Formas constructivas de Subestaciones eléctricas de intemperie de 110 a 420 kV (Parte 1ª)

Estructuras metálicas, embarrados y material de conexión

En las subestaciones al aire libre una gran parte del coste que ha de ser tenido en cuenta es el que proviene de todo el acero que conlleva la construcción de una subestación, desde los tornillos hasta los pórticos de entrada de línea.

Generalmente se suele utilizar cuatro tipos de estructuras metálicas de acero:

• Estructura en Celosía
• Estructura Empresillada
• Estructura de Alma Llena
• Estructura Tubular

Estructura en Celosía

La celosía es aquella estructura basada en tracción-compresión de cada una  de las piezas.

Se basa en el principio de triangulación y es que, dentro de un triángulo, los  esfuerzos de barras son nulos. Sin embargo, en la práctica, las barras internas  evitan el pandeo a compresión de las piezas. Es la estructura más ligera pero  sin embargo necesita mayor sección útil en proyección.

Se realiza atornillando o soldando piezas angulares con pletinas u otros angulares

Figura 1: Pórtico de arriostramiento de líneas de subestación con estructura de celosía

Estructura Empresillada

Es una estructura similar a la celosía pero que no cumple el principio de par resistente  nulo de la celosía ya que no hay  triangulaciones. Simplemente se busca aumentar el momento de inercia de la  estructura lo cual disminuye e impide el  pandeo por compresión y la flexión de la  estructura.

Es una estructura muy ligera y con buenos resultados.

Se realiza con piezas angulares soldándole  pletinas entre sí.

Figura 2: Soporte con estructura empresillada

Estructura de Alma Llena

Consiste en la utilización como pie de un tramo de perfil  normalizado, generalmente HEB con uniones atornilladas  o soldadas. Posee mejores propiedades mecánicas que la celosía y es más robusta pero a su vez es más pesada.

Al contrario que las anteriores no requiere apenas montaje  en sitio ya que las piezas están semiterminadas.

Figura 3: Pórtico con Estructura de Alma Llena

Estructura Tubular

Es similar a la de alma llena, pero en vez de utilizar un perfil HEB se utiliza uno tubular.

Es más cara pero es la que posee una respuesta total más homogénea.

Figura 4: Soporte con estructura tubular

Pórticos de línea

Las líneas que llegan a la subestación lo hacen a partir de su apoyo de fin de línea como marca el RLAT (Reglamento español de líneas de alta tensión). Sin embargo no es posible llevar un conductor desde este apoyo de altura considerable al primer dispositivo (el seccionador de línea) ya que tendría que soportar demasiados esfuerzos innecesarios. Es por ello que se diseña y se sitúa un pórtico de línea. El fin de este pórtico es el de  recibir los conductores de la línea, amarrarlos en banda y permitir el inicio de la bahía de la subestación.

Figura 5: Pórtico de arriostramiento de línea

Pórticos de barras

Son estructuras metálicas en forma de T o Pi que soportan las barras del embarrado principal.

Lo mantienen a la altura mínima reglamentaria y  además sirven, con los conectores asociados  sobre ellas, de unión entre las barras del embarrado.

Figura 6: Pórtico de barras

Embarrados en cable

El cable es un conductor formado por un haz de alambres trenzados en forma helicoidal. Es el tipo de barra más comúnmente usado. También se han usado conductores de un solo alambre en subestaciones de pequeña capacidad.

Figura 7: Embarrados ómnibus en cable

Ventajas:

• Es el más económico de todos.
• Se logran tener vanos más grandes.

Inconvenientes:

Se tienen mayores pérdidas por efecto corona.

También se tienen mayores pérdidas por efecto superficial.

Los materiales más usados para cables son el cobre y el aluminio reforzado con acero. Este último tiene alta resistencia mecánica, buena conductividad eléctrica y bajo peso.

Embarrados de tubo

Las barras colectoras tubulares se usan principalmente para llevar grandes cantidades de corriente, especialmente en subestaciones de bajo perfil como las instaladas en zonas urbanas.

El uso de tubo en subestaciones compactas resulta más económico que el uso de otro tipo de barra. En subestaciones con tensiones muy altas reduce el área necesaria para su instalación además de que requiere estructuras más ligeras. Los materiales más usados para tubos son el cobre y el aluminio.

Figura 8: Embarrados ómnibus de tubo

Ventajas:

• Tiene igual resistencia a la deformación en todos los planos.
• Facilita la unión entre dos tramos de tubo.
• Reduce las pérdidas por efecto corona.
• Reduce las pérdidas por efecto superficial.
• Tiene capacidades de conducción de corriente relativamente grandes por unidad de área.

