Este documento describe las subestaciones encapsuladas en SF6 (GIS). Explica que los GIS contienen los mismos elementos de una subestación convencional como interruptores, seccionadores y transformadores, pero encerrados en un recubrimiento metálico con gas SF6 como aislante. Ofrece ventajas como menor tamaño, facilidad de montaje e inmunidad a la contaminación, pero a mayor costo inicial. Detalla los componentes, equipos, esquemas de conexión y aspectos de diseño, monitoreo y mantenimiento de una GIS.
Ingeniería de Tránsito. Proyecto Geométrico de calles y carreteras, es el pro...
GIS: Gas Insulated Substations
1. CURSO DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DE
ALTA TENSIÓN
ING. NATHALI E MORALES MARIÑO
SUBESTACIONES GIS
Agosto 2020
2. Subestación que contiene los mismos elementos de una
subestación convencional (interruptores, seccionadores,
transformadores de tensión, transformadores de corriente,
pararrayos) colocados dentro de un recubrimiento metálico
(aluminio o acero) aterrizado, conteniendo gas SF6 como
medio aislante a una presión entre 3 y 5 atmósferas.
En un inicio se fabricaban para tensiones de entre 60 kV y 100
kV, pero han desarrollado también para S/E de alta y extra alta
tensión, en donde por su tamaño se han vuelto muy adecuadas
para estos rangos de voltajes.
SUBESTACIONES ENCAPSULADAS EN SF6
GIS: GAS INSULATED SUBSTATIONS
3. Características:
Incoloro, inodoro, inerte (químicamente estable)
No tóxico, no inflamable
Rigidez dieléctrica 2 a 3 veces la del aire a presión atmosférica, e igual a
la del aceite a 3 atmósferas
También es usado como medio de extinción en interruptores
Recobra rápidamente sus cualidades dieléctricas una vez extinguido
algún arco eléctrico.
Altamente contaminante para el medio ambiente (capa de ozono).
La capacidad de aislamiento del SF6 depende de la densidad del gas. La
temperatura no lo afecta a menos que baje tanto que llegue a
condensación.
GAS SF6: HEXAFLUORURO DE AZUFRE
Es el principal componente de un GIS, pues está usado como medio
aislante de barras y equipos
4. Monitoreo:
Las GIS deben tener sensores de densidad del SF6, que es un medidor de
presión con compensación por temperatura.
• Con la primera etapa de alarma de este sensor se deberá añadir SF6
• Con la segunda etapa (densidad muy baja) GIS sale de servicio
Para supervisar el SF6, los GIS vienen divididos en secciones, así los
interruptores por su requerimiento de extinción de arco tienen su propio
compartimiento y supervisión del gas, e incluso mayor presión que el resto
de secciones.
Las secciones ayudan a sacar de servicio partes del GIS sin afectar el resto,
facilita la detección de fugas.
GAS SF6: HEXAFLUORURO DE AZUFRE
5. VENTAJAS ENCAPSULADAS VS. CONVENCIONALES
Tamaño reducido: 5 al 15 % del área de la convencional
Menor tiempo de montaje (pre ensamblaje de partes)
A prueba de contaminación ambiental
Menor mantenimiento
Mayor seguridad a los operadores
No produce radiointerferencia
6. DESVENTAJAS ENCAPSULADAS VS. CONVENCIONALES
Mayor costo de los equipos
Mayor dificultad y costo para las ampliaciones
Imposibilidad de conexión de GIS de diferentes fabricantes
Necesidad de seccionadores de puesta a tierra en todas las secciones
del encapsulado
Mayor dificultad para visualizar la configuración
7.
8. ENVOLVENTES: SEGÚN MATERIAL
Ventajas Aluminio Vs. Acero
Más liviano
No es magnético
Menor resistividad eléctrica
Ventajas Acero Vs. Aluminio
Mayor resistividad mecánica
Mayor tiempo de perforación por arco interno
Envolvente de aluminio debe ser más gruesa que una de acero.
El envolvente es la cubierta exterior del GIS que contiene a los equipos y
al gas SF6 y debe estar conectado a tierra. Tiene forma de tubo, en el
centro va el conductor, sujeto por aisladores o separadores, y el espacio
entre el conductor y la envolvente queda llena de SF6.
10. Envolventes Trifásicas:
Se utiliza en general para tensiones menores a 200 kV
Menores inversiones iniciales (menor costo envolvente)
Menor espacio ocupado
Montaje más rápido y simple
Más fácil mantenimiento
Mejor visión de conjunto
COMPARATIVO ENVOLVENTES TRIFÁSICAS VS.
ENVOLVENTES MONOFÁSICAS
Envolventes Monofásicas:
Se utiliza en general para tensiones mayores a 200 kV
Más simple de fundir en una sola pieza
Monofásicas mejor capacidad de soportar cortocircuitos
11. Parte del D.U. y la configuración de la S/E bajo los mismos criterios
que en S/E convencionales.
Por tendencia:
• Interruptor y medio para S/E EHV
• Doble barra para S/E de HV.
GIS a la intemperie: no se afectan por condiciones ambientales
en cuanto a aislamiento, pero cuidar de la corrosión y que los
mecanismos de control de gas resistan intemperie.
GIS interior: es práctica común situar la S/E GIS dentro de una
edificación, por el grado de limpieza durante el montaje o
mantenimientos y el costo de la edificación no es significativo
comparado con el global de la S/E.
