Resumen subestaciones
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SSuubbeessttaacciioonneess
JJoosséé MMaannuueell AArrrrooyyoo SSáánncchheezz
ÁÁrreeaa ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa DDeeppaarrttaammeennttoo ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa,, EElleeccttrróónniiccaa,, AAuuttoommááttiiccaa yy CCoommuunniiccaacciioonneess
UUnniivveerrssiiddaadd ddee CCaassttiillllaa – – LLaa MMaanncchhaa
1
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Contenidos
• Introducción
• Elementos de una subestación
• Diseño de una subestación
• Disposición física
• Operación2
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Introducción
• Instalación con tres objetivos:
Transformación de tensiones (generación,transporte, reparto, distribución)
Redistribución de energía eléctrica(confluencia de líneas)
Alojar aparamenta
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Introducción
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Introducción
Localización de las subestaciones• Depende de su función
Cercana a centros de consumo:o Primarias ⇒Tensión de salida: 66, 110,
132 kVo Secundarias ⇒ Tensión de salida: 6.6,
15, 20 kV
Cercana a centros de generación
Dependiendo del nivel de tensión ⇒
Disponibilidad del terreno (urbano, rural)5
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Introducción
Clasificación según función
• Interconexión:
Confluencia de varias líneas sin
transformación
Seguridad del suministro y reducción decostes de generación
Utilización frecuente6
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Introducción
Clasificación según función• Transformación pura:
Típicamente 2 líneas de entrada y 1transformación a un nivel inferior de tensión
Suministro de energía a niveles desubtransporte, reparto y distribución
Suministro a grandes consumidoresconectados directamente a la red detransporte
Utilización reducida7
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Introducción
Clasificación según función• Interconexión con transformación a uno o
varios niveles inferiores de tensión Utilización frecuente
• De central
Inyección en la red de la energía generada
por las centrales Emplazamientos con características muy
especiales8
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Subestación de central
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Introducción
Clasificación según emplazamiento
• Intemperie
• Interior
• Blindadas
• Rurales10
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Subestaciones de intemperie
• Soportan condiciones atmosféricas adversas,aunque no todo está en el exterior:
V > VDISTRIBUCIÓN (20 kV) ⇒ Intemperie
VDISTRIBUCIÓN ⇒ Edificioo ↓↓ V ⇒ Distancias menores
o ↑↑ protección y facilidad de reparación
• Edificio de mando y control: cuadro de mando
y protecciones11
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Subestaciones de interior
• Mayor parte de la instalación dentro de edificio
• Transformadores a la intemperie
• Uso poco extendido (poco espacio, tensiones
bajas, interior de industrias o comercios)
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Subestaciones de interior
• Ventajas:
↑↑ protección (contaminación, humedad,ambiente salino)
Distancias menores
• Inconvenientes:
↑↑ caras (compromiso con el precio delsuelo en zona urbana)
Problemas con incendios (saltan las
protecciones por ionización del aire)13
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Subestaciones blindadas
• Nuevo dieléctrico: Hexafluoruro de azufre(SF6) ⇒ Gas de alta capacidad dieléctrica,
muy estable, no inflamable• Permite distancias mucho menores ⇒ Uso en
poblaciones o áreas de alta contaminación• Limitación de tamaño ⇒ Transformadores
(proporcional a potencia)• Mantenimiento reducido (menos problemas
que con el aceite de los transformadores)14
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Comparación de tamaño
• Nivel de 220 kV:
Intemperie: Separación de 4 m
Interior: Separación de 2 m Blindada: Separación de 15 cm
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Subestaciones rurales
• Instalaciones pequeñas (300 m2 vs. 110 m2)
• Más simples
• Menor calidad de servicio• No permiten demasiadas maniobras
• Suelen ser de tensión de reparto/distribución(66/20 kV)
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Elementos de una subestación (I)
• Líneas
• Barras o embarrado
• Transformador de potencia
• Aparamenta de maniobra y corte
• Aparamenta de transformación• Relés de protección (de línea, de
transformador, de batería de condensadores)17
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Elementos de una subestación (II)
• Elementos de medida
• Pararrayos• Celdas
• Servicios auxiliares
• Instalaciones de mando y control
• Baterías (alimentación de protecciones)
• Obra civil18
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Elementos de una subestación
