UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE NAYARIT SUBESTACIONES ELÉCTRICAS TSU EN MECATRÓNICA ÁREA IEE ENERO-ABRIL 2025 Unidad 2: Arreglos de barras y tecnología en las subestaciones eléctricas Tema 1: Arreglo de Barras El sistema de barras o arreglo de barras de una subestación, denota la configuración de las barras con respecto a los circuitos asociados y las componentes. Hay una gran variedad de sistemas de barras, tales como el llamado arreglo de barras sencillo, el arreglo con doble barra, el arreglo con barra principal y barra de transferencia, el arreglo de interruptor y medio, etc., todos éstos, para su representación, parten de lo que se conoce como el diagrama unifilar, que es un diagrama que representa una sola fase de la conectividad entre los elementos de una subestación, usando una simbología convencional para representar cada elemento o componente. ¿Qué son las barras colectoras? Las barras colectoras son barras metálicas sólidas que se utilizan para transportar la corriente. Las barras colectoras, que suelen estar hechas de cobre o aluminio, son rígidas y planas, más anchas que los cables. También pueden transportar más corriente que los cables con la misma sección transversal. Estos atributos hacen que las barras colectoras sean ideales para algunas conexiones de alta tensión en los vehículos eléctricos y un componente clave de las arquitecturas eléctricas de los vehículos del futuro. ¿Pero que son las barras colectoras? Las barras son utilizadas, generalmente, para interconectar dos o más circuitos de un sistema de potencia. Cuando ocurre una falla en una barra, el sistema queda ampliamente afectado, debido al nivel de corriente de cortocircuito resultante por la ubicación de la barra en el sistema, y a la cantidad de circuitos que deben abrirse para despejar la corriente de contribución al cortocircuito. Estos circuitos pueden ser generadores, transformadores, líneas de transmisión, motores, entre otros. Por tal razón, se suelen dividir las barras con un interruptor de enlace, o se diseñan arreglos de barras adecuados para minimizar el número de circuitos que deben abrirse para despejar la falla que podría ocurrir en la barra asociada. Los interruptores que conforman el arreglo de barras, usualmente tienen seccionadores en cada lado para aislar al interruptor del sistema después de alguna contingencia o por mantenimiento. Los seccionadores se operan sin carga, manualmente o por un control remoto. Las fallas en las barras no son comunes, pero son de las que proporcionan mayores pérdidas de servicio en el sistema de potencia y suelen ocurrir a causa de contactos de animales, ruptura de aislamiento, fallas en los equipos involucrados, contaminación o por objetos llevados por el viento. Por lo general, el tipo de protección eléctrica que se utiliza en las barras es la Protección Diferencial, porque proporciona la sensibilidad y rapidez requeridas para cortocircuitos entre fases y fallas a tierra. A continuación, se describen los arreglos de barras más sencillos a utilizar en las Subestaciones Eléctricas (S/E), la complejidad del arreglo depende de la importancia que se les dé a los circuitos interconectados en la S/E. La función de una barra colectora Una barra colectora funciona como un punto de conexión eléctrica donde recoge la energía eléctrica de los alimentadores entrantes y luego la distribuye a los alimentadores salientes. La función principal de una barra colectora es transportar y distribuir electricidad, lo que contribuye a la eficiencia de los sistemas. En instalaciones eléctricas complejas, las barras colectoras pueden ser una solución muy eficaz. La mayoría de las barras colectoras no están aisladas a lo largo de su longitud. Esto es posible porque están montadas rígidamente sobre "separadores" de aislamiento y utilizan aire como medio aislante a lo largo de la longitud. Las conexiones entre las longitudes de las barras colectoras se sueldan/sueldan para tamaños más pequeños, pero a menudo se atornillan en barras más grandes. Con la rigidez de la propia barra y el montaje rígido, esto permite que las conexiones se realicen mediante abrazaderas alrededor de la barra. Los interruptores eléctricos son dispositivos que pueden abrir y cerrar circuitos bajo carga e incluso durante condiciones de falla (cortocircuitos). Utilizan diferentes medios de extinción de arco eléctrico como vacío, aire, o gases especiales (como