SERVICIOS AUXILIARES DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

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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 1: Tablero SSAA
 

                                                            Imagen 2: Tablero SSAA

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%.

Sistemas Trifásicos, 3 hilos o 4 hilos (V)	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

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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

 Esquema de transferencia o respaldo

Por la importancia que tienen los servicios auxiliares (SSAA) en el funcionamiento de una Subestación de energía eléctrica (SSEE), estos deben tener como mínimo dos fuentes de alimentación; una principal y otra de respaldo (Imagen 10). Para esto se diseñan diferentes sistemas de respaldo preferiblemente en el lado de baja tensión (BT) de los transformadores, estos sistemas permiten conmutar manual o automáticamente de una fuente a la otra en caso de presentarse una falla en la fuente principal o para realizar un mantenimiento.

Imagen 17. Esquema de transferencia SSAA en AC. 
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

      Imagen 19. Barra SSAA conectada a generadores
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

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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

                                                                   Imagen 22. SSEE La Esperza

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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

·         Barraje principal

·         Cargas DC

·         Banco de Baterías

·         Convertidor AC-DC

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:

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

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.

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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             

·         Amperios/hora

·         Capacidad          

·         Voltaje nominal              

·         Voltaje de carga y descarga       

·         Voltaje de gasificación  

·         Rendimiento y Eficiencia

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

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.

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DIMENSIONAMIENTO DE SERVICIOS AUXILIARES 

Clasificación de las cargas según su uso:

                       Imagen 29. Clasificación de las cargas según su uso.

            Imagen 30. Cargas AC.

                   Imagen 31. Cargas DC.

          Imagen 32. Cargas DC.

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Requerimientos de diseño

1. Carga de demanda

Se deben totalizar los kVA conectados de todas las cargas de AC y DC de la subestación y aplicar un factor de demanda a cada uno (NTC2050).

2. Número de alimentadores primarios

En pequeñas subestaciones de distribución, un transformador auxiliar suele ser suficiente.

Se debe tener redundancia de los servicios auxiliares de la subestación según criterios técnicos y económicos.

3. Entrada aérea o subterranea.

Las fuentes auxiliares pueden ser líneas de distribución aéreas o subterráneas . 

4. Cargas críticas.

Algunas cargas de bajo voltaje deben mantenerse en todo momento:

Cargadores de batería que, a través de las baterías, suministran disyuntores y circuitos cerrados, así como circuitos de comunicación.

Transformador de enfriamiento

Compresores y motores de disyuntores de potencia

Problemas con los receptáculos de luz en el patio de la estación

Iluminación de seguridad

Circuitos de control de interruptor

Circuito (s) de alarma contra incendios

Calefacción eléctrica

Circuitos de automatización de subestaciones

5. Nivel de voltaje secundario

Varios niveles secundarios de voltaje o utilización están disponibles para auxiliares de CA. Para fines de estandarización, en un sistema de energía dado es mejor que solo se seleccione un nivel. Sin embargo, esta no es una regla limitante. 

Los posibles niveles de voltaje secundario son los siguientes:

 

1. 480/240 voltios, Delta trifásico

                                                          Imagen 33. Delta trifásico

2. 480/277 voltios, conectado en estrella, trifásico, cuatro hilos

Imagen 34. Yee trifásico

3. 208/120 voltios, conectado en estrella, trifásico, cuatro hilos

Se pueden usar 208 voltios trifásicos o 120 voltios monofásicos o una combinación de los dos para la refrigeración del transformador.

 4. 240 voltios, trifásico Delta

5. 240/120 voltios, Delta-Connected, trifásico, cuatro hilos

                                                            Imagen 35. Delta trifásico

6. Esquema de transferencia

La transferencia se realiza en el lado secundario para 

economía de equipo.

Imagen 36. Transferencia - NEMA

                                                                   Imagen 38. Transferencia

7. Corrientes de falla del sistema auxiliar

La corriente simétrica de cortocircuito (falla) se calcula utilizando la Ecuación 1:

I F = kV de línea a línea / (√3 × resistencia de ohmios)

Video 2. Falla en servicios auxiliares

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Conceptos fundamentales para el dimensionamiento o selección del banco de baterías

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-  La función principal de las baterías es  servir como fuente de energía confiable en caso de falla de los servicios auxiliares o de una falla en la subestación.

Baterías de plomo-ácido:

-  Generalmente, se utilizan baterías de plomo – ácido, debido a que pueden suplir energía eléctrica durante grandes períodos de tiempo. Y cuyas principales características son:

-  Tensión de carga (tensión de Igualación) de los elementos (celdas): 2.3 V a 2.4 V

- Tensión de mantenimiento (o Flotante) de los elementos: 2.15 V a 2.25 V

-  Tensión mínima de los elementos 1.75 V

-  Requieren de un mantenimiento frecuente, se debe diseñar cuartos con instalaciones eléctricas a prueba de explosiones y extractores de gases (dampers o extractores)

-          

Tipos de celda para baterías de plomo:

·         Placa plante

·         Placa rubular

·         Placa positiva

- Estos dispositivos se encuentran protegidos a través de fusibles o interruptores para que no se vean afectados por fallas como cortocircuitos o descargas rápidas.

-  Se recomienda colocar para baterías de 200 A o más un dispositivo de protección con una capacidad igual a la capacidad de un minuto de la batería.

Método de cálculo de la capacidad de una batería de plomo ácido

Para el dimensionamiento de la capacidad de las baterías se deben considerar, entre otros, los siguientes aspectos:

· Las características físicas de la celda como son tamaño, peso, material del contenedor de la celda, tapas de ventilación, conectores entre celdas y sus terminales.

· La vida útil de la instalación (subestación o planta de generación) y vida esperada de las celdas.

·  Frecuencia y profundidad de descarga de las celdas

·  Requerimientos sísmicos del diseño de las celdas

Número de Celdas

Para determinar la capacidad de la batería, es necesario calcular para cada sección del ciclo de trabajo, la capacidad máxima requerida por la combinación de las cargas demandadas (corriente contra tiempo)

Tres factores básicos gobiernan el dimensionamiento (número de celdas y su capacidad) de las baterías: las tensión máxima y mínima del sistema y el ciclo de trabajo del banco de baterías.

Las máximas tensiones permisibles en el sistema determinan el número de celdas en el banco de baterías garantizando la tensión permisible de flotación e igualación. 

Para el cálculo del número de celdas se recurre a las siguientes expresiones:

De esta manera:

Capacidad de la Batería

       Imagen 39. Curva baterias

Cargadores de Baterías

Para determinar la corriente asignada de los cargadores de baterías se considera que, después de una falla en la alimentación, cada cargador de baterías debe ser capaz de alimentar la totalidad de los consumidores y de entregar una corriente tal al banco de baterías, que sea suficiente para recargarlo en un lapso no superior al tiempo deseado para la recarga.

El siguiente procedimiento es el más utilizado para calcular la capacidad del cargador y es el que más se ajusta a las condiciones de operación de los servicios auxiliares de las subestaciones.

La siguiente ecuación es el dimensionamiento del equipo:

   CONSIDERACIONES ADICIONALES PARA EL FUNCIONAMIENTO ADECUADO DE LOS SERVICIOS AUXILIARES

-    El sistema de control de los servicios auxiliares debe prever el encender semanalmente los grupos electrógenos de la subestación con el fin de mantenerlos siempre en las condiciones óptimas de funcionamiento, de forma tal que cuando tomen la carga, no presenten ningún tipo de problema y den el respaldo que el sistema de servicios auxiliares y la subestación necesitan.