¿QUE ES UN SISTEMA AUXILIAR EN LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS? Se define como el conjunto de instalaciones formadas por las fuentes de alimentación de corriente directa y de corriente alterna, de baja tensión, que se utilizan para energizar los sistemas de control, protección, señalización, alarmas y alumbrado de una subestación, así como el sistema contra incendio. Los sistemas auxiliares de una instalación se puede considerar alimentados de la siguiente forma: 1. En corriente directa, por una batería de 120 volts y 216 ampere-horas y otra de 51 volts y 35 amperehora. 2. En corriente alterna, por dos transformadores de 225 KVA 23 KV/220-127 volts alimentados cada uno de ellos por un banco de potencia distinto, o por un banco y un alimentador que pueda tener regreso de otra subestación, a través de la red de distribución. EJEMPLO DE UN DIAGRAMA UNIFILAR PARTES QUE CONFORMAN UN SISTEMA AUXILIAR Los sistemas auxiliares pueden dividirse en los siguientes conjuntos de partes y de sistemas: 1. Servicios de estación - Transformadores - Tableros - Baterías - Cargadores - Planta de emergencia 2. Alumbrado - Tipos de luminarias - Clases de alumbrados - Distribución de gas 3. Sistema contra incendio 4. Aire acondicionado TRANSFORMADORES Dependiendo de la complejidad de la subestación será el tipo de transformador que se utilizara. Siempre se deberán de utilizar dos transformadores, para que uno sea la reserva del otro. La conexión de estos es delta en alta tensión y estrella con neutro aterrizado en el lado de baja tensión, la sincronización de ambos transformadores será con un mecanismo de transferencia automática. TABLEROS La cantidad de tableros dependerá de la complejidad de la subestación. Normalmente se utiliza un tablero principal y tableros secundarios aunque esto podría variar dependiendo de lo anteriormente mencionado. TABLERO PRINCIPAL Este tablero se utiliza para el control y protección de los servicios de corriente alterna. Esta formado por cuatro barras, o sea, tres fases que deben soportar hasta 800 amperes continuos y un cortocircuito entre fases de 17 KA y una barra que es el neutro. Las barras deben de soportar una tensión nominal de 220 VCA a 60 Hz. En uno de sus extremos tendrá la alimentación proveniente de los transformadores, que ira directamente al interruptor principal, adema contara con interruptores secundarios y salidas a otros tableros si hubiera esa necesidad. TABLEROS SECUNDARIOS La alimentación de estos tableros viene del tablero principal con una alimentación de 220 volts de corriente alterna al igual que el tablero principal debe de contar con sus 4 barras con una función igual que en la del tablero principal y debe de soportar un cortocircuito entre fases de 15 KA. En el interior de este tablero se alojan interruptores electromagnéticos de diferentes capacidades, un conjunto de aparatos de medición, de lámparas piloto y de conmutadores. BATERIAS Las baterías instaladas en las subestaciones, que forman parte de los servicios auxiliares, tienen como función principal almacenar la energía que se utiliza en el disparo de los interruptores. Por lo que deben de encontrarse siempre en optimas condiciones de funcionamiento. La batería de 120 volts se utiliza para energizar: 1. Protecciones. 2. Lámparas piloto, aunque a veces se energizan con corriente alterna. 3. Registrador de eventos. 4. Circuito de transferencia de potenciales. 5. Sistema contra incendio. IMAGEN DE UN BANCO DE BATERIAS Osciloperturbógrafo. Gabinete del equipo de onda portadora. Control de los interruptores de alta y baja tensión. Control de las cuchillas. Alarmas. Alumbrado de emergencia. La batería de 51 volts se utiliza para energizar el equipo de comunicaciones de telecontrol y electrónico. Cuando la subestación es operada manualmente solo se utiliza la batería de 120 volts. La tensión de una batería se fija en función de la capacidad de la instalación lo que a su vez repercute, según las cargas, en la sección de los conductores. En subestaciones excesivamente grandes se llega a utilizar baterías de 250 volts. En las subestaciones se pueden instalar baterías de tipo ácido o alcalino. En la mayor parte de los casos se instalan las ácidas, que tienen la ventaja de costar la mitad, con una duración de unos 20 años, ligeramente inferior alas alcalinas. La mayor