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Arreglos para Subestaciones empleando Módulos
Híbridos Compactos
Ing. Benjamín Marín Fuentes, Investigador
M. en I. Jorge Quintana Castañeda, Investigador
Instituto de Investigaciones Eléctricas
Resumen: Este documento presenta un análisis de la
posible aplicación de la tecnología de módulos híbridos
compactos en subestaciones, considerando los distintos
arreglos de barras empleados comúnmente en
subestaciones de transmisión. Al final del análisis se
identifican las consideraciones que deben ser tomadas
en cuenta para la implementación de esta tecnología, así
como las ventajas que presenta en comparación con los
equipos convencionales.
Palabras clave: módulo híbrido compacto, subestación,
arreglo de barras.
Abstract: The present document shows an analysis
about the possible application of compact hybrid
modules on substations, taking into account the most
common layouts in transmission substations. At the end
of the analysis the considerations that must be taken
into account are identified, as well as the advantages in
comparison with conventional equipment.
Keywords: compact hybrid module, substation, layout.
Introducción
Las subestaciones están conformadas por diversos
equipos primarios, los cuales, en conjunto con el
arreglo de barras de la subestación, determinan el grado
de funcionalidad y confiabilidad de la instalación
dentro del sistema eléctrico. La mayoría de las
subestaciones de potencia son aisladas en aire, también
conocidas como AIS por sus siglas en inglés de Air
Insulated Substations, en las que los equipos primarios
y las barras principales tienen como medio de
aislamiento externo el aire. Sin embargo, en proyectos
con requerimientos especiales como aquellos que
requieren realizarse en zonas urbanas con poca
disponibilidad de espacio, lugares con altos niveles de
contaminación, o sitios donde el costo de propiedad es
alto, se suelen emplear subestaciones aisladas en gas
SF6, también conocidas como GIS, por sus siglas en
inglés de Gas Insulated Substations, en las cuales las
barras principales y los equipos primarios están
contenidos dentro de envolventes metálicas, en las que el
gas SF6 a presión es el medio principal de aislamiento.
Los módulos híbridos compactos constituyen una
tecnología intermedia entre las AIS y las GIS. Los
módulos están constituidos por envolventes metálicas
donde el gas SF6 es el medio de aislamiento de los
equipos primarios contenidos en su interior; los
módulos no cuentan con barras principales en su
interior y la conexión eléctrica del módulo hacia las
barras principales se hace a través de boquillas,
dispuestas de tal forma que se mantengan las distancias
dieléctricas en aire de los elementos energizados. En la
Figura 1 se muestra un esquema con las componentes
principales de un módulo híbrido compacto.
Figura 1. Componentes de un módulo híbrido compacto.
RVP-AI/2015 SUB-01 PONENCIA
RECOMENDADA POR EL COMITE DE SUBESTACIONES
DEL CAPITULO DE POTENCIA DEL IEEE
SECCION MEXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION INTERNACIONAL DE VERANO, RVP-AI/2015,
ACAPULCO GRO., DEL 19 AL 25 DE JULIO DEL 2015.
SUB-01
PON 09
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Desarrollo
La tecnología de módulos híbridos compactos ha sido
desarrollada por los fabricantes que diseñan y fabrican
subestaciones aisladas en gas SF6, por lo que los
componentes de los módulos son muy similares a los
componentes de una GIS.
Los módulos híbridos han sido empleados en diversos
proyectos de subestaciones a cargo de empresas
eléctricas de varios países, así como en subestaciones
de grandes usuarios, tanto para instalaciones nuevas
como para ampliaciones de subestaciones existentes.
Análisis de uso y aplicación de módulos
híbridos para subestaciones
Para analizar la aplicación de módulos híbridos
compactos en subestaciones de transmisión, es
necesario conocer sus diferentes tipos de configuración,
con el fin de determinar los casos en los que es factible
emplear este tipo de equipos.
Tipos de configuraciones de módulos híbridos
Gracias a su diseño modular, los módulos híbridos
compactos pueden usarse en diferentes configuraciones,
dependiendo de los equipos que los integren, la forma
en que se conecten y el número de terminales de
conexión que tengan. En función de su configuración,
los módulos híbridos pueden aplicarse en los distintos
tipos de bahías de los distintos arreglos de barras
empleados en subestaciones, manteniendo la
funcionalidad deseada en la subestación.
