Las subestaciones son los puntos de conexión de generadores y las líneas de transmisión o distribución que sirven para reducir a media o baja tensión para satisfacer las necesidades de los usuarios, industriales o domésticos.

Por: Ing. Abisai Ramírez

La evolución de la industria eléctrica ha sido tal que hoy no podemos imaginar nuestra vida sin este tipo de energía. La electricidad se comenzó a introducir, poco a poco, en el quehacer del ser humano hace 131 años, cuando Thomas Edison inventó la bombilla incandescente y fue él mismo quien en 1882 puso en operación la primera Central Eléctrica en Manhattan. Paralelamente, ese año entró en servicio en Londres el primer Sistema de Suministro de Energía Eléctrica Pública.

Esos antiguos sistemas tenían grandes limitaciones, pues eran, entre otras cosas, de corriente directa y, para lograr alguna eficiencia, la carga debía estar lo más cerca posible del generador. La distancia de transmisión era entonces el gran problema a resolver.

Años después, alrededor de 1888, llegó la solución cuando comenzó la aplicación de la corriente alterna, en una batalla que, en cierto sentido, G. Westinghouse le ganó a T. Edison y la fábrica de transformadores Stanley sentó los principios de transmisión y distribución de energía.

Las subestaciones sirven para varios propósitos, entre los cuales los más importantes son los puntos de conexión de generadores y las líneas de transmisión o distribución, que generalmente funcionan como centros eléctricos que reciben la energía en alta tensión de la red pública, local o nacional, y la reducen a media o baja tensión para satisfacer las necesidades de los usuarios, industriales o domésticos, a niveles de tensión que se ajustan a la operación de sus instalaciones y equipos.

También pueden ser puntos de interconexión y seccionamiento de varias fuentes de energía, sistemas de control de tensión, corrección de factor de potencia, regulación de sobretensiones, medición, monitoreo y registro de la información operativa, entre otras funciones.

Generalidades

El equipo básico de una subestación es el transformador, ya sea individual o en grupo (por ejemplo, un banco de transformadores), con sus respectivos elementos de conexión/desconexión de cargas, como disyuntores termomagnéticos (breakers), seccionadores (switches), barras (bus bars), conmutadores, reactores, capacitores, pararrayos, instrumentación, dispositivos de control y otros medios de protección u operación específicos de las actividades propias de una subestación en particular.

Los elementos de conexión pueden ser parte del transformador, en barras separadas, o elementos de control en otro equipo periférico, por ejemplo un centro de carga principal.

Los niveles de tensión eléctrica trifásica comunes en las redes de transmisión o subtransmisión oscilan entre los 12,47 y los 245 kV, dependiendo de la región y de las diversas subestaciones de distribución del circuito interconectado nacional o local y, generalmente, su administración está en manos de las compañías generadoras de energía.

Los circuitos primarios, que reciben la energía transmitida, operan en el rango de 4,16 a 34,5 kV. Se utilizan para el suministro de cargas en áreas específicas, como un parque industrial o una urbanización. Los transformadores, que convierten y distribuyen esta energía, varían desde los 10 hasta los 2500 kVA y se instalan en los postes del tendido aéreo, en pedestales o enterrados.

Los circuitos secundarios, que llevan la energía en un nivel de tensión útil para los usuarios a lo largo de carreteras, autopistas, etc., pueden ser monofásicos o trifásicos.

Equipos de una subestación

Los transformadores de una subestación tienen núcleos laminados de acero. Se construyen con devanados primarios y secundarios aislados, de manera que permitan la transferencia de potencia de un lado al otro a diferentes tensiones. Su rango promedio de trabajo va de 1 a 2000 MVA.

La mayoría de estos equipos están aislados y enfriados por aceite, lo que los hace vulnerables al fuego, por lo que se deben tomar las precauciones necesarias para evitar incendios, o extinguirlos lo más rápido posible en caso de que ocurran.

Dentro de la subestación se conectan disyuntores para corte contra corrientes de falla, que van en promedio de 20 a 50 veces la corriente nominal de sistema y se construyen para que puedan soportar descargas de alta tensión cuando ocurre una interrupción. También se colocan otros elementos, como seccionadores para conectar cargas.

Las barras sirven para unir los equipos de una subestación. Los aisladores, en general, se unen con conductores flexibles, pero las barras rígidas, comúnmente de aluminio, se instalan en aisladores al aire o encapsulados con gas.

Los reactores o inductores se utilizan para compensar la capacitancia de una línea de transmisión larga y los capacitores o condensadores, para compensar los efectos inductivos de los componentes de carga en la red.