ventaja de las ácidas viene dada por la característica de conocerse el estado de la carga que almacena la batería en función de la densidad que tiene el electrolito, cosa que no se puede determinar en las baterías alcalinas. Las baterías se instalan en un cuarto cerrado, que forma parte del edificio principal de la subestación, y lo más cerca posible de los tableros para reducir al máximo la longitud de los cables y por lo tanto la posibilidad de la aparición de sobretensiones, por acoplamiento capacitivo o inductivo. Los cuartos en que se instalan las baterías, ya sean ácidas o alcalinas, deben estar provistos de un extractor de gases, que deberá arrancar unos minutos antes de la apertura de la puerta de entrada del personal, con el fin de eliminar la posible acumulación del hidrógeno que se desprende durante las descargas intensas de las baterías y que, en presencia de alguna chispa originada en la ropa de la persona que entra, puede provocar una explosión. Los locales destinados a baterías deben ser secos, bien ventilados y sin vibraciones que puedan originar desprendimiento excesivo de gases y desgaste prematuro de las placas. La temperatura debe variar entre 5 y 25° C. La iluminación debe efectuarse por medio de luminarias y apagadores del tipo aprueba de explosión. El suelo debe ser aprueba de ácido o álcali, según sea el tipo de batería, y deberá tener una ligera pendiente con un canal de desagüe, para evacuar rápidamente el líquido que se pueda derramar o el agua del lavado. Los muros, techos y ventanas deben recubrirse con pintura resistente al ácido o a los álcalis. La capacidad de una batería viene dada por el valor de los ampere-horas que puede suministrar en condiciones de trabajo normales. La cantidad de electricidad que cede en la descarga es menor que la que recibe en su carga, de acuerdo con su eficiencia, misma qué disminuye en las descargas rápidas. Las subestaciones con tensiones superiores a 150 kV, suelen utilizar baterías de 200 A-h, pero si utilizan interruptores de aire comprimido, puede ser suficiente con 100 A-h. En instalaciones con tensiones menores, la capacidad de la batería puede reducirse a valores comprendidos entre 50 y 75 A-h. La carga de la batería de una subestación se puede efectuar por medio de dos unidades, formada cada una, por un motor de corriente alterna acoplado a un generador de corriente directa. Este procedimiento ha caído en desuso, por ser de un costo alto y de baja precisión en el valor de la tensión de flotación, factor que es muy importante en la tensión de flotación de la vida de la batería. En la actualidad está más extendido el uso de cargadores electrónicos de estado sólido, que se pueden regular con mucha mayor precisión, son más baratos, requieren menos mantenimiento, no son ruidosos y ocupan menor espacio. Las baterías se conectan a las barras generales de corriente directa a través de un interruptor termomagnético, que para el caso de la batería de 120 volts, deberá ser de 250 volts, dos polos, 400 amperes nominales y capacidad interruptiva de 10 kiloamperes. En algunos países, en vez de baterías de 120 volts y 200 A-h han venido usando unidades de 40 volts, pero de mayor capacidad, lo que proporciona una potencia semejante pero menor tamaño. El consumo permanente de una batería lo debe surtir el cargador, y la batería debe proporcionar los valores de pico. En caso de falta de corriente alterna, la batería debe mantener, durante 4 horas, la demanda normal de la subestación incluyendo una corriente de pico con una duración de hasta 10 segundos. Se considera corriente de pico ala que se obtiene durante la operación simultánea de tres interruptores. La tensión por celda, después de 4 horas de corriente normal más la de un pico, no debe ser menor de 1.9 volts, comparada con la original que era de 2.18 volts, según se muestra en la Figura siguiente. Grafica tensión – tiempo de una celda CARGADORES Son los dispositivos que mantienen las baterías al nivel de carga nominal. Estos dispositivos son rectificadores estáticos, construidos con tiristores y que regulan la tensión de flotación de la batería. Para cada batería se utilizan dos cargadores, uno como sustituto del otro. Los cargadores se instalan en un cuarto cercano al de baterías, para protegerlos de los gases que desprenden éstas y evitar la posibilidad de una