Esquema
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Elementos de una subestación
Barra o embarrado• Elemento conductor que recoge todas las
intensidades que llegan a la subestación porlas líneas
Intemperie ⇒ Cable de cobre (flexible), tubode cobre o aluminio (rígido)
Interior ⇒ Tubo de cobre, pletina de cobre(8 × 80 mm, 10 × 80 mm, 2 de 10 × 80 mm)
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Elementos de una subestación
Barra o embarradoEsquema unifilar:
66 kV
LÍNEAS
TRANSFORMADORES
20 kV
LÍNEAS
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Elementos de una subestación
Barra o embarrado
• Cálculo de secciones: Por intensidad máxima admisible
Por esfuerzos electrodinámicos
• Cálculo de intensidad de cortocircuito
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Elementos de una subestación
Barra o embarrado
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Elementos de una subestación
Transformador de potencia• Transformación de tensión a distintos niveles:
Núcleo trifásico
Banco de transformadores monofásicos(transporte más fácil, mayor fiabilidad)
Autotransformador (más económico, máspequeño, relación de transformaciónpróxima a 1 ⇒ 220/132 kV)
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Elementos de una subestación
Transformador con tomas• Control de tensión dentro de límites legales
• Control de flujos de P y Q en la red
• Ajuste de tensión frente a ΔCarga 66/20 kV ⇒ Regulación en carga
automática (Sistema Jansen) 132/66 kV ⇒ Regulación en carga manual
desde el despacho de maniobras25
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Elementos de una subestación
Transformador con tomas
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ó
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Elementos de una subestación
Transformador de potencia
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El d b ió
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Elementos de una subestación
Transformador de potencia
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El t d b t ió
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Elementos de una subestación
Transformador de potencia
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El t d b t ió
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Elementos de una subestación
Aparamenta de maniobra y corte
• Seccionador• Interruptor automático o disyuntor
• Interruptor o interruptor en carga
• Interruptor-seccionador
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A t d i b t
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Seccionador de by-pass
Aparamenta de maniobra y corte
Seccionador• Une o separa de forma visible dos partes de
un circuito ⇒ Seguridad en trabajos deinspección, mantenimiento o sustitución
• Usos: Seccionador de interruptor
Seccionador de puesta a tierra (sólo enlíneas)
A t d i b t
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Aparamenta de maniobra y corte
Seccionador• Apertura y cierre sin carga normalmente
• Apertura y cierre con cargas pequeñas ⇒ Sólo en media tensión (1 kV – 36 kV)
• No pueden interrumpir corrientes de
cortocircuito ⇒ Interruptor automático• Mecanismo de enclavamiento ⇒ Evita
operaciones incorrectas32
Tipos de seccionador
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Tipos de seccionador
• De cuchillas giratorias
• De cuchillas deslizantes
• De columnas giratorias
• De pantógrafo
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Seccionador
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático• Corte y establecimiento de corrientes en
condiciones normales y anormales
• Permite el paso de corrientes anormalesdurante un tiempo limitado
• Permite el cambio de configuración de unsistema de energía eléctrica (conexión odesconexión prestablecida, condiciones
anormales de servicio, averías repentinas)35
Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático
• Proceso de corte: Separación de contactos ⇒ Arco eléctrico
Extinción del arco eléctrico
Reforzamiento dieléctrico del espacio entrecontactos ⇒ Tensión de restablecimiento
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Interruptor automático
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Interruptor automático
Cámara de corte
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Tipos de interruptor automático
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Tipos de interruptor automático
Según el medio de extinción del arco • Aceite
• Aire comprimido
• Soplado magnético
• Hexafluoruro de azufre (usado actualmente enmedia tensión y alta tensión)
• Vacío (usado actualmente en media tensión)38
Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor automático
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor o interruptor en carga• Establece, conduce e interrumpe corrientes en
