Una subestación AIS (air insulated switchgear) usa el aire como aislamiento entre fases y hacia tierra: interruptores, seccionadores, transformadores de medida y barras quedan a la intemperie, separados por distancias que fija la norma. Es la solución más común en alta y extra alta tensión cuando hay espacio, y su confiabilidad depende sobre todo del arreglo de barras elegido.
Qué es una subestación AIS y dónde se usa
Una subestación AIS (air insulated switchgear, aparamenta aislada en aire) es la subestación de patio clásica: los equipos de alta tensión están a la intemperie y el aire es el aislamiento entre fases y entre fases y tierra. Para que ese aislamiento funcione, las partes vivas deben quedar separadas por distancias mínimas, y eso hace que una AIS ocupe mucha más área que una subestación GIS.
Es la tecnología más usada en alta y extra alta tensión cuando hay terreno disponible: subestaciones de transmisión, de conexión de centrales de generación y de grandes industrias. Su ventaja principal es que todo se ve, se inspecciona y se reemplaza por separado.
Partes principales
Una bahía de línea AIS suele tener, desde la línea hacia la barra, este orden habitual (cada proyecto puede variarlo):
- Pararrayos de óxido metálico en la llegada de la línea o junto al transformador.
- Transformador de tensión capacitivo o inductivo, abreviado PT (transformador de tensión), y en líneas con onda portadora, la trampa de onda.
- Seccionador de línea con su cuchilla de puesta a tierra.
- Transformadores de corriente, abreviados CT (transformador de corriente), con varios núcleos para medida y protección.
- Interruptor de potencia, de tanque vivo o de tanque muerto.
- Seccionadores de barra, uno por cada barra a la que la bahía se pueda conectar.
- Barras, tendidas (conductor flexible entre pórticos) o rígidas (tubo de aluminio sobre aisladores de soporte).
Alrededor están los pórticos y estructuras, el apantallamiento contra descargas atmosféricas (cables de guarda o mástiles), la malla de puesta a tierra, los gabinetes de patio y la casa de control con relés, controladores de bahía, la RTU o gateway, el banco de baterías y cargador y los servicios auxiliares de corriente alterna.
Cómo funciona: los arreglos de barras
Lo que define el comportamiento de una AIS ante fallas y mantenimientos es su arreglo de barras:
| Arreglo | Cómo se arma | Ante una falla de barra o un mantenimiento |
|---|---|---|
| Barra sencilla | Todos los circuitos se conectan a una barra. Es la opción más económica | Una falla en la barra o en un seccionador de barra deja fuera toda la subestación, y para mantener un interruptor hay que sacar su circuito |
| Barra principal y de transferencia | Agrega una barra y un interruptor de transferencia | El interruptor de transferencia puede reemplazar al interruptor de cualquier bahía durante su mantenimiento |
| Doble barra con acople | Cada circuito puede conectarse a cualquiera de las dos barras mediante sus seccionadores de barra, y un interruptor de acople une las barras | Permite repartir circuitos y hacer mantenimiento de una barra sin cortar el servicio |
| Interruptor y medio | Entre dos barras se arman «diámetros» de tres interruptores en serie que alimentan dos circuitos; cada circuito queda entre dos interruptores | Una falla en una barra o el mantenimiento de un interruptor no saca ningún circuito. Es común en transmisión de alta y extra alta tensión |
| Anillo | Los interruptores forman un lazo, con tantos interruptores como circuitos, y cada circuito queda entre dos interruptores | Con el anillo abierto por mantenimiento, la seguridad baja hasta que se cierra de nuevo |
| Doble barra con doble interruptor | Cada circuito tiene dos interruptores, uno hacia cada barra | Es la opción de mayor disponibilidad y la más costosa |
Variantes y diferencias con otras tecnologías
- AIS frente a GIS. La GIS encierra todo en envolventes con gas y ocupa una fracción del área; la AIS es más barata en equipo, más fácil de ampliar y de reparar, pero está expuesta a contaminación, lluvia, fauna y vandalismo.
- AIS frente a híbrida. La subestación híbrida conserva las barras en aire y encapsula en gas los equipos de la bahía. Es útil para ampliar una AIS existente sin más terreno.
- AIS convencional frente a digital. El patio puede ser igual; lo que cambia en una subestación digital IEC 61850 es que las señales de los CT, de los PT y de los interruptores viajan por fibra óptica desde unidades de fusión en el patio, en lugar de cables de cobre hasta la casa de control.
Datos clave de especificación
La norma IEC 61936-1 rige el diseño y montaje de instalaciones de corriente alterna de más de 1 kV, incluidas las subestaciones. Fija las distancias mínimas en aire en función del nivel de aislamiento asignado, las distancias de seguridad para el personal, las barreras y los accesos. Los niveles de aislamiento se coordinan según IEC 60071-1: por encima de 245 kV el impulso de maniobra pasa a ser determinante. En proyectos bajo norma IEEE se usa la guía IEEE 1427 para distancias, y en Colombia aplica además el RETIE.
