Una buena planificación de subestaciones comienza analizando las cargas eléctricas y determinando los niveles de falla desde el principio. Estos estudios indican a los ingenieros qué tipo de equipos deben especificar y cómo configurar adecuadamente los sistemas de protección. Al diseñar subestaciones, los ingenieros deben considerar la demanda actual, pero también planificar con anticipación el crecimiento futuro de las cargas. La estabilidad del sistema es otra preocupación importante durante las fallas, por lo que requiere una consideración cuidadosa. La elección de los niveles de voltaje adecuados también es relevante. Deben coincidir con lo ya existente en el lado de transmisión, al mismo tiempo que dejan margen para futuras expansiones. Los diseños mecánicos tampoco pueden ignorar factores ambientales. Aspectos como los terremotos y la accesibilidad para que los técnicos puedan realizar inspecciones de mantenimiento son partes importantes para garantizar que todo funcione de forma confiable durante años. La mayoría de los planificadores experimentados saben que intentar ahorrar dinero inicialmente suele tener consecuencias negativas si eso implica comprometer la confiabilidad. Después de todo, nadie quiere que se le corte la luz porque alguien recortó costos en la fase de diseño.
Elegir entre interruptores de aislamiento en gas (GIS) y interruptores de aislamiento en aire (AIS) no es solo otra decisión técnica: afecta desde el impacto ambiental hasta la fiabilidad con la que los equipos funcionarán día tras día. El GIS ocupa mucho menos espacio que las opciones tradicionales, lo cual tiene sentido en ciudades o lugares donde simplemente no hay espacio adicional disponible. Estos sistemas también resisten mejor condiciones adversas y requieren mantenimiento con mucha menos frecuencia, aunque tienen un costo inicial más elevado. Por otro lado, el AIS sigue siendo una buena opción cuando el presupuesto es lo más importante y hay suficiente espacio disponible. Los técnicos pueden acceder más fácilmente a estos sistemas para inspecciones y reparaciones rutinarias, además de que los costos de instalación suelen ser más bajos en general. La mayoría de los ingenieros eligen GIS para proyectos ubicados cerca de zonas urbanas densamente pobladas o ecosistemas protegidos, donde la fiabilidad significa algo más que simples cifras en una hoja de cálculo.
Los transformadores son básicamente el componente principal en subestaciones, por lo que los ingenieros deben prestar mucha atención a aspectos como sus calificaciones de capacidad, las relaciones de conversión de voltaje y la forma en que manejan la disipación de calor. Al seleccionar el transformador adecuado, esta decisión afecta en realidad el tipo de cimentación que debe construirse y las medidas de seguridad contra incendios que deben implementarse, lo que en última instancia influye en la fiabilidad de todo el sistema. En el caso de los interruptores automáticos, dimensionarlos correctamente significa que pueden interrumpir de forma segura las corrientes máximas de falla, permitiendo al mismo tiempo una rápida identificación y aislamiento de los problemas cuando ocurren. El equipo de interruptores actual incluye relés de protección y mecanismos de control integrados que trabajan coordinadamente para evitar que los fallos se propaguen por toda la red eléctrica. Seguir las normas industriales establecidas garantiza que todas estas partes estén adecuadamente dimensionadas tanto para el funcionamiento normal como para sobretensiones inesperadas, ayudando a prolongar la vida útil del equipo y manteniendo la red eléctrica estable, ya sea que todo funcione correctamente o que ocurra alguna falla en algún lugar.
La forma en que se disponen las subestaciones tiene un gran impacto en su fiabilidad en aspectos como el acceso al equipo, la realización eficiente de trabajos de mantenimiento y el cumplimiento de todos los requisitos de seguridad necesarios. Al colocar los equipos, los ingenieros deben seguir las normas de separación de IEEE y IEC no solo porque así lo exijan las regulaciones, sino porque las personas reales necesitan espacio para trabajar de forma segura y realizar inspecciones adecuadamente. Como regla general, debe haber al menos 1,5 metros de espacio libre alrededor de cada equipo para que los trabajadores puedan moverse cómodamente con sus herramientas. Pero hay más factores además del espacio físico: los márgenes de seguridad también deben considerar posibles sobretensiones durante las operaciones de conmutación. Según informes recientes de la industria de 2024, las buenas prácticas de separación reducen los riesgos de propagación de fallas en aproximadamente un tercio en comparación con disposiciones congestionadas donde todo parece estar amontonado. Existen varios factores importantes que vale la pena tener en cuenta al planificar estas disposiciones, incluyendo...
