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¿Qué son los servicios auxiliares de una subestación eléctrica?
Los servicios auxiliares (SSAA) son el
conjunto de instalaciones y equipos que sirven para alimentar las cargas de
baja tensión en corriente alterna o corriente continua, necesarias para la
operación de una subestación.
Estos servicios deben garantizar que en
condiciones de falla o mantenimiento existan fuentes de alimentación para las
cargas que se consideran importantes, como son la asociadas a los sistemas de
control, telecontrol y telegestión de protecciones de una subestación, además
de equipos contra incendios, aire comprimido, sistemas de lubricación e
iluminación, bombas, etc.
Debido a esto la confiabilidad de los
servicios auxiliares debe ser mayor a la de la subestación como tal.
Imagen 3: Unidad de Control Remota (RTU)
Permite obtener señales independientes
de los procesos, como por ejemplo la señal de cada uno de los reconectadores de
una subestación a través de un cocido RS 485/232 y enviar la
información a un sitio remoto donde para que esta se procese, como un por
ejemplo un centro de control SCADA.
Imagen 4: Modem de comunicaciones
Imagen 5: Switch
Imagen 6: Medidores calidad de energía
Imagen 7: Reconectador Nulec
Para el diseño del sistema de
servicios auxiliares se deben considerar algunas condiciones relacionadas con la instalación y operación de la subestación como:
- Confiabilidad: Superior a la de la subestación
- Cargas: Se requiere definir antes de dimensionar
el sistema de servicios auxiliares, las cargas y sus consumos, tanto cargas
propias de operación de la subestación como las cargas complementarias que se
requieran en la obra.
- Modularidad: La cual busca facilitar el
crecimiento de la subestación sin requerir el cambio del sistema de servicios
auxiliares.
- Flexibilidad: la cual busca optimizar las facilidades
topológicas de conexión del esquema
- Simplicidad: La cual busca eliminar las
complejidades operativas del esquema.
- Mantenibilidad: La cual pretende garantizar las
facilidades de mantenimiento del esquema sin degradar la confiabilidad y
flexibilidad.
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TENSIONES USUALES DE LOS SERVICIOS AUXILIARES.
La norma IEC 60694 “Common
specifications for high-voltage switchgear and controlgear standards” – Establece
los niveles de tensión para los servicios auxiliares para corriente directa y
continua.
-Tensión
en Corriente continua: 24V, 48V, 60V, 110V o 125V, 220V o 250V. (las más
utilizadas en Colombia son 24V, 48V y 125V). Según la norma IEC 60694 Las
bobinas de apertura de los interruptores deben operar entre el 70% y el 110%.
Tensión (V)
|
24
|
48
|
60
|
110 ó 125
|
220 ó 250
|
-
Tensión en Corriente Alterna: 120/208V, 220/380V, 230/400V, 240/415V, 277/480V, 347/600V, (sistema trifásico tres o cuatro hilos). Según la norma IEC 60694 Las bobinas de apertura de los interruptores deben operar entre el 85% y el 110%.
Tensión en Corriente Alterna: 120/208V, 220/380V, 230/400V, 240/415V, 277/480V, 347/600V, (sistema trifásico tres o cuatro hilos). Según la norma IEC 60694 Las bobinas de apertura de los interruptores deben operar entre el 85% y el 110%.
Sistemas
Trifásicos, 3 hilos o 4 hilos (V)
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Sistemas
Monofásicos, 3 hilos (V)
|
Sistemas
Monofásicos, 2 hilos (V)
|
-
|
120/240
|
120
|
120/208
|
-
|
120
|
220/380
|
-
|
220
|
230/400
|
-
|
230
|
240/415
|
-
|
240
|
277/480
|
-
|
277
|
347/600
|
-
|
347
|
Adicionalmente, contamos con la
norma ANSI C84.1, la cual sugiere que los valores de tensión en los terminales
de suministro no deben diferir de la tensión asignada en un rango de +5% y
-10%, las variaciones se deben realizar en un límite de +- 5%.
Sistema
Trifásico de 3 ó 4 hilos (V)
|
Sistema
Monofásico de 2 ó 3 hilos (V)
|
-
|
120
|
120/208
|
-
|
-
|
120/240
|
127/220
|
-
|
220
|
-
|
277/480
|
-
|
480
|
-
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TIPOS DE CARGA
Las fuentes de
servicios auxiliares alimentan normalmente tres tipos básicos de carga: normal,
de emergencia y crítica.
CARGA NORMAL:
Se refiere a
aquellas que cuando ocurre una falla su funcionamiento se puede suspender sin
generar daños adicionales, por ejemplo el alumbrado y tomas servicio no
esenciales.