Para cada bahía se especifican: tensión asignada, nivel de aislamiento al impulso atmosférico (y de maniobra cuando aplica), corriente asignada en servicio continuo, corriente de corta duración admisible y su duración, valor de cresta admisible y distancia de fuga de los aisladores según el nivel de contaminación del sitio (IEC TS 60815). Los esfuerzos mecánicos de las barras por cortocircuito, viento y dilatación se calculan con guías como IEEE 605.
Integración con protección y control
La ubicación de los CT define las zonas de protección. Conviene que la zona de la barra y la de la línea se traslapen sobre el interruptor, para no dejar zonas muertas. En interruptor y medio la protección de línea recibe la suma de los CT de los dos interruptores del circuito, la protección diferencial de barras 87B cubre cada barra por separado y la falla de interruptor 50BF debe disparar los interruptores vecinos correctos, incluido el central del diámetro. En doble barra, la 87B necesita la réplica de los seccionadores de barra para saber qué circuito está en cada barra.
En IEC 61850 el equipo de patio se modela con nodos lógicos como XCBR (interruptor), XSWI (seccionador), TCTR (CT) y TVTR (PT), y el control con CSWI y los enclavamientos con CILO en el controlador de bahía.
Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento
- Interruptores: tiempos, simultaneidad, resistencia de contactos y mecanismo. Ver pruebas a interruptores de potencia.
- CT y PT: relación, polaridad, excitación y aislamiento. Ver pruebas a transformadores de corriente y tensión.
- Seccionadores: resistencia de contactos, alineación, operación motorizada y enclavamientos.
- Malla de tierra y continuidad de las bajantes de cada equipo.
- Matriz de enclavamientos y señales hasta el centro de control.
- Protecciones con inyección secundaria y pruebas extremo a extremo de las líneas.
En mantenimiento: termografía en carga, limpieza o lavado de aisladores en zonas contaminadas, medición de resistencia de contactos y revisión de conectores y estructuras.
Fallas comunes y qué revisar primero
- Puntos calientes en conectores y contactos de seccionador: termografía y resistencia de contacto.
- Flameos en aisladores por contaminación salina o industrial: distancia de fuga insuficiente o falta de lavado.
- Seccionadores que no cierran bien por desalineación o mecanismos agarrotados: posiciones intermedias que bloquean los enclavamientos.
- Fallas por fauna (aves, roedores) en barras y llegadas de cable.
- Corrosión de estructuras y de bajantes de tierra.
- Pararrayos dañados, con aumento de la corriente de fuga.
Le acompañamos en su subestación AIS
En Tiza Group hacemos pruebas, puesta en servicio y configuración de protecciones en subestaciones AIS de media, alta y extra alta tensión, en servicio público y en industria. Si va a energizar una bahía nueva o necesita diagnosticar un problema, escríbanos.
Referencias
- IEC 61936-1: instalaciones eléctricas de potencia de más de 1 kV en corriente alterna.
- IEC 60071-1: coordinación de aislamiento, definiciones, principios y reglas.
- IEC 62271-1, IEC 62271-100 e IEC 62271-102: aparamenta de alta tensión, interruptores y seccionadores.
- IEC TS 60815 (serie): selección y dimensionamiento de aisladores para condiciones de contaminación.
- IEC 61850-7-4: nodos lógicos compatibles.
- IEEE 1427: guía de distancias eléctricas y niveles de aislamiento en subestaciones aisladas en aire.
- IEEE 605: guía para el diseño de barras en subestaciones aisladas en aire.
- IEEE 80: guía de seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de corriente alterna.
- J. D. McDonald (ed.), Electric Power Substations Engineering, CRC Press.
Preguntas frecuentes
¿Qué arreglo de barras conviene en una subestación AIS de alta tensión?
Depende de la importancia de la subestación, del número de circuitos y del presupuesto. La barra sencilla es la más económica pero una falla en barras saca todos los circuitos; la doble barra, el interruptor y medio y el anillo permiten mantener circuitos en servicio ante fallas o mantenimientos, con más interruptores y una protección más compleja.
¿Dónde están las distancias mínimas de seguridad de una subestación AIS?
La norma IEC 61936-1 fija las distancias mínimas en aire en función del nivel de aislamiento del equipo, y en el entorno IEEE se usa la guía IEEE 1427. En Colombia también aplica el RETIE. El diseño final debe cumplir la más exigente que aplique al proyecto.
¿Por qué se calientan las conexiones en una subestación AIS?
Por conectores flojos, superficies de contacto oxidadas o mal preparadas, o contactos de seccionador desajustados. Se detectan con termografía en carga y se confirman con medición de resistencia de contacto durante un corte.