Un interconector eléctrico es una conexión de CA o CC de alta potencia, generalmente a través de las fronteras nacionales [1] o entre diferentes redes eléctricas . [2] Pueden estar formados por cables de alimentación submarinos o cables de alimentación subterráneos o líneas eléctricas aéreas .
La interconexión más larga en 2016 fue el enlace submarino NorNed entre Noruega y los Países Bajos, que abarca casi 600 km y ofrece 700 MW de corriente continua de alto voltaje.
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Una subestación es parte de un sistema de generación , transmisión y distribución eléctrica . Las subestaciones transforman el voltaje de alto a bajo, o al revés, o realizan cualquiera de varias otras funciones importantes. Entre la estación de generación y el consumidor, la energía eléctrica puede fluir a través de varias subestaciones a diferentes niveles de voltaje. Una subestación puede incluir transformadores para cambiar los niveles de voltaje entre voltajes de transmisión altos y voltajes de distribución más bajos, o en la interconexión de dos voltajes de transmisión diferentes.
Las subestaciones pueden ser propiedad y ser operadas por un servicio eléctrico, o pueden ser propiedad de un gran cliente industrial o comercial. En general, las subestaciones están desatendidas, confiando en SCADA para la supervisión y control remotos.
La palabra subestación proviene de los días antes de que el sistema de distribución se convirtiera en una red . A medida que las estaciones de generación central se hacían más grandes, las plantas generadoras más pequeñas se convertían en estaciones de distribución, recibiendo su suministro de energía de una planta más grande en lugar de usar sus propios generadores. Las primeras subestaciones estaban conectadas a una sola central eléctrica , donde se alojaban los generadores, y eran subsidiarias de esa central eléctrica.
Tipos [ editar ]
Las subestaciones pueden describirse por su clase de voltaje, sus aplicaciones dentro del sistema de energía, el método utilizado para aislar la mayoría de las conexiones y el estilo y los materiales de las estructuras utilizadas. Estas categorías no son inconexas; por ejemplo, para resolver un problema particular, una subestación de transmisión puede incluir funciones de distribución significativas.
Subestacion de transmision [ editar ]
Una subestación de transmisión conecta dos o más líneas de transmisión. [2] El caso más simple es donde todas las líneas de transmisión tienen el mismo voltaje. En tales casos, la subestación contiene interruptores de alto voltaje que permiten que las líneas se conecten o aíslen para el despeje de fallas o el mantenimiento. Una estación de transmisión puede tener transformadores para convertir entre dos voltajes de transmisión, dispositivos de control de voltaje / corrección del factor de potencia , tales como condensadores, reactores o compensadores estáticos VAR y equipos tales como transformadores de cambio de fase para controlar el flujo de energía entre dos sistemas de energía adyacentes.
Las subestaciones de transmisión pueden variar de simples a complejas. Una pequeña "estación de conmutación" puede ser poco más que un busmás algunos interruptores automáticos . Las subestaciones de transmisión más grandes pueden cubrir un área grande (varios acres / hectáreas) con múltiples niveles de voltaje, muchos interruptores automáticos y una gran cantidad de equipos de control y protección ( transformadores de voltaje y corriente , relés y sistemas SCADA ). Las subestaciones modernas pueden implementarse utilizando estándares internacionales como el estándar IEC 61850 .
Distribución subestación [ editar ]
Una subestación de distribución transfiere la energía del sistema de transmisión al sistema de distribución de un área. [2] No es económico conectar directamente a los consumidores de electricidad a la red de transmisión principal, a menos que utilicen grandes cantidades de energía, por lo que la estación de distribución reduce el voltaje a un nivel adecuado para la distribución local.
La entrada para una subestación de distribución suele ser al menos dos líneas de transmisión o subtransmisión. El voltaje de entrada puede ser, por ejemplo, 115 kV, o lo que sea común en el área. La salida es una serie de alimentadores. Los voltajes de distribución son típicamente de voltaje medio, entre 2.4 kV y 33 kV, dependiendo del tamaño del área servida y las prácticas de la empresa de servicios públicos local. Los alimentadores se ejecutan a lo largo de las calles sobre la cabeza (o subterráneas, en algunos casos) y alimentan los transformadores de distribución en o cerca de las instalaciones del cliente.
Además de transformar el voltaje, las subestaciones de distribución también aíslan fallas en los sistemas de transmisión o distribución. Las subestaciones de distribución son típicamente los puntos de regulaciónde voltaje , aunque en circuitos de distribución largos (de varias millas / kilómetros), los equipos de regulación de voltaje también pueden instalarse a lo largo de la línea.
Las áreas del centro de las grandes ciudades cuentan con subestaciones de distribución complicadas, con sistemas de conmutación y respaldo de alto voltaje en el lado de bajo voltaje. Las subestaciones de distribución más típicas tienen un interruptor, un transformador e instalaciones mínimas en el lado de baja tensión.
