UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica TÍTULO DE TESIS MANTENIMIENTO A LA SUBESTACION ENCAPSULADA EN HEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF 6 ) DE LA C. H. TEMASCAL OAXACA DE LA C. F. E. Que para acreditar la Experiencia Recepcional del Programa Educativo de Ingeniería Mecánica Eléctrica PRESENTA César Martínez Carreón Director de Tesis: Ing. Alfredo Ramírez Ramírez Xalapa, Veracruz Julio del 2009
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica
TÍTULO DE TESIS
MANTENIMIENTO A LA SUBESTACION
ENCAPSULADA EN HEXAFLUORURO DE
AZUFRE (SF6) DE LA C. H. TEMASCAL
OAXACA DE LA C. F. E.
Que para acreditar la Experiencia Recepcional
del Programa Educativo de Ingeniería Mecánica
Eléctrica
PRESENTA
César Martínez Carreón
Director de Tesis: Ing. Alfredo Ramírez Ramírez
Xalapa, Veracruz Julio del 2009
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DEDICATORIAS
Este trabajo profesional no hubiese sido posible sin la ayuda
de mis padres que me orientaron y me apoyaron en todo
momento y circunstancia, también porque sin ellos no existiría
en este mundo.
Agradezco también a todos los ingenieros de la C.F.E. que
me brindaron de su tiempo, conocimiento y experiencia para
la realización del presente así como las facilidades que me
dieron para el desarrollo del mismo.
También agradezco a los ingenieros catedráticos de la
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Ing. Alfredo
Ramírez Ramírez, Ing. Rafael Lozano González, Ing. Simón
Leal Ortiz por su paciencia durante este proceso y sus
estímulos para llegar a la finalización de este trabajo.
Finalmente un agradecimiento a todos mis amigos por su
apoyo moral e incondicional.
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad se ha buscado una manera de mejorar el
aprovechamiento de los recursos que se emplean para producir energía
eléctrica así como su distribución. Como sabemos con el paso del
tiempo van decreciendo los espacios para la instalación de equipo o
sistemas generadores y distribuidores de energía eléctrica; al mismo
tiempo los costos de instalación y mantenimiento a los equipos
empleados naturalmente van incrementando.
Esto ha provocado que se busquen soluciones factibles a dichas
situaciones por este motivo desde hace unos años la CFE (Comisión
Federal de Electricidad) ha implementado el uso e instalación de
subestaciones encapsuladas en gas SF6 en sus centrales generadoras.
Las cualidades de estos equipos son muchas, tales como,
aprovechamiento de espacios, reducción de capital utilizado tanto en
instalación como en mantenimientos, estar a la vanguardia de países
primermundistas en la producción de energía eléctrica, entre otros.
En el presente trabajo se presentan temas de interés en el desarrollo del
mantenimiento a una subestación encapsulada en gas SF6 pero para
llegar a esto se deben tener conocimientos generales de lo que es una
central generadora así como sus principales componentes para después
explicar el tema de una subestación encapsulada y sus componentes.
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CONTENIDO
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Página
Capítulo 1 CARACTERÍSTICAS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE TEMASCAL,
6.7 Precauciones durante las pruebas ................................................................................. 134
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Capítulo 1
CARACTERÍSTICAS DE LA
CENTRAL HIDROELÉCTRICA
DE TEMASCAL, OAX.
1.1 Ubicación de la central hidroeléctrica
La central hidroeléctrica Temascal se encuentra localizada en el municipio de San
Miguel Soyaltepec, en el estado de Oaxaca. Su construcción ha sido realizada en
2 etapas, la primera a partir de la construcción de la Presa Miguel Alemán Valdés,
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entrando en operación en 1959 las cuatro unidades de 38.5 MW cada una, dando
una capacidad total de 154 MW.
En 1996 se concreta la segunda etapa con dos unidades de 100 MW cada una,
con una capacidad total de la central de 354 MW; al funcionar conjuntamente la
presa Miguel de la Madrid Hurtado y la presa Miguel Alemán Valdés.
De esta manera se podrá controlar el 60% de los escurrimientos de la cuenta del
río Papaloapan disminuyendo así los daños que las crecientes causan en esta
zona.
1.2 Descripción básica de una central hidroeléctrica
Una central hidroeléctrica es una instalación en la que se produce energía
eléctrica y que se utiliza como fuente primaria la energía cinética y potencial del
agua.
La energía hidráulica representa en México aproximadamente el 30% de la
energía utilizada en la generación eléctrica y su uso por lo general solo lo
restringe la disponibilidad de los recursos hidrológicos. La energía hidráulica
existe en forma natural y la suministran las precipitaciones pluviales que se
presentan por el efecto de la condensación del vapor de agua en la atmosfera.
Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua, y aunque
suministrada de forma natural por las lluvias se requiere construir obras civiles
que permitan almacenar y aprovechar esta energía. Rara vez existe caída natural
de agua que permita la inmediata instalación de las turbinas hidráulicas y se tiene
la necesidad de crear en forma artificial el desnivel necesario con el propósito de
almacenar y utilizar esta energía.
Es de gran importancia, para la generación de electricidad, el conocimiento del
régimen hidráulico, por lo cual es necesario determinar su capacidad y las
variaciones que tenga durante los meses del año. Por lo tanto se requiere
efectuar estudios estadísticos de las observaciones hidrológicas por periodos de
tiempo largos, por lo general de varios años. De esta manera se obtiene
información confiable, estadísticamente.
Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial o cinética del agua,
lograda por el desnivel entre los ríos, caídas o embalses y la central. Al agua se le
conduce a través de tuberías hasta hacerla chocar contra las aspas de una
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turbina, lo que hace girar se eje o flecha. El movimiento de la flecha se utiliza para
mover un electroimán dentro de una bobina con lo cual se produce la energía
eléctrica.
1.3 Componentes de una central hidroeléctrica
Presa
Se llama presa a una construcción que se levanta en el lecho de un río para
interrumpir el paso del agua, su función es producir una elevación del agua que
permite su derivación, o bien, su almacenamiento para regular el caudal del río.
Por el objeto para el que están construidas, las presas se dividen es:
Presas de derivación
Presas de embalse
Presas de derivación
Se construyen para elevar el nivel del agua, contribuyendo a crear el “salto” y
siendo efecto secundario el almacenamiento de agua, normalmente están
dispuestas para que el agua derrame por encima de ellas mediante vertedores.
Presas de embalse
Tienen como finalidad principal el almacenamiento de agua para regular el caudal
del río, siendo el efecto secundario la elevación del nivel del agua para producir
altura de salto, por lo general, no están dispuestas para que las aguas se viertan
por encima, sino que tienen construcciones laterales llamadas vertedores de
superficie para devolver el agua excedente al cauce aguas debajo de la presa,
cuando se haya llenado el embalse.
Cortina
Se denomina cortina a la parte principal de la presa que se construye para
detener el agua en un río y pueden ser de enrocamiento u hormigón armado;
éstas últimas son más comunes para su uso en centrales hidroeléctricas.
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Vertedor
Es un elemento indispensable para el control de una presa, limita el nivel de la
superficie del agua almacenada mediante compuertas o libremente, el agua que
pasa a través de él es conducida al cauce del río después de la casa de
máquinas.
Obra de toma
Se denomina obra de toma a la instalación construida en la presa y cuya función
permite dar paso al agua almacenada hacia la Central. En la cara frontal hacia la
presa van dispuestas un grupo de rejillas las cuales impiden el paso de sólidos
hacia la tubería y el control de fluido se realiza a través de unas compuertas que
soportan grandes presiones que permiten el acceso del agua hacia la tubería a
presión.