ESQUEMA FÍSICO
14. CONEXIÓN A EQUIPOS EXTERNOS
a) Conexión a línea aérea: la GIS termina en un buje SF6/aire
Se debe considerar para el arreglo físico la dirección y número de líneas
aéreas de llegada y la cantidad y ubicación de transformadores o
reactores, y su conexión a la GIS, para esto hay tres alternativas:
15. b) Conexión blindada directa mediante un conductor aislado a
gas entre la GIS y el transformador
CONEXIÓN A EQUIPOS EXTERNOS
16. c) Conexión a cable aislado
CONEXIÓN A EQUIPOS EXTERNOS
17. ASPECTOS SOBRE GIS
Hibridos:
Combina aislamiento en aire y en SF6, por lo general el barraje es
convencional y los módulos de equipo primario están aislados en SF6.
18. ASPECTOS SOBRE GIS
Orientación de los interruptores: se los puede montar en posición
Horizontal: aconsejable para tensiones más altas por el peso, y menos
esfuerzo a la base o estructura durante la operación del interruptor.
Vertical: Para niveles de tensión menores, ocupan menos espacio
dentro de la solución.
Consideraciones para Operación y Mantenimiento:
Durante el diseño se debe considerar el acceso a la GIS para operación
y mantenimiento, visualización de equipos, por ejemplo ventanillas en
los seccionadores.
Las partes que se requieran ser accesibles con la GIS en operación
deberán serlo sin necesidad de desmantelar la envolvente.
19. ASPECTOS SOBRE GIS
Ubicación de TC’s: es más económico ubicar los TC’s en los bushings
SF6/aire de salida que colocarlos dentro del GIS, pero colocándolos
dentro se puede tener TC’s a ambos lados de un interruptor, dependerá
de los criterios de protección.
Posibilidades de ampliación:
Se logra alargando los barrajes y añadiendo más grupos de
interruptores, para lo que se debe prever el espacio para futuro.
Se debe diseñar la GIS para mantener en servicio la mayor parte
posible del GIS existente durante los trabajos de extensión.
Ampliar un GIS con suministro de otro fabricante es complicado pues
se tendrán diferentes diámetros y presiones de gas, se deberá definir
responsabilidades de cada fabricante sobre el futuro funcionamiento.
22. Monofásico
Trifásico
EQUIPOS SECCIONADORES DE PUESTA A TIERRA
Para mantenimiento con
mecanismo de baja velocidad
de operación.
Con capacidad de cierre en
carga con mecanismo de alta
velocidad.
24. OTROS EQUIPOS
Presóstato y
válvula de presión
Pararrayos
Espaciador
Pararrayos es la principal protección del GIS frente a
sobretensiones. Ubicados en la terminación de la
L/T de llegada o trafo, o de ser necesario
encapsulados en el GIS.
25. ESPACIADORES ‐ CONDUCTORES
Espaciadores: soportan los conductores o dividen al GIS en
diferentes secciones.
Aislamiento Sólido: divide el GIS en distintas secciones de gas
Perforado: sólo como soporte.
Conductores:
Tubos de aluminio cuyo diámetro y espesor dependen de la
tensión y la corriente nominal.
30. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO GIS
Tienen aislamiento interno y una falla de aislamiento puede dañar el
equipo, por lo que los GIS deben ser protegidos por pararrayos.
Se tienen sobretensiones de maniobra y atmosféricas, las ondas de las
sobretensiones tipo rayo son parcialmente transmitidas al interior del GIS
por la discontinuidad de la impedancia en el punto de entrada ( Zlínea ≈
300 Ω y ZGIS ≈ 60 Ω) entonces se transmite la tercera parte del rayo.
La onda viaja dentro del GIS y empieza a reflejarse en los equipos lo que
hace incrementar el nivel de tensión por suma de estas ondas,
incrementando paulatinamente la tensión hasta que alcanza el nivel de
protección del pararrayos, actúa y limita la sobretensión.
El pararrayos suele ponerse a la entrada al GIS y en los puntos más lejanos
a este es donde más altas pueden ser las sobretensiones.
31. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO GIS
Las ondas reflejadas pueden también llegar a los equipos externos al GIS
como por ejemplo, líneas, cable aislados o el transformador.
Se deberá hacer simulaciones digitales para optimizar el lugar de
ubicación de los pararrayos, normalmente con el pararrayos a la entrada
del GIS es suficiente, pero se puede incluir pararrayos encapsulados en
los siguientes casos:
Muy altas tensiones
En S/E muy largas
Para proteger al transformador de potencia si está conectado de
forma blindada o con cables
Protección de líneas conectadas al GIS con cables aislados
Zonas muy contaminadas (aislamiento externo de la conexión al GIS)
32. TABLERO DE CONTROL Y MONITOREO
Al igual que en AIS, asociada a cada bahía se debe tener un tablero de
medición, control, protección y supervisión del gas.
Se colocan adyacentes a cada módulo del GIS
Tienen un mímico para el control del equipo.
Se tiene sistemas de supervisión y monitoreo en línea de los
componentes y del gas del GIS con la ayuda de sensores para medición
de densidad del gas, los más modernos usan osciladores de cuarzo que
permite no solo señales de alarma sino un monitoreo continuo,
enfocado al mantenimiento preventivo, para lo cual también hay
sensores de descargas parciales, detectores ópticos de arco, sensores de
temperatura, etc que incrementan aún más la disponibilidad del GIS.
Presentación GIS ABB