1. Equipos Primarios de una Subestaciones electricas

“Subestaciones Eléctricas”
Horario: Lunes a Viernes de 13:00 a 14:00
“Educación Tecnológica con compromiso social”
Tecnológico Nacional de México
Instituto Tecnológico de Acapulco
Instituto Tecnológico de Acapulco Subestaciones Eléctricas Ing. Daniel Valladares Arellano

Unidad 1
1. Equipos primarios de una subestación eléctrica.
1.1 Definición, clasificación y elementos constitutivos de una
subestación.
1.2 Clasificación y tipos de enfriamiento en transformadores de
potencia.
1.3 Interruptores de potencia.
1.3.1. Interruptores de gran volumen de aceite.
1.3.2. Interruptores en aire.
1.3.3. Interruptores de vacío.
1.3.4. Interruptores de hexafloruro de azufre.
1.3.5. Especificación y selección de Interruptores de
Potencia.

Unidad 1
1.4 Cuchillas y Fusibles. Definición, clasificación, especificación y
operación.
1.5 Apartarrayos.
1.5.1. Definición y operación de apartarrayos.
1.5.2. Naturaleza de las sobretensiones.

Subestaciones Eléctricas

La industria eléctrica en el mundo ha tenido un desarrollo
importante desde el invento de la lámpara eléctrica en 1879 por
Thomas Alva Edison, hasta la aparición de las computadoras en la
década de los 50´s y todas las variantes que ha habido en los
inicios del siglo XXI. En el año de 1882, se puede decir que se dio
inicio a la conformación de los sistemas eléctricos, Thomas Alva
Edison puso en servicio la primera central eléctrica en Lower,
Manhattan, y en ese mismo año, en Londres, Inglaterra, se puso
en servicio el primer Sistema de Suministro de Energía Eléctrica
Publico.
Ambos sistemas, el de Edison y el Inglés, eran en corriente
directa, y debido a que se tenía un voltaje limitado, la central
generadora debería estar cerca de la carga, por lo que el
problema de transmisión a distancia no se podía resolver, esto

ocurrió hasta 1888, cuando se inició la aplicación de la corriente
alterna y se resolvió el problema del paralelismo en las máquinas
de corriente alterna (C.A.), esto en realidad fue una batalla entre
Edison y George Westinghouse entre la C.D. y C.A., que
finalmente ganó Westinghouse, lo que permitió el inicio de la
fabricación de transformadores en la fábrica de
"Transformadores Stanley", que fue realmente el principio de los
sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica y la
aparición de lo que se conoce como LAS SUBESTACIONES
ELÉCTRICAS.

subestación.
Subestación Eléctrica:
Es un conjunto de dispositivos eléctricos, que forman parte de un
sistema eléctrico de potencia; sus funciones principales son:
Transformar tensiones y derivar circuitos de potencia.
Una subestación eléctrica es la exteriorización física de un nodo
de un sistema eléctrico de potencia (SEP), en el cual la energía se
transforma a niveles adecuados de tensión para su transporte,
distribución o consumo, con determinados requisitos de calidad.
Está conformada por un conjunto de equipos, estructuras y
mecanismos que, en conjuntos, desempeñan funciones de
dirección y distribución de bloques de energía eléctrica, por
medio de dispositivos automáticos de corte, control y de
protección; sirven además de punto de interconexión para

subestación.
facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica
garantizando flexibilidad, confiabilidad, seguridad y Modularidad
al Sistema Nacional de Transmisión.

1.1 Definición, clasificación y elementos constitutivos
de una subestación.
La red eléctrica de un sistema eléctrico de potencia, se opera a
distintos niveles de voltaje, desde la generación hasta la
utilización.
En las empresas generadoras de energía eléctrica, los niveles de
voltaje pueden estar en el rango de 13.2 a 24 kV para los grandes
generadores síncronos trifásicos, la fuente primaria de
accionamiento de los generadores puede ser agua
(hidroeléctricas), o bien, vapor (obtenido de la combustión de
combustóleo, gas o carbón), y adicionalmente, para cubrir la
generación durante los picos de la demanda, se pueden usar
turbinas de combustión de gas.
Los voltajes de salida de los generadores se elevan a niveles de
transmisión en las llamadas subestaciones elevadoras.

