¿Qué es una subestación prefabricada? Componentes y flujo de potencia

Resumen rápido

• En la subestación reductora que se muestra en la ilustración, la energía se transmite desde el cuadro de media tensión, pasando por el transformador, hasta un cuadro de baja tensión y las líneas de salida.
• Los términos «walk-in» y «non-walk-in» se refieren al lugar donde se lleva a cabo la operación manual. Utiliza el esquema real y la documentación operativa para confirmar el acceso.
• Revisa los planos unifilares, de esquema y de cimentación, junto con el alcance del suministro, para coordinar los cables, la puesta a tierra, los soportes y los accesos de servicio.

Una subestación prefabricada es un conjunto coordinado de equipos que se ensambla e integra antes de llegar a la obra. En el ejemplo de reducción de tensión que se utiliza aquí, una cabina agrupa los equipos de conmutación y protección, un transformador y un cuadro de distribución de baja tensión. Otras configuraciones prefabricadas contienen diferentes conjuntos de equipos o se suministran en secciones de transporte. El transformador es el núcleo del sistema encargado de cambiar la tensión, pero es solo una de las varias funciones que coordina el conjunto. Comprender qué más reúne el armario, cómo circula la energía a través del conjunto y dónde comienza el trabajo in situ es el punto de partida para cualquiera que especifique, adquiera o instale una de estas unidades.

Lo que une el recinto

El ámbito de aplicación de la norma IEC 62271-202 que aquí se analiza se refiere a las subestaciones prefabricadas de corriente alterna, cerradas y conectadas mediante cables, destinadas a su instalación en exteriores. Abarca las subestaciones de este tipo y distingue dos grandes categorías: las subestaciones prefabricadas con transformador, que incluyen un transformador y pueden incluir equipos de conmutación y distribución, y las subestaciones prefabricadas con aparamenta, que se centran en la función de conmutación y protección. La Vista previa del ámbito de IEC 62271-202:2022 También se describen diseños que incluyen solo una parte del conjunto completo de equipos, por lo que la disposición de tres funciones que se describe a continuación es una configuración habitual, pero no la única posible.

Esa configuración de tres funciones agrupa el cuadro de media tensión, un transformador de potencia y un cuadro de baja tensión en una única carcasa. Cada uno de ellos tiene una función distinta. El cuadro de media tensión conecta la unidad al suministro de media tensión de entrada, proporciona las funciones específicas de conmutación y aislamiento mediante dispositivos con la potencia nominal adecuada y, en función de las especificaciones del proyecto, incorpora protección para el primario del transformador. El transformador reduce la media tensión a una baja tensión utilizable, proporcionando la tensión que necesitan las cargas situadas aguas abajo. El cuadro de baja tensión recibe la salida del secundario del transformador y la distribuye a través de circuitos de alimentación de salida al edificio, la instalación o la red a la que abastece. El armario alberga estas tres funciones en una configuración preparada e interconectada internamente; esto puede reducir el montaje de equipos necesario in situ. Las conexiones restantes, la obra civil, las inspecciones y la puesta en servicio dependen del paquete y del alcance del proyecto.

La integración en fábrica puede ir desde un conjunto totalmente cableado y probado que se envía como una sola unidad hasta una estructura en la que los compartimentos están preparados y parcialmente interconectados, y en la que algunas conexiones internas se completan in situ. El grado de integración depende del diseño del producto, de las limitaciones de transporte y de las especificaciones del proyecto.

Guía de subestaciones de unidades de Eaton ilustra el concepto de «acoplamiento estrecho». El término «subestación unitaria» aparece en mercados influenciados por la práctica norteamericana, especialmente en el marco de las tradiciones de lANSI y la NEMA, para describir un conjunto de acoplamiento estrecho que agrupa equipos de distribución primaria, un transformador de potencia y equipos de distribución secundaria. Se trata de un concepto ampliamente equivalente en cuanto a su función, pero refleja una tradición de diseño y un contexto normativo diferentes a los de la norma IEC 62271-202. Los dos términos no son intercambiables a efectos de cumplimiento normativo, y las potencias nominales específicas, los requisitos de construcción y las obligaciones de ensayo difieren entre ambos marcos normativos.

