Para el inicio y desarrollo de la subestación que se desea desarrollar, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones que ayudaran a obtener un mejor y mayor resultado al momento de llevar a cabo la construcción de una subestación, entre ellas se pueden mencionar:
Para la subestación que se diseñara en este trabajo, que la llamaremos Subestación Paez, se han considerado las siguientes condiciones:
1.1. MOTIVO DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA SUBESTACIÓN
Por el montaje e instalación de 8 nuevas industrias y una clínica especializada que abarcara sus servicios al Departamento del Cauca y cobijados por la Ley Paez, vemos la necesidad de reforzar el sistema de potencia para esta zona ya que el actual no cumple con la capacidad de suministro.
La subestación transmitirá y distribuirá energía eléctrica por dos líneas de 220 kv. a cuatro líneas de 115 kv., respectivamente. Por lo anterior la subestación a diseñar es a 220 kv.
1.2 UBICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA REGIÓN
Se ubicará en la región del Departamento del Cauca, en los linderos de la vía panorama, zona que será de fácil acceso.
Las condiciones atmosféricas son las siguientes:
Temperatura ambiente promedio: 30°C
Temperatura mínima: 24°C
Temperatura máxima: 33°C
Humedad relativa: 65%HR
Velocidad del viento: 50 Km/hora
1.3 REQUERIMIENTOS DE LA SUBESTACIÓN
La subestación a diseñar debe cumplir con los siguientes requerimientos de operación y disposición:A continuación, en la figura 1, se da a conocer el diagrama unifilar general de la subestación a diseñar según las consideraciones anteriores.
1.4 CONFIGURACIONES PROPUESTAS
Con el fin de satisfacer los requerimientos de la subestación a diseñar, se proponen las siguientes alternativas, estas por sus características son aptas para cumplir dichos requerimientos:Esta configuración debe su nombre al hecho de exigir tres interruptores por cada dos salidas. El grupo de los tres interruptores, llamado diámetro, se conecta entre dos barrajes principales. Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor o barraje sin suspender el servicio y sin alterar el sistema de operación, además, una falla en un barraje no interrumpe el servicio a ningún circuito, presentando así un alto índice de confiabilidad y de seguridad tanto por falla en los interruptores como en los circuitos y en las barras. Normalmente se opera con las dos barras energizadas y todos los interruptores cerrados, y por tal motivo (igual que en el caso del anillo) no es flexible; además, el tener dos barras no significa que los circuitos se puedan conectar independientemente a cualquiera de ellas, como es el caso de la doble barra.
Como en el caso del anillo, la desconexión de un circuito implica la apertura de dos interruptores. La protección y el recierre se complican por el hecho de que el interruptor intermedio (entre dos circuitos) debe trabajar con uno u otro de los circuitos asociados. Por otra parte, la falla de un interruptor en el peor de los casos sólo saca de servicio un circuito adicional.
La definición de la capacidad de los equipos es difícil por cuanto exige prever la distribución de las corrientes, especialmente durante contingencias. En el caso de que la estación tenga un número impar de circuitos, uno de ellos necesitaría dos interruptores.
Usando el interruptor intermedio es posible pasar directamente a través de la subestación un circuito que normalmente entre a ella y que salga por el mismo campo, aunque es muy eventual este caso.
Esta configuración admite ciertas modificaciones para ahorrar alguna cantidad de equipos en salidas para transformadores, colocando un solo interruptor por campo y un seccionador a modo de transferencia o conectando directamente los transformadores a las barras.
Permite buena continuidad de servicio, aún en el caso de que salga de servicio cualquier campo de transformación.
En esta configuración la barra colectora es un anillo formado por interruptores con los circuitos conectados entre cada dos de ellos. Para aislar un circuito es necesario la apertura de los dos interruptores correspondientes, abriéndose así el anillo. Cuando se quiere aislar un circuito por un período largo, se debe abrir el seccionador de la línea para poder cerrar los interruptores asociados a dicho circuito y así dar continuidad al anillo.
Es una configuración económica y segura además de confiable, pero sin flexibilidad. Es segura y confiable por permitir continuidad de servicio por falla o durante mantenimiento de un interruptor ya que cada campo o circuito está asociado a dos interruptores. El principal inconveniente consiste en que, en caso de falla en un circuito, mientras se hace mantenimiento en otro del anillo, puede quedar seccionado y presentar falta de servicio en alguna partes o perderse la seguridad en el sistema. Para cumplir con las funciones de seguridad y confiabilidad para las cuales fue ideada esta configuración, es necesario operarla con todos los interruptores cerrados (tal como es su operación normal; por lo tanto, desde el punto de vista de la flexibilidad la subestación es similar a una barra sencilla. Para efectos de distribución de corrientes, los circuitos conectados al anillo se deben repartir de tal manera que las fuentes de energía se alternen con las cargas.