Subestaciones Elevadoras
Están localizadas en las propias Centrales Eléctricas, donde los
voltajes de transmisión se pueden encontrar, dependiendo del
tamaño del sistema eléctrico de potencia, en el rango de 115 a
800 kV, existiendo aún tensiones mayores en corriente alterna en
ciertos sistemas eléctricos de algunos países y, por supuesto,
también la transmisión en corriente directa, cuyos niveles de
tensión pueden estar en el rango de ± 800 kV en la mayoría de
los casos.
Algunos niveles típicos de voltaje usados en los sistemas
eléctricos de potencia, se dan en la tabla siguiente, Agrupándolos
en transmisión, subtransmisión, distribución y utilización.

En México, los voltajes preferentes en cada rango son los que se
indican:

Normalmente, la llamada red de subtransmisión recibe potencia
del sistema o red de transmisión en distintos puntos ubicados en
las subestaciones de transmisión, y a su vez, la red de
subtransmisión se usa para alimentar a la red de distribución en
las subestaciones de subtransmisión; de estas redes de
distribución se alimenta a los distintos tipos de usuarios
(residenciales y comerciales). En el caso de grandes usuarios o
clientes (de tipo industrial generalmente), se pueden alimentar
de la red de subtransmisión, o bien, de la transmisión al voltaje
requerido, según el tamaño de la carga.

La red de transmisión se usa para transmitir grandes cantidades
de potencia eléctrica de las plantas generadoras a los centros de
carga más importantes y para facilitar el intercambio de potencia
entre empresas eléctricas.
En forma similar a las plantas generadoras, la red de transmisión
se debe diseñar para una máxima confiabilidad y flexibilidad de
operación.
Las líneas de transmisión se conectan entre subestaciones,
saliendo de las subestaciones de las centrales eléctricas o plantas
generadoras o para interconectar sistemas eléctricos que sean
vecinos. En el siguiente diagrama, se muestra un ejemplo de red
de transmisión.

Dependiendo del nivel de voltaje, potencia que manejan,
objetivo y tipo de servicio que prestan, las subestaciones se
pueden clasificar como:
 Subestaciones elevadoras.
 Subestaciones reductoras.
 Subestaciones de enlace.
 Subestaciones en anillo.
 Subestaciones radiales.
 Subestaciones de switcheo.
 Subestaciones Elevadoras.
Este tipo de subestaciones se usa normalmente en las centrales
eléctricas, cuando se trata de elevar los voltajes de generación a
valores de voltajes de transmisión.

 Subestaciones Reductoras.
En estas subestaciones, los niveles de voltaje de transmisión se
reducen al siguiente (subtransmisión), o de subtransmisión a
distribución o eventualmente a utilización.
Estas son subestaciones que se encuentran en las redes de
transmisión, subtransmisión o distribución y constituyen el
mayor número de subestaciones en un sistema eléctrico.
 Subestaciones de Enlace.
En los sistemas eléctricos. se requiere tener mayor flexibilidad de
operación para incrementar la continuidad del servicio y
consecuentemente la confiabilidad, por lo que es conveniente el
uso de las llamadas subestaciones de enlace.

 Subestaciones en Anillo.
Estas subestaciones se usan con frecuencia en los sistemas de
distribución para interconectar subestaciones que están
interconectadas a su vez con otras.
 Subestaciones Radiales.
Cuando una subestación tiene un sólo punto de alimentación y
no se interconecta con otras, se denomina RADIAL.
 Subestaciones de Switcheo.
En estas subestaciones no se tienen transformadores de
potencia, ya que no se requiere modificar el nivel de voltaje de
las fuentes de alimentación y sólo se hacen operaciones de
conexión y desconexión (maniobra o switcheo).

Las subestaciones eléctricas en transmisión y distribución se
diseñan también para tener, en la medida de lo posible, una
máxima confiabilidad y flexibilidad de operación.
La facilidad para switchear o desconectar equipo y sacarlo de
servicio para salidas programadas o no programadas,
manteniéndolo en operación, es esencial para la operación
confiable de los sistemas.
Existen varios arreglos de barras para las subestaciones, que son
usados por las distintas empresas eléctricas para satisfacer el
requerimiento de una operación confiable y flexible del sistema.
Algunos de estos arreglos se usan en las subestaciones de los
sistemas eléctricos de potencia, pero también en instalaciones
para grandes usuarios industriales y comerciales.