Colector subestación [ editar ]
En proyectos de generación distribuida , como un parque eólico o una central fotovoltaica , se puede requerir una subestación colectora. Se asemeja a una subestación de distribución aunque el flujo de potencia es en la dirección opuesta, de muchas turbinas de viento o Inversores arriba en la red de transporte. Por lo general, para la economía de la construcción, el sistema colector funciona alrededor de 35 kV, aunque algunos sistemas colectores son 12 KV, y la subestación colectora eleva el voltaje a un voltaje de transmisión para la red. La subestación colectora también puede proporcionar corrección de factor de potencia.Si es necesario, medición y control del parque eólico. En algunos casos especiales, una subestación colectora también puede contener una estación convertidora HVDC.
Las subestaciones colectoras también existen cuando hay varias centrales térmicas o hidroeléctricas de potencia de salida comparable en la proximidad. Los ejemplos de tales subestaciones son Brauweiler en Alemania y Hradec en la República Checa, donde se recolecta energía de las centrales eléctricas de lignito cercanas . Si no se requieren transformadores para aumentar el voltaje al nivel de transmisión, la subestación es una estación de conmutación.
Subestaciones convertidoras [ editar ]
Las subestaciones de conversión pueden asociarse con plantas de conversión HVDC , corriente de tracción o redes no síncronas interconectadas. Estas estaciones contienen dispositivos electrónicos de potencia para cambiar la frecuencia de la corriente, o bien se convierten de corriente alterna a corriente continua o inversa. Antiguamente los convertidores rotativos cambiaban de frecuencia para interconectar dos sistemas; hoy en día tales subestaciones son raras.
Estación de conmutación [ editar ]
Una estación de conmutación es una subestación sin transformadores y que opera solo a un solo nivel de voltaje. Las estaciones de conmutación se utilizan a veces como estaciones colectoras y de distribución. Algunas veces se usan para cambiar la corriente a líneas de respaldo o para paralelizar circuitos en caso de falla. Un ejemplo son las estaciones de conmutación para la línea de transmisión HVDC Inga-Shaba .
Una estación de conmutación también se puede conocer como un patio de interruptores, y generalmente se ubican directamente adyacentes a una central eléctrica o cerca de ella . En este caso, los generadores de la central eléctrica suministran su energía al patio del Generator Bus en un lado del patio, y las líneas de transmisión toman su poder de un Feeder Bus en el otro lado del patio.
Una función importante realizada por una subestación es la conmutación , que es la conexión y desconexión de líneas de transmisión u otros componentes hacia y desde el sistema. Los eventos de conmutación pueden ser planeados o no planeados. Una línea de transmisión u otro componente puede necesitar ser desenergizado para mantenimiento o para nuevas construcciones, por ejemplo, agregar o quitar una línea de transmisión o un transformador. Para mantener la confiabilidad del suministro, las compañías apuntan a mantener el sistema en funcionamiento mientras realizan el mantenimiento. Todo el trabajo a realizar, desde las pruebas de rutina hasta la adición de subestaciones totalmente nuevas, debe realizarse mientras se mantiene el sistema en funcionamiento.
Los eventos de conmutación no planificados son causados por una falla en una línea de transmisión o cualquier otro componente, por ejemplo:
- una línea es golpeada por un rayo y desarrolla un arco ,
- una torre es derribada por el viento fuerte.
La función de la estación de conmutación es aislar la parte defectuosa del sistema en el menor tiempo posible. La desenergización del equipo defectuoso lo protege de daños mayores y el aislamiento de una falla ayuda a mantener el resto de la red eléctrica funcionando con estabilidad. [4]
Ferrocarriles [ editar ]
Los ferrocarriles electrificados también usan subestaciones, a menudo subestaciones de distribución. En algunos casos se realiza una conversión del tipo actual, comúnmente con rectificadores para trenes de corriente continua (DC), o convertidores giratorios para trenes que usan corriente alterna (AC) en frecuencias distintas a la de la red pública. Algunas veces también son subestaciones de transmisión o subestaciones colectoras si la red ferroviaria también opera su propia red y generadores para abastecer a las otras estaciones.
Subestación móvil [ editar ]
Una subestación móvil es una subestación sobre ruedas, que contiene un transformador, interruptores y trabajos de bus montados en un semirremolque autónomo , destinado a ser arrastrado por un camión . Están diseñados para ser compactos para viajar en vías públicas y se usan para respaldos temporales en tiempos de desastres naturales o guerras . Las subestaciones móviles suelen tener una calificación mucho menor que las instalaciones permanentes y pueden construirse en varias unidades para cumplir con las limitaciones de los viajes por carretera. [5]
Diseño [ editar ]
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Elementos de una subestacion [ editar ]
Las subestaciones generalmente tienen equipos de conmutación, protección y control, y transformadores. En una subestación grande, los interruptores automáticos se usan para interrumpir cualquier cortocircuitoo sobrecargas que puedan ocurrir en la red. Estaciones de distribución más pequeños pueden usar interruptores de circuito de reconectador o fusibles para la protección de los circuitos de distribución. Las subestaciones en sí mismas no suelen tener generadores, aunque una central eléctrica puede tener una subestación cerca. Otros dispositivos, como los condensadores y los reguladores de voltaje , también pueden ubicarse en una subestación.