Para situaciones prácticas conviene limitar el uso de estas configuraciones a un máximo de seis salidas. En el caso de ser necesario agregar más, es preferible cambiar la configuración a interruptor y medio. Por lo anterior, el diseño inicial de la subestación debe prever esta circunstancia.
La aplicación de la disposición en anillo exige especial cuidado en lo referente a ciertos aspectos como la operación de dos interruptores con falla en una salida, el recierre automático, lo mismo que la protección y la medida. El daño de un interruptor durante la falla en uno de los circuitos de salida origina la pérdida de otro circuito debido a la operación de la protección contra falla de interruptores. Además, requiere dispositivos de potencial en todos los circuitos ya que no hay un punto de referencia definido (como una barra principal).
1.4.3. DOBLE BARRA CON DOBLE INTERRUPTOR
En esta configuración se duplican tanto las barras como los interruptores de cada circuito. Entre todas las configuraciones vistas, ésta es la que presenta la mayor seguridad, tanto por falla en barras como en interruptores, también brinda una gran libertad de operación, para trabajos de revisión y para mantenimiento. Con el fin de lograr la mayor seguridad, cada circuito se conecta a ambas barras, debiendo permanecer ambas energizadas. En algunos casos los circuitos se pueden separar en dos grupos, conectando cada uno a una barra; en tal condición la falla en una de las barras saca de servicio todo lo que esta conectado en ella, perdiéndose la seguridad que brinda la operación normal y no justificándose el extracosto con respecto a una doble barra.
Es la mas costosa de todas las configuraciones a expensas de su seguridad desde el punto de vista del suministro, por lo cual su adopción en un caso particular requiere una justificación cuidadosa. También como en la configuración de interruptor y medio, se puede modificar la conexión de los transformadores.
1.5. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LAS CONFIGURACIONES
Este es el requerimiento mas difícil. La menor cantidad de dinero invertido es el resultado de un adecuado planeamiento. No obstante, además del costo de la inversión inicial (equipo, terreno y obras complementarias), el costo total de una subestación incluye el costo marginal, el cual puede resultar de la inhabilitar de hacer uso en forma mas eficiente de la capacidad disponible de generación durante toda la vida útil de la subestación.Cualquier decisión para adoptar un diseño particular de configuración en una subestación debe tener como base los requerimientos técnicos, previendo que en lo económico sea aceptable. Cualquier ahorro efectuado por el solo hecho de ahorrar en el costo inicial generalmente resulta contraproducente a largo plazo.
Un método simplificado para comparar el costo de distintas configuraciones consiste en asignar un valor 1.0 a los interruptores y de 0.2 a los seccionadores. Por ejemplo, si se quiere comparar para una subestación de ocho (8) circuitos, con configuraciones de barra partida e interruptor y medio, se procede de la siguiente manera:
8 + 1 interruptores
24 + 2 seccionadores
valor comparativo = 9 + 26*0.2 = 14.2
8*1.5 interruptores = 12
8*4 seccionadores = 32
Valor comparativo = 12 + 32*0.2 = 18.4
Lo que significa que la configuración en interruptor y medio para una subestación con ocho (8) circuitos es aproximadamente 29.6% mas costosa que la configuración de doble barra.
Con base en esta metodología se puede asignar un valor comparativo a cada tipo de configuración en función del numero de circuitos o campos.
Siendo n, el numero de campos, podemos afirmar:
= 1.4(n+1)
Nota: Para lograr un valor practico de esta configuración debemos considerar el valor adicional que tienen los interruptores tipo pantógrafo (dos por campo), para lo cual suponemos que estos son un 25% mas costosos que los seccionadores convencionales. De esta forma el valor comparativo será: 1.9n + 1.4.
La anterior metodología tiene fines comparativos solamente. Para poder efectuar un presupuesto detallado es necesario conocer el valor FOB (freight on board) del equipo de algunas configuraciones en función del numero de campos, calculando en forma muy detallada.
Cuando se calcula el costo de una subestación encapsulada en SF6 se debe tener en cuenta si la subestación es del tipo intemperie o interior. Para el primer caso el equipo puede valer entre 5% y 10% mas del costo que tiene el equipo para instalaciones interiores. Para el ultimo caso, no obstante, es necesario evaluar el costo del edificio así como el costo de un puente grúa indispensable para el montaje y mantenimiento de los equipos.
Debido a la gran cantidad de aspectos particulares que intervienen en la evaluación de costos es bastante difícil establecer factores de comparación entre subestaciones convencionales y subestaciones encapsuladas en SF6. Pero si puede establecerse que para el caso de subestaciones de alta tensión, cuando no existen mayores problemas en obtener el área de la subestación, es mas económico construirlas del modo convencional. Para subestaciones de extra alta tensión se pueden equiparar los costos.
