subestaciones eléctricas 2

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Subestaciones ElctricasDefiniciones, tipos y configuraciones

DefinicinUna subestacin es el desarrollo e implementacin de un nodo del sistema.

Conjunto de equipos utilizados para dirigir el flujo de energa en un sistema de potencia y garantizar la seguridad del sistema por medio de dispositivos automticos de control y proteccin y para redistribuir el flujo de energa a travs de rutas alternas.

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Equipos en una subestacin

Interruptor:Maniobra:

Control de flujoAisla para mantenimiento o trabajos

Proteccin:Aisla elementos con falla (capaz de operar con Icc)

Transformadores de instrumentacin: interfaz entre la alta tensin y los equipos de medida, control y proteccin.

Transformadores de corrienteTransformadores de tensin

Seccionadores:

Aislan para mantenimiento

Operan sin carga

Pararrayos: Proteccin contra sobretensiones

Sistema de medida, proteccin y control

Sistemas auxiliares

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Equipos en una subestacin

Patio de conexiones

Conjunto de equipos y

barrajes de una

subestacin que tienen el

mismo nivel de tensin y

que estn elctricamente

asociados.

Generalmente ubicados en la misma rea de la subestacin.

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Patio de transformadores

rea de la subestacin en donde se ubican los transformadores de potencia. Generalmente entre patios de conexin de

diferente niveles de tensin.

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Lote de una subestacin

El lote de la subestacin es el conformado por las reas de los patios de conexin y transformacin, vas de circulacin y mantenimiento, edificaciones, etc.

El lote se debe en forma ptima para obtener el mejoraprovechamiento de las reas constitutivas sin que existaninterferencias entre los patios, accesos de lneas, vas decirculacin, as como durante el montaje, la operacin ymantenimiento de la subestacin, ampliaciones, etc .

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Otras definiciones

Campo(baha o mdulo)de conexinEs el conjunto de equipos necesarios para conectar un circuito(generacin, transformacin, interconexin o distribucin,equipo de compensacin,etc) al sistema de barrajes colectoresde un patio de conexiones.

Barrajes colectoresElemento fsico de un patio de conexiones que representa elnodo del sistema, es decir, el punto de conexin en donde seunen elctricamente todos los circuitos que hacen parte de undeterminado patio de conexiones.

DisposicinfsicaEs el ordenamiento fsico de los diferentes equiposconstitutivosde un patio de conexionespara una configuracindeterminada.

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Tipos de subestacin

Subestacin de generacinAsociadas a centrales generadoras. Dirigen directamente elflujo de potencia al sistema.

Subestacin de transformacinCon transformadores elevadores o reductores (pueden serterminales o no).

Subestacin de maniobraConectan varios circuitos (o lneas) para orientar o distribuirel flujo de potencia a diferentes reas del sistema.

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Tipos de subestacin

G

E

N

E

R

A

C

I

N

Interruptores

automticos

Usuarios

comerciales

Subestacin de

de generacin

Usuarios

residenciales

Subestacin de

de maniobra

Subestacin de

de transformacin

Subestacin

industrial Tomada de la revista ABB

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Tipos de subestacin

Las subestaciones tambin pueden ser:Convencionaleso aisladas al aire - AIS

Encapsuladaso aisladas en SF6 - GIS

Y a su vez stas pueden ser de ejecucininterior o exterior

Tambin celdas para subestaciones de mediay baja tensin

Tipos de subestacin

Convencionales o aisladas al aire - AIS

Encapsuladas o aisladas en SF6 - GIS

Interior

Exterior

Celdas para subestaciones de media y baja tensin

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Configuracin de una subestacin

Se denomina configuracin al arreglo de los equiposelectromecnicos constitutivos de un patio deconexiones, o pertenecientes a un mismo nivel detensin de una subestacin, efectuado de tal formaque su operacin permita dar a la subestacindiferentes grados de confiabilidad, seguridad yflexibilidad de manejo, transformacin y distribucinde energa.

Cada punto (o nodo) en el sistema tiene diferentesrequerimientos de confiabilidad, seguridad yflexibilidad y cada configuracin brinda diferentesgrados de estas caractersticas .

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Tipos de configuracinTendencia europea - Conexinde seccionadores

Son aquellas en las cuales cada circuito tiene uninterruptor, con la posibilidad de conectarse a una oms barras por medio de seccionadores:

Barra sencilla

Barra principal y de transferencia

Doble barra

Doble barra ms seccionador de by passo paso

directo

Doble barra ms seccionadorde transferencia

Doble barra ms barra de transferencia

SUBESTACIONES CON ARREGLO SENCILLO DE BARRAS.