el SF6) para interrumpir el flujo de corriente de manera rápida y segura. Un seccionador eléctrico (también llamadas cuchillas) es un dispositivo mecánico que permite abrir o cerrar un circuito eléctrico de manera segura, sin embargo, no está diseñado para abrir circuitos bajo carga de corriente (es decir, no puede interrumpir corrientes de operación o corrientes de falla). Su principal función es garantizar una desconexión visible y segura que facilite las labores de mantenimiento y asegure que partes del sistema están completamente aisladas y sin tensión. Tipos de Arreglos Eléctricos para Barras de Subestaciones Los criterios utilizados a la hora de seleccionar la configuración de las barras de una subestación eléctrica, son los siguientes: •Continuidad y Confiabilidad del Servicio •Versatilidad de Operación •Facilidad de Mantenimiento de los Equipos •Cantidad y Costo del Equipamiento Eléctrico De está manera, se selecciona la configuración apropiada, en base a los aspectos técnicos-económicos relativos al proyecto. También es importante considerar el tipo de subestación del proyecto, ya que esto puede tener un gran impacto económico. No es lo mismo, por ejemplo, considerar que la subestación será del tipo AIS o GIS. Los arreglos de barras más comunes son los que se indican a continuación, en orden de complejidad y costos: 1. Arreglo de barra sencilla o simple 2. Arreglo de barra anillo 3. Arreglo de barra principal y barra de transferencia 4. Arreglo de doble barra con un interruptor y barra de transferencia 5. Arreglo de interruptor y medio 6. Arreglo de doble barra y doble interruptor Sistema de Barra Simple o Sencilla Como su nombre lo indica, es la configuración más simple que puede tener una subestación eléctrica. Además, es la más económica, pero a su vez la menos segura. Esta configuración no se utiliza para subestaciones eléctricas de gran extensión. Esto último se debe a que la dependencia de una única barra en la subestación puede causar una prolongada interrupción del servicio, de todos los puntos de conexión a la barra, en caso de existir una falla en la barra misma o por efecto de una falla de interruptor. En caso de necesitar realizar algún trabajo de mantenimiento, o bien, en un proyecto de ampliación de la subestación, es necesario desenergizar la subestación eléctrica completamente. Principales ventajas de un esquema de barra simple: 1.Instalación Simple 2.Maniobras simples 3.Bajo costo Principales desventajas de un esquema de barra simple: 1.Una falla en la barra o en alguno de sus interruptores principales, tiene como resultado, la necesidad de interrumpir el servicio eléctrico en toda la subestación. 2.Para realizar la mantención de un interruptor, se debe interrumpir el servicio completamente del consumo asociado al equipo. 3.Es imposible realizar una ampliación de la subestación, sin tener que interrumpir el servicio completamente. En la siguiente imagen se representa de forma unilineal, el esquema de una barra simple en una subestación eléctrica. Sistema de Arreglo en Anillo El Sistema de Juego de Barras en Anillo se considera un diseño intermedio entre el juego de barras simple y el juego de barras doble, tomando en consideración costos y continuidad de servicio. La barra colectora es un anillo conformado por interruptores. Para aislar un circuito se requiere la apertura de los dos interruptores. Para aislar un circuito por un período largo, se debe abrir el seccionador de la línea para cerrar los interruptores asociados a dicho circuito y así dar continuidad al anillo. Este sistema presenta las ventajas siguientes: A. La falla de un interruptor del anillo no interrumpe la continuidad del servicio, dado que el juego de barras se convierte en un juego de barras sencillo. B. El anillo se puede dividir en dos juegos de barras simples, facilitando con esto las labores de mantenimiento e inspección. C. Se puede aislar una porción de la barra para fines de inspección y mantenimiento, conservando las barras restantes energizadas. Ahora bien, este arreglo presenta las desventajas siguientes: La desconexión simultanea de dos interruptores consecutivos del anillo, podría dejar fuera de servicio más de una línea. El sistema de medición y protección es más complejo. Para realizar cualquier trabajo en las barras es necesario sacar de servicio esta porción del anillo y sus alimentadores correspondientes. El mantenimiento de un interruptor