AIS y GIS cumplen la misma función; cambia el medio que aísla. La AIS usa aire y ocupa más terreno; la GIS encierra los equipos en gas y ocupa mucho menos. Se decide por cinco condiciones del sitio: terreno disponible, contaminación, altitud, forma de ampliar y quién hará el mantenimiento. La híbrida queda en medio.
Respuesta corta
La AIS (air insulated switchgear, aparamenta aislada en aire) y la GIS (gas insulated switchgear, aparamenta aislada en gas) hacen el mismo trabajo: conectar, desconectar y proteger circuitos. Lo que las separa es el medio que aísla las partes vivas. En la AIS es el aire, y por eso necesita distancias grandes. En la GIS es un gas a presión, normalmente SF6, dentro de envolventes metálicas puestas a tierra. Una vez elegida la tecnología, siguen el esquema de barras (Cómo elegir el esquema de barras de una subestación), la disposición en el terreno (Disposición física de una subestación: patio y distancias) y la selección de los equipos (Selección de equipos primarios de una subestación).
No hay una opción mejor en general. La decisión sale de las condiciones del sitio y de cómo se va a operar la subestación. Las describimos una por una.
Qué cubre cada norma
IEC 62271-203 se aplica a la aparamenta metálica aislada en gas de tensión asignada superior a 52 kV, para interior o exterior. En tensiones de 1 kV a 52 kV las celdas metálicas se rigen por IEC 62271-200.
La subestación híbrida combina las dos tecnologías. IEC 62271-205 la trata como un conjunto compacto en el que al menos un aparato está conectado directamente a otro, o comparte componentes con él, para tensiones superiores a 52 kV. Puede tener partes en aire y partes en gas. Puede ver cada tipo en su guía: subestación convencional AIS, subestación GIS y subestación híbrida.
Las presiones de una GIS se explican en presiones y compartimentos de una GIS, la falla interna en falla interna en una GIS y ensayo de arco y las interfaces con cables y transformadores en interfaces de una GIS con cables y transformadores.
Criterio 1: terreno disponible
Es la razón más común para elegir GIS. Al encerrar los equipos en gas, las distancias de aislamiento en aire desaparecen y el área de la subestación se reduce de forma muy marcada. Una GIS cabe en un edificio dentro de una ciudad o en un predio que ya existe. Una AIS necesita patio abierto y calles de circulación.
Si el terreno es barato y está disponible, este criterio pierde peso. Si hay que comprarlo, urbanizarlo o conseguir una licencia en zona urbana, suele decidir la elección.
Criterio 2: contaminación y clima
IEC 62271-1 define las condiciones normales de servicio de la aparamenta de exterior: temperatura ambiente entre -25 °C y +40 °C, radiación solar hasta 1 000 W/m², hielo hasta 20 mm, viento hasta 34 m/s y contaminación que no supere la severidad «media» del sitio.
La misma norma da ejemplos de esa severidad. Una zona «media» está, por ejemplo, entre 3 km y 10 km del mar, o entre 1 km y 5 km de fuentes de contaminación hechas por el hombre. Las zonas «fuerte» y «muy fuerte» se evalúan con IEC TS 60815. Para cada nivel la norma recomienda una distancia de fuga mínima por kilovoltio, que se mide en mm/kV: 22 para contaminación «muy ligera», 27,8 para «ligera» y 34,7 para «media».
Esto se traduce en diseño así:
- En AIS, cuanto más contaminado el sitio, más largos o más numerosos los aisladores, y más lavado o recubrimiento durante la vida de la subestación.
- En GIS, las partes vivas no están expuestas. El ambiente casi no cambia el aislamiento interno; cambian la protección contra corrosión de la envolvente y las boquillas que conectan con el exterior.
Una costa, una zona industrial o una región con niebla y poca lluvia inclinan la balanza hacia GIS o híbrida.
Criterio 3: altitud
Por encima de 1 000 m el aire aísla menos. IEC 62271-1 exige, en ese caso, determinar el nivel de aislamiento externo requerido en el sitio y escoger aparamenta con un nivel igual o mayor.
En cambio, para el aislamiento interno de una GIS, IEC 62271-203 indica que sus características dieléctricas son las mismas a cualquier altitud. Lo que puede verse afectado en altura son los dispositivos de alivio de presión y de monitoreo de presión y densidad del gas, y el fabricante debe tomar las medidas necesarias.
En una subestación AIS a gran altitud, las distancias en aire y los aisladores crecen. Esa es otra razón por la que la GIS gana terreno en sitios de montaña.
Criterio 4: cómo va a crecer
La AIS se amplía de forma sencilla: se agrega una bahía al lado, si hay terreno y barras previstas. Es la ventaja más importante de la tecnología convencional.
La GIS también se amplía, pero hay que planearlo. La parte nueva se prueba con tensión en sitio. Según IEC 62271-203, en general la parte existente contigua debe estar desenergizada y puesta a tierra durante esa prueba. La excepción son las medidas que impidan que una descarga en la extensión afecte la parte energizada. Por eso conviene dejar desde el inicio un módulo de espera o un punto de ampliación, y acordar con el fabricante cuál será la salida de servicio.