explosión. La capacidad de los cargadores debe poder mantener la carga de flotación a tensión constante y, al mismo tiempo, suministrar el consumo de la carga permanente. En el caso de que el cargador esté suministrando la carga completa y simultáneamente aparezca un pico de carga extra, la batería suministrará la diferencia de carga. En el caso de una falla en la corriente alterna, en que la batería alimenta todas las instalaciones de emergencia, más las suyas propias, al regresar aquélla el cargador debe poder suministrar la demanda normal y recargar la batería hasta el valor de flotación. La capacidad del cargador se selecciona a base de obtener el periodo de carga rápida, en un tiempo máximo de 5 horas, en las condiciones más desfavorables. Los cargadores deben tener protección de sobrecarga y de cortocircuito, en el lado de corriente alterna y en el de directa. Además, deben tener supervisión por medio de vóltmetro y ampérmetro, en la salida de corriente directa. El gabinete que soporta el cargador puede ir sobre el suelo o montado en una pared. PLANTA DE EMERGENCIA Son grupos motor-generador que se utilizan en algunas subestaciones muy importantes, para que en caso de fallas de los dos circuitos del servicio de estación, se tenga una tercera posibilidad de tener energía para operar los circuitos de baja tensión de ca y cd, de la subestación de que se trate. La capacidad depende de la complejidad de la subestación, pero en general, es del orden de 80 kW 220/127 volts 60 Hz, 3 fases y 4 hilos. Dichas plantas, una por subestación, arrancan y se conectan en forma automática, al desaparecer la tensión de corriente alterna. La conexión se efectúa en las barras principales de corriente alterna, que son alimentadas por los dos transformadores del servicio de estación, dicha conexión se hace por medio de un interruptor operado por un equipo de transferencia automática. El equipo de transferencia automática, mediante los dispositivos adecuados, transfiere la carga del sistema normal de los transformadores al sistema de la planta de emergencia en un tiempo no mayor de 50 milisegundos, por medio de relevadores que detectan la falla de tensión. Al restablecerse el suministro normal de energía, el equipo de transferencia conecta de nuevo la carga al servicio normal, en un tiempo variable entre cero y cinco minutos, para dar oportunidad a que el sistema de suministro de energía se estabilice. El equipo de transferencia automática contiene las siguientes partes importantes: 1. Protecciones eléctricas y mecánicas que evitan que los contactos del lado normal y de emergencia puedan quedar conectados simultáneamente. 2. Un dispositivo de tiempo ajustable, para retardar de cero a cinco minutos la operación del equipo de transferencia al servicio normal, y otro para retardar de cero a quince minutos el paro del motor, después de continuar su operación sin carga, por haberse reestablecido el suministro normal de energía eléctrica. 3. Dos relevado res sensibles ala baja tensión, ajustables para detectar y además arrancar automáticamente la planta de emergencia, cuando la tensión del sistema exterior disminuya, como límite, hasta un 70% de su valor normal, o pararla cuando la tensión se reestablezca por arriba del 90 % del valor nominal. 4. Reloj programador que en forma automática arranca y para la planta de emergencia en forma diaria o semanal, a la hora y durante el tiempo deseado. Estos arranques se efectúan con la planta trabajando en vacío, para que la unidad se encuentre en perfectas condiciones de operación y con sus dos baterías de arranque a plena carga eléctrica. 5. Cargador automático de las baterías. 6. Equipo de arranque y paro automático que controla el arranque, paro, funcionamiento y protección de la unidad. En el caso de que al fallar la alimentación normal, no arranque, un control deberá provocar que se inicien, tres intentos de arranque y paro, con intervalos de 30 segundos, durante un periodo de 90 segundos y en caso de persistir la negativa al arranque, el circuito deberá encender una lámpara de alerta y activar una alarma sonora. En el caso de que en el primer intento de arranque el motor de combustión interna tenga éxito, el control deberá desconectar el circuito de arranque automático. 