Sigue el recorrido de la potencia con un ejemplo de transformador reductor

En una aplicación típica de distribución de MV/LV, la energía entra en la subestación desde la red de MV/LV de la empresa eléctrica o de la propia instalación a través de la conexión del cable de entrada. El primer punto de control dentro de la cabina es el cuadro de media tensión. Los dispositivos de media tensión seleccionados proporcionan las funciones especificadas de conmutación, protección y aislamiento. Es importante qué dispositivo realiza cada función: una indicación de apertura o la mera presencia de un interruptor no garantizan por sí solas una condición segura para el mantenimiento.

La elección del sistema de protección en el lado de media tensión depende de los requisitos del proyecto y de las características de la red. Una configuración habitual consiste en combinar un interruptor de carga con fusibles de la potencia nominal adecuada que protejan el primario del transformador contra sobrecorrientes. El interruptor de carga realiza su función nominal de conmutación de carga; además, debe especificarse una función de aislamiento cuando sea necesario. En la combinación coordinada de interruptor y fusibles, los fusibles proporcionan la función asignada de interrupción de cortocircuitos; un interruptor de carga por sí solo no es un dispositivo de interrupción de cortocircuitos y no debe describirse como tal. Cuando la aplicación requiere una protección más flexible o ajustable, un interruptor automático con un relé de protección sustituye o complementa la configuración de fusibles, lo que permite coordinar los ajustes con los dispositivos situados aguas arriba y aguas abajo.

Guía de protección de Schneider Electric ofrece ejemplos de estas medidas de protección.

Desde el cuadro de distribución de media tensión, el suministro llega al transformador. Los devanados del transformador reducen la tensión al nivel de baja tensión especificado —normalmente 400 V o 415 V en sistemas que siguen la normativa de la IEC, aunque la tensión real depende de la red y de los requisitos de la carga—. Las pérdidas del transformador generan calor en el interior de la carcasa, junto con las pérdidas en las conexiones y los equipos de conmutación. La ventilación u otras medidas de disipación de calor de la carcasa deben tener en cuenta los equipos instalados y las condiciones de funcionamiento.

La salida secundaria del transformador se conecta al cuadro de baja tensión. El cuadro recibe toda la corriente secundaria y la distribuye a través de los circuitos de alimentación de salida. Cada circuito de alimentación suele incluir un disyuntor o una combinación de fusible y interruptor que proporciona protección contra sobrecorrientes y aislamiento para su ramal. En algunos proyectos se añaden contadores en el lado de baja tensión, ya sea para la facturación de la empresa de suministro eléctrico o para la submedición interna; la ubicación de los contadores en la instalación, y si se encuentran dentro del conjunto prefabricado o en un punto separado, varía en función de los requisitos de la empresa de suministro eléctrico y del alcance del proyecto. Afirmar que una posición fija de los contadores es universal resultaría engañoso.

Ejemplo de subestación de Schneider Electric muestra las funciones de suministro y distribución.

Los conductos de alimentación de baja tensión salen de la cabina a través de pasacables para alimentar las cargas situadas más adelante: centros de control de motores, cuadros de distribución, grandes cargas individuales u otros puntos de distribución.

Cabe señalar que el conjunto de subestación cerrado no es, en sí mismo, un dispositivo reductor de tensión. Algunas aplicaciones requieren lo contrario: una instalación solar puede recibir corriente alterna de baja tensión procedente de sus inversores y elevar esa tensión a media tensión para una red de distribución o para la conexión a la red eléctrica. Un paquete elevador diseñado específicamente para este fin resuelve esta necesidad configurando el transformador y los equipos asociados para la transformación de baja tensión a media tensión. Los componentes son conceptualmente similares a los de una unidad reductora, pero la dirección del flujo de potencia normal, la coordinación de la protección y, en algunos casos, la disposición de los devanados del transformador se configuran para la aplicación de exportación. El SUBIA Categoría de subestaciones elevadoras fotovoltaicas ofrece el contexto de la familia de productos para esa obligación de generación renovable.