La selección de un arreglo de barras en particular y su
representación en un diagrama unifilar, de los llamados
simplificados, requiere de un estudio previo donde se
determinen: los requerimientos de la demanda de energía, las
ampliaciones del sistema y la afectación que esto pueda tener, la
flexibilidad y facilidad para el mantenimiento, así como los costos
asociados a la cantidad de equipo que interviene en cada tipo de
arreglo de barras.
Los arreglos de barras más comunes son los que se indican a
continuación, en orden de complejidad y costo.
a) Barra simple o sencilla.
b) Barra seccionada.
c) Barra principal y barra de interconexión.
d) Barra principal y barra de transferencia.

e) Barra principal y barra auxiliar.
f) Barra principal, barra auxiliar y barra de transferencia.
g) Interruptor y medio.
h) Doble barra, doble interruptor.
una descripción genérica de algunos de los arreglos de barras
más comunes o de uso más generalizado se da a continuación:

Arreglo de barra sencilla
Son subestaciones que constan solamente de una barra para
cada tensión, por lo que no ofrecen mayor grado de flexibilidad,
ya que una falla en barras produce la salida total, por lo que se
procura que tengan la capacidad de poder ser seccionadas a
través de cuchillas. El mantenimiento en ellas se dificulta al no
poder transferir el equipo, su utilización es principalmente en
subestaciones de pequeña capacidad o de tipo industrial
pequeñas.

Arreglo de barra Radial
El esquema de barra radial mostrado en la siguiente figura,
representa el arreglo más económico en términos de
requerimiento del equipo. Obsérvese que sólo se tiene un
interruptor por cada terminación de línea, sin ninguna previsión
para alimentar una línea de otra barra dentro de la subestación;
por lo tanto, la configuración radial ofrece la menor flexibilidad
operativa. Se usa en subestaciones de distribución o de
subtransmisión.

Arreglo de barra en Anillo
En el esquema de barra en anillo, que se muestra en la siguiente
figura, el número de interruptores es igual al número de líneas
que terminan en la subestación. La barra en anillo es un diseño
más económico que el denominado de interruptor y medio, pero
también ofrece menor confiabilidad y flexibilidad de operación.
El nombre de barra o bus en anillo, viene del hecho que los
interruptores y el bus de trabajo forman un anillo eléctricamente.

Arreglo de barra de Transferencia
El arreglo con barra de transferencia puede tener algunas
variantes, en este tipo de arreglo cada línea de transmisión está
conectada a la barra principal por medio de una cuchilla
desconectadora, como se muestra en la figura.
La barra o bus de transferencia está conectado a la barra o bus
principal por medio de un interruptor de transferencia, el bus de
transferencia sirve entonces como una alternativa de suministro
para cualquiera de las líneas de transmisión. En condiciones
normales de operación, el bus de transferencia y el bus principal
están energizados.
Cuando es necesario retirar de servicio alguno de los
interruptores de línea, se puede seguir el orden de desconexión
que se indica:

1. Disparar o desconectar el interruptor de transferencia.
2. Se cierra el interruptor del bus de transferencia de la línea
afectada.
3. Se recierra el interruptor del bus de transferencia.
4. Se dispara o abre el interruptor de la línea afectada.
5. Se abre la cuchilla desconectadora para aislar el interruptor.
Este orden de desconexión es sólo una posibilidad, ya que el
orden finalmente depende del arreglo de la subestación y de los
procedimientos de operación de la empresa eléctrica.

Arreglo de Interruptor y medio
El esquema de interruptor y medio mostrado en la figura, se usa
normalmente en subestaciones eléctricas de la red de
transmisión, en voltajes de 220 kV, 230 kV o superiores. En este
esquema de arreglo de barras para subestaciones, hay dos barras
o buses principales con tres interruptores que conectan a las dos
barras. Las líneas de transmisión terminan en un punto
eléctricamente entre cualquiera de los dos interruptores. El
nombre de "interruptor y medio" viene probablemente del hecho
que hay tres interruptores por cada dos líneas de transmisión, o
bien, 1 1/2 interruptor por línea, el interruptor y medio es, de
hecho, compartido por dos líneas.
Paro subestaciones con más de cuatro terminaciones para líneas
de transmisión, se requieren más bahías de interruptores con las
líneas terminales en forma similar a la figura siguiente:

