Subestaciones Eléctricas

Una subestación eléctrica es una instalación destinada a modificar y establecer los niveles de tensión de una infraestructura eléctrica, para facilitar el transporte y distribución de la energía eléctrica. Su equipo principal es el transformador. Normalmente esta dividida en secciones, por lo general 3 principales, y las demás son derivadas.

Las secciones principales son las siguientes:

    Sección de medición.
    Sección para las cuchillas de paso.
    Sección para el interruptor.

Las secciones derivadas normalmente llevan interruptores, depende de que tipo, hacia los transformadores.

Como norma general, se puede hablar de subestaciones eléctricas elevadoras, situadas en las inmediaciones de las centrales generadoras de energía eléctrica, cuya función es elevar el nivel de tensión, hasta 132, 220 o incluso 400 kV, antes de entregar la energía a la red de transporte. Las subestaciones eléctricas reductoras, reducen el nivel de tensión hasta valores que oscilan, habitualmente entre 13,2, 15, 20, 45 ó 66 kV y entregan la energía a la red de distribución. Posteriormente, los centros de transformación reducen los niveles de tensión hasta valores comerciales (baja tensión) aptos para el consumo doméstico e industrial, típicamente 400 V.
Transformador de alta tensión usado en las subestaciones de electricidad.

Existen dos razones técnicas que explican por qué el transporte y la distribución en energía eléctrica se realizan a tensiones elevadas, y en consecuencia, por qué son necesarias las subestaciones eléctricas:

    Las pérdidas de potencia que se producen en un conductor por el que circula una corriente eléctrica, debido al Efecto Joule, son directamente proporcionales al valor de esta (P= I^2\cdot R).
    La potencia eléctrica transportada en una red es directamente proporcional al valor de su tensión y al de su intensidad (P= V\cdot I).

Por tanto, cuanto mayor sea el valor de la tensión, menor deberá ser el de intensidad para transmitir la misma potencia y, en consecuencia, menores serán las pérdidas por efecto Joule.

Además de transformadores, las subestaciones eléctricas están dotadas de elementos de maniobra (interruptores, seccionadores, etc. y protección fusibles, interruptores automáticos, etc. que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y operación de las redes de distribución y transporte.
Avances en la maniobrabilidad

Uno de las maniobras más habitual y a la vez, más peligrosa, que se realiza en una subestación eléctrica es la apertura y cierre de interruptores, debido a que, el carácter inductivo de los circuitos, presenta rechazo al corte en la circulación de la intensidad eléctrica que se produce en la apertura de un interruptor. Pueden aparecer incluso, arcos eléctricos que liberan una gran cantidad de energía, y que pueden resultar peligrosos para las personas e instalaciones, por lo cual se debe usar equipo de protección personal especial, al realizar cualquier tipo de maniobra, como zapatos de seguridad y guantes, ambos de materiales dielectricos, que produzcan suficiente aislación para la tensión de operación y un traje contra destello de arco eléctrico.

Los avances tecnológicos y las mejoras de diseño, han permitido sustituir los interruptores eléctricos convencionales, con corte al aire, por interruptores blindados, que realizan el corte de los circuitos en un depósito del gas hexafloruro de azufre (SF6), que impide la formación de arcos y la propagación de la llama.

Tomado de wikipedia.org

Transformador de Potencia

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes  móviles, el cual transfiere energía de un circuito a otro bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los de voltajes de corrientes.

Un transformador elevador recibe la potencia a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor bajo.

Sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito cerrado, y sobre de cuyas columnas o piernas se localizan los devanados, uno denominado “primario” que recibe la energía y el otro secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización  al cual entrega la energía.

Los devanados se encuentran eléctricamente aislados entre sí, un transformador consta de dos partes esenciales:

•El núcleo magnético.
•Los devanados.

Están relacionados con otros, elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctricas entre distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la maquina en general, en cuanto a las disposiciones constructivas, el núcleo determina características relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, y puede ser llamado “núcleo tipo columnas” y el “núcleo tipo acorazado” , existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es el ejemplo de el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos, o bien en termino de su potencia y el voltaje para aplicaciones, como por ejemplo:

Clasificar en transformadores de potencia a tipo de distribución.

La parte activa del transformador va sumergida en aceite, dispuesta en un tanque o caja.

La caja elimina  el calor fundamentalmente por convección y por radiación.

 

 

La construcción del núcleo.

 
El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes circulantes.
Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por este concepto.

Elementos de los núcleos de transformadores.

