Subestación GIS: partes, funciones y pruebas

Qué es una subestación GIS

Una subestación GIS (gas insulated switchgear, aparamenta aislada en gas) agrupa los equipos de patio dentro de envolventes metálicas puestas a tierra, llenas de un gas aislante a presión. Tradicionalmente ese gas es el hexafluoruro de azufre (SF6), que tiene una rigidez dieléctrica y una capacidad de extinción del arco muy superiores a las del aire. Gracias a eso, las distancias entre partes vivas se reducen y la subestación ocupa una fracción del área de una subestación aislada en aire (AIS).

Se elige GIS cuando el espacio es escaso o costoso (ciudades, ampliaciones dentro de predios existentes), cuando el ambiente es agresivo (costa, contaminación industrial, zonas de alta pluviosidad) o cuando la instalación va bajo tierra, por ejemplo en las casas de máquinas de centrales hidroeléctricas.

Partes principales

Cada bahía de una GIS se arma con módulos que se acoplan entre sí:

• Interruptor de potencia con su mecanismo de operación (resorte, hidráulico o hidráulico-resorte, según el fabricante).
• Seccionadores y cuchillas de puesta a tierra. Hay cuchillas de mantenimiento y cuchillas rápidas, capaces de cerrar sobre un circuito energizado.
• Transformadores de corriente, casi siempre de tipo toroidal alrededor del conductor, y transformadores de tensión inductivos encapsulados o sensores de tensión.
• Barras dentro de envolventes, en arreglo sencillo, doble barra o interruptor y medio.
• Interfaces de conexión: pasatapas gas-aire hacia líneas aéreas, terminales para cables de potencia y conexiones directas al transformador.
• Pararrayos encapsulados, cuando el estudio de aislamiento los pide.
• Aisladores barrera, que dividen la GIS en compartimientos de gas independientes, y aisladores de soporte que dejan pasar el gas.
• Densímetros en cada compartimiento, que miden la densidad del gas compensada por temperatura.
• Gabinete de control local (LCC), con los mandos, las señalizaciones, los enclavamientos y la interfaz con el controlador de bahía.

Cómo funciona

El conductor va centrado dentro de la envolvente y el gas aísla entre ambos. La envolvente está conectada a tierra en muchos puntos, de modo que el personal nunca queda expuesto a partes vivas. La compartimentación permite que una fuga o una falla interna afecte solo a un volumen de gas acotado y facilita el mantenimiento por sectores.

Los densímetros tienen normalmente dos etapas: una alarma por baja densidad y una etapa de bloqueo o disparo. Los enclavamientos entre interruptor, seccionadores y cuchillas de tierra son críticos, porque en una GIS no se ve el estado de los contactos a simple vista; los fabricantes ofrecen indicadores mecánicos de posición y, en algunos modelos, mirillas.

El SF6 es un gas de efecto invernadero muy potente. Por eso su manejo está regulado, se mide y se registra cada llenado y recuperación, y algunos fabricantes ofrecen alternativas con mezclas de otros gases o con aire seco e interrupción en vacío. Antes de especificar una de estas alternativas, conviene revisar con el fabricante qué niveles de tensión y corriente cubre.

Tipos

• Extra alta y alta tensión. La GIS de tensión asignada superior a 52 kV se rige por IEC 62271-203. A tensiones altas suele usarse encapsulado monofásico (una fase por envolvente); en tensiones menores es común el encapsulado trifásico.
• Media tensión. Las celdas aisladas en gas de hasta 52 kV se rigen por IEC 62271-200 y compiten con las celdas de media tensión aisladas en aire. Son frecuentes en industria, minería, petróleo y plantas solares por su tamaño y su baja necesidad de mantenimiento.
• Híbridas o compactas. Módulos que combinan interruptor y seccionadores encapsulados con barras aisladas en aire. Se usan en ampliaciones y en subestaciones de patio donde el espacio es limitado.
• Interior o exterior. La mayoría van en edificio, pero hay diseños para intemperie.