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Por su simplicidad, este arreglo es el ms econmico, perocarece de los dos principales defectos, que son:

a) No es posible realizar el mantenimiento sin la interrupcindel servicio .

b) No es posible una ampliacin de subestacin sininterrumpir el servicio .

El nmero de circuitos que se vea afectado por cualquierade las razones anteriores, se puede reducir seccionando labarra, e inclusive formando anillos,

Este arreglo tiene la limitante de que toda la subestacinqueda fuera de servicio cuando ocurre una falla en lasbarras principales .

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Tipos de configuracinTendencia Europea

Opcional

Barra sencilla Configuracin en H

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Barra sencilla

Es la configuracin ms sencilla, por tanto lams econmica . En condiciones normales deoperacin, todas las lneas y transformadoresestn conectados a un solo juego de barras .Con esta configuracin en caso de operaralguna proteccin queda des energizada todala subestacin ; para realizar elmantenimiento de algn elemento esnecesario des energizar parte de lasubestacin .

Barra sencilla particionada

Tiene la ventaja de que si se presentaalguna falla, puede seguirfuncionando la mitad de lasubestaci n. Esta configuraci nimplica un seccionador mas, perohace ms confiable el sistema .

SUBESTACIN CON BARRA PRINCIPAL Y BARRA DE TRANSFERENCIA.

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Esta es una variante del doble juego de barras ; lallamada barra de transferencia, se usa nicamentecomo auxiliar, cuando se efecta el mantenimiento enel interruptor de lnea, de manera que el interruptorse puede desconectar en ambos extremos, mientras lalnea o alimentador permanece en el servicio .

COMPARACIONES DE CONFIABILIDAD .

Se han comparados los diversos esquemaspara hacer resaltar susventajas y desventajas . La base de comparacin que se utiliza esla justificacin econmica de un grado particular de confiabilidad .La determinacin del grado de confiabilidad requiere de unaevaluacin de condiciones anticipadas de operacin y lacontinuidad del servicio requerida por la carga a la que haya deservir .

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Tipos de configuracinTendencia Europea (continuacin)

Barra

principal

Barra de

transferenciaT

ran

sfe

ren

cia

BP

BT


SUBESTACIONES CON DOBLE JUEGO DE BARRAS.

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Se usan dos juegos de barras idnticas, uno se puede usar comorepuesto del otro, con este arreglo se puede garantizar que noexiste interrupcin de servicio ; en el caso de que falle uno de losjuegos de barras ademsde que:

1. Se puede independizar el suministro de cargas, de maneraque cada carga, se puede alimentar de cada juego de barras .

2. Cada juego de barras, se puede tomar por separado paramantenimiento y limpieza de aisladores, sin embargo, losinterruptores, no estn disponibles para mantenimiento sin quese desconecten la barras correspondientes .

3. La flexibilidad en operacin normal, se puede considerarcomo buena.

4. Este arreglo se recomienda adoptarlo cuando la continuidaden el suministro de la carga, justifica costos adicionales.

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B2

B1

AcopleAcople

B2

B1

Doble barra ms seccionador de By-Pass o paso directo

Doble barra


B2

B1

Acople

B2

B1

Acople

Tra

ns

fere

nc

iaAcople y transferencia

(Alternativa)

BT

Doble barra ms seccionador de transferencia


Configuracin doble barra

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Est constituido por dos (2) barras principales, las cuales seacoplan entre s mediante un disyuntor y sus seccionadoresasociados .

Ventajas :Las labores de mantenimiento pueden ser realizadas sininterrupci n del servicio .Facilita el mantenimiento de seccionadores de barra,afectando nicamente el tramo asociado .

Desventajas :La realizaci n del mantenimiento en un disyuntor de untramo, requiere la salida del tramo correspondiente .Requiere de gran espacio f sico para su construcci n.

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Tipos de configuracin

Tendencia americana - Conexinde interruptoresSon aquellas en las cuales los circuitos se conectan a lasbarras o entre ellas, por medio de interruptores :

Anillo

Interruptor y medio

Doble interruptor

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Tipos de configuracinTendencia Americana

Anillo

Interruptor y medio

Configuracin interruptor y medio

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Constituido por dos (2) barras principales interconectadas atrav s de dos (2) tramos de disyuntor y medio (1-1/ 2) a loscuales las salidas est n conectadas .

