ing. Norberto I. Sirabonian - ing. Alfredo Rifaldi

Ya se han presentado distintos esquemas eléctricos de la estación, y se han observado algunas de sus características.

Cuál es el criterio que guía la adopción de determinados esquemas en las estaciones eléctricas de un sistema?

Para analizar la conveniencia de optar por un esquema, es necesario compararlo con otros y calificarlo.

Una calificación es el costo, que interesa para determinar la inversión, otra está fijada por criterios de operación, mantenimiento, confiabilidad, etc. En general se imponen exigencias técnicas.

A continuación se examinan las distintas características, y se proponen formas de analizarlas con el objetivo de calificarlas.

Es difícil establecer el costo de una estación sin desarrollar completamente el proyecto a nivel de disposición de equipos, evaluación de obras, que permiten definir el costo.

En el análisis del costo influyen el área ocupada, el tipo de materiales, los equipos.

Una parte importante del costo de los equipos es representado por los interruptores, cantidad, y corriente nominal en particular.

Sin embargo el costo no está solo representado por los equipos, y las obras, instalación, aparecen además costos de operación y mantenimiento, y durante la fase del proyecto un costo llamado ingeniería.

Cuando se trata de controlar los costos, frecuentemente se los limita, el equipo mas barato, significa quizás costos de operación y mantenimiento mayores que se pagan durante la vida de la instalación, la construcción menos costosa puede producir efectos parecidos.

Análogamente, ahorrar costos de ingeniería, no estudiando temas que deberían profundizarse también puede significar mayores costos de la obra, o de los equipos, probablemente desproporcionados al ahorro de costos de ingeniería.

La economía debe hacerse con gran inteligencia, tratando de aprovechar la experiencia de obras similares, de lo contrario puede caerse en la paradoja de no mirar gastos con tal de ahorrar centavos.

Los esquemas de simple juego de barras, doble, triple, los esquemas en anillo tienen un solo interruptor por salida.

En rigor los esquemas de doble juego de barras, o de barra principal y de transferencia, o simple barra partida, con interruptor, necesitan un interruptor más en la estación para acoplamiento.

En esta comparación el esquema de interruptor y medio por salida es más costoso (presumiblemente 50%) y el esquema de doble interruptor, aun más.

Los esquemas de acople por barras requieren interruptores (y otros equipos) capaces de conducir la corriente de la línea.

Los interruptores de paralelo de barras pueden requerir ser de mayor corriente nominal que los de línea.

Los esquemas con acople por interruptores requieren interruptores capaces de conducir la corriente de más líneas, en condiciones de emergencia la estación debe funcionar con solo algunos interruptores en servicio.

También el esquema de interruptor y medio en situaciones de emergencia requiere interruptores de corriente nominal mayor que la que corresponde a la línea.

Es posible afirmar que los esquemas con acople por interruptores utilizan interruptores de mayor corriente nominal que los esquemas de acople por barras.

Se pueden presentar fallas en distintos puntos de la red, fallas en las líneas, fallas en la estación.

Cuando ocurre una falla en la línea ésta debe ser separada del sistema.

Si las estaciones son con acople de barras, los dos interruptores en los extremos de la línea deberán actuar.

Si las estaciones son con acople por interruptores (estación en anillo) o con esquema de interruptor y medio, o doble interruptor, deben actuar dos interruptores en cada extremo, cuatro en total.

Los esquemas de anillos múltiples requieren la apertura de más interruptores.

Las fallas de las líneas, son las más frecuentes, cuantos más interruptores deban abrirse frente a una falla, mayor es la probabilidad de que pueda presentarse un mal funcionamiento.

Se considera más desfavorable la necesidad de abrir más interruptores. Esta necesidad complica el cableado en tal sentido.

La intervención humana, a lo largo de la operación de la estación, es permanente.

El esquema debe prestarse a rápidos reflejos, la transmisión de órdenes verbales o escritas simples, y seguramente inteligibles.

Las actuaciones en el tablero de comando, o al pie de los aparatos deben ser correctamente realizadas, se considera favorable la simplicidad.

En muchos casos la exigencia de mayor seguridad se opone a la simplicidad, debe controlarse que la mayor seguridad sea efectiva, y no aparente.

En caso de falla interna en la estación, falla en barras verdadera, o cuando la falla en una salida no es eliminada, (falla en barras falsa), la falla debe eliminarse rápidamente.