Los transformadores de corriente o de potencial, que se usan para medir esas mismas variables, proveen un medio de bajo nivel para control y protección.

Clasificación

Existen varias formas de clasificar las subestaciones. En una de ellas, por el servicio que brindan, tenemos cuatro grandes grupos.

El primero es una subestación en el centro de generación de energía. Los generadores se conectan al cableado eléctrico principal de la red para comenzar la transmisión. En general, son instalaciones grandes y su concepción, diseño, financiamiento, construcción y operación están a cargo de las compañías que suministran la energía, las cuales cuentan con un personal altamente calificado para operar la planta generadora.

El segundo tipo, que se conoce como subestación cliente, funciona como el suministro principal de electricidad para un usuario en particular. Sus requerimientos dependen de las especificaciones del cliente.

El tercer grupo, que involucra la transferencia de potencia a través de la red eléctrica, es la subestación de sistema. Algunas de estas instalaciones solo poseen elementos de conmutación, no de transformación, mientras que otras sí realizan conversiones de tensión. Estas grandes instalaciones, que se ven frecuentemente en los puntos terminales de las redes de alta tensión retiradas de las zonas urbanas, facilitan la transmisión desde las plantas generadoras (primer tipo) hasta los diversos centros de carga a todo lo largo de su recorrido.

La cuarta clase está constituida por las subestaciones de distribución. Son las más comunes en los sistemas de potencia y sirven como medio para el suministro de energía directamente a la mayoría de los usuarios. Se suelen ver en diversos centros de población, en medio de las zonas urbanas a las cuales brindan su servicio.

También se pueden clasificar, por el tipo de equipo que utilizan, de la siguiente forma:

·         Exteriores o a la intemperie, con equipos aislados por aire o por gas

·         Interiores o cubiertas, con equipos aislados por aire o por gas

·         Mixtas

·         Móviles

Pueden clasificarse asimismo por el nivel de tensión que manejan, el tipo de corriente, la función que desempeñan, etc.

Matelec de Panamá indica que en lo que respecta a subestaciones que operan en niveles de voltaje de transmisión (115 y 230 kV en su mayoría, en Panamá), normalmente son utilizadas las de tipo exterior o al aire libre. Por lo general en nuestros países el precio de la tierra no es un tema que limite los diseños de subestaciones, pues la mayoría se encuentran ubicadas en sitios retirados. A medida que las condiciones del sistema eléctrico o la concentración de las cargas sean tales, esto obligaría a construir nuevas subestaciones dentro de la ciudad, entonces el tema del costo de la tierra empieza a jugar un papel más importante en el diseño de la subestación, de ahí surge la posibilidad de considerar subestaciones de uso interior y blindadas en las cuales se reduce el área total que ocuparía en comparación a un diseño similar pero del tipo exterior, además de que aumentan la seguridad en la operación.

Subestaciones unitarias

El avance tecnológico permite que hoy se disponga de un tipo de subestación compacta, que tiene todos los elementos de forma modular y ensamblados entre sí, que se conoce como subestación unitaria.

Este equipo consta de tres partes básicas:

• La sección primaria recibe la alimentación eléctrica de una o más fuentes de alta tensión, cada una de las cuales puede tener o no un elemento de conmutación o interrupción.       
• La siguiente está conformada por uno o más transformadores, sin conexiones automáticas de regulación de tensión (taps), o con ellas, aunque no es frecuente.
• Una sección secundaria permite el suministro de la energía hacia uno o más alimentadores, mediante centros de carga y dispositivos de conmutación.

Estas subestaciones se clasifican por el tipo de ensamble que poseen, de la siguiente manera:

·         Radial: Consta de un alimentador primario a un transformador, con una sección secundaria conectada a uno o más circuitos de forma radial.

·         Selección de lazo primario: Cada transformador de la subestación se alimenta de dos fuentes independientes, a través de sistemas de conmutación que proveen un suministro normal y uno alternativo o de emergencia, de manera que en caso de una falla en la red se tenga un respaldo de energía.

·         Selección de lazo secundario: Existen dos transformadores cuyo primario se alimenta de fuentes independientes y su secundario alimenta la misma carga a través de barras conmutadas, es decir, que en caso de avería de un suministro, se respalda la carga a través del secundario.

·         Red puntual de secundarios: En la que varios transformadores, alimentados independientemente en su primario, respaldan la carga a través de un bus secundario, de forma tal que cuando el transformador principal falla, cualquiera de los otros asume la carga mediante la conmutación respectiva.