Ventajas :No necesita tramo de enlace de barra .El mantenimiento de un disyuntor se puede realizas sinsacar de servicio el tramo correspondiente .

Desventajas :Para la realizaci n del mantenimiento de los seccionadoresconectados directamente al tramo, es necesario dejar fuerade servicio el tramo correspondiente .Requiere gran espacio f sico para su construcci n.

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Tipos de configuracinTendencia Americana (continuacin)

Doble barra con doble interruptor

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Otras configuraciones

Anillo cruzado

Interruptor y tres cuartos

Malla

29

Otras configuraciones

Anillo cruzado

30

Otras configuracionesContinuacin

Interruptor y tres cuartos

Malla

USO DE LAS PRINCIPALES CONFIGURACIONES

31

32

Consideraciones en la seleccin de la configuracin de una subestacin

Funcin que desempea la subestacin en el sistemainterconectado para determinar su necesidad deflexibilidad, confiabilidad y seguridad.

Tipo de subestacin (generacin, transformacin omaniobra)

Conocer las caractersticas de la configuracin

Facilidades de extensin y modulacin

Simplicidad en el control y proteccin

Facilidad en el mantenimiento

rea disponible

Costos

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Seleccin de la configuracin

1.Funcin que desempea la subestacin en el sistema

Flexibilidad

Es la propiedad de la instalacin para acomodarse a lasdiferentes condiciones que se puedan presentar por cambiosoperativos en el sistema, y adems por contingencias y/omantenimiento del mismo.

Control de potencia reactiva para optimizar cargas engeneradores

Limitar niveles de corto

Estabilidad en el sistema

Independizar o limitar influencia de cargas

Varias compaasen una mismasubestacin

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Funcin que desempea la subestacin en el sistema

Confiabilidad

Es la probabilidad de que una subestacin pueda suministrarenerga durante un periodo de tiempo dado, bajo la condicinde que al menos un componente de la subestacin no puedarepararse durante la operacin.

Diferentes artculos y revistas incluyen cifras o grficas quepermiten hacer comparaciones, como grficas del CIGRE enrevista ELECTRA No. 65

Programas de computador para definir la confiabilidad contasas de frecuencia y duracin de fallas.

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Tasa de falla de una subestacin de distribucin en funcin de la tasa de falla de los interruptores

A: Barra sencilla seccionada

B: Anillo

C: Doble barra

D: Interruptor y medio

CB: Interruptor

SW: Seccionador

Tasa de falla: Nmero de fallas por ao

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Tasa de falla de una subestacin de distribucin teniendo en cuenta el tiempo de mantenimiento de los interruptores

Tasa de falla CB: 3,5 por 100 aos

Tiempo de mantenimiento (horas/ao)


B: Anillo

C: Doble barra


CB: Interruptor

SW: Seccionador


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No disponibilidad de una subestacin de transmisin en funcin del tiempo de mantenimiento de los interruptores


B: Anillo

C: Doble barra


CB: Interruptor

SW: Seccionador


No

Dis

po

nib

ilid

ad

S/E

(ho

ras/a

o

)

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Funcin que desempea la subestacin en el sistema

SeguridadEs la propiedad de una instalacin para dar continuidaddeservicio sin interrupcin alguna durante fallas en losequipos de potencia, especialmente interruptores ybarras.

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2.Tipos de subestacin

GeneracinRequiere principalmente confiabilidad

La seguridad y la flexibilidad pueden ser requerimientoadicional, dependiendo de la importancia y ubicacin de lasubestacin en el sistema.

Maniobra

Requiere principalmente flexibilidad

TransformacinRequiere principalmente confiabilidad

La seguridad puede ser de importancia

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3. Caractersticas de las configuraciones

Las subestaciones con barra de transferencia brindanconfiabilidad por falla en interruptores .

Las subestaciones con doble barra brindan flexibilidad parala operacin del sistema y confiabilidad por falla en barras .

Las subestaciones con doble barra, en donde una de ellastambin sirve como barra de reserva no brindansimultneamente flexibilidad y confiabilidad .

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El seccionamiento de barras brinda parcialmenteconfiabilidad por falla en barras .

Las subestaciones con conexin de interruptores brindanbuena confiabilidad y seguridad .

La configuracin en anillo siempre se debe disear en formamodular, tal que se pueda convertir en interruptor y medio.