En función del número de terminales de salida, las
configuraciones más comunes de módulos híbridos
compactos son las siguientes:
Configuración de Barra Principal. Se caracteriza
por tener un juego de terminales de entrada y un
juego de terminales de salida. Los módulos híbridos
con esta configuración están formados por un
interruptor de potencia, cuchillas desconectadoras y
cuchillas de puesta a tierra. Los módulos con esta
configuración se pueden complementar con
transformadores de corriente a cada lado del
interruptor y con un juego de transformadores de
potencial inductivo; también pueden integrar
cuchillas de puesta a tierra rápidas en los casos
donde así se requiera.
Configuración de Doble Barra. Cuenta con un
juego de terminales de entrada y dos juegos de
terminales de salida. Estos módulos están integrados
por un juego de cuchillas desconectadoras con
puesta a tierra, conectadas en serie a un interruptor
de potencia, el cual a su vez se conecta con otros
dos juegos de cuchillas desconectadoras que
permiten la conexión y desconexión entre las dos
terminales de salida. Este tipo de configuración
también puede incluir transformadores de corriente
y transformadores de potencial inductivo, así como
cuchillas de puesta a tierra rápidas.
Considerando el número de terminales de salida, los
módulos híbridos con Configuración de Barra Principal
pueden emplearse donde se requiera la conexión y
desconexión entre dos puntos de un circuito en serie.
Por otro lado, los módulos híbridos con Configuración
de Doble Barra permiten que sus terminales de salida se
conecten a dos puntos distintos (distintas barras). En la
Figura 2 se muestra un ejemplo de módulos híbridos
compactos en Configuración de Barra Principal y
Configuración de Doble Barra, donde se ha identificado
sus terminales de entrada y de salida, las partes básicas
que integran, así como su correspondiente diagrama
unifilar simplificado.
Figura 2. Módulos híbridos con Configuración de Barra
Principal y Configuración de Doble Barra.
1. Cuchilla de puesta a tierra 2. Cuchilla
desconectadora 3. Cuchilla de puesta a tierra rápida
4. Transformador de Corriente 5. Interruptor
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Uno de los objetivos del uso de módulos híbridos
compactos en subestaciones aisladas en aire se refiere a
reducir los espacios requeridos, manteniendo la
funcionalidad de la instalación en cuanto a las
maniobras que pueden realizarse en las distintas
condiciones de operación. En este análisis se busca que
los módulos híbridos tengan la misma funcionalidad
que los equipos convencionales aislados en aire.
Los arreglos de barras para los que se analizará el uso
de módulos híbridos compactos son los que se emplean
en subestaciones de transmisión:
Barra Principal y Barra de Transferencia
Barra Principal y Barra Auxiliar
Doble Barra y Barra de Transferencia
Interruptor y Medio
Doble Barra y Doble Interruptor
En las siguientes figuras se muestran los casos en los
que se pueden usar módulos híbridos compactos para
estos arreglos de barras. En cada caso se muestra un
diagrama unifilar simplificado de las bahías empleadas
en cada arreglo, en el que se indica con un recuadro los
equipos primarios que pueden ser sustituidos por un
módulo híbrido, ya sea con Configuración de Barra
Principal o con Configuración de Doble Barra.
Figura 3. Aplicación de módulos híbridos compactos en el
arreglo de Barra Principal y Barra de Transferencia.
Figura 4. Aplicación de módulos híbridos en el arreglo de
Barra Principal y Barra Auxiliar.
Figura 5. Aplicación de módulos híbridos en el arreglo de
Doble Barra y Barra de Transferencia.
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Figura 6. Aplicación de módulos híbridos en el arreglo de
Interruptor y Medio en I.
Figura 7. Aplicación de módulos híbridos en el arreglo de
Interruptor y Medio en U.
Figura 8. Aplicación de módulos híbridos en el arreglo de
Doble Barra y Doble Interruptor.