Si la subestación va a crecer por etapas imprevistas, la AIS o la híbrida dan más libertad.
Criterio 5: operación, mantenimiento y reparación
En la AIS los equipos están a la vista, se pueden revisar con termografía y cada aparato se repara por separado. Los barrajes y aisladores cambian según la tecnología; su diseño está en Barrajes y aisladores de una subestación: qué definir.
La GIS cambia el modo de mantener. IEC 62271-203 establece que la fuga de gas desde cualquier compartimiento, hacia la atmósfera o hacia otro compartimiento, no debe superar el 0,5 % por año durante la vida útil. También establece que no se requieren inspecciones o pruebas de presión periódicas obligatorias de las envolventes en servicio, para perturbar lo menos posible los compartimientos; se sigue el manual del fabricante. Eso reduce las intervenciones, pero una falla interna exige abrir compartimientos, manejar el gas y, muchas veces, depender del fabricante. Vea manejo de SF6 y la alarma de baja presión de SF6.
Antes de decidir conviene responder tres preguntas: quién hará el mantenimiento, qué repuestos hay en el país y cuánto tiempo puede estar fuera de servicio una bahía.
Criterio 6: costo total, no solo el equipo
La AIS suele costar menos en equipo. La GIS suele costar más en equipo y menos en terreno, obra civil de patio y tiempo de montaje, porque llega probada de fábrica por módulos. IEC 62271-203 exige además pruebas en sitio antes de energizar: ensayos dieléctricos del circuito principal y de los circuitos auxiliares, resistencia del circuito principal, hermeticidad y calidad del gas.
Compare el costo de toda la vida: equipo, terreno, obra civil, montaje, pruebas, mantenimiento y salida de servicio. Los criterios anteriores suelen inclinar la decisión hacia un lado antes de llegar a este cálculo.
Cómo decidir con los criterios
- ¿Hay terreno suficiente para un patio abierto y a un costo razonable?
- No: ¿Se trata de ampliar una AIS existente?
- Sí: Híbrida: se insertan módulos compactos en el patio actual
- No: GIS: el terreno manda
- Sí: ¿La contaminación del sitio supera la severidad media o la altitud supera 1 000 m?
- Sí: Evalúe GIS o híbrida frente a una AIS con aislamiento reforzado
- No: ¿Se prevé crecer por etapas?
- Sí: AIS: la ampliación es más simple
- No: Compare el costo total de AIS y GIS
- No: ¿Se trata de ampliar una AIS existente?
Esta ruta orienta, no reemplaza el estudio. La decisión final también depende de la política del propietario sobre SF6, de la disponibilidad de personal y de las exigencias del operador de red.
Qué hacer después de elegir
Elegido el tipo, el diseño sigue con el esquema de barras, la disposición física y la selección de equipos. Los enclavamientos y la protección cambian poco entre AIS y GIS, pero en la GIS se prueban con más cuidado porque la reparación toma más tiempo.
Si usted está en la etapa de decidir y necesita un criterio técnico propio para su proyecto, en el diseño de ingeniería y estudios comparamos las opciones con sus datos de terreno, ambiente y crecimiento. Y cuando la subestación esté construida, hacemos las pruebas y la puesta en servicio, incluida la prueba de tensión en sitio de una GIS.
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- Aparamenta GIS: presiones y compartimentos
- Falla interna en una GIS y ensayo de arco
- Interfaces de una GIS con cables y transformadores
Referencias
- IEC 62271-1, aparamenta de alta tensión: especificaciones comunes; cláusula 4 (condiciones de servicio) y anexo K (contaminación).
- IEC 62271-203, aparamenta con envolvente metálica aislada en gas para tensiones superiores a 52 kV.
- IEC 62271-205, conjuntos compactos de aparamenta para tensiones superiores a 52 kV.
- IEC 62271-200, aparamenta con envolvente metálica de corriente alterna de 1 kV a 52 kV.
- IEC TS 60815, selección y dimensionamiento de aisladores de alta tensión para condiciones de contaminación.
Preguntas frecuentes
¿Por qué una GIS se prefiere en zonas de mucha contaminación?
Porque las partes vivas van dentro de envolventes selladas y no se ensucian con sal, polvo ni industria. En una AIS la contaminación se compensa con aisladores de mayor distancia de fuga y lavado periódico; en una GIS el ambiente casi no cambia el diseño del aislamiento interno.
¿Una GIS pierde capacidad de aislamiento a gran altitud?
El aislamiento interno no: IEC 62271-203 indica que, a cualquier altitud, sus características dieléctricas son las mismas que a nivel del mar. Lo que sí se revisa en altura son los aislamientos externos, como las boquillas, y los equipos de monitoreo de gas y alivio de presión.
¿Se puede ampliar una GIS en servicio?
Se puede si se previó en el diseño. La parte nueva se prueba con tensión en sitio y, en general, la parte contigua existente debe estar desenergizada y a tierra durante esa prueba, salvo que se tomen medidas especiales. Esa salida de servicio se planea desde el inicio.