Así, la evaluación económica de la Subestación Paez esta dada a continuación, teniendo en cuenta que la subestación constara de 6 campos (n=6).
INTERRUPTOR Y MEDIO = 2.3*n = 2.3*6 = 13.8
ANILLO = 1.6*n = 1.6*6 = 9.6
DOBLE INTERRUPTOR = 3*n = 3*6 = 18
Económicamente la configuración mas apropiada es la de ANILLO, seguida por la de INTERRUPTOR Y MEDIO y por ultimo la de DOBLE INTERRUPTOR.
1.6. SELECCION DE LA SUBESTACIÓN
Una de las razones para la selección del tipo de Subestación es la clase de consumidores a suplir. Dado que los consumidores son netamente Industriales y dada la existencia de una clínica especializada, es necesario que el suministro de energía eléctrica sea constante y confiable.
Otra razón es el costo. Luego de comparar los costos dados por cada una de las configuraciones propuestas y teniendo en cuenta el cumplimiento de los requerimientos expresados anteriormente, se llego a la conclusión de que la configuración mas aconsejable es…
CONFIGURACION DE INTERRUPTOR Y MEDIO.
Teniendo en cuenta las características del mantenimiento, las ventajas obtenidas por cada una de las alternativas las podemos observar en la tabla 1.
Tabla 1. Facilidad de Mantenimiento.
1.7. ESPACIO O LOTE DE LA SUBESTACIÓN
La disponibilidad de un sitio puede ser el aspecto mas importante en el planeamiento de una nueva subestación. Cuando el espacio es limitado es necesario imponer restricciones en el diseño, lo cual puede dar como resultado una subestación con características inferiores requeridas por el sistema. Usualmente aquellas subestaciones que son simples en un diagrama y utilizan menor cantidad de interruptores ocupan la menor área. Cuando las restricciones del área son grandes, por ejemplo en zonas urbanas o en terrenos montañosos, o su costo de adecuación es excesivo, se deberá seguir un diseño de tipo encapsulado en SF6 (hexafloruro de azufre).Es difícil efectuar una comparación general del espacio requerido, para las diferentes configuraciones ya que para cada una de ellas se presentan diversas situaciones. Se pueden comparar, en primer lugar, los espacios requeridos por los diferentes arreglos físicos de una misma configuración y, en segundo lugar, las áreas necesarias para las diferentes configuraciones utilizando determinada disposición física.
A manera de ejemplo en la figura 4 se muestran los índices de áreas para diferentes configuraciones con alternativas para subestaciones con seis (6) campos de conexión.
Figura 4. Comparación de Areas
Donde :
1. Barraje simple con transferencia.
2. Barra partida.
3. Doble barra mas by pass.
4. Doble barra mas barra de transferencia.
5. Interruptor y medio.
INDICE: 1.00 = 6.7 m2.
En la figura 4 se consideran dos tipos de disposición física. La primera es la clásica con dos filas de interruptores y una salida por campo para las configuraciones de conexión de barras; para las configuraciones de conexión de interruptores también se utiliza la disposición clásica y solo se compara el interruptor y medio, ya que el anillo es técnicamente aceptable hasta (6) campos y su área es idéntica a la del interruptor y medio. La segunda disposición física es la clásica modificada con una fila de interruptores y una salida por campo para las configuraciones de conexión de barras; para el interruptor y medio se mantuvo la disposición clásica.
Para determinar el espacio requerido para la implementación de la subestación con la configuración seleccionada (interruptor y medio), se tendrá en cuenta básicamente el numero de campos que presenta la configuración. La disposición física de dos filas de interruptores y una salida por campo y la disposición física de una fila de interruptor y una salida por campo, son iguales para la configuración dada, es decir, que la subestación ocupara el mismo espacio sin importar cual sea la disposición física contemplada.
Según la figura 4 (comparación de áreas), la configuración seleccionada presentara un área aproximada de 6.1 m2 por campo, lo cual nos da un área de 36.6 m2 por los seis campos, si los equipos son encapsulados en SF6.
Por otra parte, se deben tener en cuenta el área que ocuparan los transformadores de potencia, la sala de control, vías de acceso, etc. Pero si la subestación es de tipo convencional, se tiene que el espacio requerido será por lo menos 15 veces mayor que la dada por una en SF6, es decir, que el área aproximada de una subestación tipo convencional será de 549 m2.
De lo anterior se puede concluir que el área requerida para el total de la subestación será aproximadamente de 1.100 m2.
A continuación en la figura 6, y luego de determinar la configuración mas apropiada para el diseño se da a conocer el diagrama unifilar de la configuración seleccionada para la subestación a diseñar.