condiciones normales
• Establece y conduce corrientes encondiciones anormales durante un tiempolimitado
• No puede cortar corrientes de cortocircuito
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Aparamenta de maniobra y corte
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Aparamenta de maniobra y corte
Interruptor-seccionador• Funciones idénticas a un interruptor en carga
Corrientes normales ⇒ Establece, conduce
e interrumpe Corrientes anormales ⇒ Establece y
conduce durante tiempo limitado, pero nolas interrumpe
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Elementos de una subestación
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Elementos de una subestación
Aparamenta de transformación• Reducen las magnitudes de V e I para
medición y para señales de entrada a los relésde protección ⇒ Economía y seguridad
Transformador de tensión
Transformador de corriente
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Elementos de una subestación
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Elementos de una subestación
Transformador de tensión
• En paralelo
•Mide VLÍNEA
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Elementos de una subestación
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Elementos de una subestación
Transformador de corriente
• En serie
•Mide ILÍNEA
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Elementos de una subestación
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Elementos de una subestación
Relés de protección• Relés de protección: Captan señales y dan
órdenes de apertura/cierre a interruptoresautomáticos (en alta tensión ⇒ separados delos interruptores)
Magnitudes eléctricas ⇒ Tensión, corriente,frecuencia, potencia, impedancia
Magnitudes no eléctricas ⇒ Temperatura(relé térmico, relé Buchholz)
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Elementos de una subestación
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Pararrayos autoválvulas
• Limita sobretensiones transitoriasdebidas a:
Descargas atmosféricas
Maniobras
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Elementos de una subestación
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Baterías de condensadores• Compensación del factor de potencia
Q2
P1
cos ϕ1
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Elementos de una subestación
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Celdas• Compartimento que puede contener:
Seccionador de puesta a tierra
Seccionador de aislamiento de la línea ypuesta a tierra del interruptor
Terminales de las líneas
Interruptor automático
Transformadores de tensión y corriente51
Elementos de una subestación
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Celdas Seccionador de barras y puesta a tierra del
interruptor
Embarrado
Equipo de accionamiento, operación ymaniobra
Equipos de protección, medida y telemando
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Elementos de una subestación
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Celda de línea (66 kV)
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Elementos de una subestación
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Celda de transformador
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Elementos de una subestación
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Obra civil• Estructuras metálicas
• Calles y pórticos
• Parque intemperie
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Obra civil
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Estructuras metálicas• Construidas en acero galvanizado
• Amarre de líneas y conexiones tendidas
• Soporte de equipo eléctrico y embarrado
• Estructuras y herrajes auxiliares
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Obra civil
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Calles y pórticos
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Obra civil
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Calles y pórticos
58
Obra civil
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Parque intemperie• Cimentaciones de hormigón
• Canales de cables de control ⇒ De hormigóny cubiertos con tapas
• Transformadores y reactancias ⇒ Bancadasde hormigón, camino de rodadura con raíles,muros cortafuegos
• Drenaje
• Edificio de mando y control y caseta de relés59
Diseño de las subestaciones
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• Determinado por:
Función de la subestación
Características de la zona de la red
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Criterios de diseño (I)
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• Adecuación a los requisitos del sistema(niveles de potencia y tensiones, potencia de
cortocircuito, etc.)• Operación simple en condiciones normales y
de emergencia• Seguridad, flexibilidad y fiabilidad en la