Proelca de Guatemala ofrece estos sistemas, cuya configuración básica consta de un interruptor de entrada en alta tensión, normalmente 13,2 KV, luego el transformador que en su mayoría es seco, aunque puede ser tipo pedestal (Padmounted) refrigerado con aceite. Enseguida, los tableros de distribución de servicio normal y de servicio de emergencia con una transferencia y sus respectivos controles y protecciones. Se debe incluir pararrayos y supresores de picos, así como protección de falla de fase y otras protecciones más para asegurar el servicio. Incluso se puede utilizar ducto barra para determinadas cargas.

Entre las ventajas que brindan las subestaciones unitarias encontramos que la coordinación de los componentes generalmente viene definida y programada por el fabricante, por lo que los costos por instalación en campo disminuyen y mejora la apariencia estética del conjunto. También es común que se reduzcan los costos operativos, pues las pérdidas de potencia secundarias son menores, debido a que los elementos interconectados son a la medida, usualmente más cortos que si fueran abiertos; los que se pueden expandir con el tiempo, mediante el agregado de nuevos módulos.

Se construyen tanto para instalación interior como exterior y a veces de forma mixta, dejando los transformadores que generan más calor en la parte externa y el resto de la subestación dentro del edificio. La sección secundaria se debe ubicar lo más cerca posible de los tableros de carga, para disminuir costos y pérdidas por el cableado de conexión.

Eaton Electrical de Costa Rica recomienda que se instalen en un cuarto eléctrico o zona aislada con acceso restringido a personal calificado. Dicho cuarto debe contar con algunas condiciones específicas, como alarma contra incendios y una adecuada circulación del aire que a su vez favorezca el enfriamiento de los equipos. Se deben contemplar espacios libres de trabajo alrededor del equipo de acuerdo a las recomendaciones de cada fabricante en particular.

Distribución de potencia

Normalmente la potencia sale de la subestación en arreglos de tres hilos energizados, cada uno dirigido hacia la red eléctrica en diferente dirección, para transmitir la potencia trifásica; y un cuarto para neutro/tierra, que se suele ubicar por debajo de los anteriores.

Las edificaciones residenciales, los locales comerciales y las oficinas suelen requerir solo una de las tres fases, por lo que sus necesidades se pueden satisfacer mediante potencia monofásica, que se conecta a un transformador en algún poste y se distribuye desde ese punto.

En algunas construcciones el cableado llega a un transformador, ubicado sobre un pedestal o enterrado, que elimina la red de cables y postes que afectan el aspecto visual y estético de las ciudades.

También se colocan reguladores de tensión a lo largo de las líneas, para prevenir caídas o aumentos peligrosos de su potencial.

Dado que los componentes de la red de distribución son vulnerables a daños por tormentas, incendios, accidentes y demás, en especial por el grado de exposición que pueden tener y la gran dispersión de lugares donde se encuentran, por ejemplo, accidentes de tránsito en zonas de alto volumen vehicular, caídas de ramas de árboles o fuertes vientos en zonas abiertas; se debe realizar un estricto control y monitoreo, no solo para evitar los daños, sino porque los usuarios deben tener una potencia de red confiable durante todo el año.

Esto ha hecho que se deban mejorar los dispositivos de control y protección, así como disminuir sus tiempos de respuesta ante una falla. Dentro de los elementos más difundidos se encuentran los relés inteligentes (también llamados relevadores o relays), que han sustituido las antiguas tecnologías de discos de inducción por elementos de estado sólido, que además de su capacidad para monitorear el estado de la red pueden realizar autodiagnósticos y generar notificaciones en caso de que sea necesario un mantenimiento.

La compañía CEICA de Guatemala provee los relés SEL, que son pioneros en la protección digital de los sistemas de potencia e incorporan características avanzadas de comunicaciones, lo cual permite a la vez rapidez, selectividad y versatilidad, características fundamentales para los cada vez más grandes y complicados sistemas de potencia modernos.

Los relés SEL son robustos porque han sido especialmente diseñados y probados para soportar los ambientes con alta contaminación electromagnética que ocurren constantemente en las subestaciones eléctricas.

Otros elementos que forman parte del sistema de monitoreo son los controladores lógicos, que evalúan la operación de la red más exhaustivamente y dan indicaciones más comprensivas sobre una falla.