Tubería a presión
Las tuberías a presión tienen el objeto de conducir el agua de la obra de toma
hacia las turbinas; siendo su construcción de acero y pueden instalarse al aire
libre o dentro de concreto. En sus trayectoria van instalados machones de anclaje
y silletas para su soporte.
Pozo de oscilación
El pozo de oscilación es instalado cuando las tuberías a presión son de altas
longitudes y nos permiten regular las presiones producidas en el interior de la
tubería por una reducción súbita del flujo del agua.
Turbina
Es el elemento encargado de transformar la energía potencial del agua en
energía mecánica.
Sus elementos principales son:
Rodete
Una de las partes importantes cuando se realiza el proyecto de una central
hidroeléctrica es el rodete ya que depende de la caída o salto hidráulico y este
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puede ser Pelton, Francis o Kaplan, su material de fabricación actualmente es de
acero inoxidable y de su diseño depende la eficiencia de la turbina.
Escudos superior o inferior
Son las partes fijas de la turbina fabricadas en acero al carbón regularmente, van
colocadas en las partes extremas del rodete, a través de ellas se presuriza el
agua para convertir la energía hidráulica en energía mecánica.
Servomotores
Están colocados a 180° en el anillo de distribución. Su energía a través de aceite
es producida por una bomba llamada bomba de regulación, su función es
transmitir las órdenes del regulador de velocidad hacia el anillo de regulación y
éste al conjunto de alabes.
Caja de Estopero
Hace las funciones de una prensa estopa alrededor de la flecha, e impide la
salida del agua de la carcaza hacia el exterior. El sello lo puede hacer con
círculos seccionados de carbón, grafito o teflón.
Chumacera guía principal
Es un dispositivo que limita el movimiento axial de la flecha que acopla el rodete
con el generador, en la parte interna lleva adherido un material llamado BABBIT,
el cual está lubricado permanentemente con aceite.
Chumacera de carga
Es un dispositivo que permite el desplazamiento radial de la masa rotativa
(turbina-generador) absorbiendo el peso total de la misma y de los empujes
originados por el agua al hacer contacto con el rodete a través del plato y collar
de carga , estos unidos a la flecha del generador, debe estar permanentemente
lubricada.
Chumacera guía inferior
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Es un dispositivo que limita el movimiento axial de la flecha del generador, en
unidades de gran capacidad está colocada dentro de la cuba de la chumacera de
carga llamándose combinada.
Regulador de velocidad
Es un mecanismo encargado de controlar la apertura y cierre de los deflectores
móviles a través de los servomotores y del anillo de distribución, permite controlar
la velocidad de la turbina antes de ser sincronizada, posteriormente regula la
carga (Megawatts) abriendo o cerrando las agujas.
Agujas y asientos
En unidades con rodete tipo Pelton la función de la agujas es direccional e chorro
de agua existe en el caracol para mover los alabes de la turbina.
Deflectores
Este dispositivo característico de las turbinas Pelton, se interponen entre la aguja
y el rodete para evitar que el agua continúe haciendo presión sobre el rodete.
Flecha de la turbina
Permite el acoplamiento entre la flecha de la turbina y el generador.
Generador
Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía
mecánica en energía eléctrica, esta transformación se consigue por la acción de
un campo magnético sobre unos conductores eléctricos dispuestos sobre un
armazón.
En una central hidroeléctrica se utilizan generadores de corriente alterna en
donde el armazón o estator está fijo y el campo es el que gira. Sus partes
principales son las siguientes:
Estator
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Está formado por segmentos laminados en forma circular aislados entre sí, de
alta permeabilidad magnética de acero al silicio de bajas pérdidas ensamblado en
la dirección axial para formar una configuración cilíndrica, cada laminación está
recubierta en ambos lados con aislamiento inorgánico de alta temperatura.
La ventilación del núcleo del estator se efectúa por un flujo radial a través de
orificios localizados a varios intervalos a lo largo del núcleo y otro axial a través
de huecos en las laminaciones.
En la parte interna del circulo que conforma el laminado del estator se configura
un espacio llamado comúnmente ranura y en él se alojan las bobinas, las cuales,
junto con los polos cortan el campo magnético para la producción de energía
eléctrica. Las bobinas van soportadas por cuñas, y anillos superior e inferior.
Rotor
El rotor está conformado por una flecha central, araña, llantas y polos. El rotor es
la parte móvil del generador con una corriente circulante inicial y al girar en las
bobinas del estator se producirá una fuerza electromotriz.
Sistemas de excitación
Es un dispositivo que regula la excitación, controla la tensión de salida del
alternador y tiene una repercusión directa sobre la red interconectada, permite
llevar al grupo hidrogeneración a la tensión adecuada para su sincronización,
controla la generación de reactivos dentro de sus límites de operación.
Anillos rozantes
Llamados también anillos colectores, están montados en la flecha y giran a la
misma velocidad de la unidad, su función es la de permitir conectar
eléctricamente al elemento que suministra la corriente de excitación a los polos
del rotor.
Frenos y sistema de izaje
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Para parar el giro de las unidades se cuenta con un dispositivo de frenado el cual
consiste en un juego de gatos y a través de balatas hace contacto en la parte
inferior del motor.
Sistema de enfriamiento
El sistema de enfriamiento del hidrogenerador es a través de agua, la cual puede
ser tomada de la tubería de presión o del desfogue por medio de bombeo, se
hace pasar a unos radiadores que van colocados en la parte exterior del
generador y estos enfrían el aire producido por el giro del rotor.
Chumacera guía
La chumacera guía del generador está colocada en la parte superior del rotor,
siendo su función la de evitar movimientos axiales de la flecha, su lubricación es a
través de aceite y su enfriamiento por medio de un serpentín que por su interior
circula agua.
Cables de potencia y bus de fase aislada
A las terminales del generador se conectan los cables de potencia los cuales
conducen la electricidad hacia los transformadores de potencia, pueden ser
forrados con aislamiento de vinil, con aislamiento de papel impregnado en aceite;
en voltajes mayores de 13.8 KV se usan barras de cobre dentro de ductos
metálicos con soporte de porcelana en su interior o ductos metálicos presurizados
con gas SF6 (hexafluoruro de Azufre).
Sistemas de protección y medición
Es el conjunto de aparatos, equipo, relevadores y conexiones asociadas en una
central generadora o subestación, instalados en un sistema eléctrico para
protegerlos.
1.4 Subestación
Es el conjunto de equipo instalado en un área determinada, cuya función es la de
modificar los parámetros de energía eléctrica, por medio de los transformadores
de potencia, ya sea elevando el voltaje y reduciendo la corriente, para que la
energía pueda ser transportada a grandes distancias con el mínimo de pérdidas,
también pueden ser reductoras o de switcheo encapsuladas o intemperie.
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Casa de máquinas
Es el lugar donde se albergan los componentes de generación como lo son
generadores, turbina, sala de control, talleres, oficinas y dispositivos de
seguridad.
1.5 Características generales del generador síncrono
El generador síncrono es un dispositivo rotacional que transforma energía
mecánica en energía eléctrica, la energía mecánica de entrada al generador se
hace a través de una flecha que acopla el generador al elemento suministrador de
energía mecánica, conocido como primo motor o turbina. El primo motor o turbina
es un dispositivo compuesto de paletas o alabes que recibe un impulso que hace
que este se mueva rotacionalmente y mueva por consecuencia la parte rotatoria
del generador.