La configuración de las barras colectoras afecta significativamente la disponibilidad del sistema: las disposiciones de doble barra ofrecen una disponibilidad del 99,98 % frente al 99,85 % en sistemas de barra simple. Las configuraciones redundantes permiten mantenimiento sin interrupción del servicio y limitan el impacto de fallas mediante seccionalización. Los diseños modernos incorporan:
El aislamiento físico y eléctrico entre los circuitos de potencia primarios y los sistemas de control secundarios evita la interferencia electromagnética y la propagación de fallas. La norma IEC 61850-3 exige distancias mínimas de separación según la clase de voltaje, requiriendo instalaciones de 400 kV una segregación de 4 metros entre bandejas portacables primarias y secundarias. Las estrategias efectivas incluyen:
La protección eficaz contra sobretensiones depende de la coordinación del aislamiento: ajustar la resistencia del aislamiento de los equipos a las tensiones esperadas. Las sobretensiones transitorias provocadas por rayos o maniobras de conmutación pueden alcanzar entre 6 y 8 veces la tensión normal de operación, lo que exige medidas protectoras robustas. Los pararrayos y otros dispositivos de protección deben actuar antes de que se produzca la ruptura del aislamiento, preservando así la integridad de la subestación durante perturbaciones.
Al hablar de coordinación dieléctrica, básicamente estamos analizando cómo seleccionar los niveles adecuados de aislamiento junto con distancias mínimas en el aire para que no se produzcan arcos ni daños. Las normas industriales como la IEC 60071 ofrecen una buena orientación al respecto, especialmente sobre lo que denominan Nivel Básico de Impulso (BIL), así como las separaciones recomendadas entre componentes según factores como los niveles de tensión y la ubicación real del equipo. Lograr una correcta coordinación implica garantizar que tanto los espacios de aire entre partes como los materiales reales de aislamiento sólido puedan soportar no solo las tensiones habituales, sino también los picos ocasionales que ocurren de vez en cuando. Sin una configuración adecuada, un pequeño fallo podría derivar en problemas mayores más adelante, algo que nadie desea enfrentar cuando los sistemas ya están operando bajo alta carga.
La mayoría de las configuraciones de protección contra rayos dependen de mástiles altos junto con los cables de tierra aéreos, conocidos como OHGW, para formar zonas protectoras alrededor de equipos eléctricos importantes. Los ingenieros suelen aplicar lo que se conoce como el método de la esfera rodante al colocar estratégicamente estos componentes, de modo que puedan interceptar impactos directos antes de que el rayo alcance equipos sensibles como transformadores o paneles de interruptores. La puesta a tierra adecuada también es esencial, generalmente espaciada entre 200 y 300 metros aproximadamente, dependiendo de las condiciones del lugar. Esta configuración canaliza la enorme energía del transitorio de manera segura hacia el suelo, en lugar de permitir que dañe la infraestructura. Los sistemas construidos según las normas IEEE generalmente ofrecen niveles de protección bastante elevados, reduciendo la probabilidad de impactos directos en aproximadamente un 95 % o más en la mayoría de los casos, según la experiencia de campo.
Los sistemas de puesta a tierra adecuados son muy importantes para mantener el funcionamiento confiable de las subestaciones. Básicamente, proporcionan un camino seguro para las corrientes de falla mediante una trayectoria a tierra de baja impedancia. La mayoría de los ingenieros buscan mantener la resistencia de tierra por debajo de 5 ohmios, ya que esto ayuda a distribuir adecuadamente la corriente y reduce las diferencias de voltaje peligrosas a través del sitio. Los componentes principales suelen incluir conductores de cobre capaces de soportar cualquier corriente de falla que pueda presentarse, junto con mallas interconectadas que garantizan que todos los elementos se mantengan a potenciales eléctricos similares. Tampoco se debe olvidar conectar todas las partes metálicas entre sí. Cuando se realiza correctamente, estos sistemas protegen equipos costosos cuando ocurren fallas y ayudan a que los interruptores de circuito y otros dispositivos de seguridad funcionen según lo previsto durante emergencias.
Las buenas prácticas de puesta a tierra protegen a los trabajadores durante el mantenimiento o cuando se enfrentan a fallas eléctricas. Antes de comenzar cualquier trabajo en equipos que han sido desconectados, es necesario instalar primero tierras protectoras temporales. Esto crea lo que se denomina un área equipotencial, asegurando básicamente que nadie reciba una descarga si algo vuelve a estar activo accidentalmente. Cuando hay fallas en el sistema, la correcta puesta a tierra mantiene esos voltajes peligrosos lo suficientemente bajos como para que las personas ni siquiera los noten al tocar el suelo o al caminar entre diferentes puntos. Según el Código Eléctrico Nacional, existen todo tipo de normas sobre cómo deben conectarse los equipos entre sí, la verificación regular de la resistencia de puesta a tierra y la necesidad de mantener inspecciones continuas con el tiempo para que los trabajadores estén protegidos de cualquier daño.