Atención sin cita previa y con cita previa

El Resumen público de la norma IEC 62271-202 describe dos clases de subestaciones prefabricadas en función de la posición desde la que un operador autorizado lleva a cabo las operaciones normales. Se trata del tipo «walk-in» y del tipo «no walk-in», y la distinción radica en el lugar en el que se sitúa el operador durante el funcionamiento normal, no en el número de puertas que tiene la cabina ni en cómo se realiza el mantenimiento.

En una subestación de acceso directo, el recinto es lo suficientemente amplio como para que el operador pueda entrar en su interior y manejar los equipos desde un pasillo o espacio operativo definido. Las operaciones habituales de conmutación y control se realizan desde el interior. Por ejemplo, los cuadros de conmutación pueden estar orientados hacia un pasillo operativo interno. El plano del fabricante identifica el espacio operativo y la orientación de los equipos; la categoría por sí sola no determina el tamaño ni la disposición de los paneles.

En una subestación sin acceso interior, el operador realiza las operaciones habituales desde el exterior del recinto. Los elementos de control y manejo pertinentes —como manetas, interruptores y ventanas de indicación— están dispuestos para su manejo desde el exterior, tal y como se define en la documentación específica del equipo. No se requiere ningún pasillo interior para esa posición de funcionamiento normal, lo que puede reducir el espacio dedicado al manejo; la superficie ocupada depende, no obstante, del equipo y de la disposición. Un ejemplo de recinto sin acceso interior es aquel que divide su interior en compartimentos separados para el equipo de conmutación de media tensión, el transformador y el cuadro de baja tensión, estando todos los equipos interconectados internamente y siendo accesible desde las caras exteriores.

Esta distinción no debe confundirse con las cuestiones relativas al acceso para mantenimiento, que pueden requerir permisos, procedimientos y condiciones diferentes, independientemente de si la unidad está clasificada como «walk-in» o «no walk-in». Tampoco debe equipararse con las características de seguridad estructural; la clasificación refleja la posición de funcionamiento normal tal y como se define en el ámbito de aplicación de la norma, no las disposiciones de seguridad que se aplican durante otras actividades. Del mismo modo, el número de puertas es una consecuencia del diseño del acceso, no la base de la clasificación.

Cimientos, entradas de cables, puesta a tierra y acceso

Incluso una subestación prefabricada altamente integrada presenta un conjunto definido de interfaces para los trabajos in situ. Comprender estas interfaces es fundamental para la contratación, la ingeniería civil y la coordinación del proyecto, ya que es necesario acordar los límites entre el conjunto preparado en fábrica y los trabajos in situ antes de que comience el diseño detallado.

Cimentación y anclaje. La estructura se asienta sobre una cimentación civil preparada, cuya forma depende de la geometría de la estructura, las condiciones del terreno y las prácticas locales. El diseño de la cimentación tiene en cuenta la capacidad de carga, el apoyo nivelado, el drenaje cuando sea necesario y las cargas de anclaje especificadas, incluidos los requisitos sísmicos o de resistencia al viento, según corresponda. El plano de interfaz de cimentación del fabricante y el diseño de obra civil de la obra establecen conjuntamente las dimensiones de los soportes, las posiciones de penetración y cualquier esquema de anclaje. Algunos paquetes incluyen una cimentación o base; otros requieren una construcción separada in situ. El alcance del proyecto debe asignar la responsabilidad tanto del suministro como de la instalación.