El principio de operación de un generador se basa en la ley de inducción
electromagnética de Faraday, donde la generación de la fuerza magnetomotriz
(FEM) o voltaje, se produce por el movimiento relativo entre conductores y líneas
de campo magnético (flujo magnético). Las líneas d campo magnético se
producen en la parte rotatoria del elemento, conocida como rotor, mediante la
excitación de un circuito alimentado por corriente directa, conocido como
devanado de campo.
Los conductores encargados de cortar estas líneas de campo magnético
producidas por el circuito de campo, se encuentran en la parte fija del generador
conocido como estator o armadura, la cual se conecta al sistema que va a
suministrar la energía eléctrica. Estos conductores forman un devanado trifásico
en donde se genera la FEM de corriente alterna. El devanado de CD (corriente
directa) de la estructura de campo se conecta a una fuente externa a través de
unos anillos deslizantes y escobillas, aunque algunas estructuras del campo no
tienen escobillas son alimentados por rectificadores rotatorios.
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1.6 Características estructurales de los generadores
síncronos
Algunos de los factores que determinan la composición estructural de las
máquinas síncronas son las siguientes:
1.6.1 Forma de excitación
La estructura del campo de una máquina síncrona es generalmente la parte
rotatoria de ésta y está equipada con un devanado de CD para producir el flujo
magnético. Esta excitación de CD puede ser proporcionada por un generador de
CD autoexcitado móntado en la misma flecha que el rotor de la máquina síncrona.
A este generador se le conoce como “excitador”. La CD en el excitador se
alimenta a través de anillos deslizantes y escobillas al devanado de campo de la
máquina síncrona.
En las máquinas síncronas de baja velocidad y MVA nominales altos, como es el
caso de los generadores hidroeléctricos, el excitador no puede ser autoexcitado,
debido a las altas cantidades de corriente requeridas por el circuito de campo
para su excitación y a la condición de que el excitador tiene que operar a la
misma velocidad que el generador, no siendo esta siempre la más adecuada para
la operación del excitador. En estos casos el excitador es activado por un
excitador piloto que puede ser autoexcitado o tener imanes permanentes.
Por otro lado, el mantenimiento de componentes de excitadores de CD
directamente acoplados a la flecha del generador, tales como anillos deslizantes y
las escobillas, requiere que el generador se saque de servicio para su ejecución,
todo esto limita el uso de excitadores de CD directamente acoplados a la flecha.
En generadores de MVA nominales bajos, de alrededor de 100 MVA los tiristores
y diodos de silicón proporcionan una forma alterna de excitación, los cuales no
presentan problemas de excitación para máquinas síncronas grandes.
Existen básicamente dos tipos de excitación de estado sólido que son:
Sistemas estáticos con tiristores o diodos estacionarios en los cuales la
corriente se alimenta al rotor a través de anillos deslizantes.
Sistemas sin escobillas que tiene rectificadores montados en la flecha y
giran con el rotor, obviando así la necesidad de escobillas y anillos deslizantes.
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1.6.2 Estructura de campo y velocidad de la máquina
La velocidad de la máquina síncrona, también conocida como velocidad síncrona
es constante y está dada por la expresión:
ns = 120f/ p
Donde f es la frecuencia y p el número de polos de la máquina
La estructura del rotor depende de la velocidad de la máquina.
Los generadores hidroeléctricos utilizan rotores de polos saliente debido a que su
velocidad es baja.
Los rotores de polos salientes son más económicos de fabricar que los cilíndricos,
sin embargo, no son adecuados para máquinas de gran velocidad debido a las
grandes fuerzas centrífugas y esfuerzos mecánicos que se desarrollan a
velocidades de 3600 rpm.
1.6.3 Estator
La única diferencia notable entre los estatores de los diferentes tipos de máquinas
síncronas es que, los estatores de las máquinas hidroeléctricas generalmente
tienen un diámetro más grande que el resto de las máquinas. El núcleo del
estator está formado por laminaciones prensadas de alta calidad que tienen
ranuras donde se embobinan los devanados.
1.6.4 Enfriamiento
Los generadores síncronos que se construyen actualmente son de MVA
nominales altos, por lo que se diseñan para conducir corrientes muy altas, del
orden de 10 A/mm2. Por otro lado, la carga magnética del núcleo es tal que en
muchas regiones se alcanza la saturación magnética. Estos dos factores
producen calor que debe ser adecuadamente disipado para el buen
funcionamiento de la máquina.
Existen varias formas de enfriamiento de la máquina que determinan la estructura
física general de la misma. Además del aire, algunos de los enfriadores utilizados
en las máquinas síncronas son el agua, el hidrógeno y el helio.
21
1.6.5 Barras amortiguadoras
Algunas máquinas síncronas se equipan con un conjunto de devanados
adicionales a los mencionados anteriormente. Los devanados adicionales van
montados en el motor a la manera de una jaula de ardilla en los rotores de los
motores de inducción y su función principal es amortiguar oscilaciones
mecánicas indeseables producto de desviaciones de velocidad de la máquina con
respecto a la nominal, durante periodos transitorios .
Cuando la velocidad del rotor es diferente a la velocidad síncrona, se inducen
corrientes en estos devanados y se les conoce como devanados amortiguadores.
22
Capítulo 2
CONCEPTOS GENERALES DE
UNA SUBESTACION
ENCAPSULADA EN GAS
HEXAFLUORURO DE AZUFRE
(SF6)
23
2.1 Características generales
Una subestación aislada en hexafluoruro de azufre (SF6), está constituida
por un conjunto de elementos conductores como son: interruptores,
seccionadores y barras o buses. Estos están colocados en
compartimientos blindados y aislados con gas SF6 formando un conjunto
modular. Estos conjuntos están conectados eléctricamente y separados
herméticamente como se verá posteriormente en el desarrollo de este
trabajo.
2.2 Criterios de aplicación
Las subestaciones aisladas en Gas SF6 se pueden aplicar en cualquier
sistema de alta tensión para servicio interior o intemperie y por su costo
son más comúnmente empleadas en:
Zonas urbanas de poca disponibilidad de espacio
Zonas con un alto costo de terreno
Zonas de alta contaminación
Zonas con restricciones ecológicas
El espacio requerido de una instalación de distribución SF6 es muy
pequeño. El terreno necesario requiere (según la tensión) solo un 10% del
tamaño que podría tener una subestación convencional.
Figura 2.1
24
2.3 Criterios de selección
A) Requerimientos eléctricos
Los arreglos o disposición eléctrica de una subestación pueden ser:
Bus1, bus2 y bus de transferencia
Únicamente bus principal con sus alimentadores
Bus principal y bus de transferencia
Bus 1 y bus 2 con posibilidad de utilizar el bus 2 como de
transferencia
Interruptor y medio
En anillo
Las bahías pueden ser:
Salida de línea de transferencia aérea
Salida de línea de transmisión subterránea
Salida de transformador
Bahía de enlace
Bahía de transferencia
B) Construcción según tensión de operación
En el caso de tensión hasta de 145 KV se utilizan envolventes trifásicos o
monofásicos y para voltajes mayores de 145 KV solo se aplicarán
envolventes monofásicos. En una envolvente trifásica, las tres fases
conductoras están contenidas dentro de un solo envolvente. En una
envolvente monofásica, sólo una fase conductora está contenida dentro de
la envolvente; se recomienda que para una misma instalación no se utilicen
combinaciones de dos tipos para una misma tensión. En la figura 2.2 se
pueden observar las dimensiones entre los equipos según la tensión de
operación y en la figura 2.3, la comparación de un equipo de 115 KV con la
altura de una persona.