Las subestaciones pueden estar en la superficie en recintos cercados, subterráneos o ubicadas en edificios especiales. Los edificios de gran altura pueden tener varias subestaciones interiores. Las subestaciones interiores generalmente se encuentran en áreas urbanas para reducir el ruido de los transformadores, por razones de apariencia, o para proteger los interruptores del clima extremo o las condiciones de contaminación.
Una puesta a tierra del sistema (toma de tierra) debe estar diseñado. El aumento del potencial de tierra total y los gradientes de potencial durante una falla (llamados potenciales de toque y de paso ), [6] deben calcularse para proteger a los transeúntes durante un cortocircuito en el sistema de transmisión. Las fallas a tierra en una subestación pueden causar un aumento del potencial de tierra. Las corrientes que fluyen en la superficie de la Tierra durante una falla pueden hacer que los objetos metálicos tengan una tensión significativamente diferente a la del suelo bajo los pies de una persona; Este potencial de contacto presenta un peligro de electrocución. Cuando una subestación tiene una cerca metálica, debe estar conectada a tierra correctamente para proteger a las personas de este peligro.
Los principales problemas que enfrenta un ingeniero de potencia son la confiabilidad y el costo. Un buen diseño intenta lograr un equilibrio entre estos dos, para lograr confiabilidad sin costo excesivo. El diseño también debe permitir la expansión de la estación, cuando sea necesario. [7]
Selección de ubicación [ editar ]
La selección de la ubicación de una subestación debe considerar muchos factores. Se requiere suficiente área de tierra para la instalación de equipos con los espacios necesarios para la seguridad eléctrica, y para el acceso para mantener aparatos grandes como los transformadores.
Donde la tierra es costosa, como en las áreas urbanas, los interruptoresaislados con gas pueden ahorrar dinero en general. Las subestaciones ubicadas en áreas costeras afectadas por inundaciones y tormentas tropicales a menudo requieren una estructura elevada para mantener el equipo sensible a las oleadas endurecidas contra estos elementos. [8] El sitio debe tener espacio para la expansión debido al crecimiento de la carga o a las adiciones de transmisión planificadas. Se deben considerar los efectos ambientales de la subestación, como los efectos de drenaje , ruido y tráfico vial.
El sitio de la subestación debe ser razonablemente central al área de distribución a ser servida. El sitio debe estar protegido contra la intrusión de los transeúntes, tanto para proteger a las personas de las lesiones causadas por descargas eléctricas o arcos, como para proteger el sistema eléctrico de un funcionamiento incorrecto debido al vandalismo.
Diagramas de diseño [ editar ]
El primer paso en la planificación de un diseño de subestación es la preparación de un diagrama de una línea , que muestra en forma simplificada la disposición de conmutación y protección requerida, así como las líneas de suministro entrantes y alimentadores salientes o líneas de transmisión. Es una práctica habitual de muchas empresas eléctricas preparar diagramas de una línea con elementos principales (líneas, interruptores, disyuntores, transformadores) dispuestos en la página de manera similar a la forma en que se instalaría el aparato en la estación real. [2]
En un diseño común, las líneas entrantes tienen un interruptor de desconexión y un disyuntor . En algunos casos, las líneas no tendrán ambas, ya que todo lo que se considera necesario es un interruptor o un interruptor automático. Un interruptor de desconexión se usa para proporcionar aislamiento, ya que no puede interrumpir la corriente de carga. Un interruptor automático se usa como un dispositivo de protección para interrumpir las corrientes de falla automáticamente, y puede usarse para encender y apagar las cargas, o para cortar una línea cuando la energía fluye en la dirección "incorrecta". Cuando una corriente de falla grande fluye a través del disyuntor, esto se detecta mediante el uso de transformadores de corriente. La magnitud de las salidas del transformador de corriente puede usarse para disparar el interruptor de circuito, lo que resulta en una desconexión de la carga suministrada por la ruptura del circuito desde el punto de alimentación. Esto busca aislar el punto de falla del resto del sistema y permitir que el resto del sistema continúe operando con un impacto mínimo. Tanto los interruptores como los interruptores de circuito pueden operarse localmente (dentro de la subestación) o de forma remota desde un centro de control de supervisión.