operación• Economía (coste de inversión, operación y
mantenimiento)61
Criterios de diseño (II)
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• Continuidad en el servicio (mantenimiento deinterruptores)
• Flexibilidad y complejidad del mantenimiento
• Disponibilidad de espacio
• Facilidad de ampliación y reforma62
Criterios de diseño (III)
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• Estandarización de parámetros eléctricos
• Reducción del impacto ambiental
• Mantenimiento reducido
• Seguridad y protección frente a agentes
externos63
Esquema unifilar
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Simbología
64
Esquema unifilar
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65
Configuraciones más habituales
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• Barra simple
• Barra partida
• Barra principal y barra de transferencia
• Barra doble• Barra doble y doble interruptor
• En anillo
• De interruptor y medio
66
Barra simple
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• Pocos dispositivos y poco espacio ⇒ Configuración más sencilla y económica
67
Barra simple
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• Falta o mantenimiento en barra ⇒ Pérdidatotal del suministro (fiabilidad baja)
• Interruptor en mantenimiento ⇒ Pérdida delsuministro asociado
• No se puede alimentar independientementeuna o varias líneas
• Ampliación ⇒ Pérdida total del suministro• Uso en redes radiales de “poca importancia”
(redes rurales)68
Barra simple con by-pass
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• Seccionador de by-pass ⇒ Aísla al interruptor
para su mantenimiento sin interrumpir elsuministro
69
Barra simple con by-pass
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• Enclavamiento entre seccionador de by-passe interruptor
• Falta en línea con seccionador de by-passcerrado ⇒ Pérdida total del suministro
• Interruptor de reserva
• Resto de características ⇒ Barra simple
70
Barra partida
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• También permite seccionador de by-pass
71
Barra partida
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• ↑ Seguridad y flexibilidad de operación ymantenimiento:
Reparto de líneas entre las secciones de labarra
Falta o mantenimiento en barra ⇒ Pérdidadel suministro sólo en la sección afectada
Posibilidad de dos fuentes de alimentación
• Sistema de protección más complejo72
Barra principal y barra de
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transferenciaBarra principal
Barra de transferencia
Interruptor de
acoplamiento
• Esquema más caro (más dispositivos) y conmayores necesidades de espacio
73
Barra principal y barra de
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transferencia• Funcionamiento normal ⇒ Circuitos
conectados a barra principal
• Esquema más flexible y seguro:
Interruptor de línea abierto (mantenimientoo falta) ⇒ Restablecimiento del suministromediante conexión a barra de transferenciay cierre de interruptor de acoplamiento
74
Barra principal y barra de
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transferencia• Inconvenientes de operación:
Fallo en barra ⇒ Pérdida total delsuministro
Mantenimiento del interruptor de
acoplamiento ⇒ Una barra fuera de servicio
75
Barra doble
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• Mismo número de dispositivos que esquemade barra principal y barra de transferencia
76
Barra doble
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• Las líneas se pueden conectar indistintamentea cualquier barra protegidas por su propiointerruptor
• Fallo o mantenimiento en una barra:
Disparo del interruptor de acoplamiento
Conexión a la otra barra (apagón
momentáneo)• Interruptor de línea en mantenimiento ⇒
Pérdida del suministro asociado77
Barra doble con by-pass
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• El interruptor de acoplamiento protege la líneacon interruptor en mantenimiento
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Barra doble y barra de
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transferencia
79
• Fallo de barra ⇒ Barra simple con barra detransferencia tras operación del interruptor de
acoplamiento
Doble barra con dos barras de
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transferencia
• 2 interruptores deacoplamiento
• Reparto delíneas en barras
de transferencia
80
Triple barra
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81
Barra doble y doble interruptor
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Barra 1
Barra 2
• El interruptor de acoplamiento se reemplaza
por un interruptor por línea82
Barra doble y doble interruptor
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• Mayor fiabilidad:
Fallo o mantenimiento en barra ⇒ Conexiónde las líneas a la otra barra
Mantenimiento de un interruptor de línea ⇒ Línea en servicio por la otra barra con elotro interruptor