Imagen 8: Celdas SSEE
Imagen 9: Patio SSEE
CARGA DE
EMERGENCIA
Se refiere a
aquellas que cuando ocurre una falla pueden generar daños adicionales y pueden
estar un pequeño lapso de tiempo sin servicio. Por ejemplo alarmas,
anunciadores, motores. Servicios de baja tensión de Corriente Alterna (motores)
y Corriente Continua (reles) en subestaciones (auxiliares).
Imagen 10: Cuarto baterias SSEE
Imagen 11: Cuarto baterias SSEE
CARGA CRÍTICA
Su
funcionamiento es igual a la carga de emergencia a diferencia que esta no puede
suspender su operación y/o funcionamiento por ejemplo: cargador de baterías,
equipo de enfriamiento de transformadores, circuitos de alimentación de
interruptores, lámparas externas de emergencia, alumbrado de seguridad,
circuitos de control de los interruptores, circuitos de alarma contra incendio,
equipos de comunicaciones, equipos de control y computo, telemedida,
teleproceso, etc
Imagen 12: Control baterias SSEE
Imagen 13: Patch Panel SSEE
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FUENTES DE
ALIMENTACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA
Transformador de auxiliares.
Se conecta a los bornes del barraje principal de la subestación de energía eléctrica (SSEE), al devando terciario de los bancos de transformadores principales, a un a línea de distribución cercara o en el caso de un central generadora directamente a los bornes del generador.
Imagen 14. Transformador SSAA
Líneas de distribución.
En esta conexión los servicios auxiliares se conectan a una linea externa de distribución, dependiente de la SSEE. Esta es una conexión muy común debido a la alta confiabilidad que presenta, ya que si se presenta un falla interna en la SSEE los servicios auxiliares continuarían en servicio.
Turbogenerador de servicio interno.
En el caso de las centrales térmicas se usa este tipo de conexión, tenido como ventaja que si se presenta una falla en el sistema de potencia, los servicios auxiliares no se vería afectados por esta y continuarían con su operación normal. La desventaja de este tipo de conexión son sus elevados costos de mantenimiento y operación
Generador auxiliar.
En las centrales de generación se puede conectar un generador auxiliar el cuales accionado por el generador principal, está conexión puede presentar problemas de acople mecánico entre los generadores y si se presenta una falla en el generador principal los SSAA también entrarían en indisponibilidad.
Planta diésel.
Este tipó de fuente AC es útil para usos continuos pero su consumo de combustible es elevado para un uso continuo y se debe controlar periódicamente su abastecimiento.
Terciario de bancos de transformadores.
Esta fuente AC proviene de una conexión a los devanados de los bancos de transformadores principales.
Imagen 15. Unifilar SSAA
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
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Nivel de tensión para la alimentación en los servicios auxiliares en AC
Debido a los diferentes tipos de cargas que se pueden conectar a los SSAA en AC, existen varias configuraciones para los transformadores que se usen para alimentar estas cargas.
Imagen 16. Tensiones típicas SSAA en AC
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Esquema de transferencia o respaldo
Imagen 17. Esquema de transferencia SSAA en AC.
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Imagen 18. Barra SSAA conectada las barras colectoras principales.
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Imagen 19. Barra SSAA conectada a generadores
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar.
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar.
Imagen 20. Barra SSAA conectada por transformadores a generadores.
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
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Equipos para sistemas auxiliares de AC
1. Transformadores
Este tipo de alimentación resulta ser bueno para uso en servicios auxiliares de grandes
subestaciones.
1. Tableros eléctricos
Sirven como puntos de distribución de energía eléctrica para las cargas de la SSEE.
3. Equipo de iluminación.
La iluminación exterior tiene dos
propósitos básicos: seguridad de subestación y seguridad de la operación. Dependiendo
del área, ciertas luminarias pueden usarse durante horas de oscuridad para la
seguridad de la subestación. Estos son controlados
fotoeléctricamente.
4. Calefacción y ventilación
Sistema de ventilación y calefacción.
Imagen 21. SSEE Paramo alto
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SISTEMAS AUXILIARES EN CORRIENTE CONTINUA (DC)
La topología establecida para este sistema indica o menciona los siguientes
equipos:
·
Cargador
de baterías
CONFIGURACIONES DE CORRIENTE CONTINUA:
Un ejemplo de corriente continua
se desarrolla con la tensión de 125 Vcc y 48 Vcc, donde se presentan diferentes
configuraciones, estás se presentan a continuación:
CONFIGURACIONES DE CORRIENTE CONTINUA:
Sistema de control de 125 Vcc
ESQUEMA O DIAGRAMA DE
CONEXIÓN PARA LOS SSAA
UN SOLO CARGADOR DE
BATERÍAS CON UNA BARRA DE DISTRIBUCIÓN
Imagen 23. Sistema de corriente continua con un cargador y banco de baterias
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Sistema de Corriente Continua con Barraje Seccionado y dos Cargadores
de Baterías.