De acuerdo con las figuras anteriores, se observa que en
todos los arreglos de barras se pueden emplear módulos
híbridos con Configuración de Barra Principal, mientras
que los módulos con Configuración de Doble Barra son
útiles para el arreglo de Barra Principal y Barra
Auxiliar y el arreglo de Doble Barra y Barra de
Transferencia.
Los módulos híbridos permiten reducir las distancias
entre equipos primarios, sin embargo, es necesario
mantener las distancias dieléctricas entre conductores
energizados, así como con otros equipos y elementos
con aislamiento externo en aire. Las bahías que
presentan un mayor beneficio de la aplicación de esta
tecnología son las bahías de línea de transmisión, toda
vez que estas son las que tienen una mayor cantidad de
equipos primarios y son las que ocupan mayor espacio
en una subestación.
Propuestas de arreglos para subestaciones
empleando módulos híbridos
Una vez que se han determinado los módulos híbridos
compactos y la configuración que deben tener para las
distintas bahías de una subestación, en función del
arreglo de barras, se procede a implementar algunas
propuestas con estos módulos, considerando sus
dimensiones físicas, y localizándolos de manera
adecuada en las bahías de la subestación
En las siguientes figuras se muestran algunas
propuestas del uso de módulos híbridos en bahías de
líneas de transmisión para subestaciones de 115, 230 y
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400 kV. En cada propuesta se muestra la disposición
física de los equipos primarios requeridos, comparando
las necesidades de espacio con equipos convencionales
y la reducción que se tiene al emplear módulos
híbridos. La disposición de equipo toma como base los
diagramas unifilares mostrados anteriormente para las
bahías de líneas de transmisión. Para cada propuesta se
muestra únicamente la disposición de equipo en corte,
toda vez que el beneficio de la reducción de espacios
con módulos híbridos se obtiene a lo largo de las
bahías; a lo ancho se mantienen los mismos espacios.
Bahía con equipos convencionales
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
300 300
600
200 350 100 250 250
1300
500 250 125 125 250 450 700 450
300 300
600
200 350 100 250 250
1300
500 250 250
2400
800
300
300
300
800
300
300
300
250
4000
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
Bahía con módulo híbrido
300 300
600
200 350 100 250 250
1300
500 250 250
2400
800
300
300
300
250
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
Figura 9. Bahía de línea de transmisión con arreglo de
Barra Principal y Barra de Transferencia en 115 kV.
Bahía con equipos convencionales
450 450 250 200 450 225 225 225 225 225 225 400 850 600
1100
700
300
300
600 250400 400 300
1100 2200
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
5850
Bahía con módulo híbrido
4000
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
450 450 450600 250 450 450 450 450
1100
700
300
300
400 400 300
1100 2200
Figura 10. Bahía de línea de transmisión con arreglo de
Barra Principal y Barra Auxiliar en 230 kV.
Bahía con equipos convencionales
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
500 800 500 500500800500500
2300162002300
1050 700 750 300 400 700 700 700 1400 700 700 700 700 1400 700 700 700 400 300 750 700 1050
Bahía con módulo híbrido
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
CAMINO DE
MANTENIMIENTO
700350 350 350 350 500 800 500 500500800500500
2300112002300
1050 700 750 300 700700 350 350 700 700 350 350 700350 350 350 350
Figura 11. Bahías de línea con arreglo de Interruptor y
Medio en “I” en 400 kV.
De acuerdo con las figuras anteriores, se puede
observar que la aplicación de módulos híbridos en los
arreglos de barras de subestaciones de transmisión es
una opción interesante que puede representar una
reducción importante del espacio requerido para la
construcción de subestaciones de transmisión de 115,
230 y 400 kV.
Conclusiones
Con base en los ejemplos ilustrados para los arreglos de
barras de subestaciones de transmisión empleando
módulos híbridos compactos, se presentan las
siguientes conclusiones y recomendaciones.
Los módulos híbridos compactos se pueden emplear
en cualquiera de los arreglos de barras empleados en
subestaciones de transmisión.
La implementación de los módulos híbridos
compactos reduce de manera importante las
dimensiones longitudinales de las bahías de una
subestación, principalmente las bahías de líneas de
transmisión, lo que se traduce en una disminución
del área requerida para las subestaciones, respecto al
espacio requerido con equipos convencionales.