• Coste elevado
83
En anillo o polígono
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• Igual número de dispositivos por línea que el
esquema de barra simple84
En anillo o polígono
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• Trayectorias alternativas alrededor del anillo⇒ ↑ seguridad que barra simple:
Fallo o mantenimiento en barra ⇒ Se aíslala parte afectada abriendo dos interruptores
(pérdida de una línea)
Mantenimiento de un interruptor ⇒ Protección garantizada mediante losinterruptores restantes
85
En anillo o polígono
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• Desventajas:
↑ requerimiento de espacio
Apertura del anillo ⇒ ↑ corriente por
interruptores operativos ⇒ Posiblesdisparos intempestivos
Diseño de protecciones más complejo
Ampliación ⇒ Pérdida total del suministro
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Interruptor y medio
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• Esquema debarra doble con 3interruptores porpareja de líneas
• Sin interruptor deacoplamiento
• Solución intermedia entre barra doble y barra
doble y doble interruptor87
Interruptor y medio
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• Conexión indistinta a cualquier barra
• Mantenimiento sin corte del suministro y contotal protección
• Posibles disparos intempestivos
• Coordinación de interruptores más compleja
• Solución de compromiso entre coste yseguridad de operación
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Configuraciones del esquema unifilarResumen
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Configuración # Interruptores # Seccionadores
Barra simple # Líneas 1 + 3 × # LíneasBarra simple conby-pass
# Líneas 1 + 4 × # Líneas
Barra partida # Líneas 3 × # Líneas + 3 × # Barras − 1
Barra principal ybarra detransferencia
1 + # Líneas 4 + 4 × # Líneas
Barra doble 1 + # Líneas 4 + 4 × # Líneas
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Configuraciones del esquema unifilarResumen
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Configuración # Interruptores # Seccionadores
Barra doble con by-pass 1 + # Líneas 4 + 6 × # Líneas
Barra doble y barra de
transferencia
1 + # Líneas 7 + 5 × # Líneas
Barra doble y dobleinterruptor 2 × # Líneas 2 + 6 × # Líneas
Anillo # Líneas4 × # Líneas
Interruptor y medio 2 + 5 × # Líneas1.5 × # Líneas
90
Configuraciones más usadas por
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REE en transporte
• Interruptor y medio • Doble barra con
doble interruptor
•Barra simple parareactancias
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Disposición física
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Distancias de seguridad• Mantenimiento en una posición no debe
afectar a las contiguas• Circulación libre de personas por toda la
superficie de la instalación ⇒
Zócalos de aisladores a 2.3 m y elementosa tensión nominal a 6 m mínimo
• Viales pavimentados para vehículos
• Delimitación de la zona de trabajo92
Disposición física. Embarrados
Fl ibl
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• Flexibles: Mayor altura de los pórticos
Mayor distancia entre fases• Rígidos:
Estructura más ligera Menor volumen de obra civil
Material de conexión más simple Mayor resistencia mecánica
Ausencia de efecto corona93
Disposición física
S b i d i i
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Subestaciones de intemperie
• Válida para interruptor y medio, anillo (4salidas) o doble interruptor
94
Disposición física
S b i d i i
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Subestaciones de intemperie
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Disposición física
S b t i d i t i
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Subestaciones de intemperie
96
Disposición física
S b t i d i t i
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Subestaciones de intemperie
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Disposición físicaSubestaciones de interior
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98
Disposición físicaSubestaciones de interior
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99
Operación
• Normalmente en régimen abandonado (sin
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• Normalmente, en régimen abandonado (sinpersonal de servicio)
• Posibilidad de operación local en caso de fallo
(sistema de control y cableadoconvencionales)
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Operación
• Estructura de telecontrol (sistema de control
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• Estructura de telecontrol (sistema de controldigital, fibra óptica):
Transmisión de indicaciones y estados(señales digitales)
Medidas (señales analógicas)
Órdenes
Medidas de energía
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