kV]) a media tensión (33 y 13,2 [kV]) para alimentar a las localidades cercanas y centros urbanos.
Suelen ser trifásicos de dos o tres arrollamientos. En las E.T. No es común el uso de transformadores monofásicos. Estos solo tienen su justificación en las E.T. De Centrales Eléctricas con motivo de mejorar la confiabilidad de las mismas y reducir los tiempos de recambio de unidades.
Las potencias asociadas a estos transformadores varían desde 5 hasta 500 [MVA] en nuestro país.
Accesorios del transformador.
Depósito conservador de aire
Indicador del nivel de aceite.
Desecador de aire (silicagel):
Sirve para evitar la entrada de humedad en el depósito de expansión. Los cambios de volumen en el aceite provocados por variaciones en la temperatura provocan una admisión o expulsión de aire en la Cuba. Este aire contiene humedad que origina una disminución de la rigidez dieléctrica del aceite. Es un depósito lleno de gravilla de gel de sílice que absorbe la humedad del aire impidiendo que esta llegue al aceite.
Relé Bukchholz.
Protege de cualquier anormalidad magnética o eléctrica que se presente en el interior del transformador, detectando este desprendimiento de gases y señalando su presencia.
Las averías que se producen en el interior de la Cuba son debidas generalmente a recalentamientos locales o a los efectos del arco eléctrico, dando lugar a gasificaciones del aceite y de otros aislantes. Estas gasificaciones tienen las siguientes repercusiones en el relé:
En condiciones normales el relé está lleno de aceite y sus dos flotadores mantienen sus contactos abiertos.
Ante una pequeña avería, se producen burbujas de gas que al llegar a la parte superior provocan que un flotador cierre su contacto, el de alarma.
Si se acentúa la avería, la gasificación brusca ocasionará que el otro flotador cierre su contacto y provoque el disparo de interruptor y deje al trafo fuera de servicio.
Tanque de expansión de aceite.
Es un depósito cilíndrico que dispone de dos orificios en la parte superior que sirven para el llenado y tres en la parte inferior de los que parten las correspondientes tuberías; una une el depósito con la Cuba intercalando el relé Bulchholz, otra de conexión con el desecador de aire y la tercera que conecta con el regulador de tensión.
Cumple las siguientes funciones:
Mantener constante el nivel de aceite en la Cuba del trafo, haciendo frente a las dilataciones y contracciones que experimenta el aceite como consecuencia de las variaciones de temperatura.
Evita el envejecimiento del aceite reduciendo la oxidación.
Impide la absorción de humedad.
Termómetros de indicación de la temperatura del aceite y termostatos para protección contra sobretemperaturas en el aceite.
Relé de Cuba:
Este cumple la función de sensar las corrientes de fuga que puedan originarse en la Cuba del transformador debidas a condiciones de falla tales como el trabajo de la máquina en una condición de excesivo desbalance de cargas.
Relé de imagen térmica:
Tiene por finalidad sensar la temperatura de arrollamientos y núcleo del transformador, realizando la desconexión de la máquina en caso de temperaturas excesivas.
Es un relé de protección contra sobrecargas. Detecta la temperatura del punto más caliente del bobinado del transformador; siendo, por tanto, la mejor protección. Sirve para controlar la temperatura de los devanados y para el control de la ventilación forzada.
Sistemas empleados para la evacuación del calor en un transformador
Refrigeración natural
Para transformadores de pequeña y mediana potencia. El aceite circula por diferencia de densidades a través de unos radiadores adosados a la Cuba, aumentándose la superficie de refrigeración en contacto con el aire.
Refrigeración forzada de aire
Para grandes potencias. A los radiadores se les adosa una serie de ventiladores (de tipo horizontal o vertical) que aceleran el proceso de disipación.
Circulación forzada de aceite
Consiste en la aspiración e impulsión del aceite caliente mediante una bomba. La finalidad de la bomba es aumentar la velocidad de circulación del aceite a través de los radiadores.
De acuerdo a estos sistemas, y el medio utilizado para el intercambio de calor, surgen las siguientes denominaciones:
ONAN: Refrigeración natural de aceite y natural de aire.