Con este esquema se logra un alto grado de confiabilidad, dado
que cualquier interruptor se puede retirar de operación,
manteniendo todas las líneas de transmisión energizadas. Por
ejemplo, de la figura anterior, si el interruptor A falla o es retirado
de servi ci o por manten i miento programado, lo línea de
transmisión T-l permanece energizada a través del interruptor B;

En algunas ocasiones, una subestación puede estar diseñada para
un arreglo de interruptor y medio y estar operada como un
arreglo de bus en anillo, dejando fuera dos de los interruptores,
como se muestra en la siguiente figura.
Cuando el sistema requiera de una confiabilidad adicional, se
pueden agregar los otros dos interruptores.

Existen tres tipos de tecnología de las subestaciones eléctricas:
Subestaciones Aisladas en Aire
En este tipo de subestaciones, el aire sirve como medio aislante y,
por lo tanto, se usan principalmente en exteriores. En el caso de
subestaciones de alta y extra alta tensión, tienen el inconveniente
de que ocupan un espacio importante para su construcción, por
lo que su aplicación en áreas urbanas densamente pobladas está
restringida a la disponibilidad de terrenos. De hecho, las
subestaciones aisladas en aire tienen dos variantes constructivas:
1. Subestaciones tipo intemperie.
2. Subestaciones tipo interior.

1. Subestaciones tipo intemperie.
Estas subestaciones se construyen en terrenos a áreas expuestas
al medio ambiente (intemperie) y, por lo tanto, requieren de un
diseño, aparatos y máquinas que sean capaces de soportar el
funcionamiento en condiciones atmosféricas adversas (lluvia,
viento, contaminación aérea, nieve, descargas atmosféricas,
etcétera).
Esta modalidad se usa en condiciones atmosféricas adversas para
alta y extra alta tensión.

2. Subestaciones tipo interior.
En este tipo de subestaciones, los equipos y máquinas usadas
están diseñadas para operar en interiores, esta es una solución
que ha caído en desuso para las subestaciones aisladas en aire,
con la creciente utilización de las subestaciones aisladas en
hexafluoruro de azufre; sin embargo, como diseño, sigue siendo
una opción en ciertos casos de subestaciones localizadas en áreas
urbanas.

COMPARACIÓN DE LAS CONFIGURACIONES DE BUSES (BARRAS).
Para dar una idea relativa de los niveles de confiabilidad y los
costos para los distintos tipos de arreglos de barras, se da una
comparación con una subestación con seis líneas de transmisión.

Subestaciones Aisladas en Hexafloruro de Azufre (SF6).
En México, este tipo de subestaciones generalmente se diseña en
el rango de 115 a 400 kV y tensiones superiores en otros países.
Se aplican en aquellos casos en que por problemas de espacio o
de impacto del medio ambiente, existen restricciones para
construir las subestaciones convencionales con aislamiento en
aire.
Las subestaciones en SF6 ocupan aproximadamente 1/4 del
espacio de las equivalentes aisladas en aire, pueden estar
diseñadas para operar en exterior o interiores, para exteriores
(intemperie) operan en rangos de temperatura de -25°C a + 40°C,
en tanto que para interiores el rango va de -5°C a + 40°C.

La aplicación de las llamados subestaciones aisladas en gas data
de finales de lo década de los 70's, ya en forma extensiva, lo
transición de las subestaciones aisladas en aire (diseños
convencionales) a la tecnología de las subestaciones aislados en
gas, requirió que se cumpliera una serie de requisitos, incluyendo
lo resistencia al cambio y la cantidad de experiencia acumulada
en el diseño y operación de los subestaciones aisladas en aire.
En la actualidad, la literatura disponible para las subestaciones
aislados en gas es bastante extensivo y proporciona un excelente
punto de partido para iniciar el estudio de esta tecnología, que en
sus inicios siempre partió de la base de establecer una
comparación con las subestaciones aisladas en aire, que eran
consideradas como de diseño convencional, tomando en cuenta
aspectos como:

 Espacio requerido de construcción .
 Confiabilidad .
 Tiempos de construcción .
 Costos.
Considerando que las subestaciones aisladas en aire y las
subestaciones aisladas en gas deben cumplir con los mismas
funciones, se pone énfasis en las diferencias en construcción,
prácticos de mantenimiento, impacto en los sistemas de potencia,
diseños especiales en las subestaciones aisladas en gas, arreglos
de subestaciones aisladas en gas, arreglos de borras y niveles de
tensión.