de línea supone sacar de operación el alimentador correspondiente. Sistema de juego de barras en anillo Arreglo con Barra de Transferencia Básicamente es una barra simple, como se vio anteriormente, pero además existe una barra llamada de “transferencia” que posee un interruptor de transferencia. Esta barra de transferencia permite que los circuitos conectados a la barra principal, puedan conectarse a esta misma (a la barra principal) a través de la barra de transferencia y el interruptor de transferencia. De este modo se puede aislar el interruptor principal que se conecta directamente a la barra principal para el mantenimiento, sin necesidad de interrumpir el servicio del consumo asociado al circuito. Principales ventajas de una barra simple con barra de transferencia: Bajo costo Cualquier interruptor principal puede ser aislado para mantenimiento. Principales desventajas de una barra simple con barra de transferencia: Requiere de un interruptor adicional (interruptor de transferencia), para el enlace entre las barras Una falla en un interruptor o cualquiera de las barras, deja fuera de servicio a toda la subestación. Con este arreglo se pueden realizar trabajos de revisión y mantenimiento en cualquier interruptor, sin dejar fuera de servicio el alimentador o circuito correspondiente, ni la protección del mismo. Este sistema opera con la barra principal energizada, y la carga en cada línea es alimentada a través de los interruptores de línea. Para sacar de operación un interruptor de campo, pero dejando dicho campo en funcionamiento, se procede como sigue: 1) Cerrar seccionadores de transferencia. 2) Cerrar interruptor de transferencia. 3) Cerrar seccionador en derivación. 4) Abrir interruptor de campo. 5) Abrir seccionadores de barra y de línea. Para restablecer la operación del interruptor de campo, se debe seguir la secuencia siguiente: 1) Cerrar los seccionadores de barra y de línea correspondientes. 2) Cerrar el interruptor de campo. 3) Abrir seccionador en derivación. 4) Abrir interruptor de transferencia. 5) Abrir los seccionadores de transferencia. Esta solución es muy utilizada en instalaciones con potencia de operación medianamente altas; y, como se señaló anteriormente, en el sistema eléctrico es el sistema de juego de barras más utilizado. Sistema de Barras Dobles Este esquema consiste básicamente de dos barras simples conectadas por medio de un interruptor central, pero a diferencia de la barra simple seccionada, aquí la instalación de una línea, tiene la capacidad de conectarse a ambas barras. Es uno de los esquemas más utilizados en subestaciones eléctricas que contienen gran cantidad de circuitos pasando una gran cantidad de potencia a través de ellas. Las instalaciones de línea poseen desconectadores exclusivos para conectarse a cada una de las barras, permitiendo así que el circuito tenga flexibilidad de conexión. El interruptor central, el cual conecta-secciona las dos barras, permite que los circuitos puedan ser traspasados de una barra a otra bajo carga, permitiendo y garantizando así, la continuidad de los servicios. Principales ventajas de un esquema de barra doble: 1.Cualquiera de las barras puede ser asilada para mantención sin necesidad de interrumpir el servicio de los circuitos conectados. 2.Mayor flexibilidad con dos barras de operación. 3.Un circuito puede ser fácilmente transferido de barra por medio del interruptor seccionador de barra y de los desconectadores selectores de barra. Principales desventajas de un esquema de barra doble: 1.Se requiere de un interruptor extra para el enlace de barras 2.Se requiere de un desconectador adicional por circuito para conectarse a las barras. 3.El esquema de protección de barra puede ocasionar pérdida de subestación cuando opere, si todos los circuitos se conectan a esa barra. 4.Existe una alta exposición a fallas de barra. 5.Una falla de un interruptor principal deja fuera de servicio a todos los circuitos conectados a esa barra. 6.Una falla en el interruptor seccionador- acoplador de barras, deja fuera de servicio a toda la subestación. En el Sistema de Juego de Barras Doble normalmente una sola de las barras está energizada. Para energizar la otra barra se utiliza un interruptor conocido como interruptor de acoplamiento de barras. El sistema de juego de barras doble facilita el mantenimiento de cada juego de barras, conservando la continuidad del servicio en los alimentadores.