ONAF: Refrigeración natural de aceite y refrigeración forzada de aire.
OFAF: Refrigeración forzada de aceite y refrigeración forzada de aire.
Interruptor de potencia
Es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito.
Su operación puede ser manual o accionada por la señal de un relé.
Son monofásicos, es decir se requiere una unidad por cada fase.
Los mismos se clasifican de acuerdo al medio de extinción del arco eléctrico:
Vacío
Gran volumen de aceite
Aire comprimido
SF6 (Hexafloruro de Azufre)
La descripción detallada de su funcionamiento y carácterísticas constructivas fueron expuestas en la unidad V.
En la figura VII.12 se muestra un interruptor de potencia de 132 [kV] con cámara de SF6.
Seccionador
Es un equipo mecánico utilizado para aislar una línea o equipos de una fuente de potencia.
Separa en forma visible los diferentes elementos de una subestación. Aísla equipos tales como: interruptores, capacitores o líneas para la ejecución de mantenimiento. El mismo se utiliza para maniobrar circuitos en vacío y según su tipo puede que tenga la posibilidad de realizar maniobras en carga, para lo cual debe disponer de fusibles tipo ASC o HH.
Es considerado como un elemento de maniobra y no de protección.
Son monofásicos, es decir se requiere una unidad por cada fase.
La descripción detallada de su funcionamiento y carácterísticas constructivas fueron expuestas en la Unidad V.
Clasificación en relación a la función que desempeña.
Seccionadores de maniobra
Seccionadores de puesta a tierra
Seccionadores de operación en carga
Clasificación en función a su forma de apertura.
Horizontal
Vertical
Pantógrafo
Descargador de sobretensión
Es el dispositivo encargado de proteger el transformador y líneas de sobretensiones externas que surgen por descargas atmosféricas o maniobras.
Limita la tensión que llega a los bornes del transformador enviando a tierra la sobretensión.
Actualmente se emplean descargador de oxido de zinc (ZnO) conformados por varistores de ZnO en serie que disminuyen su resistencia interna ante la presencia de una sobretensión, dirigíéndola a tierra, retornando a su estado de alta resistencia a la señal de potencia a frecuencia industrial.
El descargador de sobretensión se comporta como una resistencia inversa. Es decir, a medida que aumenta la tensión, reduce su resistencia, permitiendo drenar las elevadas corrientes de falla de tipo atmosféricas (del orden de los 10 a 100 [kA]). En condiciones normales de funcionamiento, el descargador se comporta como un resistor.
Transformadores de medida
Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de AT o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de protección, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.
Traducen las intensidades y tensiones de las líneas de AT a valores medibles por contadores y protecciones.
Transformador de intensidad
Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control.
Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser 600 / 5, 800 / 5, 1000 / 5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 [A] y 1 [A].
El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la carga de este transformador esta constituida solamente por la impedancia del circuito que se conecta a él.
Transformadores de tensión
Son empleados para el acoplamiento de voltímetros, medidores de energía, relés y protecciones siendo su tensión primaria la propia de línea. La tensión del arrollamiento secundario se encuentra normalizada en 110/√3 [V].
Se diferencian dos tipos, de acuerdo a su construcción, los cuales son:
Transformador de tensión inductivo
Traducen las tensiones con un circuito inductivo, lo que garantiza una precisión exacta e invariable durante toda la vida del transformador.
Transformador de tensión capacitivo
Traducen las tensiones con un divisor capacitivo y un transformador inductivo de media tensión, ofreciendo alta estabilidad de la precisión. Tienen la posibilidad de transmitir señales de alta frecuencia a través de las líneas de AT.
Banco de capacitores
Estos generalmente se encuentran conectados en la barra de 13,2 [kV] de la E.T. A través de la inyección de potencia reactiva al sistema, cumplen las siguientes funciones:
Corregir el factor de potencia.
Incrementar la tensión de la barra (como regulador de tensión)
Conexión de los circuitos principales de la E.T
En general, de acuerdo al tipo de servicio que la E.T. Deba prestar y a la flexibilidad operativa requerida, puede constar de una, dos o más barras.
Concepto de barra
Para realizar el cambio de transformadores en una E.T. Se utiliza la barra colectora, también llamada bus.
