Cómo funcionan las aparamentas de media tensión en los sistemas de distribución de energía

La columna vertebral entre generación y consumo

Camina por cualquier ciudad moderna y pasarás por decenas de instalaciones que dependen deaparamenta de media tensiónsin haber visto nunca uno. Se sientan dentro de edificios anónimos, detrás de vallas de subestaciones, en los sótanos de torres comerciales y en los límites de parques industriales. Son los nodos eléctricos donde la energía pasa del voltaje del nivel de transmisión al voltaje que realmente utilizan las fábricas, centros de datos, hospitales y bloques de apartamentos.

Las aparamentas de media tensión ocupan un lugar específico en la cadena de distribución de energía. Se encuentra entre la red de transmisión de alto voltaje (líneas de 110 kV, 220 kV o 400 kV que transportan energía a largas distancias) y la red de distribución de bajo voltaje de 400 V o 230 V que se conecta al equipo del usuario final. El rango de voltaje medio, típicamente definido como voltajes superiores a 1 kV y hasta 40,5 kV o 52 kV según el estándar que se aplica, es donde la energía masiva se subdivide y se dirige a diferentes cargas en una instalación o un área geográfica.

Este artículo explica cómo funciona la aparamenta de media tensión a nivel del sistema, qué funciones realiza y por qué las decisiones tomadas en la especificación de la aparamenta afectan la seguridad, la confiabilidad y el costo operativo de toda la red de distribución aguas abajo.

Dónde se ubica el interruptor de media tensión en el sistema

Para comprender qué hace la aparamenta de media tensión, es útil rastrear el camino de la energía desde la red hasta una carga.

Una instalación industrial o comercial típica recibe energía de la empresa de servicios públicos local a media tensión; 10 kV, 11 kV, 20 kV o 33 kV son comunes según el país. Esta energía llega a través de cables subterráneos o líneas aéreas y ingresa al cuadro principal de la instalación, que es un conjunto de aparamenta de media tensión. Desde allí, fluye a través de disyuntores y barras colectoras hacia varios destinos. Algunos alimentadores van a transformadores que reducen el voltaje a 400 V para distribución general dentro de la instalación. Otros alimentadores pueden alimentar motores grandes, enfriadores o compresores directamente a voltaje medio porque la carga es demasiado grande para ser atendida de manera económica a bajo voltaje. Otros alimentadores pueden conectarse a la generación in situ, como turbinas de gas o generadores diésel de respaldo, o a fuentes de energía renovables como inversores solares en los tejados.

La aparamenta de media tensión es el punto de control de todos estos flujos de energía. Puede conectar o aislar cada alimentador individualmente. Puede proteger cada alimentador de fallas. Puede dividir el autobús en secciones separadas para mejorar la confiabilidad. Y proporciona los puntos de medición y monitorización que utilizan los operadores de la instalación para entender qué está haciendo su sistema eléctrico en cada momento.

Funciones principales deAparamenta de media tensión

La aparamenta de media tensión realiza cuatro funciones fundamentales en un sistema de distribución de energía. Comprender cada uno explica por qué el equipo está diseñado como está.

Función uno: conmutación en condiciones normales

La función más básica de cualquier aparamenta es conectar y desconectar circuitos bajo carga normal. Un alimentador a una línea de producción debe energizarse cuando la línea está en funcionamiento y desenergizarse para mantenimiento. Un disyuntor de generador debe cerrarse cuando el generador se pone en línea y abrirse cuando se desconecta. Un acoplador de barra necesita conectar dos secciones de barra colectora cuando un transformador se pone fuera de servicio y el transformador restante debe alimentar ambas secciones.

Estas operaciones de conmutación son rutinarias, pero no triviales. El dispositivo de conmutación debe poder interrumpir la corriente de carga completa sin arcos excesivos o erosión de contacto. Debe poder realizar esta operación miles de veces durante su vida útil. Y debe hacerlo de forma que no comprometa la seguridad del operador que se encuentra frente al panel.

Los disyuntores de vacío se encargan de esta tarea para la mayoría de las aplicaciones de media tensión actuales. El interruptor de vacío extingue el arco dentro de una botella de cerámica sellada donde no hay gas que ionizar, ni aceite que degradar ni nada que mantener. Para aplicaciones con menor frecuencia de conmutación, se pueden usar interruptores de carga, que son más simples y menos costosos que los disyuntores completos, para alimentadores que no se espera que interrumpan la corriente de falla.

Función dos: protección contra fallas

Si la conmutación en condiciones normales es el trabajo rutinario de los cuadros, la protección contra fallas es su misión crítica. Una falla (un cortocircuito entre fases o entre una fase y tierra) puede liberar energía en una escala difícil de visualizar. La corriente en el punto de falla puede alcanzar decenas de miles de amperios en milisegundos. Las fuerzas térmicas y mecánicas generadas por esta corriente pueden destruir equipos, provocar incendios y lesionar al personal.

