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.

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

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.

9. ENVOLVENTES: SEGÚN FABRICACIÓN
 Envolventes Trifásicas o Monofásicas

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

12. SUBESTACIONES ENCAPSULADAS EN SF6
INTEMPERIE

13. SUBESTACIONES ENCAPSULADAS EN SF6
INTERIORES

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.

20. “Cerrado” “Abierto”
Durante
carrera
EQUIPOS: INTERRUPTOR
Son del tipo buffer (soplado de arco) con mecanismo de operación
hidráulico o neumático o resorte, este último para interruptores con baja
capacidad de corte.

21. L
T
Recto
EQUIPOS: SECCIONADORES
El mecanismo de operación puede ser manual o motorizado, bajo
pedido pueden traer ventana de visualización de posición.

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.

23. Transformador
de corriente
Transformador
de tensión
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN Y
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
Tipo inductivo o tipo
divisor capacitivo.
Si el GIS es trifásico va en
la envolvente, si es
monofásico puede ir en los
bushings

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.

26. EQUIPOS GIS

27. EQUIPOS GIS

28. EQUIPOS GIS

29. ESQUEMAS ILUSTRATIVOS
Vista A‐A Vista A‐A

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