25
26
La clasificación dada (DN9 o 8DQ1) es para hacer referencia al equipo y depende
del tipo de fabricante; se clasifican de acuerdo a la corriente nominal.
27
Figura 2.3 Modularidad
28
Figura 2.4 Arquitectura.
29
Figura 2.5 Comparación de un equipo de 115 KV con la altura de
un hombre
30
Figura 2.6 Dimensión de una subestación de 145 KV con
respecto a la altura de una persona.
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Para la selección de una subestación donde pueda utilizarse encapsulado
trifásico o monofásico, deberán considerarse las ventajas y desventajas
para cada uno de los sistemas; entre los cuales:
1.- Comercialmente la envolvente trifásica es más económica.
2.-La distribución del campo eléctrico de una envolvente monofásica es
calculado con mayor precisión, haciendo que los diseños sean más
seguros, sobretodo en condiciones de sobrecorrientes.
3.- Las pruebas dieléctricas pueden ser utilizadas con mayor precisión en
una envolvente monofásica.
4.- El conductor central de una envolvente monofásica no está sujeto a
esfuerzos dinámicos durante el corto circuito, lo que evita esfuerzos
mecánicos sobre los aislamientos.
5.- En el caso poco probable de una falla interna, las consecuencias son
menos graves en una envolvente monofásica.
6.-La probabilidad de un arco interno de gran intensidad es marcadamente
inferior en la construcción monofásica y por lo mismo la energía a disipar.
La longitud total de arcos múltiples que se producen en una construcción
trifásica es mucho mayor que la longitud de arco único que se genera en
una construcción monofásica. Consecuentemente el voltaje de arco es
notablemente superior en el caso trifásico, así como la energía disipada,
esto en base a la misma falla.
C) Variación de la temperatura ambiente
Salvo características particulares, para el territorio nacional, una
subestación para uso interior deberá operar dentro de un rango de
temperatura de -5°C a +40°C y para una instalación exterior deberá ser de
-25°C a 40°C.
D) Altitud
Para el diseño de la subestación y en particular los aislamientos externos,
se deberán considerar para trabajar de acuerdo a los siguientes rangos de
altura sobre el nivel del mar:
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Hasta 1000 msnm
Hasta 2000 msnm
Más de 2000 msnm
E) Velocidad del viento
Según el sitio de la instalación, deberá considerarse el empuje causado por
el viento sobre los elementos externos de Km/hr.
F) Coeficiente sísmico
En cuanto a las estructuras, bases, cimentación y acoplamiento con otros
equipos, se deberán considerar los esfuerzos causados por sismos, de
acuerdo al coeficiente sísmico del sitio de la instalación.
G) Limite permisible de elevación de temperatura
Los límites de elevación de temperatura permisible para las partes
conductoras serán en base a una máxima temperatura ambiente de 40°C y
un promedio de 24 horas no mayor de 35°C
Para barras de aluminio o cobre 65°C
Para las conexiones atornilladas o contactos de presión 65°C
Para la envolvente metálica 30°C
H) Terminales de salida
Comúnmente este tipo de subestaciones, tienen sus salidas a través de:
SF6 a cable aéreo (SF6-Aire)
SF6 a cable subterráneo (SF6-cable)
SF6 a boquilla de transformador (SF6-aceite)
En la figura 2.7 se pueden observar los tipos de terminales de salidas, en la
figura 2.8 se tienen más a detalle el caso de línea de transmisión
subterránea.
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Figura 2.7 Terminales de salida para las subestaciones aisladas
en GAS SF6
34
Figura 2.8 Corte esquemático con sus elementos de una
subestación con envolvente trifásica
1.-Buses
2.- Interruptor
3.- TC
4.- TP
5.- Seccionador cuchillas
6.- Gabinete de mando de cuchillas
7.- Salida de cable a SF6
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I) Partes conductoras
Todas las partes conductoras y sus interconexiones, deberán estar
diseñadas para trabajar a su corriente nominal en forma continua, sin
exceder los límites permisibles de elevación de temperatura, así como la
corriente de corto circuito y los esfuerzos mecánicos producidos por estos.
Es muy importante que todas las partes conductoras estén perfectamente
terminadas para evitar concentraciones de campo eléctrico en aristas y en
puntas. Los contactos deben garantizar la libre expansión y contracción por
dilatación y soportar vibraciones mecánicas.
J) Envolventes metálicas
Todas las partes conductoras, deberán estar alojadas en el interior de
envolventes metálicas con las siguientes características:
El material deberá ser de aluminio o acero no magnético, libre de
porosidades y con características que reduzcan al mínimo las
pérdidas magnéticas.
El espesor deberá ser suficiente para soportar las presiones
nominales de trabajo, las sobrepresiones causadas por corto circuito,
el vacío para secado y evacuación del gas SF6, así como para evitar
su perforación por arqueo eléctrico.
Deberá contar con juntas de expansión para dilataciones y
contracciones por temperatura y para absorber las vibraciones propias
del equipo y de equipos externos.
Deberá contar con aisladores soporte para las partes conductoras,
estos podrán funcionar como separadores de compartimentos,
(compartimentos estancos) y como soportes con libre paso del gas
(aisladores no- estancos).
Cada compartimento deberá contar con dispositivos de alivio con
deflectores y cubiertas protectoras para seguridad del personal de
operación.
La comunicación del gas entre compartimentos deberá ser interna
para evitar riesgos al utilizar ductos o tubos externos.
Cada compartimento deberá contar con un dispositivo de vigilancia
de la densidad o presión de gas SF6.
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Deberá asegurarse la conducción eléctrica a través de envolventes
en caso de ser necesario se utilizarán barras conductoras para unir
eléctricamente en forma externa los diferentes compartimentos.
Cada compartimento contará con tomas para llenado y evacuación
del gas, así como la instalación de manómetros portátiles.
Todas las partes metálicas, como lo es la envolvente, gabinetes de
control y gabinetes de mecanismos que puedan estar en contacto con
el personal, deberán estar sólidamente aterrizados.
En el caso de compartimentos donde existan seccionadores o
dispositivos de puesta a tierra, deberán contar con ventanas o mirillas
para su verificación visual de su posición.
K) Dispositivos de bloqueo
El diseño de la subestación deberá tomar en cuenta y proveer la posibilidad
de operaciones erróneas en el equipo de maniobra y la seguridad del
personal en el caso de que esto suceda. Lo anterior requiere que el equipo
considere bloqueo para los siguientes casos:
El cierre de un circuito cuando se tiene conectado un seccionador de
puesta a tierra.
La apertura de un seccionador con corriente de carga.
La operación de un interruptor cuando no se tenga disponible su
capacidad interruptiva completa, ya sea por energía para el movimiento
de sus contactos o para la extinción de arco eléctrico.
El cierre de un seccionador de puesta a tierra en un circuito
energizado.
L) Aislamiento gaseoso
EL gas SF6 constituye el aislamiento principal entre las partes conductoras
y tierra, el aislamiento entre fases para el caso de encapsulado trifásico y el
elemento extintor del arco eléctrico en un interruptor.
La presión nominal de los diferentes compartimentos será determinada por
los fabricantes y será la misma para todos los compartimentos de la
subestación, a excepción de los interruptores, en los cuales por su
capacidad interruptiva, requerirán de una presión superior al resto de la
instalación y también para el caso de boquillas para cable aéreo SF6.
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Los límites de presión de cada compartimento deberán ser identificables
fácilmente desde el exterior de cada uno.