 
En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales: "las columnas" o piernas y los yugos". En las columnas se alojan los devanados y los yugos unen entre si a las columnas para cerrar el circuito magnético.
Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los núcleos que cierran el circuito magnético, terminar al mismo nivel en la parte que está en contacto con los yugos, o bien con salientes, en ambos casos los núcleos se arman con "juegos" de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos "pares" e "impares".
Cuando se han armado los niveles a base de juegos de laminaciones colocadas en "pares" e "impares" el núcleo se sujeta usando tornillos opresores y separa por medio de los tornillos tensores.
En cuanto a los Yugos, se refiere, no estando vinculados estos con los devanados, pueden ser, entonces, rectangulares, aún cuando pueden tener también escalones para mejorar el enfriamiento.

Tipos de núcleos.

Cuando se ha mencionado con anterioridad, los núcleos para transformadores se agrupan básicamente en las siguientes categorías:
a) Tipo núcleo o de columnas.
 b) Tipo acorazado.
c) Tipo núcleo o de columnas.
Existen distintos tipos de núcleos tipos columna, que está caracterizados por la posición relativa de las columnas y de los yugos.
Núcleo monofásico.     
Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se encuentran incrustadas la mitad del devanado primario y la mitad del devanado secundario.
Núcleo trifásico.
Se tienen tres columnas dispuestas sabor el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada columna se incrustan los devanados primarios y secundarios de una fase. Las corrientes magnetizante de las tres fases son distintas entre sí, debido principalmente a que el circuito magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente magnetizante de las tres fases son distintas entre sí, debido principalmente que el circuito, magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente de vacío es bastante baja, tiene influencia solamente para las condiciones de operación en vacio.
 

Tipo acorazado.

 
Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeños, las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construcción pueden ser distintas y varían de acuerdo con la potencia.


“Herrajes o armadura”


Como se ha mencionado antes, los núcleos de los transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente mecánicas de sujeción de las laminaciones y estructuras, estas pares o elementos se conocen como herrajes o armadura y se complementan con componentes, como fibra de vidrio o madera para protección de la sujeción de los yugos.

“Los devanados de los transformadores”
 

Los devanados de los transformadores se pueden clasificar en baja y lata tensión, esta distinción es de tipo global y tiene importancia para los propósitos de la realización práctica de los devanados debido a que los criterios constructivos para la realización de los devanados de baja tensión, son distintos de los usados para los devanados de alta tensión.
En este tipo de transformadores  los devanados primario y secundario son concéntricos y bobinado sobre un soporte aislante único. Por lo general se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobre puestas. Por lo general, el devanado de menor tensión se instala más cerca del núcleo, interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores se instala en forma concéntrica al devanado de tensión mayor.
Los extremos de los devanados (denominados también principio y final de devanador) se protege con aislante de forma de tubo conocido como “spaguetti”.


“Devanados para transformadores de distribución” 

En estos transformador, las diferencias entre las tensiones primaria y secundaria es notable, por ejemplo los transformadores para redes de distribución de 13200 volts a las tensiones de utilización de 220/127 volts debido a estas diferencias, se emplean criterios constructivos distintos a los considerados en los transformadores pequeños de baja tensión y se dividen en devanados de baja tensión y alta tensión.

“Devanados de baja tensión”

Estan constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en 2 o 3 capas sobrepuestas), con alambres rectangulares aislados. El conductor se usa generalmente para potencias pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos, pueden ser de algodón y de papel, y mas raramente conductor esmaltado en caso de que los transformadores no sean enfriados con aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera de cobre asilada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte del devanado sean elevadas ya sea por facilidad de manipulación en la construcción o bien para reducir las corrientes parásitas, se puede construir el devanado con más de una solera o placa en paralelo.
Devanados de alta tensión.

Los devanados de alta tensión, tiene en comparación con los de baja tensión, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de sección circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Con respecto a las características constructivas, se tienen variantes de fabricante a fabricante, hay básicamente dos tipos, el llamado "tipo bobina" formados de varias capas de conductores, estas bobinas tienen forma discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie para dar el número total de espiras de una fase. El otro tipo es el llamado "de capas" constituido por una sola bobina con varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las varias bobinas discoidales que constituirían el devanado equivalente, por lo general, el número de espiras por capa en este tipo de devanado; es superior al constituido de varias bobinas discoidales.
Posición de los devanados

La disposición de los devanados en los transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma las dos exigencias que son contrastantes entre sí, del aislamiento y de la menor dispersión del flujo. La primera requiere de la mayor separación entre devanados, en tanto que la segunda, requiere que el primario se encuentre los más cercano posible del secundario. En la práctica, se alcanza una solución conveniente del problema con la disposición de los devanados dentro e los siguientes tipos:
>Concéntrico.  >Concéntrico doble.  >Alternado.
En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados está distribuido a lo largo de toda la columna, el devanado de tensión más baja se encuentra en al parte interna (más cercana al núcleo) y aislado del núcleo, y del de tensión mas elevada, por medio de tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita, etc).