- Se puede realizar la conexión trifásica (208
Vac) o monofásica (120 Vac)
- Llega a un convertidor AC-DC que es a su vez un
cargador de Baterías conectado a una barraje para la correspondiente
alimentación de cargas en corriente directa.
Un ejemplo de la implementación
de este nivel de tensión se da en la Subestación Nueva Esperanza de 500/230 kV.
De esta manera algunos detalles o especificaciones de la subestación:
Imagen 24. Tensiones nominales
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Imagen 25. Sistema de Corriente Continua con Barraje Seccionado y dos Cargadores
de Baterías.
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Tomada de: Diseño de subestaciones eléctricas - José Carlos Romero Escobar
Sistema de Control de 48 Vcc
Este sistema es implementado básicamente para
alimentar aquellas cargas como inversores, equipos de comunicaciones, equipos
de control, etc.
Características de las fuentes de alimentación
Primarias.
Estas alimentan continuamente a las cargas primarias bajo condiciones normales de operación.
Respaldo.
En caso de falla o de mantenimiento de la fuente primaria, esta fuente entra a operar y suplir la alimentación que requieren las caras primarias.
Emergencia.
Funciona como un sistema de alimentación redundante, es cual es muy aconsejable tener en las subestaciones de energía eléctrica.
BATERIAS
Una batería es un dispositivo que
almacena energía eléctrica en forma de energía química al ser cargada, y la
devuelve en forma de energía eléctrica con una tensión continua aproximadamente
constante.
Imagen 26. Banco de baterías
imagen 27. Banco de Baterías
Video 1. Cuarto de baterias
El momento de actuación de este
equipo son durante los siguientes casos:
· La carga del sistema DC excede la máxima salida
del cargador de baterías.
· La salida del cargador de baterías es
interrumpida
· La fuente auxiliar AC queda fuera de servicio (en
este caso, la demanda de potencia DC puede ser mayor que en el caso anterior)
Características de las Baterías
·
Ciclo de trabajo de un banco de baterías
Una batería es un dispositivo que
almacena energía eléctrica en forma de energía química al ser cargada, y la
devuelve en forma de energía eléctrica con una tensión continua aproximadamente
constante.
Video 1. Cuarto de baterias
El momento de actuación de este equipo son durante los siguientes casos:
Clasificaciones de las Cargas:
· Cargas Continuas:
- Iluminación.
- Motores de
operación permanente
- Inversores o
convertidores estáticos
- Luces de
indicación
- Bobinas que
queden permanecer energizadas (relés)
· Cargas No Continuas:
- Motores de las bombas de emergencias
- Motores del
sistema de ventilación crítico
- Sistema de
protección contra incendios
·
Cargas Momentáneas:
- Operación de
interruptores de potencia
- Operación de
motores de accionamiento de las válvulas
- Operación de
seccionadores de potencia
- Corrientes de
arranque de todos los motores.
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CRITERIOS DE
SELECCIÓN DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN.
imagen 28. Patio SSEE
imagen 28. Patio SSEE
Una vez analizadas las posibles configuraciones y esquemas de los
sistemas de los circuitos auxiliares que se emplean, se deberán tener en cuenta
los siguientes criterios para la selección de fuentes de alimentación.
Criterios técnicos
Criterios de confiabilidad
Criterios económicos
1. Criterios Técnicos:
1.1. Transferencia en Condiciones Normales
Para realizar la transferencia en condiciones normales
se debe tener en cuenta:
a.
La transferencia debe de ser
sencilla y segura
b.
Evitar de enlazar fuentes de
alimentación por medio de los servicios auxiliares a excepción del generador de
emergencia.
c.
Tener en cuenta los desfases
entre las dos fuentes involucradas en la transferencia.
1.2. Transferencia a la Fuente de Emergencia
En este caso cuando no se tienen las fuentes normales de
alimentación lo importante es mantener las unidades esenciales en
funcionamiento para preservar la integridad de los equipos y personas la
transferencia se realiza únicamente cuando están fuera de paralelo
desconectando todas las cargas para pasar al arranque automático del equipo
emergente y luego se reconectan las cargas indispensables sin sobrepasar la
capacidad del equipo emergente
1.3. Bloqueo de Transferencias
Esta simplemente se bloquea y deja de funcionar cuando
la posible falla se presenta en las barras donde con ayuda de equipos como son;
relés de sobre corriente o de voltaje secuencia cero pueden detectar estas
anomalías.