M) Corriente nominal
La corriente nominal de una subestación Aislada en SF6, está dada como la
corriente que es capaz de conducir a través de sus barras o buses,
seccionadores e interruptores sin que estos presenten deterioro y sin
exceder los valores de elevación de temperatura para las diferentes partes
del equipo.
N) Nivel de corto circuito
Es la máxima intensidad de corriente que el equipo puede soportar, medida
en el instante en que se separan los contactos de los interruptores para
extinguir el arco eléctrico durante un corto circuito, sin que ninguno de los
componentes presente deformaciones o deterioro y sin que excedan los
valores de elevación de temperatura de las diferentes partes de equipo.
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Capítulo 3
CARACTERÍSTICAS
FISICOQUÍMICAS Y
DIELÉCTRICAS DEL GAS
HEXAFLUORURO DE AZUFRE
(SF6)
39
Características del gas SF6
3.1 Generalidades
El gas hexafluoruro de Azufre es un compuesto químico que tiene la fórmula SF6.
En la figura se muestra la representación espacial de la molécula de hexafluoruro
de azufre en donde el átomo de azufre se encuentra localizado en el centro de un
octaedro regular, con los 6 átomos de flúor colocados simétricamente en cada
una de las seis esquinas o vértices del octaedro. Esto da al SF6 una estabilidad
química alta.
Representación espacial de la molécula del gas SF6
El Hexafluoruro de Azufre se fabrica por electrólisis a partir del azufre y el flúor y
su formación se expresa por la ecuación exotérmica:
S + 3F2 SF6 + 262 K---CAL
40
3.2 Características
El SF6 posee características que lo hacen ser muy codiciado para utilizarlo en la
construcción de equipos eléctricos de alta tensión, entre otras características se
encuentran las siguientes:
Alta resistencia dieléctrica.
Habilidad para extinguir el arco eléctrico.
Excelente estabilidad térmica.
Buena conductividad térmica.
Químicamente inerte.
No tóxico.
No inflamable.
No corrosivo.
No condensable a bajas temperaturas.
Estas características tienen su justificación en las propiedades eléctricas,
térmicas, físicas y químicas del SF6.
3.3 Propiedades
3.3.1 Eléctricas
El gas SF6 es electronegativo (tiende a capturar electrones libres), por lo que
tiene una resistencia dieléctrica más alta que el aire (de 2 a 2.5 veces) como se
aprecia en el gráfico.
3.3.2 Térmicas
Calor específico
El calor específico del SF6 en la relación con la unidad de volumen es 3.7 veces
más grande que la del aire; en razón de su masa específica representa alrededor
de 5 veces la del aire. Esto trae consecuencias muy importantes, debido a la
reducción del calentamiento del equipo eléctrico.
41
Tensión de ruptura dieléctrica entre dos esferas de diámetro 5 cm en función del producto
presión por distancia.
Conductividad térmica
La conductividad térmica del SF6 es inferior a la del aire, como se observa
en la tabla contigua
42
.
Comparación de la conductividad térmica del SF6 y otros gases.
Pero su coeficiente global de transferencia de calor, tomando en cuenta en
particular la convección, es excelente, parecida a la de los gases como el
hidrógeno y el helio, y es más grande que la del aire como se puede
comparar en el siguiente gráfico:
43
En esta figura se observa la curva de conductividad térmica del SF6 contra
la temperatura, haciendo sobresalir las cualidades excepcionales de este
gas para extinguir el arco eléctrico por el enfriamiento térmico.
El pico de la curva de conductividad térmica corresponde a la temperatura
de disociación del SF6 (2100 °K a 2500°K) que se acompaña, a lo largo de
la reformación de la molécula en la periferia del arco de una importante
absorción de calor, favoreciendo el cambio rápido de calor de un medio
caliente a uno frío.
3.3.3 Físicas
Este aislante se comporta en estado gaseoso a temperatura y presión
ambiente (20°C y 760 mmHg) y tiene una densidad de 6.139 Kg/m3
(alrededor de 5 veces más denso que el aire). Su masa molecular es de
146.06.
Puesto que su temperatura crítica es de 45.6°C, puede ser licuado por
compresión a temperatura ambiente. La curva de presión de vapor
saturado, se presenta en la figura siguiente:
44
El hexafluoruro de azufre en estado de pureza es un gas inerte, sin color,
sin olor, no es inflamable ni tampoco venenoso como ya se dijo.
3.3.4 Químicas
El SF6 es químicamente estable hasta los 150°C, condición bajo la cual no
reacciona con metales, plásticos u otros materiales, normalmente utilizados
en la construcción de interruptores. A temperaturas mayores de 150°C, el
agua (humedad) o ciertos metales, como el acero al silicio, descomponen
el SF6.
El hexafluoruro de azufre es anticorrosivo a cualquier metal a temperatura
ambiente. Combinadas las propiedades eléctricas, físicas y térmicas del
gas SF6 ofrecen muchas ventajas cuando es utilizado en equipo eléctrico.
Estas ventajas son:
Seguridad.
Reducción del tamaño.
45
Reducción del peso.
Diseño óptimo.
Operación confiable.
Operación silenciosa.
Instalación fácil
Mantenimiento mínimo.
3.4 Aplicaciones
Debido a que el gas SF6 posee excelentes características dieléctricas, gran
estabilidad térmica, buena habilidad para extinguir el arco eléctrico, siendo
un compuesto inerte y estable químicamente, etc. Tiene diversas
aplicaciones como un aislante gaseoso en los siguientes equipos:
Interruptores de alta tensión.
Buses de fase aislada.
Subestaciones encapsuladas.
Cables de potencia especiales.
Transformadores de instrumento.
Transformadores de potencia.
Apartarrayos
Para su aplicación en los equipos eléctricos de alta tensión, el gas SF6
nuevo debe cumplir con ciertas características especificadas en las normas
IEC 376-71 y ASTM D-2472-71 mostradas en la siguiente tabla:
IEC* (Comisión Electrotécnica Internacional).
ASTM* (Asociación Americana de Ensayo de Materiales).
46
Para poder verificar los valores límite de las características dadas en la
tabla es necesario realizar un muestreo que nos permita a través de los
métodos y equipos de prueba recomendados por las normas ya citadas,
comprobarlos para su aceptación o rechazo.
3.5 Control de la calidad del gas SF6
La calidad del gas puede ser probada utilizando medidas físicas y químicas
establecidas por las normas.
Estas mediciones generalmente requieren muestreo e instrumentación de
laboratorio que son capaces de garantizar una alta precisión en la
47
medición. Sin embargo, es posible llevar a cabo algunas pruebas de
calidad en el gas nuevo y en el gas que se encuentra en operación,
utilizando equipos simples que pueden ser usados en el campo.
3.6 Identificación
Métodos de la norma IEC (Comisión Electrotécnica Internacional).
Espectro infrarrojo.
Método rápido.
En caso de duda acerca de la naturaleza del gas SF6, verter lentamente
una pequeña cantidad en el interior de un recipiente. Siendo el gas SF6
más pesado que el aire; llene el recipiente y arroje en su interior un papel
encendido, si el gas que es SF6, la llama se extingue y una nube de humo
permanece sobre la superficie.
3.7 Resistencia dieléctrica
La resistencia dieléctrica puede ser medida utilizando una celda equipada
con una distancia disruptiva que es alimentada por un generador de alta
tensión.
Las curvas de la tensión disruptiva de SF6, de CO2 y del aire, relacionadas
con la presión se muestran en la figura siguiente:
48
Tensión de ruptura del SF6 aire y dióxido de carbono en función de la presión.