Tipos de conexiones eléctricas

En los sistemas trifásicos, de cuatro hilos, se pueden obtener diferentes niveles de tensión según el tipo de conexión que se realice, la que puede ser de dos tipos: en estrella (o “Y”) o en delta. En cada sistema se obtienen tensiones diferentes entre líneas y de línea a neutro. En los secundarios, para el uso de equipos y edificaciones, son las siguientes:

Estrella

·         120 V, monofásicos, dos hilos, entre líneas y neutro

·         208 V, monofásicos, dos hilos, entre líneas

·         277 V, monofásicos, dos hilos

·         480 V, monofásicos, dos hilos

·         208 V, trifásicos, tres hilos

·         120/208 V, trifásicos, cuatro hilos

·         480 V, trifásicos, tres hilos

·         277/480 V, trifásicos, cuatro hilos

Delta

·         120 V, monofásicos, dos hilos, solo entre dos de las líneas y el neutro

·         240 V, monofásicos, dos hilos

·         240 V, trifásicos, tres hilos

·         120/208 V, trifásicos, cuatro hilos, con fase elevada

La fase elevada es un efecto que se produce en este arreglo de transformadores, en los que la tensión de 120 V, normal para la operación de equipos, se obtiene solo de dos fases hacia el neutro y una de ellas, conocida como fase alta o elevada (high leg), no se utiliza, pues su nivel de tensión es mayor que la nominal. En caso de alimentar accidentalmente un dispositivo a través de esta, se pueden ocasionar daños, por lo que se debe tener un cuidado especial al utilizar este tipo de conexión en delta.

Consideraciones para el diseño de subestaciones

Se debe conocer en primera instancia el nivel de tensión de la red en el lugar donde se instalará la subestación, pues cuanto mayor sea esta menor será la corriente en los conductores. Pero como los elementos para operar a mayores tensiones suelen tener costos más altos, es un aspecto técnico y económico que se debe tomar en cuenta al diseñar el proyecto.

Una vez definido este punto, se deben realizar los cálculos de nivel de cortocircuito, aislamiento de fallas a tierra, protección selectiva y prevención de fallas con operación monofásica.

También es necesario considerar el nivel de seguridad de la instalación, tanto para el personal que labora en ella, con capacitaciones y certificaciones para su actividad, como para los usuarios, mediante la selección adecuada de interruptores y dispositivos de desconexión que protejan la red, canalizaciones y alturas de conductores, accesos restringidos, puestas a tierra, etc.

La confiabilidad del sistema se puede mejorar en las trayectorias de los alimentadores desde las fuentes, con la coordinación de protecciones adecuadas y la utilización de dispositivos de excelente calidad.

Schneider Electric indica que la selección del sistema depende, entre otras cosas, de las exigencias de continuidad de servicio del segmento de mercado que requiera el equipamiento. Por ejemplo, un hospital tendrá celdas de media tensión con apertura en SF6, transformador de cobre en resina y tableros de baja tensión tipo switchboard, pero una industria verá satisfechas sus exigencias con una celda de media tensión de apertura al aire, transformador en medio líquido y celdas de baja tensión tipo panelboard.

Durante la etapa de diseño se deben prever las ampliaciones o requerimientos futuros, por lo que se debe definir un concepto de subestación muy flexible, que no solo cumpla con los requerimientos al momento de su puesta en marcha, sino que le permita ajustarse a los cambios que enfrentará durante su vida operativa.

Otro aspecto importante, especialmente en este tiempo, es la calidad de la energía, pues no solo existen regulaciones y multas, por suministro de energía de bajo perfil, sino también porque la alta tecnología predominante en las edificaciones, con una gran densidad de equipos sensibles, requiere energías limpias; lo que al final también genera una mejor imagen para el proveedor de energía, y una red bien controlada tiene menores gastos por mantenimiento y atención de averías.

Por último, y no menos importante, como en cualquier otro elemento, el mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo es fundamental para que la subestación tenga una larga vida útil y una operación en óptimas condiciones.

De media a baja tensión

• Características técnicas de los equipos de la subestación: La característica técnica más relevante de los equipos que ofrece Schneider Electric es la capacidad de comunicación del estado de operación de todos los elementos constitutivos de la subestación. Esta información permite monitorear alarmas, ver histórico de consumo y gestionar la demanda.
• Ventajas respecto a otras marcas del mercado: Multiplicidad de tecnologías para diferentes aplicaciones y segmentos de mercado.
• Normas: NEMA e IEC.

Fuente: Schneider Electric.