6
3
1
5
4
2
1.- CUARTO DE LA SUBESTACIÓN AISLADA EN GAS
2.- LÍNEA AÉREA
3.- BUS FLEXIBLE
4.- BOQUILLAS AIRE / SF
5.- EQUIPO EN SF
6.- TRANSFORMADOR
6
6
SUBESTACIÓN EN SF TIPO EXTERIOR
6

L1
L1,
L2
L2,
L3
L3
SS1 SS2 SS1 SS2 SS1
Ss1,
SS2
SS2
ALIMENTADORES
BARRAS
SECCIÓN TRANSVERSAL DE UNA SUBESTACIÓN EN SF TIPO DISTRIBUCIÓN
6

1
1
2
2
3
3
4
4
6 7
5
8
9
10
11
12
12
SECCIÓN TRANSVERSAL DE UNA SUBESTACIÓN EN SF CON BARRA DOBLE
6

OPCIÓN
DE BUS
TRIFÁSICO
BAHIA DE SUBESTACION EN SF6

GABINETE TRIFÁSICO EN SF
6

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL SF
NÚCLEO
BOBINA
CAJA DE TERMINALES
CONDUCTOR
PRIMARIO
GABINETE
AISLADOR
6

DESCONECTADOR EN SF6
CUBIERTA
AISLADOR
VARILLA AISLANTE
DESCONEXIÓN
EN AT
CONEXIÓN
EN AT
CONTACTO
CONTACTO
CUBIERTA
AISLADOR
CONTACTO
MÓVIL
CONTACTO

APARTARRAYOS GAS SF
6
CUBIERTA
AISLADOR
CONDUCTOR
CUBIERTA
GABINETE
ELEMENTO ZnO
GAS SF6

GABINETE
O
CUBIERTA AISLADOR
CONDUCTOR
PRIMARIO
TRANSFORMADOR
DE CORRIENTE
GAS SF
6
TRANSFORMADOR DE CORRIENTE SF6

Actualmente, las subestaciones aisladas en gas (SF6) se
construyen en niveles de tensión de hasta 800 kV en varias
configuraciones y con distintos requerimientos de
comportamiento. y aún cuando los costos de inversión inicial de
una subestación en SF6 pueden ser mayores que los de una
subestación equivalente de tipo convencional (aislada en aire).
Las subestaciones aisladas en SF6 pueden reducir muchos costos
secundarios; entonces, una solución de una subestación en SF6
puede resultar ventajosa en el proyecto global.

Subestaciones Compactas
A estas subestaciones también se les conoce como subestaciones
unitarias y son muy usadas en instalaciones industriales y
comerciales, reciben la energía, en el caso de las grandes
industrias, de subestaciones primarias, para ser distribuida a
distintos puntos en las instalaciones. Generalmente están
cerradas completamente por medio de placas metálicas, de
manera que no tienen partes vivas o energizadas expuestas al
contacto de las personas. Básicamente existen tres tipos de
arreglos para este tipo de subestaciones: El radial. Secundario
selectivo y primario selectivo.
Las subestaciones unitarias ofrecen ventajas que las hacen
recomendables, tanto en instalaciones industriales como
comerciales, así como en grandes edificios donde el valor de la
cargo es considerable.

Por lo general, son de diseño modular con las ventajas siguientes:
 Los módulos se diseñan para su conexión en distintos arreglos
y se pueden equipar con distintos tipos de equipos: de
protección, medición o equipos mayores como: interruptores,
fusibles, desconectadores, apartarrayos, etcétera.
 Tienen un tamaño compacto.
 Se pueden instalar en recintos que son de acceso general, con
algunas restricciones mínimas.
 Están protegidos contra efectos o agentes externos.
Las subestaciones unitarias están constituidas, como se mencionó
antes, por módulos o unidades, que tienen básicamente tres
componentes:
• Unidad de alta tensión.
• Unidad del transformador.
• Unidad de baja tensión.

Según sean las exigencias del servicio o la instalación, pueden
haber módulos o unidades adicionales con disposiciones, de
acuerdo a las necesidades específicas

SUBESTACIÓN MOVIL

SUBESTACIONES RURALES DE BAJA CAPACIDAD

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