Es importante que ésta falla sea eliminada con pocas acciones, se trata de desconectar pocas líneas o transformadores.

El esquema de acople por barras, en caso de falla en barras, conduce a la desconexión de todas las líneas.

En cambio el esquema de interruptor y medio separa la barra en falla, sin deshacer el nodo.

La misma situación se presenta en el esquema de dos interruptores por salida cuando trabaja con todos los interruptores cerrados.

Los esquemas en anillo no presentan tramos de barras, sólo hay fallas en líneas.

Algunas redes requieren desacoplar la red en partes, este desacoplamiento es variable en el tiempo.

Es necesario subdividir la red construyendo varios nodos adicionales.

Los esquemas de doble juego de barras, de tres juegos, permiten satisfacer ésta necesidad.

Los esquemas en anillo, de interruptor y medio, de barra única, en cambio no son flexibles, ya que no es posible dividir en más nodos la estación.

A medida que transcurre el tiempo la evolución de la red obliga a cambios de estructura.

Se presenta la necesidad de modificar la estación, ya convirtiéndola a una con características superiores, o reduciendo sus posibilidades.

Algunos esquemas (con adecuadas previsiones) permiten evolución, simple barra, doble barra, agregado de barra de transferencia.

Otros esquemas son en cambio difíciles de modificar, interruptor y medio, anillo.

Como para toda obra es difícil dar reglas que permitan definir el costo suficientemente próximo al real sin alcanzar un grado de avance de proyecto suficientemente elaborado.

De la experiencia de proyectos realizados puede hacerse un análisis de incidencias porcentuales de los distintos rubros que componen el costo de le estación.

Este estudio puede hacerse en detalle sobre obras existentes, para las cuales se conocen los cómputos reales, y así se pueden encontrar factores que caracterizan el valor relativo de los costos.

El esquema unifilar en su expresión mas simple incluye una representación topológica de las líneas (ramas) que convergen (inciden) en la estación (nodo).

Físicamente el nodo no es un punto, se debe desarrollar suficientemente para poder dar cabida a las líneas o transformadores.

El punto que representa el nodo debe ser en realidad de ciertas dimensiones para poder ser un nodo real.

Los interruptores que maniobran las líneas pueden disponerse sobre ellas y en consecuencia el nodo se formará con las barras y el acople será por barras, o bien disponerse en los lados del polígono que constituye el nodo real, el acople será por interruptores y el esquema se denominará anillo.

En principio ambos esquemas utilizan un número de interruptores igual al de líneas, es decir que desde este punto de vista son equivalentes.

Cuando analizamos sus distintas cualidades e intentamos mejorarlas aparecen los distintos tipos de esquemas reales utilizados.

Cada interruptor pertenece a una línea, y si ambas estaciones extremas se han proyectado con criterios compatibles, una línea tiene entonces dos interruptores, uno en cada extremo, que la protegen.

En estos esquemas los interruptores pertenecen a las líneas, la indisponibilidad de un interruptor afecta la posibilidad de usar la línea.

El primer esquema naturalmente es el mas simple, se llama de único juego de barras, y en caso de falla de las barras la estación completa sale de servicio.

Este defecto puede compensarse dividiendo las barras con un seccionador o un interruptor, esquema de simple juego de barras partidas.

Así se tiene alguna flexibilidad, si se requiere seguridad la solución debe ser con interruptor, solo en este caso se puede mantener el esquema con un único nodo, y en caso de falla en un tramo de barras saldrán de servicio todas las líneas que llegan al tramo fallado, y se abrirá el interruptor divisor de barras.

La flexibilidad es mínima, no se puede alimentar una línea que está sobre un tramo de barras cuando éste está fuera de servicio, en cambio vale la pena destacar sencillez, simplicidad, y reducido costo.

Si la red es compleja, muy mallada, cada nodo esta unido a muchos otros, quizás la baja flexibilidad del nodo esté compensada por la elevada flexibilidad de la red, por lo que el esquema simple es recomendable.

Si la red es rala, pocos nodos, líneas escasas y largas, este esquema evidentemente conduce a importantes salidas de servicio por lo que no se lo acepta.

Parientes próximos del sistema de único juego de barras partidas, cuando se trata de una estación transformadora de distribución, son los esquemas denominados "H", que sirven cuando dos líneas alimentan dos cargas.