El tablero debe detectar la falla, interrumpir la corriente y aislar la sección fallada antes de que ocurra cualquiera de estas consecuencias. Esto requiere que tres cosas funcionen juntas: un relé de protección que detecte la corriente anormal, un disyuntor que pueda interrumpirla y un diseño de sistema que limite los daños colaterales a las partes sanas de la red.

Los relés de protección de media tensión se han vuelto cada vez más sofisticados. Los relés numéricos modernos pueden distinguir entre diferentes tipos de fallas, discriminar entre fallas en su alimentador protegido y fallas aguas abajo y registrar datos de forma de onda que ayudan a los ingenieros a comprender qué sucedió después del evento. Pero el relé sólo puede enviar una señal de disparo. Luego, el disyuntor debe separar físicamente sus contactos contra todas las fuerzas electromagnéticas de la corriente de falla, extinguir el arco que se forma entre ellos y recuperar su rigidez dieléctrica lo suficientemente rápido como para evitar un nuevo encendido. Esto es para lo que está diseñado y probado un disyuntor de vacío con una corriente nominal de corte en cortocircuito de 25 kA o 31,5 kA.

Función tres: aislamiento por seguridad

La protección contra fallas elimina las condiciones peligrosas automáticamente. El aislamiento es una acción deliberada que se toma para hacer que el equipo sea seguro para que las personas trabajen en él.

Cuando un equipo de mantenimiento necesita acceder a un transformador, una terminación de cable o un disyuntor, necesita una interrupción visible y verificable en el circuito. Necesitan saber que el circuito no puede reactivarse accidentalmente. Y necesitan que el equipo esté conectado a tierra para que cualquier tensión residual o inducida no pueda representar un peligro.

La aparamenta de media tensión proporciona esto mediante la combinación de disyuntores, seccionadores y seccionadores de tierra, todos enclavados para que el funcionamiento deba seguir una secuencia segura. El operador debe abrir primero el disyuntor, luego abrir el seccionador para crear un espacio de aislamiento visible y luego cerrar el seccionador de tierra para conectar a tierra la sección aislada. Los enclavamientos mecánicos evitan que cualquiera de estos pasos se realice de forma incorrecta. Este es el sistema de enclavamiento de "cinco prevenciones" que es estándar en todos los modelos modernos.aparamenta de media tensión.

Función cuatro: medición y seguimiento

Ningún sistema de distribución puede gestionarse sin datos. Las mediciones de corriente indican a los relés de protección lo que está haciendo el sistema. Las mediciones de voltaje permiten monitorear la calidad de la energía y verificar la sincronización. Las mediciones de energía son la base para la facturación y la asignación de costos. Y cada vez más, los datos de monitoreo de condición del propio tablero (temperatura, descarga parcial, tiempo de viaje del mecanismo) se utilizan para predecir cuándo se necesita mantenimiento antes de que ocurra una falla.

Las aparamentas de media tensión integran todas estas funciones de medición. Los transformadores de corriente y de tensión se montan en el compartimento de cables o en las barras colectoras. Sus salidas secundarias están conectadas a relés de protección, medidores y transductores en el compartimiento de bajo voltaje. En las instalaciones modernas, estos dispositivos se comunican mediante protocolos digitales como IEC 61850, Modbus o Profibus con el SCADA central o el sistema de gestión de energía de la instalación. El panel de distribución es a la vez un dispositivo de energía y una fuente de datos.

Configuraciones de aparamenta en sistemas de distribución

La disposición física de los paneles de aparamenta en un sistema de distribución no es arbitraria. Refleja la filosofía operativa de la instalación y los requisitos de confiabilidad de las cargas atendidas.

Barra colectora única

La configuración más simple es una única barra colectora con todos los alimentadores entrantes y salientes conectados a ella. Un único transformador alimenta el bus. Si el transformador falla o se pone fuera de servicio para mantenimiento, todas las cargas en ese bus pierden energía. Esta configuración es de bajo costo y fácil de operar, pero no ofrece redundancia. Se utiliza cuando la consecuencia de una interrupción del suministro es tolerable: un pequeño edificio comercial, un proceso industrial no crítico o un suministro de construcción temporal.

Barra colectora simple seccionalizada

Agregar un disyuntor de sección de barra crea dos secciones de barra que pueden operar de forma independiente o acoplarse entre sí. Cada sección es alimentada por su propio transformador. Si falla un transformador, el acoplador de bus se cierra y el transformador en buen estado alimenta ambas secciones. Las cargas sufren una breve interrupción durante el traslado, pero el servicio se restablece rápidamente. Esta es la configuración más común para plantas industriales e instalaciones comerciales de tamaño mediano donde es aceptable algún tiempo de inactividad para mantenimiento pero no lo es la pérdida total de suministro.

Principal-Empate-Principal

Una configuración principal-unida-principal coloca un acoplador de barra entre dos secciones de barra separadas, cada una con su propio disyuntor y transformador de entrada principal. El acoplador normalmente está abierto. Si se pierde cualquiera de los transformadores, el acoplador se cierra automáticamente o mediante la acción del operador. Esta configuración ofrece mayor confiabilidad que un simple bus seccional porque la operación del acoplador puede automatizarse y la transferencia puede ocurrir sin la intervención del operador. Se utiliza en instalaciones críticas como hospitales, centros de datos y plantas industriales de proceso continuo.