Protecciones asociadas

Una GIS lleva las mismas protecciones que cualquier subestación (distancia en líneas, diferencial de transformador, sobrecorriente en alimentadores), con algunos énfasis:

• La protección diferencial de barras 87B es casi siempre necesaria. Una falla interna en una GIS produce un arco dentro de la envolvente; mientras más rápido se despeje, menor es el daño y menor el riesgo de perforación.
• La falla de interruptor 50BF debe estar bien probada, porque la reparación de un interruptor GIS toma tiempo y requiere aislar compartimientos vecinos.
• Las señales de densidad del gas se integran al esquema de control: la segunda etapa bloquea el cierre y la apertura del interruptor o lo dispara, según la filosofía del proyecto.
• La ubicación de los transformadores de corriente define las zonas de protección. Conviene revisar en los planos que las zonas de barras y de línea se traslapen sobre el interruptor y que no queden zonas muertas.

Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento

En puesta en servicio, las pruebas en sitio buscan confirmar que el transporte y el montaje no dañaron el equipo. Las más habituales son:

• Hermeticidad de cada compartimiento y calidad del gas: humedad (punto de rocío), pureza y productos de descomposición. Las especificaciones del gas nuevo y del gas reutilizado están en IEC 60376 e IEC 60480.
• Resistencia del circuito principal en cada trayecto de corriente.
• Tiempos, simultaneidad y recorrido del interruptor, y operación de seccionadores y cuchillas. Ver pruebas de interruptores GIS en EAT, AT y MT.
• Prueba de tensión aplicada en sitio, normalmente con fuente resonante, acompañada de la medición de descargas parciales, como se explica en descargas parciales en GIS.
• Verificación de densímetros, enclavamientos, señalizaciones y control.
• Pruebas a transformadores de corriente y de tensión, y pruebas de protecciones con inyección secundaria.

En mantenimiento se vigila la tendencia de la densidad del gas, el número de operaciones y la corriente interrumpida acumulada del interruptor, los mecanismos y, en instalaciones críticas, el monitoreo en línea de descargas parciales. Puede ver el alcance completo en pruebas a interruptores de potencia.

Fallas comunes

• Fugas de gas en bridas, empaques, densímetros o uniones de tubería. Las tendencias lentas se detectan comparando lecturas compensadas por temperatura.
• Partículas y contaminación dejadas en el montaje, que producen descargas parciales y pueden terminar en arco interno.
• Humedad en el gas, por llenados mal hechos o por desecantes saturados.
• Problemas de mecanismos: resortes, motores de carga, bobinas y contactos auxiliares.
• Sobretensiones muy rápidas (VFTO) al operar seccionadores, que solicitan los aislamientos y los equipos conectados.
• Corrosión exterior de bridas y estructuras en ambientes agresivos.
• Fallas en terminales de cable por montaje deficiente del accesorio.

Le acompañamos en su GIS

En Tiza Group hacemos pruebas, puesta en servicio y configuración de protecciones en subestaciones GIS de media, alta y extra alta tensión, en servicio público y en industria. Si está por energizar una GIS o necesita diagnosticar una anomalía, escríbanos.

Referencias

• IEC 62271-1: aparamenta de alta tensión, especificaciones comunes.
• IEC 62271-203: aparamenta bajo envolvente metálica aislada en gas para tensiones asignadas superiores a 52 kV.
• IEC 62271-200: aparamenta bajo envolvente metálica de corriente alterna de 1 kV a 52 kV.
• IEC 60376: especificación del SF6 de grado técnico.
• IEC 60480: especificaciones para la reutilización del SF6.
• IEC 60270: técnicas de ensayo de alta tensión, medición de descargas parciales.
• IEEE C37.122: norma para subestaciones aisladas en gas de más de 52 kV.

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