Con la reducción de las dimensiones de las bahías
disminuye el tamaño de las áreas eléctricas de la
subestación, lo cual se traduce en poder adquirir
predios de menor tamaño y, por ende, de menor costo.
La implementación de módulos híbridos compactos,
así como la consecuente disminución del tamaño de
las áreas eléctricas, impacta en varios conceptos de
obra civil y electromecánica dentro de la
construcción de una subestación de transmisión,
incluyendo en los siguientes conceptos:
Menor cantidad de estructuras mayores.
Reducción de las áreas de pisos terminados.
Disminución de la longitud de los caminos
perimetrales.
Dimensiones menores de la red de tierra y un
menor número de conexiones a la misma.
Menor longitud de los conductores de los
buses transversales así como una disminución
de los conductores requeridos para las
conexiones entre equipos primarios.
Reducción
16 m
Reducción
18.5 m
Reducción
50 m
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Reducción de la cantidad de canalizaciones
para el cableado de las bahías de la
subestación.
Disminución del número de cimentaciones y
bases requeridas para los equipos primarios.
Se considera que el análisis que aquí se ha presentado
debe ser complementado con un estudio económico que
involucre costos reales de equipos, terreno, trabajos de
obra civil y electromecánica, etc., con el propósito de
evaluar la rentabilidad de aplicar esta tecnología en
subestaciones de transmisión, para lo cual es
recomendable considerar el costo del ciclo de vida de la
instalación en su conjunto.
Referencias
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[10] PASS Hybrid Switchgear Benefits and Advantages. ABB High Voltage Products. Octubre 2008.
[11] Primary Technology PASS MO 123 – 145 kV Modules, concept and Components. ABB High Voltage Products. Septiembre 2010.
[12] PASS MOS 252 kV, Innovative Solution for Transmission Substation Up to 252 kV. ABB High Voltage Products. Noviembre 2010.
[13] HYpact, Hybrid Compact Switchgear Assembly for 123 and 145 kV, Compact Air Insulated Substations. Alstom Grid. Noviembre 2010.
[14] HYpact, Hybrid Compact Switchgear Assembly, Compact Switchgear. Alstom Grid. Noviembre 2012.
[15] 550 kV H-GIS (Hybrid – GIS). Mitsubishi Electric. Tokio, Japón.
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[17] HIS – An Innovative Substation Concept. SIEMENS. Alemania.
[18] HIS – Highly Integrated Switchgear up to 550 kV, 63 kA, 5000 A Type 8DQ1. SIEMENS. Alemania.
[19] HIS – Subestaciones Altamente Integradas, Blindadas hasta 145 kV. SIEMENS. Alemania.
Benjamín Marín Fuentes
Graduado de la Facultad de Ingeniería
de la UNAM en 2008 en Ingeniera
Eléctrica y Electrónica. Laboró dos años
en la iniciativa privada en el área de
eficiencia energética. Desde 2011 labora
en el Instituto de Investigaciones
Eléctricas como investigador de la
Gerencia de Transmisión y Distribución,
especializándose en el diseño de subestaciones.
Dirección: Leibnitz 11, Piso 5, despacho 502, Colonia
Nueva Anzures, CP 11590, México D. F.
Teléfono: (55) 5254-1520
e-mail: [email protected]
Jorge Quintana Castañeda
Graduado de la Facultad de Ingeniería de
la UNAM en 1996 en Ingeniería
Mecánica-Eléctrica, obtuvo el grado de
Maestría en Ingeniería Eléctrica por la
misma institución en 2008. Desde 1995
labora en el Instituto de Investigaciones
Eléctricas como investigador de la
Gerencia de Transmisión y Distribución.
Cuenta con 19 años de experiencia en el diseño de
subestaciones y compensación de sistemas eléctricos.
Dirección: Leibnitz 11, Piso 5, despacho 502, Colonia
Nueva Anzures, CP 11590, México D. F.
Teléfono: (55) 5254-1520
e-mail: [email protected]
![Proyecto Unadet Arreglos Finales Conversion Arreglos 001[1]](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/55cf99ab550346d0339e92d1/proyecto-unadet-arreglos-finales-conversion-arreglos-0011.jpg)