Configuración de la unidad principal de anillo (RMU)

Para redes de distribución que atienden múltiples cargas geográficamente dispersas (un campus universitario, una red de distribución urbana, un sistema colector de parque eólico), la configuración de unidad principal en anillo es la solución estándar. Varios paneles RMU están conectados en un anillo, y cada panel generalmente contiene dos interruptores de carga para los alimentadores de anillo y un disyuntor o interruptor con fusible para el transformador local. La energía puede fluir en cualquier dirección alrededor del anillo. Si ocurre una falla en el cable en cualquier parte del anillo, los dos paneles RMU adyacentes a la falla pueden aislar la sección dañada y todas las demás cargas continúan recibiendo energía del lado sano del anillo. Esta arquitectura proporciona un nivel de confiabilidad de suministro que un sistema radial no puede igualar, a un costo mucho menor que duplicar toda la infraestructura de suministro.

COTENELE suministra RMU de 24 kV sin SF₆ para aplicaciones principales en anillo, utilizando aire seco como medio aislante en un tanque de acero inoxidable sellado de por vida. Los módulos RMU (entrante, salida, protección del transformador, acoplador de bus y medición directa) se construyen a partir de subconjuntos estandarizados y probados que se pueden configurar para que coincidan con el diagrama unifilar del proyecto.

La transición a la aparamenta de distribución libre de SF₆

Un avance importante en la aparamenta de media tensión durante la última década ha sido el abandono del gas SF₆ como medio aislante y extintor de arco. Esto es particularmente relevante para las aparamentas aisladas en gas y las unidades principales en anillo, donde tradicionalmente se usaba SF₆ para llenar el tanque sellado que encierra todas las partes vivas.

El motor de esta transición es la regulación medioambiental, en particular el Reglamento de la UE sobre gases fluorados que ahora prohíbe nuevos equipos de conmutación de SF₆ de hasta 24 kV en el mercado europeo. Pero la transición también está respaldada por una sólida lógica de ingeniería. El aire seco y el nitrógeno tienen un potencial de calentamiento global nulo, no requieren manipulación especial al final de su vida útil y eliminan la carga administrativa que supone el mantenimiento de registros de gases fluorados y la notificación de fugas. La interrupción por vacío, que ha sido el estándar para las aplicaciones de interruptores automáticos durante décadas, proporciona la función de extinción del arco sin ningún tipo de gas.

Para el operador de una instalación, la diferencia práctica entre una SF₆RMU y una RMU de aire seco es mínima en términos de rendimiento eléctrico; ambas están probadas según el mismo estándar IEC 62271-200. La diferencia se manifiesta en los procedimientos operativos. Una RMU de aire seco con un tanque sellado de por vida no tiene presión de gas que monitorear, ni programa de recarga que mantener ni recuperación de gas al final de su vida útil que organizar. Para un operador industrial o de servicios públicos que gestiona cientos de subestaciones, esta simplificación tiene un valor real.

Diseño de un sistema de distribución: la especificación del tablero de distribución

Para los ingenieros que especifican aparamenta de media tensión, varias decisiones definen la configuración final del sistema.

Nivel de voltaje y falla. El voltaje del sistema determina el diseño dieléctrico del tablero. La corriente de falla disponible determina la capacidad de corte de cortocircuito requerida. Ambos se determinan mediante la conexión a la red aguas arriba y la impedancia del transformador. Subespecificar la clasificación de falla es peligroso. Sobreespecificarlo añade costos innecesarios. El número correcto proviene de un estudio de cortocircuito.

Configuración de barras. La elección entre configuraciones de barra colectora única, barra colectora seccionada y principal-acoplamiento-principal depende de los requisitos de confiabilidad y del presupuesto. Las configuraciones de mayor confiabilidad agregan número de paneles, costo y complejidad, pero protegen contra la causa más común de cortes prolongados: falla del transformador.

Disyuntor versus contactor fusionado. Para los alimentadores que alimentan transformadores, un disyuntor proporciona protección tanto contra sobrecarga como contra cortocircuitos. Para alimentadores que alimentan motores, un contactor con fusible puede ser más económico y proporcionar una mejor protección contra condiciones de falla específicas del motor. La decisión depende del tipo de carga y del nivel requerido de coordinación de protección.

Fijo versus retirable. La aparamenta fija es más sencilla y de menor coste, pero cualquier mantenimiento del disyuntor requiere desenergizar toda la sección de la barra. El tablero de distribución extraíble permite extraer un disyuntor para mantenimiento mientras el bus permanece energizado. Para instalaciones críticas donde el tiempo de inactividad es extremadamente costoso, la configuración extraíble suele estar justificada.

Integración y comunicación. El cuadro debe interactuar con el sistema de protección y control de la instalación. El protocolo de comunicación, el tipo y cantidad de transformadores de corriente y tensión, y la fuente de alimentación auxiliar para relés de protección y circuitos de control deben estar definidos en la especificación.