Portafolio de productos

• Características técnicas de los equipos de la subestación: Siemens tiene el portafolio completo de equipos para subestaciones en baja, media y alta tensión. Una subestación esta básicamente conformada por equipos primarios, tales como transformadores de potencia, interruptores, seccionadores, transformadores de medición, pararrayos y por equipos secundarios, tales como sistemas de control, protección, medición, comunicación y servicio propio.
• entajas respecto a otras marcas del mercado: Siemens tiene el portafolio completo de equipos y soluciones para generación, transmisión y distribución de energía. Con soporte técnico para puesta en marcha, servicio postventa y servicios de mantenimiento.
• Normas: depende específicamente del producto, en general se aplican las normas internacionales IEC y las norteamericanas ANSI.

Fuente: Siemens

Subestaciones unitarias

• Características técnicas de los equipos de subestación: Eaton Electrical dispone de subestaciones formadas por tres elementos básicos: equipo de desconexión y protección en mediana tensión que puede ser un switch de desconexión al aire o interruptor con botellas de vacío; un transformador de distribución que puede ser tipo seco o inmerso en aceite; y el equipo de desconexión y protección en baja tensión que puede ser un switchboard o un switchgear. Estas subestaciones se pueden construir tanto para uso interior como para la intemperie.
• entajas respecto a otras marcas del mercado: Tomando la seguridad del usuario como el punto más importante de todos sus desarrollos, la empresa ha lanzado al mercado nuevos diseños con protección contra el arco eléctrico, la cual evita que los usuarios puedan sufrir quemaduras. Adicionalmente, todas sus soluciones cuentan con tecnología amigable con el ambiente y evita el uso de gases de efecto invernadero, como el SF6. 
• Normas: NEMA, ANSI, UL, CSA & IEEE. 

Fuente: Eaton Electrical.

Subestaciones unitarias

• Tipos de subestaciones: Proelca ofrece subestaciones unitarias para uso interior o exterior de las marcas General Electric, Electrix y Proelca.
• Ventajas respecto a otras marcas del mercado: La ventaja de sus marcas es que tienen un respaldo de más de 100 años de conocimiento y de fábrica.
• Normas que rigen los equipos: Cumplen las normas NEMA, ANSI, IEEE, IEC, entre otras.

Fuente: Proelca. Guatemala

Subestaciones primarias y secundarias

• Características técnicas de los equipos de la subestación: Metalpex ofrece subestaciones de media tensión secundarias, que operan en voltajes de 13,2 y/o 34,5 kV, producidos por Ormazabal y Cía.; diseñados y concebidos bajo un concepto en donde la seguridad en la operación, simplicidad en los módulos, aislamiento en gas SF6 y bajo mantenimiento son los aspectos más importantes. En lo que respecta a los centros de seccionamiento y transformación prefabricados en hormigón, están en las versiones para instalación superficial y subterránea. Además, el centro de transformación Mini Block consta de tres celdas aisladas en gas SF6, dos de ellas con función de entrada y salida y la tercera con función de protección con fusibles. Adicionalmente incluye el transformador eléctrico y un cuadro de baja tensión.
• Ventajas respecto a otras marcas del mercado: Son equipos aislados en gas SF6 con garantía en la hermeticidad del tanque de 30 años; a prueba de arco interno; son modulares; el diseño prioriza la seguridad en la operación del equipo; tiene bajos costos de mantenimiento.
• Normas: Las celdas de media tensión son diseñadas y construidas de acuerdo a las recomendaciones y directivas que emanan de la norma IEC 298 y las normas específicas IEC 56-129-255-265-420-694-801.

Fuente: Matelec, S.A. Panamá

Subestaciones para todos los usos

• Tipos de subestaciones: Ceico proporcionar equipo para subestaciones a la intemperie, configuración horizontal y vertical, así como para subestaciones en interior (en bóveda) o subestaciones unitarias.
• Ventajas respecto a otras marcas del mercado: En nuestro medio se utilizan más las del tipo intemperie, pero debido a las restricciones de espacio físico, las de interiores están ganando popularidad, aunque hay factores como los costos, tipo de aplicación y voltajes involucrados que también influyen en la decisión.
• Normas que rigen los equipos: Hay ciertos lineamentos generales que son dictados por la usanza, las normas y reglamentos vigentes en cada empresa que brinda el servicio de energía eléctrica, pero al final, también hay que tratar de acomodarse a las limitaciones que imponga la aplicación, los equipos y materiales disponibles para hacer el diseño apropiado, respetando primordialmente, las normas de seguridad, tanto para protección del personal como para todos los equipos a los que servirá la subestación.

Fuente: Ceica. Guatemala

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