El esquema simple barra con acoplamiento requeriría 5 interruptores, que se reducen a solo 3 o 1, lógicamente se deben transferir los disparos a la estación que se encuentra en el otro extremo de las líneas.

La principal ventaja de estas ideas estriba en la minimización de costos, se han perdido en cambio todas las otras cualidades.

La necesidad de disponer de gran flexibilidad ha conducido a los esquemas de doble juego de barras.

El doble juego de barras permite flexibilidad ya que la estación puede dividirse en dos nodos, formándolos de manera totalmente arbitraria.

Para poner en paralelo las barras es necesario un interruptor de acoplamiento de barras, las barras se mantienen en paralelo la configuración es de simple barra partida con interruptor.

Este esquema sigue siendo sensible a la falla en barras, en caso de falla en barras sale de servicio la fallada, y se abre el acople, se pierde parte del nodo, pero las líneas de la barra fallada pueden conectarse a la barra sana, y se puede completar el nodo dejando finalmente la barra fallada fuera.

Si se realiza el esquema doble barra, y cada una partida, se pueden formar arbitrariamente dos nodos, y hasta cuatro nodos en forma no demasiado flexible.

Resulta así un esquema bastante seguro, flexible, simple, modificable, que requiere solo abrir un interruptor en cada extremo de la línea en caso de falla de la misma, y pierde todas las líneas de un tramo de barras afectado en caso de falla en barras (o falla de un interruptor de línea que transforma la falla en línea en falla en barras).

La ventaja adicional de este esquema es la limitación de los niveles de cortocircuito que puede lograrse para la red (por la flexibilidad), duplicando el numero de nodos.

Esta última es una característica indispensable en redes muy malladas y que poseen líneas relativamente cortas, en las cuales la salida de servicio de una parte de la estación no tiene consecuencias graves, y en cambio es necesario no superar cierto nivel de cortocircuito.

La imaginación puede evolucionar a triple juego de barras, este esquema solo se justifica cuando siempre es necesario separar la estación en mas de dos nodos.

En el triple juego de barras el acoplamiento une dos barras por vez, se requieren entonces dos interruptores de acople, y varios seccionadores, se puede también pensar en triple juego de barras partidas...

Las redes nacen con pocos nodos y líneas largas, son redes ralas, muy sensibles a las fallas, si una línea sale de servicio la capacidad del sistema queda afectada, análogamente ocurre con un nodo.

El esquema simple no sirve, y es necesario complicarlo, se pasa de la concepción de simple juego de barras, a doble.

A medida que el sistema se hace mas denso, hay mas líneas entre estaciones, las líneas son mas cortas, hay mas estaciones, la salida de una línea es menos sentida, su función es tomada por otros caminos disponibles, análogamente la pérdida de una estación no produce crisis.

Si el sistema está adecuadamente concebido, su evolución permite que los nuevos nodos sean mas simples, de simple juego de barras por ejemplo, no es aceptable que un sistema complejo obligue a sucesivas ampliaciones que mantienen el grado de complejidad.

Todos los sistemas hasta aquí analizados tienen como consecuencia de la falla de un interruptor o necesidad de mantenimiento, la salida de servicio de la línea por todo el lapso de mantenimiento.

Para poder suplir la falta del interruptor en mantenimiento se realiza el esquema con interruptor de transferencia.

El esquema puede realizarse con barra principal y barra de transferencia, o con doble juego de barras y barra de transferencia, o también haciendo que la segunda barra pueda ser utilizada como barra principal, y cuando necesario como barra de transferencia.

El interruptor de transferencia permite reemplazar el interruptor no disponible por falla o mantenimiento, la segunda contingencia (falla) pone en crisis el sistema.

El interruptor de transferencia puede asociarse al de acoplamiento de barras en los sistemas de doble barra, y con un solo aparato se pueden cumplir ambas funciones.

Una forma de superar el lapso de mantenimiento del interruptor, logrando mantener la línea en servicio es con seccionador (y o con conexiones desmontables) de "BY PASS" del interruptor, y transfiriendo la función del interruptor de línea al de acoplamiento.

Durante el periodo de mantenimiento la estación se transforma entonces en una simple barra, donde todas las líneas llegan a ella, salvo la que corresponde al interruptor en mantenimiento, que a través del interruptor de acoplamiento se conecta a la barra en servicio.

La dificultad principal de estos esquemas estriba en la poca comprensión que ofrecen, y en consecuencia dificultades de operación.