7. El motor de la planta deberá de incluir señalización y alarma para las siguientes fallas, señales que a su vez deben parar inmediatamente la unidad hasta que llegue el personal adecuado: - Alta temperatura del agua de enfriamiento. - Baja presión en el circuito de aceite lubricante. - Sobrevelocidad. ALUMBRADO DE SUBESTACIONES Las instalaciones de energía eléctrica, como son las subestaciones, deben ser dotadas de alumbrado para que el personal de operación, mantenimiento y vigilancia puedan desarrollar sus trabajos respectivos. Aun en subestaciones automatizadas, en que prácticamente no hay personal, se requiere de alumbrado. En la iluminación de una subestación se pueden considerar cuatro propósitos básicos: 1. seguridad en la operación del equipo. 2. Transito Sin peligro. 3. Inspección del equipo, 4. Trabajos de mantenimiento. No se pueden dar reglas fijas sobre la iluminación de una subestación, porque la intensidad y distribución de los puntos de luz dependen de una serie de circunstancias, como pueden ser los reglamentos de las autoridades de trabajo, las políticas sobre el ahorro de energía, las reglas de las empresas eléctricas en lo referente a que en las subestaciones no se debe de efectuar mantenimiento nocturno, etc. Es el proyectista el que debe resolver esta cuestión y señalar la solución más conveniente en cada caso. Una cuestión importante en las subestaciones es el llamado alumbrado de emergencia. Al fallar el servicio todas las áreas quedarían sin luz, precisamente en momentos en que es necesario. Para evitarlo, se debe contar con un pequeño alumbrado de emergencia, alimentado por un circuito de batería. Iluminación horizontal Esta iluminación debe abarcar toda la subestación al nivel del suelo, para asegurar el tránsito del personal sin peligro. Los peligros potenciales como conductores caídos y objetos que yazcan en el suelo, deben ser visibles. Para este tipo de iluminación se utilizan luminarias instalados en el perímetro de la subestación, montados sobre postes de 6 a 9 metros de altura, complementados por otros luminarias instalados en la estructura de la subestación, o en postes o estructuras instaladas en el centro del área por iluminar, de tal manera que se eliminen al máximo las sombras causadas por el equipo eléctrico. Las luminarias deben colocarse alejadas de las partes energizadas, de modo que se puedan sustituir las lámparas defectuosas, sin riesgo para el personal de mantenimiento. Iluminación vertical Esta iluminación debe abarcar las superficies verticales del equipo, localizadas generalmente arriba del nivel del ojo, de tal manera que se tenga una iluminación adecuada a ese plano de trabajo, que es donde, se encuentran la mayoría de las tareas visuales. FUNCIONES DEL ALUMBRADO EN LOS TRANSFORMADORES: checar niveles de aceite en las boquillas, fugas de aceite, medidores de presión y temperatura en el tanque principal y en el intercambiador de derivaciones, así como medidores de flujo en las bombas de aceite. CUCHILLAS: Ver indicadores de posición, eslabones mecánicos de la posición de las cuchillas, dispositivo de operación manual y evidencias de arqueo y calentamiento excesivo. CONTROL DEL ALUMBRADO Este puede ser manual o automático, si la subestación cuenta con un operador, este puede controlarlo desde donde se localiza el tablero y sus respectivos apagadores. TIPOS DE ALUMBRADO Dependiendo de su magnitud se puede utilizar un simple alumbrado hasta varios sistemas y diferentes luminarias, por ejemplo: luminarias de alta densidad de descarga. ALUMBRADO DE BARDAS En las subestaciones sin personal conviene tener un alumbrado en las bardas que encienda en forma automática, por medio de celda. La cantidad de luminarias depende de la longitud de las bardas, con la instalación de dos proyectores de haz estrecho sobre el mismo poste y dirigidos a 180° uno del otro. Se pueden usar luminarias de 400 W 220 V, de sodio, alta presión, montados sobre un mismo poste. ALUMBRADO DEL EDIFICIO DEL TABLERO Este alumbrado se proyecta con unidades fluorescentes, de 2 x 40 watts x luminaria, repartidos en la forma siguiente: a) Sala de tableros. Se pueden instalar 4 hileras de 15 unidades cada una, conectadas a 2 circuitos diferentes del tablero de alumbrado, de tal manera que cada circuito tiene 2400 watts. b) Sala de baterías. Se utilizan tres luminarias incandescentes de 200 watts cada uno, del tipo a prueba de explosión. c) Cuarto