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La barra sencilla es una configuracin sin confiabilidad,seguridad o flexibilidad, que se debe utilizar solo para lassubestaciones pequeas o de menor importancia en elsistema.

La doble barra ms seccionador de o paso directoes una configuracin que brinda, pero no simultneamente,flexibilidad y confiabilidad, complicada en su operacin ycontrol, que puede ser utilizada en subestaciones demaniobra con generacin o transformacin .

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La doble barra ms seccionador de transferencia es unaconfiguracin similar a la anterior pero un poco ms simple ensu operacin y control .

El anillo cruzado es una configuracin un poco ms segura yconfiable que el interruptor y medio pero ms complicada ensu control y operacin

Las configuraciones ms utilizadas para subestacionesencapsuladas en SF6 son: para alta tensin barra sencilla,doble barra, anillo e interuptor y medio; para extra altatensin son anillo, interruptor y medio y doble interruptor .

Desarrollo de conexin de barras

Doble barra ms seccionador de transferencia

BP

BT

B1

B2

B1

B2

BT

B1

B2

Barra sencilla

Doble barra



Desarrollode conexin deinterruptores

2 Circuitos

(Anillo)

3 Circuitos

(Anillo)

4 Circuitos

(Anillo)

5 Circuitos

(Anillo)

6 Circuitos

(Anillo)

>6 Circuitos

(Interruptor

y medio)

Desarrollo de conexin de interruptores

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5. Simplicidad en el esquema de control y protecciones

+ Interruptores + complicada la subestacin

Se debe reducir el nmero de interruptores y seccionadorescuando se quiere simplicidad .

Configuraciones del tipo conexin de seccionadores soncomplejas en su sistema de enclavamientos.

Configuraciones del tipo conexin de interruptores soncomplejas en su sistema de proteccin (recierre,sincronismo, falla interruptor, etc) .

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6. Facilidad de mantenimiento

Cada configuracin brinda ventajas y desventajas durantemantenimiento .

Cuadro comparativo del CIGRE - revista ELECTRANo. 10

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Facilidades de mantenimiento de cada configuracin

EFECTO DE MANTENIMIENTO EN INTERRUPTOR

CONFIGURACIN

Normal Falla en circuito Falla en barra

Barra sencilla Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

Barra sencilla Prdida de circuito Prdida de la mitad de los

seccionada circuitos

Nada si el interruptor de Prdida de circuito En la de transferencia prdida

Barra principal transferencia est disponible La barra de transferencia del circuito.

y de transferencia si la falla es en el circuito En la principal si no est seccionada

en transferencia se pierden todos los circuitos

Prdida de circuito Se pierden todos los circuitos

Doble barra conectados a la barra con falla

mientras se conmutan a la barra sana

Nada si el interruptor de Prdida de circuito y de barra En la de transferencia prdida de

Doble barra ms transferencia est disponible de transferencia si la falla es circuito

barra de transferencia en el circuito en transferencia. En una principal se pierden todos los

circuitos conectados a sta mientras

se conmmutan a la barra sana

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EFECTO DE MANTENIMIENTO EN BARRAS

CONFIGURACIN


Barra sencilla Prdida de todos los circuitos

Barra sencilla Prdida de la mitad Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

seccionada de los circuitos

Se pierden todos los circuitos Prdida de circuito y barra de

Barra principal si la barra principal no est transferencia si la barra principal est Prdida de todos los circuitos

y de transferencia seccionada seccionada

Nada, siempre y cuando

Doble barra no se sobrepase el nivel Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

mximo de corto circuito

Doble barra ms Nada, siempre y cuando

barra de transferencia no se sobrepase el nivel Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

mximo de corto circuito

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EFECTO DE MANTENIMIENTO EN INTERRUPTOR

CONFIGURACIN


Nada si el interruptor de acople Prdida de circuito. Si la falla es en el Si no es la barra que est

est disponible circuito con el interruptor en mantenimiento siendo utilizada como transferencia

Doble barra ms se pierde ese circuito con el acople se pierden todos los circuitos, mientras