La confiabilidad de las subestaciones depende realmente de esos sistemas avanzados de protección capaces de detectar y desconectar fallas en apenas unos pocos milisegundos. El equipo de maniobra actual combina relés digitales junto con diversos sensores para detectar problemas como sobrecorrientes o fallas a tierra en el momento en que ocurren. Todo este proceso funciona, en términos generales, en tres pasos principales: primero, el relé detecta algo anormal; luego, el interruptor automático interviene para interrumpir lo que esté sucediendo; y finalmente, se aísla la zona afectada mediante dispositivos específicos. Lo que hace que todo funcione tan bien es la coordinación selectiva, que básicamente significa que únicamente el dispositivo más cercano al punto donde ocurre el problema responde, manteniendo así el suministro eléctrico en el resto del sistema sin interrupciones. Este enfoque reduce tanto el tiempo de inactividad como los posibles daños al equipo. Para los ingenieros que trabajan en estos sistemas, seleccionar correctamente las especificaciones de relés e interruptores es muy importante; necesitan ajustar adecuadamente todos los parámetros según las exigencias del sistema en cuanto a niveles de voltaje, capacidad de manejo de corriente y la capacidad de cortocircuito existente en la red, para que todo funcione sin contratiempos.
Los buenos interruptores automáticos deben ser capaces de detener esas grandes corrientes de falla sin que ocurra ningún problema. Cuando las temperaturas suben considerablemente dentro del equipo, estos dispositivos deben soportar fuertes fuerzas electromagnéticas además de importantes tensiones térmicas que pueden desgastarlos rápidamente. Los modelos más recientes suelen utilizar tecnología de vacío o gas SF6 porque son más eficaces para extinguir arcos eléctricos y restaurar rápidamente el aislamiento tras una falla. Para la mayoría de los sistemas de media tensión, se consideran capacidades de interrupción entre 40 y 63 kiloamperios, con tiempos de eliminación que normalmente requieren entre 3 y 5 ciclos para completarse. Los fabricantes también incorporan clasificaciones especiales para arcos internos junto con sistemas de alivio de presión que contienen las descargas peligrosas y evitan que el equipo explote por completo. También es fundamental seleccionar interruptores con la clasificación adecuada, ya que esto ayuda a mantener estable el sistema eléctrico y protege todos los equipos conectados aguas abajo contra daños.
Conseguir componentes del tamaño adecuado es muy importante cuando se enfrentan picos elevados de demanda de potencia y fallos inesperados. Al diseñar sistemas, los ingenieros deben determinar cuál será la carga máxima posible, verificar los valores de cortocircuito y calcular las corrientes de falla potenciales antes de seleccionar interruptores y equipos de protección capaces de soportarlo todo. La coordinación entre los relés de sobrecorriente funciona mejor al analizar las curvas tiempo-corriente (TCC), lo que ayuda a prevenir disparos innecesarios y, al mismo tiempo, a eliminar problemas con suficiente rapidez para mantener el funcionamiento sin interrupciones. Tampoco se deben olvidar las necesidades futuras. Los componentes deben tener margen para crecer ante un aumento de la demanda, además de funcionar correctamente incluso si se instalan en lugares cálidos o a alta altitud, donde el rendimiento disminuye naturalmente. Un dimensionado adecuado no se trata solo de cumplir con las especificaciones sobre el papel; hace que los sistemas sean más robustos frente a fallos, reduce reparaciones costosas en el futuro y, en general, hace que los equipos duren más de lo que durarían en caso contrario.
GIS (Interruptor de aislamiento gaseoso) ocupa menos espacio y es preferido en áreas urbanas, mientras que AIS (Interruptor de aislamiento al aire) es más económico y más fácil de mantener, pero requiere más espacio.
La puesta a tierra protege los equipos y al personal al disipar de forma segura las corrientes de falla y mantener la estabilidad del sistema durante eventos de cortocircuito.
Los ingenieros consideran las clasificaciones de capacidad, las relaciones de conversión de voltaje y la disipación de calor para asegurar que los transformadores cumplan con los requisitos de confiabilidad del sistema.
La protección contra rayos depende de mástiles y cables de guarda aéreos para dirigir la energía del impacto de forma segura hacia el suelo, protegiendo así los equipos sensibles de daños.
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