Los sistemas de barras colectoras son la respuesta a los siguientes requisitos:
Posibilidad de retirar de servicio cualquier transformador, en cualquier momento, sin necesidad de interrumpir el servicio.
Posibilidad de interrumpir cualquier línea, en cualquier momento, sin necesidad de retirar de servicio un transformador.
Posibilidad de elevar la tensión de algunas líneas en determinados instantes.
Facilidad para hacer ampliaciones o cambios en la E.T. Sin necesidad de interrumpir su operación.
A continuación se analizan configuraciones típicas de E.T. Utilizadas en nuestro país
Juego de barras simple
Es el más sencillo y económico de los esquemas eléctricos utilizados. El mismo, requiere un reducido equipamiento y se utiliza en instalaciones de MT de poca potencia donde se admiten cortes de energía con alguna frecuencia.
Ventajas:
Instalación simple y económica
Maniobras sencillas
Circuitos auxiliares simples
Reducido espacio de instalación
Costo reducido
Desventajas:
Una falla en barras o la necesidad de mantenimiento de la misma, produce la interrupción total del servicio
El mantenimiento del interruptor, implica sacar de servicio la salida correspondiente
Sin flexibilidad operativa
La falla de un interruptor o de la protección que actúa sobre el mismo ante una falla en línea, interrumpe totalmente el servicio.
Resulta imposible la ampliación de la E.T. Sin sacarla de servicio.
Juego de barras simple y acoplamento longitudinal (BARRAS SIMPLES DIVIDIDAS)
Las barras se encuentran divididas en dos secciones (B1 y B2), vinculadas a través de un equipamiento de acoplamiento longitudinal. Dicho equipamiento requiere un interruptor y dos seccionadores, motivo por el cual el esquema en estudio resulta más oneroso que el anterior.
En caso de avería en las barras, queda limitado al sector afectado, abriendo el interruptor de acoplamiento longitudinal, quedando en servicio el resto de la instalación.
Ventajas:
Una falla en barras, en el interruptor de una salida determinada produce solamente la interrupción parcial del servicio.
El sistema puede operar con dos fuentes de alimentación independientes.
Se facilita el mantenimiento.
Mayor flexibilidad.
Desventajas:
Las salidas no pueden transferirse de barras.
El mantenimiento de un interruptor implica la salida de servicio de la línea respectiva.
El mantenimiento de las barras o seccionadores de barras, implica la interrupción parcial del servicio.
JUEGO DE BARRAS SIMPLES CON BY-PASS
En la disposición de barras simples, para evitar los inconvenientes que resultan de sacar de servicio las líneas de salidas por trabajos de mantenimiento de los interruptores, muchas veces se instalan seccionadores en paralelo con tales interruptores, de forma que abriendo los seccionadores del interruptor y cerrando el seccionador en paralelo, la línea de salida puede permanecer en servicio mientras se realizan los trabajos de mantenimiento.
Esta disposición tiene el inconveniente de que si durante el período de tiempo en que está el interruptor abierto, se produce una avería en la línea, se provocará la desconexión simultánea de los interruptores de las líneas restantes.
Doble juego de barras y acoplamiento transversal
El esquema indicado se utiliza en instalaciones de importancia, requiriendo mayor equipamiento que los sistemas anteriores. Posibilita el incremento notable de la flexibilidad operativa, elevando el costo final de la instalación.
Con esta disposición cada línea puede alimentarse indistintamente desde cada uno de los juegos de barras.
También resulta posible conectar todas las líneas de alimentación sobre un juego de barras, mientras se realizan trabajos de mantenimiento en los seccionadores asociados al segundo juego de barras.
Ventajas:
Cada salida puede conectarse indistintamente a cada una de las barras.
En caso de una avería de una de las barras, se produce una interrupción parcial y momentánea del servicio dado que inmediatamente se pueden transferir las líneas a la otra barra.
Permite efectuar el mantenimiento de una barra y seccionador de barra sin interrupción del servicio.
El interruptor de acoplamiento puede utilizarse como reserva de los interruptores de línea, siendo posible la transferencia o no de las protecciones dado que ello depende de la filosofía de diseño de la E.T.