"by pass" y una de las barras se conmuta a la barra sana la cual

no puede ser utilizada ms como barra

de transferencia

Ningn circuito se pierde, pero Prdida de circuito

Anillo se rompe el anillo Segundo circuito puede quedar aislado

dependiendo del lugar de la falla

Se aisla un circuito si el interruptor central

Interruptor y medio Nada Prdida de circuito est en mantenimiento. Si la falla es en la

barra opuesta el interruptor en mantenimiento

quedan aislados dos circuitos

Prdida de un circuito si el interruptor

Doble interruptor Nada Prdida de circuito en mantenimiento est adyacente a la barra

con la falla

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EFECTO DE MANTENIMIENTO EN BARRAS

CONFIGURACIN


Nada, siempre y cuando no se

Doble barra ms sobrepase el nivel mximo de Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

"by pass" cortocircuito

Anillo

La subestacin puede dividirse en grupos

Interruptor y medio Nada Prdida de uno o dos circuitos de dos circuitos

Doble interruptor Nada Prdida de circuito Prdida de todos los circuitos

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7. rea

El rea de una configuracin determinada depende de ladisposicin fsica que se utilice .

En general las configuraciones de conexin de seccionadoresocupan una mayor rea que las subestaciones con conexin deinterruptores .

reas muy limitadas pueden exigir ejecuciones con unadisposicin fsica con muchos niveles de conexin o inclusivedel tipo encapsulada(GIS) .

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8. Costo

El costo de una subestacin aumenta a medida que se hacems compleja la configuracin .

Las configuraciones interruptor y medio y doble interruptor,son ms costosas que las de conexin de seccionadores.

Las configuraciones de conexin de seccionadores debencontar con la inversin inicial del campo de acople y/otransferencia .

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Costo vs Confiabilidad

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El costo se debe tomar como un todo para poder efectuarcomparaciones: ingeniera + equipos + obras civiles + lote +montaje + operacin y mantenimiento + indisponibilidad +otros costos .

Las subestaciones encapsuladas (GIS), en lo que respecta alequipo, son ms costosas que las convencionales (AIS), por loque su utilizacin debe ser bien justificada .

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Comparacin de costos en subestaciones encapsuladas y convencionales a 145 kV

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Comparacin de costos en subestaciones encapsuladas y convencionales a 525 kV

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Mtodo simplificado para comparar costos de diferentes configuraciones

Precios relativos:

EQUIPO NIVEL DE TENSIN

500 kV 230 kV 115 kV

INTERRUPTOR 1,0 1,0 1,0

SECCIONADOR 0,2 0,25 0,3

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Mtodo simplificado para comparar costos de diferentes configuraciones

Ejemplo para 230 kV:Subestacin en doble barra (DB) de ocho campos

Interruptores = 8 (campos)+ 1 (acople) = 9

Seccionadores= 24 + 2 = 26

Valor comparativo = 9 + 26 x (0,25) = 15, 5

Subestacin en interruptor y medio (CB 1/ 2) de ocho cicuitos

Interruptores = 8 x 1,5 = 12

Seccionadores= 8 x 4 = 32Valor comparativo = 12 + 32 x (0,25) = 20 ,0

En donde:CB 1/ 2 = 1, 29 DB (8 campos)29% + costo

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9. Otros aspectos

Influencia ambiental

Historia y tradicin

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Sistema de media y baja tensinEsquemas y configuraciones bsicas

S/E FUENTE S/E INDUSTRIAL

1. Subestacin terminal con interruptor (radial)

2. Subestacin terminal sin medio de interrupcin local( 115 kV sistema radial)

S/E FUENTE S/E INDUSTRIAL

MEDIO DE TRANSMISIN

(RADIO, PLC, HILO PILOTO)

P

85Tx85Rx

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S/E INDUSTRIALS/E FUENTE

S/E INDUSTRIAL

5. Subestacin terminal con fusible (sistema radial derivado)

*

* Localizacin

alternativa

*

4. Derivacin de sistema enmallado

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5. Barra sencilla terminal (sistema radial derivado)

b. Con fusibles

a. Con interruptores

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BP BT

6. Barra principal ms transferencia

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7. H o T (esquemas simplificados)Ideal para conexin a sistemas enmallados abriendo al lnea

c. Dos interruptores - dos transformadores

d. Dos interruptores - un transformadores

a. Cuatro interruptores

b. Tres interruptores

e. Subestaciones unitarias

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8. Sistema de distribucin de media o baja tensin

a. Sistema radial simple

b. Sistema radial expandido

c. Sistema primario selectivo

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8. Sistema de distribucin de media o baja tensin (cont.)

d. Sistema de lazo primario e. Sistema secundario selectivo

f. Doble alimentacin secundaria

subestaciones eléctricas 2

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