1.4. Efectos de la Transferencia
Cuando se presenta una interrupción momentánea en el
fluido eléctrico esto puede generar torques inapropiadas en el eje de los
motores y esfuerzos en los bobinados tanto de motores como de transformadores
debido a las corrientes de arranque. Para evitar esto se requieren tener
tiempos óptimos y que se realice la transferencia sin que se presenten los
esfuerzos ya mencionados.
1.4.1. Efectos de la transferencia
en motores.
Los efectos inadecuados en los motores:
a.
Corrientes anormales de
arranque
b.
Torques elevados en el eje que
dependen de:
·
Magnitud del voltaje residual
del motor.
·
Ángulo de fase entre el voltaje
residual y el de la nueva fuente de suministro.
·
La relación de fase entre el
torque al eje oscilante (que tiende a decaer) y el torque trasiente en el gap (torque
eléctrico).
1.4.2.
Efectos de transferencia en transformadores
Cuando se energiza un transformador surge una corriente de
magnetización que depende del flujo, si se desenergiza el transformador la
corriente de magnetización tiende a cero, pero si se energiza nuevamente no
abra transientes pero si abra un cambio de transiente de magnetización de un
valor apreciable pero esto en la práctica no se puede controlar.
1.4.3.
Tiempo Optimo de Transferencia
Para tener un tiempo óptimo de transferencia se tienen en cuenta dos
criterios:
a.
Para tener los equipos en
funcionamiento es necesario que el tiempo muerto sea mínimo para evitar
transitorios.
b.
Al momento de energizarse
nuevamente el voltaje residual sea mínimo para garantizar que la corriente de
arranque no afecte a los equipos y en los troques a los motores.
2. Criterios de
Confiabilidad
Existen muchos conceptos de
confiabilidad pero tomaremos la siguiente definición de forma textual: “Se
define como la probabilidad de que una subestación puede suministrar energía
durante un periodo de tiempo dado, bajo la condición de que al menos un
componente de la subestación salga de servicio. Es decir, que cuando ocurra una
falla en un elemento de la subestación, se puede continuar con el suministro de
energía después de efectuar una operación interna, mientras se efectúa la
reparación de dichos elemento. Esto es aplicable en el caso de mantenimiento”.
Para determinar la confiabilidad se
deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
·
Compararlos con estándares mínimos
previamente establecidos y aceptar o rechazar el dispositivo o sistema.
·
Evaluar y comparar distintas
alternativas.
·
Corrección o refuerzo de las
partes débiles de un sistema.
·
Con juntamente con criterios de
costos y criterios técnicos, analizar la planificación, diseño y operación del sistema.
2.1. EVALUACIÓN DE LA CONFIABILIDAD
Esta se relaciona con la disponibilidad de los equipos
para ofrecer continuidad en los suministro de energía acatando los estándares
de seguridad y calidad.
Para la evaluación de la confiabilidad uno de los
procedimientos más utilizados es el método Montecarlo, por el cual es un método
estadístico para resolver problemas matemáticos complejos mediante la
generación de variables aleatorias. La base de este método es la generación de
números aleatorios de cualquier distribución, que deben cumplir las siguientes
propiedades:
· Uniformidad: pertenecen a una
distribución de probabilidad uniforme definida entre 0 y 1
· Independencia: los números
generados no tienen relación entre sí.
En la simulación de Montecarlo se permite incorporar modelos de
confiabilidad de los elementos del sistema con cualquier número de estados.
Estos modelos se definen por funciones de probabilidad para cada tiempo de
transición entre estados. Sin embargo, en la mayoría de simulaciones reales se
usan modelos de dos estados
3. Criterios Económicos
Van ligados con los criterios de
confiabilidad, del grado de seguridad y continuidad en el servicio. Se puede
decir que a mayor continuidad del servicio implica una mayor inversión y
mayores costos operativos.
Para definir el nivel óptimo de
confiabilidad se requiere determinar el costo de la inversión de las
instalaciones y el impacto económico al presentarse cortes en el servicio.
3.1. Nivel Óptimo de Confiabilidad:
Es aquel que justifica el nivel de canfiabi1idad en base
al análisis costo/beneficio en las instalaciones y del consumidor
3.2 Parámetros de Evaluación Financiera para la Determinación de las
Configuraciones más Adecuadas
·
Inversión requerida.
·
Costo de energía no
suministrada.
·
Costo de mantenimiento de las
fuentes y sistemas de generación.
·
Costos de los insumos para la operación.