de comunicaciones e hilo piloto. Se utilizan 3 unidades fluorescentes de 2 x 40 watts. EQUIPOS AUXILIARES Sistema contra incendio En la subestación se puede producir un incendio en diferentes puntos : Edificio de tableros Trincheras de cables Interruptores Tc y Tp. Principalmente en los transformadores de potencia Sistemas de protección contra incendios mas utilizados: Separación adecuada entre bancos de transformadores Se considera una separación de 8 metros como mínimo en los transformadores ( para evitar la propagación del fuego a otros aparatos), la separación varia dependiendo de la capacidad de los transformadores Muros separadores, no combustibles entre transformadores Los muros deben de tener una altura que sobrepase 1.50m la altura del transformador. La longitud horizontal debe de sobresalir unos 60 cm de la longitud del transformador, incluyendo los radiadores Capacidad del transformador Cantidad de transformadores Distancia libre entre transformadores Necesidad de muro 30 MVA 2 o mas Mayor de 12m. Menor de 12m. No Si 50 MVA 2 o mas Mayor de 12m. Menor de 12m. No Si 100 MVA 2 o mas Mayor de 12m. Menor de 12m. No Si Fosas Se construye una fose debajo de cada transformador con la misma capacidad de almacenamiento que la capacidad de aceite en dicho transformador, en el fondo de este esta simplemente a tierra y esta rellenado con piedras para enfriar el aceite incendiado y sofocar el fuego, esta no tiene drenaje y se drena con bombas, este sistemas es de los mas económicos. NOTA: Los sistemas que a continuación se muestran están instalados y son utilizados por medio de una red de tuberías provistas de toberas, rociadores que regularmente descargan el componente a presión sobre la zona que tratan de proteger Sistemas fijos, a base de polvo químico seco Este es a base de bicarbonato de sodio, potasio y fosfato de amonio, mezclados con un material especial para que no se formen grumos. Sistemas fijos, a base de halon Este se mezcla con nitrógeno, el halon es un hidrocarburo halogenado, el cual tiene una densidad 5 veces mayor a la del aire, es incoloro, inodoro, e inhibe la combustión, su poder de extinción es de tres veces la del dióxido de carbono, y se puede utilizar en lugares cerrados. Sistemas fijos, a base de dióxido de carbón Su densidad es 50% mayor que la del aire, no conduce electricidad y al pasar de liquido a gas se expande 450 veces, enfriando y sofocando el incendio, no se debe de utilizar en lugares cerrados porque hay riesgo de asfixia. Sistemas fijos, a base de agua pulverizada Este sistema es soportado por tanques hidroneumáticos y por cisternas y unidades de bombeo con motor disel de operación automática. Las válvulas de diluvio por las cuales sale disparada el agua a presión pueden ser de disparo neumático o eléctrico, para el caso de las subestaciones es recomendable utilizar el de tipo eléctrico, puesto que los detectores son del tipo termoeléctrico. Zonas principales para la instalación de equipos contra incendios a) Área de la subestación donde no se encuentran los transformadores Extinguidores portátiles, cargados con dióxido de carbono a presión ( ubicados en diversas columnas de alta y baja tensión, si como dentro del edificio donde se encuentren los tableros) b) Área de los bancos de transformadores En esta área se trata de proteger los transformadores de potencia los cuales son muy peligrosos por la gran cantidad de aceite contenido en ellos. En caso de un cortocircuito, la energía desarrollada por este, gasifica el aceite interno generando una onda de presión, o bien, un arco el cual puede llevar a reventar el tanque, originando un chorro de aceite en combustión. AIRE ACONDICIONADO En las subestaciones es muy raro que se utilice un sistema de aire acondicionado, solo en casos muy especiales donde las condiciones del terreno o de la ubicación de la subestación, requiera de dicho equipo para su buen funcionamiento, para la correcta elección del sistema de aire acondicionado que se utiliza se contrata a una empresa especializada que estudiara las necesidades de la subestación, dependiendo si se encuentra en una zona desértica, o alguna zona tropical, para que los operadores trabajen adecuadamente, también su instalación es requerida en donde se encuentra el equipo de computo donde se requiere una temperatura y una humedad adecuada.