Al querer encontrar buenas disposiciones físicas la complicación en el esquema unifilar dificulta el trabajo a límites que hacen casi inconveniente intentar la solución.

Por último la transferencia del interruptor requiere también transferir el disparo, la protección (relé), el transformador de medida, quizás cambiar la regulación del relé, operaciones todas que no es conveniente realizar con apresuramiento por ser delicadas.

El esquema conceptualmente mas inmediato es el anillo, en este una falla en línea exige la apertura de los dos interruptores que se encuentran en el punto de incidencia de la línea, y el anillo se abre.

Puede observarse que en este esquema como en el de simple barra el numero de salidas coincide con el de interruptores.

Es conveniente alternar entradas y salidas para que la corriente en los interruptores (del anillo) o en las barras (en el esquema de barras) sea mínima.

La indisponibilidad de un interruptor por razones de mantenimiento permite mantener el servicio por el otro interruptor.

Cuando se da esta situación la falla siguiente significa salida de servicio de al menos una parte del sistema.

El defecto de este esquema es la poca flexibilidad y su escasa (casi nula) posibilidad de ampliación y o modificación futura.

Para conservar seguridad deben estar cerrados todos los interruptores del anillo, cuando se hace mantenimiento en un equipo no es posible repartir las cargas, y ante una contingencia la estación se divide en dos partes, que inclusive pueden no ser aceptables para el flujo de carga necesario.

Los inconvenientes del anillo simple pueden superarse con un anillo doble, que permite soportar la ausencia de un interruptor sin perder seguridad.

El doble anillo presenta también cierta flexibilidad, ya que es posible cierto número de asociaciones, en compensación la falla de la línea exige la apertura de 3 interruptores de la estación.

Claridad de esquema, facilidades de ampliación no son precisamente cualidades salientes de esta solución.

La eventual falla de un interruptor debe ser eliminada por la actuación de varios interruptores y saca de servicio dos circuitos.

Compartiendo un lado de dos anillos se logra un esquema de anillos múltiples. Este esquema en principio parece simple, pero la realidad de la planta es dificultosa, y esta condición es desfavorable para la comprensión.

Al observar la disposición en planta se notan los varios cruces necesarios, el esquema es poco flexible, difícil de maniobrar, difícil de ampliar.

Un detalle que es necesario observar es la distinta corriente nominal de los equipos que forman el anillo respecto de la corriente nominal de las líneas (y de los equipos necesarios en esquemas de acople por barras).

El esquema de acople por barras requiere que los equipos sean de la corriente nominal de las líneas.

El esquema de anillo requiere en ciertas condiciones que en un aparato circule la suma de las corrientes de varias líneas, lógicamente habrá que buscar de alternar las entradas y salidas para que no haya equipos llamados a transportar la suma de todas las corrientes entrantes en alguna condición de funcionamiento.

El dimensionamiento de los equipos del anillo es parecido al dimensionamiento de las barras y del interruptor de acoplamiento en una estación de doble juego de barras.

Para el anillo múltiple también debe partirse de este criterio, pero finalmente en todos los casos se trata de unificar eligiendo todos los aparatos iguales, o a lo sumo adoptando dos categorías de aparatos.

Los defectos encontrados en los esquemas de simple juego de barras, y doble juego de barras con un interruptor por salida se pueden remediar con dos soluciones, con un interruptor y medio por salida (en rigor 3 interruptores para 2 salidas) se tiene características que lo asemejan a un anillo pero no se sufren sus inconvenientes, la otra posibilidad es de dos interruptores por salida.

Para el esquema de un interruptor y medio en situación normal todos los interruptores trabajan cerrados, una falla en barras obliga a abrir todos los interruptores sobre dicha barra, pero quedan todas las salidas en servicio.

La falla de las dos barras es improbable, lleva a que los circuitos (líneas) queden asociados de a pares, es entonces conveniente estén asociados alimentador y carga.

Una falla de interruptor obliga a abrir todos los interruptores que lo rodean, saldrán de servicio dos líneas o una línea y una barra, según se trate del interruptor entre líneas (central) se pierden dos circuitos, o del lado barras (lateral) se pierde un circuito.

Cuando se separa una línea (del par) la otra queda conectada a barras.

La seguridad es evidentemente elevada, la flexibilidad es en cambio reducida.