3.8 Contenido del aire
La curva de la figura anexa muestra que solo una cantidad considerable de
aire mezclada con SF6 afecta la rigidez dieléctrica de éste. Por lo que es
muy importante efectuarle al gas SF6 un tratamiento anterior al llenado
cuando se pone en servicio.
49
Capacidad para extinguir el arco SF6 vs el Aire.
Para verificar el contenido de aire en el gas SF6 se pueden llevar a cabo
los siguientes procedimientos de control:
Métodos de la norma IEC.
Medición de la susceptibilidad paramagnética del oxígeno.
Medición de la resistencia dieléctrica del gas.
Análisis cromatográfico del gas.
50
El más utilizado es el análisis cromatográfico de gases, que es una
herramienta muy útil para controlar algunas características del SF6 durante
su aceptación y en servicio.
3.9 Contenido de humedad
Es medida utilizando un higrómetro, que nos indica el punto de rocío del
vapor de agua, contenido en el SF6 a la presión atmosférica, las unidades
de medición pueden estar en partes por millón en volumen (ppmv) o en
partes por millón en peso (ppmw).
1 ppmw de humedad en SF6 = 8.15 ppmv de humedad en SF6
Es fácil usar un higrómetro, como por ejemplo el electrolítico puesto que
puede realizarse aún con el equipo en servicio. Sin embargo hay un
consumo considerable de gas (1dm3/minuto durante 15 o 20 minutos) que
ocasiona disminución en la presión y esta puede ser perceptible en los
instrumentos de control del equipo bajo prueba.
La humedad contenida en el gas, cuando es adquirido, debe ser 15 ppmw.
La medición debe ser llevada a cabo sobre una muestra líquida y esto
requiere un equipo especial.
Si la medición es realizada sobre una muestra gaseosa, el contenido debe
ser de 50 ppmv.
La humedad contenida en el gas SF6 dentro de un equipo depende de la
efectividad del tratamiento que ha precedido al llenado con SF6. Además,
de que está relacionada a la temperatura del material en el momento en
que se mide.
El contenido de agua en el gas tiene un efecto riesgoso sólo en niveles
altos, puesto que la condensación puede ocurrir a baja temperatura.
51
Capítulo 4
CONSTRUCCIÓN MODULAR DE
LA SUBESTACIÓN
ENCAPSULADA DE LA
CENTRAL TEMASCAL
52
Construcción Modular
4.1 Fundamentos de la construcción modular
La mayor parte de las subestaciones encapsuladas en gas SF6, han sido
concebidas siguiendo un diseño de tipo modular; esto quiere decir que
todos los equipos primarios convencionales que conocemos tales como:
interruptores, cuchillas seccionadoras, cuchillas de puesta a tierra,
transformadores de potencial, transformadores de corriente, elementos de
interconexión y otros, están construidos en módulos normalizados por cada
fabricante.
4.2 Ventajas
La razón de esta construcción modular tiene algunas ventajas como las
siguientes:
a) Reducción de espacios.- Debido a las dimensiones reducidas de
casi todos los elementos que constituyen una subestación de este tipo, se
tienen ahorros considerables en el espacio y volumen que ocupan, lo cual
representa una necesidad cada vez mayor, sobretodo en instalaciones de
tipo urbano, en términos generales se ocupa de un 8% a un 10% del
espacio necesario para una instalación convencional.
b) Facilidad de montaje.- Los módulos son acoplados de manera tal
que se facilita el montaje de la subestación, independientemente del diseño
de esta. Posteriormente puede ampliarse o reducirse el número de
módulos sin ningún problema; esto representa también un considerable
ahorro en tiempo durante la instalación (ver figura 5.4 al final del capítulo).
c) Cada fase queda aislada.- Las envolventes metálicas de los módulos
monofásicos correspondientes aíslan perfectamente a cada polo mediante
la atmósfera de gas SF6, constituyendo la barrera resistente a la presión de
diseño.
d) Se reducen puntos calientes.- La unión de los conductores se
efectúa por contactos de acoplamiento, deslizantes axiales o conductores
53
flexibles. Debido a que estas uniones no se encuentran expuestas a las
condiciones del medio ambiente, prácticamente no existen puntos calientes
originados por sulfatación de las conexiones.
e) Flexibilidad de diseño.- Se puede diseñar cualquier tipo de
subestación en forma relativamente fácil, con la posibilidad de construir
instalaciones interiores incluso para tensiones elevadas.
f) Compartimientos Estancos.- Lo cual asegura la calidad de gas SF6,
ya que sólo se ve afectado el gas de compartimiento donde se presenta
arqueo eléctrico. Del mismo modo, al presentarse una fuga de gas SF6,
ésta es fácilmente localizable debido al seccionamiento existente en cada
módulo, y a la supervisión de sus secciones en forma particular.(en la
figura 5.5 al final del capítulo se aprecia como se integran las diferentes
secciones de una bahía).
g) Aislamiento independiente de las influencias del medio ambiente.-
Este es un factor determinante en lugares donde existe alta contaminación;
la calidad del aislamiento se mide en función de las condiciones del gas,
siendo más fácil su control.
h) Requiere poco mantenimiento.- Las inspecciones y trabajo de
mantenimiento convencionales pueden prácticamente prescindir debido a
la larga vida útil de los equipos, requiriendo supervisiones más sencillas y
fáciles de controlar, esta condición también se refleja en el aspecto
económico traduciéndose en costos más bajos de operación.
i) Muy alta disponibilidad del equipo.- Debido a sus características, se
asegura un servicio prácticamente sin fallas, representando una
continuidad en el servicio muy cercana al 100%.
4.3 Arreglos físicos
En una subestación aislada en SF6, se pueden tener los mismos arreglos
de equipo primario que en una subestación convencional, dependiendo de
las necesidades de la red. Los más conocidos son los siguientes:
a. Bus sencillo seccionado (figura 4.1)
b. Bus principal y bus auxiliar (figura 4.2)
54
c. Bus doble con interruptor de amarre (figura 4.3)
d. Arreglo de interruptor y medio (figura 4.4)
e. Arreglo de bus en anillo (figura 4.5)
55
Figura 4.1 Subestación de 170 KV con bus sencillo seccionado y
salidas.
56
Figura 4.2 Subestación aislada en SF6 con bus principal y bus
auxiliar.
57
Figura 4.3 Subestación aislada en SF6 con bus doble y amarre.
58
Figura 4.4 Subestación aislada en SF6 con arreglo de interruptor
y medio.
59
Figura 4.5 Arreglo de bus en anillo.
Cada arreglo tiene sus ventajas y desventajas y el criterio de selección
para determinar el más adecuado depende entre otras cosas de las
condiciones operativas que se requieran.
60
4.4 Características de los diferentes módulos
4.4.1 Interruptor
Principio de operación
Este equipo, uno de los más importantes componentes de las S.E. aislada
en SF6, está construido en un módulo independiente diseñado
generalmente con una cámara de extinción en gas SF6, monopolar, de una
sola presión, pudiendo ser también del tipo multicámara.
La cámara de extinción suele ser la misma o muy similar a las usadas en
los interruptores convencionales tipo intemperie. Para el proceso de
extinción del arco eléctrico utilizan el principio de autosoplado: durante la
interrupción en el proceso de apertura, un pistón en cada cámara comprime
al gas hasta la presión requerida para extinguir el arco que se forma entre
los contactos mientras estos se alejan.
Secuencia en una operación de apertura.
A. En posición de cerrado, la corriente normal fluye entre los contactos
de corriente de carga.
B. Durante el movimiento de apertura, el gas comienza a comprimirse
en el cilindro. Los contactos de la corriente de carga están ajustados con
parte de los dedos y a la corriente se conmuta en los contactos de arqueo.