Inconvenientes:

•  Alto costo del tubo en comparación con los otros tipos de barras.
•  Requiere una gran variedad de juntas de unión debido a las longitudes relativamente cortas con que se fabrican los tramos de tubo y a su rigidez.
• En la mayoría de los casos se usan diámetros mayores que los necesarios para la conducción de corriente, con lo que se obtiene un aumento en la longitud de los vanos y, por lo tanto, una reducción en el número de soportes, y así se disminuyen además las pérdidas por efecto corona.

Los tubos llevan dentro amarrado dos cables, desde cada extremo hasta dos tercios de la longitud, cuyo fin es el amortiguamiento de las vibraciones provocadas por los esfuerzos electromecánicos ante un cortocircuito.

Ventajas del tubo de aluminio sobre el de cobre:

• Mayor capacidad de corriente en igualdad de peso
• A igual conductividad, el costo del tubo de aluminio es menor que el de  cobre.
• Requiere estructuras más ligeras. 

Desventaja del tubo de aluminio sobre el de cobre:

• Mayor volumen del tubo en igualdad de conductividad.

Configuraciones constructivas de subestaciones de intemperie 

La configuración de las instalaciones al aire libre de 110 kV está determinada por puntos de vista económicos, especialmente en lo que se refiere a una adaptación al espacio disponible y a las exigencias del servicio respecto a una disposición clara y una seguridad del mismo. En correspondencia con estas condiciones se han creado diversas formas constructivas para la distribución de las instalaciones. En las zonas de alimentación de muchos usuarios se prefieren a menudo determinadas formas constructivas, las cuales se emplean como tipos estándar.

La división de campos de las derivaciones es determinada tanto por la forma de los embarrados ómnibus en ejecución tubular o cable, como por la forma constructiva de los seccionadores y la disposición de los interruptores automáticos y transformadores de medida.

Para unas barras ómnibus tensadas con cable es rentable una longitud de tensado de 50 metros. Los pórticos de arriostramiento necesarios serán determinados de acuerdo con la longitud total de la instalación. La división más amplia T₁ y T₂ de los campos de tensado de los embarrados ómnibus deberá tenerse en cuenta al efectuar el proyecto.

Para las instalaciones con intensidades nominales de los embarrados ómnibus de alrededor de 3000 A, los embarrados ómnibus tubulares representan una solución más rentable, frente a los embarrados ómnibus tensados. En las instalaciones de 110 kV, los embarrados ómnibus tubulares van provistos de apoyos después de cada dos campos de división; en las instalaciones de 245 y 420 kV el apoyo será en cada campo de división.

Las líneas aéreas que parten de las estaciones transformadoras se utilizan, por lo general, también para el sistema de telefonía de alta frecuencia. Para ello, en las salidas de las líneas aéreas se instalarán los elementos necesarios (filtro de línea y condensador), según se indica en las figuras 9a hasta 9c. En las instalaciones destinadas a 245 kV se emplea preferentemente la variante a).

Para el montaje del seccionador bajo carga de tipo rotativo de dos columnas, hay que señalar como factores ventajosos su sencilla construcción, así como el hecho de que el mismo puede ser posicionado con mayor facilidad como seccionador de salida. El seccionador bajo carga de una sola columna permite un sencillo montaje de la instalación debido a su recorrido de seccionamiento entre los dos niveles de conducción. Dicho seccionador economiza aprox. un 20 % de la superficie, frente a los seccionad-res de dos columnas, al tiempo que puede también inspeccionarse fácilmente, dado que se encuentra exento de tensión en uno de sus extremos en estado de desconexión.

El grupo de interruptores automáticos y de transformadores de medida forma, con el correspondiente armario de mando, el punto central de cada derivación. Los interruptores automáticos y los transformadores de medida se instalan de forma tan elevada que no se hace necesario vallado alguno. En este punto, hay que tener en cuenta que desde el borde superior del zócalo del aislador con puesta a tierra, se mantendrá una altura mínima de 2300 mm (RAT ITC 15, apartado 4.3.2). Los aparatos pueden montarse directamente, sin necesidad de bastidores móviles, sobre unos mangos o mesas destinadas especialmente para ello.

Figura 9:

Configuración de las salidas ce una línea aérea: a) filtro de línea suspendido, condensador vertical: b) filtro de línea y condensador suspendidos en el pórtico; c) filtro de línea montado sobre el transformador de tensión capacitivo. 1, interruptor automático; 2, seccionador de salita: 3. transformador ce intensidad; 4. transformador de tensión inductivo; 5. transformador de tensión capacitivo: 6, condensador; 7, filtro de línea. 

Continúa en: Formas constructivas de Subestaciones eléctricas de intemperie de 110 a 420 kV (y Parte 2ª)
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