La indisponibilidad de un interruptor permite seguir operando las líneas con los otros dos interruptores del mismo vano, funcionarán las líneas conectadas a cada barra por su interruptor, o ambas líneas a la misma barra y los interruptores en serie.

Es conveniente que a un mismo vano pertenezcan una línea que trae energía, y una que sale, en este caso todos los interruptores pueden ser iguales, en cambio si ambas líneas aportan energía, en caso de indisponibilidad de un interruptor se suman las corrientes, los interruptores del lado barras deben tener corriente nominal doble que los del lado línea.

Cuando una línea sale de servicio la otra queda conectada como si fuera simple barra, a través de un solo interruptor. Si esta condición es desfavorable entonces son indispensables los seccionadores de línea para poder seccionar la línea fuera de servicio, y cerrando los interruptores tener la línea en servicio conectada a ambas barras.

Cuando se quieren exaltar aún mas ciertas características se puede hacer un esquema de dos interruptores por salida, el costo del equipamiento alcanza el máximo.

Aún así no se logra un sistema simultáneamente seguro y flexible, en cada momento debe decidirse la cualidad que interesa, se opta por una u otra y en consecuencia se elige el modo de operación.

A pesar del elevado costo no se logran conseguir todas las cualidades deseadas.

Cuando se comparan el esquema de doble barra doble interruptor con el de interruptor y medio se observa la equivalencia entre ambos, y surge la conveniencia económica.

La evolución de esquemas de doble barra doble interruptor a interruptor y medio es una posibilidad real que debe considerarse en el diseño.

En la bibliografía se encuentran muchos otros esquemas pero en general las soluciones de estaciones de muy alta tensión se eligen entre los propuestos.

Al observar esquemas de este tipo es muy importante tener presente que los vanos deben ser mas de dos, el número de salidas más de cuatro, si así no fuera se tratará de esquemas en anillo con interruptores en serie.

Partiendo del unifilar básico, elegido como ya indicado por los estudios de confiabilidad del sistema, conviene desarrollar alternativas para lograr controlar la conveniencia desde todo punto de vista de la solución elegida.

A pesar de haberse elegido para un sistema un esquema unifilar típico para sus estaciones, en determinados puntos pueden encontrarse dificultades de adaptación del esquema a las condiciones locales.

Un detalle que debería tenerse en cuenta en los estudios de confiabilidad, es que los equipos de corrientes nominales modestas, utilizados con corrientes de cortocircuito moderadas, al ser menos solicitados dan confiabilidades superiores al equipo en sí, y en consecuencia modifican los datos básicos de los estudios.

Estas consideraciones deben ser complementadas por un mejor conocimiento estadístico de las fallas en equipos ligado a las condiciones locales, la extrapolación de experiencias de piases lejanos (en distancias, costumbres, y modos de trabajo) no siempre tiene valor.

Los sistemas extensos, con líneas largas, pocos centros de interconexión, requieren mantener las líneas en caso de indisponibilidad de un interruptor, su característica mas importante es la seguridad, en consecuencia optan por los esquemas de anillo o de interruptor y medio.

Los sistemas muy mallados, con líneas cortas, donde la indisponibilidad de una línea no tiene mayores consecuencias, y en cambio los niveles de cortocircuito deben ser controlados (limitados) se orientan a esquemas flexibles, como el de doble barra con un interruptor por salida.

- seguridad, buena cuando el nodo no se pierde ante una falla.

- flexibilidad, buena cuando el nodo puede dividirse en dos al menos.

- número de interruptores que deben abrirse en caso de falla de una salida, considerado mejor cuando solo se debe abrir un interruptor.

- simplicidad de maniobras de operación, considerando mejores los esquemas con pocas complicaciones.

- posibilidad de modificación futura.

- cantidad de interruptores para 10 salidas considerando interruptores de dos corrientes nominales, 2 y 4 kA por ejemplo, esta característica esta ligada a costo y confiabilidad.

La calificación en cada caso es buena, regular o mala, en ciertos casos la calificación depende del modo de operación, de la realización o de otras consideraciones.

Un aspecto a tener en cuenta en las redes en desarrollo es su lenta o explosiva evolución en el tiempo.

Al planificar se mira un sistema final, que satisface necesidades supuestas, se verifica la confiabilidad de la ultima etapa y se adopta un sistema final.

Se reduce al sistema necesario actualmente, si bien las obras se han pensado para la etapa final se observa que hay construcciones y equipos no esenciales, y se reduce el proyecto a solo lo necesario.