En la disposición de concéntrico doble, el devanado de tensión más baja se divide en dos mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno de otro.

En el llamado tipo alternado, los dos devanados están subdivididos cada uno en una cinta número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada.
Las consideraciones que orientan desde el punto de vista de diseño, la disposición de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.
El llamado concéntrico doble tiene la prerrogativa de dar lugar a la reactancia de dispersión con valor de alrededor de la mitad de aquel relativo al concéntrico simple. El tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.. para los esfuerzo mecánicos son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecánicos.


Aislamiento externo de los devanados.
Los devanados primario y secundario, deben estar aislados entre si, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que además cumplan con funciones refrigerantes.
Sistema de amarre axial de los devanados mediante tornillos opuestos de presión.
El aislamiento entre lascase de los transformadores trifásicos se efectúa separando convenientemente las columnas, entre las cuales se interponen algunas veces separadores o diafragmas de cartón tratado o bien de baquelita.    
El aislamiento externo entre las fases, se logra por medio de las boquillas a las que se conectan las terminales de los devanados.

Conexiones de los devanados.
Cuando se construye un devanado, se puede bobinar en el sentido a la derecha o a la izquierda (con respecto al sentido de las manecillas del reloj), se ha observado que una corriente que tiene un determinado sentido, produce un flujo magnético en sentido opuesto, se tiene un devanado construido hacia la izquierda o un devanado hacia la derecha, esto se debe tomar en consideración, para evitar que con las conexiones que se realicen, se tengan flujos opuestos o voltajes inducidos opuestos. En general, cada fabricante adopta un sentido único de devanado para todas las bobinas, tanto secundarias como primarias.


Materiales eléctricos usados en la construcción de transformadores.

 Conductores eléctricos. 
Los materiales usados como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctricas, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes:                      
1. La más alta conductividad posible.
2. El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.
3. Una la adecuada resistencia mecánica.

4. Deben ser dúctiles y maleables.
5. Deben ser fácilmente soldables.
6. Tener una adecuada resistencia a la corrosión.
 

La temperatura y los materiales aislantes.

Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las maquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso especifico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales:
El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir,  influye el voltaje de operación.
Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.
Se presentan también pérdidas en las uniones o conexiones que se conocen también como "puntos calientes" así como en los cambiadores de derivaciones.                         
Todas   estas   pérdidas   producen   calentamiento   en   los transformadores, y se debe eliminar este calentamiento a valores que no resultan peligrosos para los aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento.
Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las maquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos límites previamente definidos. Las perdidas en una máquina eléctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevación de temperatura para los devanados, esta elevación de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad.

Métodos de enfriamiento dé transformadores de potencia. 

Como ya se mencionó antes, el calor producido por las pérdidas en los transformadores afecta la vida de los aislamientos, por esta razón es importante que este calor producidos disipe de manera que se mantenga dentro de los límites tolerables por los distintos tipos de aislamiento.
La transmisión del calor puede las etapas siguientes en los transformadores:

• Conducción a través del núcleo, bobinas y demás elementos hasta la superficie.
• Transmisión por convección en el caso de los transformadores secos.
• Para los transformadores en aceite, el calor se transmite por convección a través de/éste dieléctrico

PARTE DEL TRANSFORMADOR	MODO DE ENFRIAMIENTO	CLASE DE AISLAMIENTO (POR TEMPERATURA)	CALENTAMIENTO (°C)
Devanados	Por aire, natural o con ventilación rozada	A E B F H C	60 75 80 100 125 150
a. Circuito magnéticos y otras partes. b. Sin estar en contacto con los devanados.			a. Los mismos valores que para los devanados. b. Valores similares a las partes aislantes susceptibles de entrar en contacto con los devanados.

 Líquidos refrigerantes y aislantes

El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido.

 La transmisión del calor se hace por un medio en forma más o

menos eficiente, dependiendo de los siguientes factores:

• La más volumétrica. 
• El coeficiente de dilatación térmica.
• La viscosidad.
• El calor específico.
• La conductividad térmica.

En condiciones geométricas y térmicas idénticas, el aceite es mejor conductor térmico que el aire, es decir resulta más eficiente para disipación del calor.

BIBLIOGRAFIATRANSFORMADORES DE POTENCIA DE MEDIDA Y DE PROTECCION

Enrique Ras Oliva. Editorial AlfaOmega