C. Posteriormente, al separarse los contactos de arqueo se establece
un soplo de gas SF6 en la tobera. El doble soplo sobre el arco lleva fuera
los gases ionizados y la abertura se recupera a pleno esfuerzo eléctrico en
un tiempo extremadamente corto después que el arco se ha extinguido.
D. En la posición de abierto queda totalmente interrumpida la corriente
de carga.
Los productos de arqueo de la descomposición del gas SF6 que se originan
así como la humedad que pudiera estar presente, son recogidos en un filtro
de absorción.
Accionamiento
La operación mecánica de los interruptores deberá considerar alguna forma
de energía almacenada para su accionamiento, deberá contar también con
61
los elementos necesarios para operar en forma independiente y en caso de
ser tráfico, cada fase deberá tener su mecanismo independiente. Con esto
se puede tener operación monopolar (cierre).
Los mecanismos de operación podrán ser:
Neumáticos.
Hidráulicos.
De resorte cargado.
Combinación ( hidráulico-resorte y Oleoneumático).
Y deben tener la energía requerida almacenada para efectuar por lo menos
un ciclo de apertura-cierre-apertura.
El mecanismo deberá poder operarse a control remoto y local teniendo
además apertura por emergencia (siempre que se tengan valores de
presión dentro de los rangos recomendados por el fabricante).
Resorte
El accionamiento a base de resorte de un interruptor de potencia contiene
los siguientes elementos:
Fuente de energía, a través de motor eléctrico en sistema reductor de
velocidad formado por corona y tornillo sin fin.
Acumulador de energía a base de resortes.
Dos mecanismos, uno de cierre y otro de apertura, que retienen la energía
proporcionada por los resortes automáticamente y la liberan a voluntad,
bien por control local manual, o bien a distancia, eléctricamente mediante
electroimanes.
Elemento amortiguador, hidráulico generalmente que después de las
maniobras del interruptor absorbe la energía sobrante, producto de la
inercia de los resortes.
Elemento de protección y control mecánico que impiden maniobras falsas,
tales como maniobra de cierre durante el periodo de tensado de los
resortes de mando, límites de carrera de tensado de los resortes, inversión
de giro de la manivela cuando se desea tensar el resorte manualmente.
También cuenta con elementos que automáticamente obligan de nuevo al
tensado del resorte (por motor) inmediatamente después del cierre del
62
interruptor, dejando el mando dispuesto en pocos segundos para realizar
una maniobra de cierre.
Elementos de señalización ópticos de las posiciones del interruptor y los
resortes.
eumático
Las partes principales de un sistema de accionamiento neumático son las
siguientes:
Fuente de energía formada por un motor-compresor.
Depósito de almacenamiento de aire comprimido.
Conjunto principal de accionamiento: válvula de accionamiento, válvula de
conexión, válvulas de desconexión, émbolo de accionamiento, etc.
Electroimanes de conexión y desconexión
Elementos de control y protección para la operación integral del
interruptor.
Elementos para señalización de posición del interruptor.
A continuación se describen las maniobras principales de un accionamiento
neumático. Véase figura 4.6
Maniobra de conexión
La orden de conexión de transmite eléctricamente a la bobina de conexión
de la válvula de accionamiento (19). En dicha válvula de accionamiento de
conexión, el impulso eléctrico se transforma en una orden neumática, la
cual se lleva por medio de una unión por tubo corto directamente hasta el
accionamiento (16). De esta forma el émbolo (20) del accionamiento se
desplaza desde la posición de desconexión hacia la posición de conexión y
el interruptor queda cerrado.
Durante el recorrido del émbolo y en el lado opuesto del mismo, el espacio
existente queda vacio de aire, por medio de la válvula de desconexión (21).
Simultáneamente el dispositivo de contactos auxiliares se acciona de forma
directa y mecánica por el émbolo de accionamiento (20) y se sitúa
señalizando la posición mediante la varilla en la posición de conectado a
través del movimiento de los contactos de dicho dispositivo de contactos
auxiliares se interrumpen los circuitos eléctricos del accionamiento de
63
conexión, también la válvula de accionamiento de conexión se cierra y de
esta forma apoya y refuerza la maniobra mediante acoplamiento
neumático.
Inmediatamente después del cierre de la válvula de accionamiento de
conexión, el aire de accionamiento restante que permanece en el cilindro
de accionamiento se evacua mediante la válvula de descarga que existe en
la válvula de accionamiento de conexión.
Figura 4.6 Accionamiento neumático.
Maniobra de desconexión
La orden de desconexión se da de forma eléctrica a la bobina de
desconexión de la válvula de accionamiento (22). En dicha válvula de
accionamiento de desconexión, el impulso eléctrico se transforma en una
orden neumática que se transmite a la válvula de amplificación (23).Dicha
válvula de amplificación se abre y se descarga la presión en el espacio de
accionamiento de la válvula de desconexión (21), de tal forma, que el
émbolo de la válvula de desconexión se desplaza hacia abajo y
64
simultáneamente cierra la salida de evacuación. A través de la válvula de
desconexión (21) abierta, el aire comprimido que se encuentra en el
calderín llega de forma simultánea al accionamiento (16) de las columnas,
así como al accionamiento de la válvula de evacuación (24). El émbolo (20)
del accionamiento se mueve desde la posición de conexión hacia la
posición de desconexión y el interruptor queda desconectado.
Durante el recorrido del pistón y en el lado opuesto del mismo, el espacio
existente queda vacío del aire por medio de la válvula de evacuación (24)
de sección amplia. Simultáneamente el dispositivo de contactos auxiliares
cambia su posición por medio de la varilla que se utiliza para la
señalización de posición, la cual es accionada de forma directa y mecánica.
Al modificarse la posición de los contactos del dispositivo de contactos
auxiliares se interrumpe eléctricamente el circuito del accionamiento de
desconexión, provocando el cierre de la válvula del accionamiento de
desconexión.
Mediante el acoplamiento de retorno se comanda la válvula de
amplificación (23) de forma rápida. La válvula de descarga de la válvula de
desconexión (21) evacúa el aire del espacio situado por encima del pistón
de accionamiento, así mismo actúa el mando para la válvula de evacuación
(24).
Hidráulico
Un sistema de accionamiento hidráulico consta de los siguientes
elementos:
Cilindro de doble efecto diferencial (2) en el cual el lado de menor
superficie está de manera permanente en comunicación con el
acumulador de energía (1).
Fuente de energía compuesta por grupo moto-bomba hidráulica (4).
Acumulador de energía (1).
Válvula principal de conmutación (3) para control de la posición del
interruptor.
Conjunto de electroimanes de cierre y disparo y1, y2, y3.
Recipiente en aceite (5).
Sistema de control y protección (6) del accionamiento hidráulico, así
como para la integridad misma del interruptor.
Señalizadores ópticos de la posición del interruptor.
65
A continuación se presenta un circuito básico del accionamiento hidráulico.
Figura 4.7 Circuito básico accionamiento hidráulico.
Funcionamiento
Del acumulador hidráulico (1) parte una tubería de aceite sometida
permanentemente a presión, que conduce al cilindro de accionamiento (2).
En el lado de desconexión del émbolo (2) existe siempre presión y en el
lado de conexión también se establece una presión conmutando la válvula
principal (3); la fuerza ejercida para la conexión resulta de la diferencia
entre las superficies sometidas a presión. La superficie del lado
desconexión es menor que la del lado conexión, siendo la diferencia entre
ambas igual a la sección del vástago del émbolo por tal razón, el interruptor
está siempre dispuesto para abrir. Poco antes de alcanzar cada posición
final se amortigua, por vía hidráulica, el movimiento de maniobra. Estos
sistemas se proveen mediante válvulas esféricas auxiliares, de mando y
principal, para asegurarse que mediante el movimiento de maniobra ocurra
cualquier interrupción o discontinuidad de las operaciones de conexión y
desconexión.