Desventajas:
Las salidas no pueden transferirse de barras.
El mantenimiento de un interruptor implica la salida de servicio de la línea respectiva.
El mantenimiento de las barras o seccionadores de barras, implica la interrupción parcial del servicio.
Barra principal y barra de transferencia
El esquema con barra principal y transferencia permite el mantenimiento de los interruptores sin sacar de servicio la salida correspondiente, resultando ello muy práctico fundamentalmente cuando en la E.T. Se requiere mantenimiento frecuente de interruptores sin interrupción de servicio.
Ventajas:
Permite el mantenimiento de los interruptores sin interrupción del servicio.
Permite utilizar el interruptor de acoplamiento o transferencia como reserva de los interruptores de las salidas.
Desventajas:
La barra principal es de mayor sección que la de transferencia.
Únicamente se puede vincular a la barra de transferencia de a una salida por vez.
Una avería en la barra principal produce la interrupción total del servicio.
El mantenimiento de los seccionadores de transferencia, condiciona a dejar fuera de servicio la línea correspondiente.
Esquema de interruptor y medio
El campo de aplicación de esta configuración de barras se limita a las E.T. De gran potencia o a instalaciones importantes donde la continuidad del servicio es fundamental. La limitación radica en el elevado costo función del equipamiento utilizado.
El inconveniente principal de este esquema, lo proporciona el complejo sistema de protección del mismo dado que debe coordinarse correctamente la actuación del interruptor central ante fallas en cualquiera de las salidas a las que se encuentra vinculado.
La configuración de interruptor y medio se utiliza fundamentalmente en el nivel de 500 [kV] dada la importancia del mismo.
Esquema de doble interruptor
El sistema de doble juego de barras y doble interruptor se utiliza en instalaciones muy importantes donde es fundamental la continuidad del servicio o para la vinculación de centrales eléctricas.
Ante fallas en uno de los interruptores o bien en una de las barras, el sistema de protección mantiene el otro interruptor y barra sin producir la interrupción del servicio.
Con esta disposición no resulta necesario el equipamiento de acoplamiento, debíéndose evaluar la necesidad de tener duplicado por salida los interruptores, transformadores de medición, etc.
1)rendimiento c-Aproximadamente el 40-45%, esto es debido a la curva de carga típica de un transformador a lo largo del tiempo donde el promedio de la carga es del 40-50%.
2 ) a-objetivo de la reg de tensión Mantener constante la tensión secundaria ante las variaciones de la tensión primaria debido a la variación de carga.
b- operación física para regulación Mediante la conmutación. Un interruptor agrega o quita espiras del devanado.
c- parte en que se realiza la regulación En los trafos de 2 arrollamientos la regulación se realiza en el devanado de menor corriente. Para un trafo de 3 arrollamientos se regula en el primario y secundario de mayor tensión, dejando el terceario de mayor corriente y menor tensión sin regulación.
d –tipos de regulación Regulación bajo carga y regulación sin carga. Los sin carga se utiliza en trafos de distribución y los bajo carga en trafos transmisión.
3 b Conexión en paralelo de los trafos MONOFASICOS
Igual frecuencia nominal, igual relación de transformación, igual polaridad (Obligatorias)
Igual tensión de cc (deseable)
TRIFASICOS
Igual que los monofasicos, ademas debe poseer el mismo grupo de conexión
4)
b-Corriente nominal, tensión nominal, intemperie o interior e indice de sobrecarga, la clase (error) y la corriente que deseo en el secundario.
c-Esta constituido por un divisor de tensión por medio de capacitores. Se utiliza como transformador de tensión para medición debido a la gran exactitud que alcanza en la medida.
5)a-Es un elemento electromecánico utilizado para abrir un circuito bajo carga y falla. Es un elemento de protección y maniobra accionado manualmente o por relé. -Características REVISAR APUNTE UNIDAD V- Tipos: Vacío, gran volumen de aceite, pequeno volumen de aceite, aire, SF6 (Hexafloruro de azufre).
b-Es un elemento de maniobra el cual produce una apertura visible del circuito. La diferencia con el interruptor es que no puede maniobrar bajo carga.