Con líneas aéreas de transmisión , la propagación de rayos y de conmutación sobretensiones puede causar aislamiento fallos en el equipo de subestación. Los pararrayos de entrada de línea se utilizan para proteger el equipo de la subestación en consecuencia. Aislamiento Los estudios de coordinación se llevan a cabo ampliamente para garantizar que la falla del equipo (y las interrupciones asociadas ) sea mínima.
Una vez que pasan los componentes de conmutación, las líneas de un voltaje dado se conectan a uno o más buses . Estos son conjuntos de barras de distribución , generalmente en múltiplos de tres, ya que la distribución de energía eléctrica trifásica es en gran parte universal en todo el mundo.
La disposición de los interruptores, disyuntores y buses utilizados afecta el costo y la confiabilidad de la subestación. Para subestaciones importantes, se puede usar una configuración de bus de anillo, bus doble o el llamado "interruptor y medio", para que la falla de cualquier interruptor no interrumpa la alimentación a otros circuitos, y para que partes de la subestación puedan Ser desenergizado para mantenimiento y reparaciones. Las subestaciones que alimentan solo una carga industrial pueden tener disposiciones mínimas de conmutación, especialmente para instalaciones pequeñas. [7]
Una vez establecidos los buses para los distintos niveles de voltaje, los transformadores pueden conectarse entre los niveles de voltaje. Estos tendrán nuevamente un disyuntor, como las líneas de transmisión, en caso de que un transformador tenga una falla (comúnmente llamado "cortocircuito").
Junto con esto, una subestación siempre tiene circuitos de control necesarios para ordenar que se abran los distintos interruptores en caso de que se produzca una falla en algún componente.
Automatización [ editar ]
Las primeras subestaciones eléctricas requerían la conmutación o el ajuste manual del equipo, y la recolección manual de datos para la carga, el consumo de energía y los eventos anormales. A medida que crecía la complejidad de las redes de distribución, se hizo económicamente necesario automatizar la supervisión y el control de las subestaciones desde un punto con asistencia centralizada, para permitir la coordinación general en caso de emergencias y reducir los costos operativos. Los primeros esfuerzos en las subestaciones de control remoto utilizaban cables de comunicación dedicados, que a menudo se ejecutaban junto a los circuitos de alimentación. El operador de línea eléctrica , el radio microondas , los cables de fibra óptica y los circuitos de control remoto cableados dedicados se han aplicado al control de supervisión y adquisición de datos.(SCADA) para subestaciones. El desarrollo del microprocesador permitió un aumento exponencial en el número de puntos que podrían controlarse y monitorearse económicamente. Hoy en día, los protocolos de comunicación estandarizados, como DNP3 , IEC 61850 y Modbus , para enumerar algunos, se utilizan para permitir que múltiples dispositivos electrónicos inteligentes se comuniquen entre sí y con los centros de control de supervisión. El control automático distribuido en las subestaciones es uno de los elementos de la llamada red inteligente .
Aislamiento [ editar ]
Los interruptores, disyuntores, transformadores y otros aparatos pueden estar interconectados por conductores desnudos aislados en el aire y colgados en estructuras de soporte. El espacio de aire requerido aumenta con el voltaje del sistema y con la clasificación de voltaje de sobretensión del rayo. Para las subestaciones de distribución de media tensión, se puede usar un interruptor de interruptor encerrado en metal y no se puede exponer ningún conductor vivo. Para voltajes más altos, el interruptor de interruptor con aislamiento de gas reduce el espacio requerido alrededor del bus en vivo. En lugar de conductores desnudos, el bus y los aparatos se construyen en contenedores tubulares presurizados llenos de gas hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Este gas tiene un valor de aislamiento más alto que el aire, lo que permite reducir las dimensiones del aparato. Además de aire o SF 6.En el gas, los aparatos utilizarán otros materiales de aislamiento, como aceite de transformador , papel, porcelana y aislantes de polímeros.
Estructura [ editar ]
Las estructuras de subestaciones en el exterior y sobre el suelo incluyen poste de madera, torre de metal de celosía y estructuras metálicas tubulares, aunque hay otras variantes disponibles. Donde el espacio es abundante y la apariencia de la estación no es un factor, las torres de celosía de acero brindan soportes de bajo costo para líneas y aparatos de transmisión. Las subestaciones de bajo perfil pueden especificarse en áreas suburbanas donde la apariencia es más crítica. Las subestaciones interiores pueden ser celdas con aislamiento de gas (a altos voltajes) o celdas metálicas o celdas metálicas con voltajes más bajos. Las subestaciones interiores urbanas y suburbanas pueden terminarse en el exterior para integrarse con otros edificios de la zona.
Una subestación compacta es generalmente una subestación al aire libre construida en una caja metálica, en la que cada elemento del equipo eléctrico está ubicado muy cerca uno del otro para crear un tamaño de huella relativamente más pequeño de la subestación.
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