66
4.4.1.1 Diseño
Dependiendo del voltaje nominal y corriente de corco-circuito cada polo
puede tener más de un contacto principal por lo que se tienen:
Interruptores de potencia de una cámara.
Interruptores de potencia multicámaras.
En los interruptores multicámaras por cada contacto principal lleva un
capacitor en paralelo, esto para asegurar una mejor distribución del voltaje
cuando se presenta una apertura del interruptor, sea por falla o maniobra.
Para el caso de los interruptores multicámara, todos los contactos
principales en el mismo compartimiento están mecánicamente
interconectados, por esta razón operan simultáneamente.
Para inspección y revisión interna de cada polo del interruptor se pueden
desacoplar de los compartimientos anexos.
El compartimiento lleno con gas SF6 de cada polo del interruptor esta
separado por una barrera aislante de las otras partes de la instalación con
la finalidad de que los residuos del gas SF6, producto de la extinción del
arco, no contaminen el resto de las secciones estancas.
Un densímetro para cada polo supervisa continuamente que el gas SF6
opere dentro de sus valores nominales de no ser así mandará alarma de
baja presión de gas y de continuar se realiza el bloqueo a la operación del
interruptor.
En redes de alto voltaje, el recierre de líneas en vacio (sin carga) causa
sobre-voltajes transitorios que pueden ser limitados a un nivel permisible
usando resistencias de preinserción.
4.4.1.2 Montaje
Dependiendo de las necesidades en la subestación aislada en SF6, el
montaje del interruptor puede estar:
A. En posición horizontal.
B. En posición vertical.
67
Figura 4.8 Esquema de interruptor.
68
Normas
A continuación se mencionan las más importantes a las que debe apegarse
el interruptor.
Norma CEI56.-Interruptores de potencia para corriente alterna de alta
tensión.
Norma CEI267.- Guía para la comprobación de interruptores de potencia
con maniobras en discordancia de polos.
Norma CEI427.- Informe sobre pruebas sintéticas de interruptores de
potencia para corriente alterna de alta tensión.
Norma CEI517.- Subestaciones encapsuladas aisladas en gas para
tensiones superiores a 72.5KV.
DIN57670 y VDEO670 Partes 101 a 108.
CEI (Comisión Electrotécnica Internacional). DIN su traducción al español es Instituto Alemán de Normalización. VDE su traducción al español es Asociación Alemana de Electrotécnicos.
4.4.1.3 Accesorios
Los accesorios que puede tener un interruptor de potencia en una S.E.
aislada en gas SF6 son los siguientes:
Contador de operaciones.
Indicador de posición.
Switch de mando.
Switch de contactos auxiliares..
Selector de operación local-remoto.
Densímetro de presión de gas SF6.
Botón de apertura de emergencia.
Manómetro de (aceite/aire) del mecanismo.
Indicador de posición del resorte de accionamiento c/alarma.
Manómetro o Switch de presión para alarma y bloqueo.
Moto-compresor/moto-bomba/motor de resorte accionamiento.
Válvula de alivio de gas SF6.
Válvula de alivio de aire.
69
4.4.1.4 Control
A continuación se incluyen algunos diagramas eléctricos de un interruptor
de potencia en una S.E. aislada en gas SF6 en las figuras 4.9, 4.10, 4.11 y
4.12 para ilustrar brevemente sus características. En ellos aparecen
algunos arreglos como son:
Antibombeo al disparo 1.
Antibombeo al cierre.
Antibombeo al disparo 2.
Disparo 1
Disparo 2
Recierre.
Bloqueo 1 por b.p. gas SF6
Bloqueo 1 por b.p. aire.
Bloqueo al cierre por b.p. aire.
Bloqueo al recierre por b.p. aire
Bloqueo al cierre por posición de cuchillas.
Discrepancia de polos.
Bloqueo 2 por b.p. gas SF6
Bloqueo 2 por b.p. aire
Alarmas: vigilancia de gas SF6
Control discrepancia de polos.
Bloqueo b-p- gas SF6.
Bloqueo b.p. aire
Bloqueo al cierre b.p. aire/falla cuchillas.
Falla abastecimiento aire comprimido.
70
Figura 4.9 Diagrama eléctrico simplificado de un interruptor
estándar.
71
Figura 4.10 Diagrama eléctrico de funciones principales.
72
Figura 4.11 Diagrama eléctrico de funciones principales (parte
2).
73
Figura 4.12 Diagrama eléctrico de funciones principales (parte
3).
74
4.4.2 Cuchillas desconectadoras
Las cuchillas desconectadoras se pueden emplear como cuchillas de bus,
de línea o de transferencia.
Deben contar con mecanismo de operación eléctrica con mando tripolar o
monopolar a través de un motor de c.d., o con un mando de mecanismo
hidráulico. Deben tener la opción e operación manual y tener indicador de
posición, contactos auxiliares y mirillas de verificación de posición. Deberán
cumplir con las características nominales de operación del resto del equipo.
Estas cuchillas son aisladas y existen dos diseños en cuanto a su montaje:
1) El primero es en posición alineada (ver figura 4.13).
2) Y el otro es en posición angular (a 90°, ver figura 4.14).
Y pueden ser instaladas en las diferentes carcasas existentes de acuerdo a
la aplicación. Cada contacto fijo de la cuchilla aislante es un componente
del módulo adyacente.
La aplicación de este tipo de cuchillas es para mantenimiento y en
consecuencia son generalmente de apertura sin carga y debido a que su
operación es eléctrica, tienen la posibilidad de disponer de diversos
bloqueos según sea requerido para cada servicio en particular.
Las cuchillas consisten de 3 polos individuales, las cuales están instaladas
en armazones separados. El conector de corriente interno de la carcaza (2)
se sostiene por medio de un aislador cónico de resina (3). Este aislador
está fijo al armazón externo (1) a través de un anillo soporte (4) o a la
cubierta de la carcaza del accionamiento. La cuchilla está protegida por un
aislamiento (5).
El contacto móvil (6) se encuentra dentro de la carcaza (2). Este contacto
es accionado por el vástago roscado (7). A su vez, este se acciona por una
flecha aislada (8) que sale a través de una boquilla con doble empaque tipo
anillo hermética al gas. En las cuchillas desconectadoras aisladas, la barra
de mando acciona el vástago roscado en línea directa mientras que en el
caso de cuchillas angulares, las acciona en ángulo recto a través de un
arreglo de engranes.
75
Tienen contactos anulares (11) para asegurar una buena conducción de
corriente entre el conductor de corriente (2) la barra del contacto (6) y la
barra de conexión (9). El motor de accionamiento (m1) junto con el bloque
del mecanismo cuentan con un indicador de posición (10), contactos
auxiliares (12) y tuerca hexagonal (13) para accionamiento manual.
En la figura 4.15 se muestra un polo de cuchilla alineada visto de corte, y
en la figura 4.16 se muestra también un corte de un polo de cuchilla
angular
REFERENCIA
1.- Armazón externo. 2.- Conector de corriente interno. 3.- Aislador cónico de resina. 4.- Anillo de soporte. 5.- Aislante. 6.- Contacto móvil. 7.- Vástago roscado. 8.- Flecha aislada. 9.- Barra de conexión.