Entradas de cable. Los cables llegan a la subestación desde dos direcciones. En el lado de media tensión, el cable de alimentación entrante procedente de la infraestructura del propietario de la red se conecta en el punto de entrada de media tensión designado. En el lado de baja tensión (BT), los cables de alimentación salientes salen a través de las entradas de cables de BT para llegar a los puntos de distribución posteriores. Los detalles de la entrada —posiciones, tamaños de los cables, número de cables en paralelo por fase, método de terminación mediante prensaestopas o conductos— se indican en el plano de cimentación o de planta y deben coordinarse con el diseño de los cables. La titularidad del cable de media tensión y del punto de conexión varía según el propietario de la red y las prácticas regionales; este límite es una cuestión comercial y técnica que debe confirmarse en los documentos que definen el alcance del proyecto.

Puesta a tierra de la instalación. Las conexiones a tierra de protección de los equipos deben ajustarse al diseño de puesta a tierra del proyecto. El tratamiento del neutro y cualquier disposición de separación o conexión necesaria vienen definidos por dicho diseño, y no por la forma de la caja. Los puntos de conexión a tierra externos de la carcasa los define el fabricante, mientras que el electrodo de tierra de la obra y los conductores de interconexión deben incluirse en el alcance asignado al proyecto y cumplir los requisitos aplicables. Algunas configuraciones también requieren un conductor de continuidad de tierra entre la carcasa y los bastidores de equipos específicos. El diseño de puesta a tierra es un entregable independiente del proyecto y no puede deducirse únicamente a partir del esquema de la subestación.

Acceso para el servicio y la retirada. El recinto debe colocarse de tal forma que se puedan abrir las caras de acceso, realizar las conexiones de los cables y llevar a cabo el mantenimiento del equipo o, en su caso, retirarlo. En el caso de las subestaciones de tipo transformador, la retirada o sustitución del transformador es un aspecto logístico importante; la disposición del emplazamiento debe incluir una vía libre para el desplazamiento de maquinaria pesada. Los requisitos de acceso para el mantenimiento suelen figurar en el manual de instalación, más que en el plano esquemático, y forman parte de los datos de planificación del emplazamiento antes de que se eche el hormigón de los cimientos.

Puesta en marcha in situ y planos del proyecto

Puesta en marcha in situ. Incluso una unidad que haya sido sometida a pruebas completas en fábrica requiere una inspección in situ y comprobaciones de puesta en servicio antes de su conexión a la red. Dependiendo del producto, esto puede incluir la verificación de los terminales de los cables, la comprobación de los ajustes de protección según el estudio de coordinación de protección del proyecto, la confirmación de las conexiones a tierra, la inspección de posibles daños durante el transporte y la realización del procedimiento de aceptación del propietario de la red. Algunas conexiones internas pueden realizarse o verificarse in situ. El procedimiento acordado de puesta en servicio y aceptación establece las comprobaciones necesarias y los posibles puntos de retención; una simple inspección visual no los sustituye.

Manual de subestaciones compactas de ABB muestra las interfaces entre los equipos y las instalaciones.

Los documentos clave que regulan estas interfaces son el plano general o de cimentación (dimensiones de obra civil, penetraciones, puntos de anclaje), el esquema unifilar (alcance y límites eléctricos) y el calendario de alcance del proyecto (qué parte es responsable de cada cable, conexión a tierra y fase de inspección). La coordinación de estos documentos entre el proveedor de la subestación y el contratista de la obra es el punto de partida práctico para evitar tener que volver a realizar el trabajo.

Para obtener más información sobre el transformador que constituye el núcleo del conjunto, consulta el Artículo sobre transformadores de distribución. Para ver la gama completa de productos para subestaciones de SUBIA, la Subestaciones y cabinas prefabricadas En esta sección se describen las configuraciones disponibles, entre las que se incluyen las Subestaciones prefabricadas de las series YB y ZGS opciones.

Preguntas frecuentes

¿Para qué sirve el transformador dentro de la subestación?

Modifica la tensión entre los circuitos conectados. En el esquema ilustrado, los equipos de media tensión y baja tensión, independientes entre sí, se encargan de las funciones de conmutación, protección y distribución especificadas para el proyecto.

¿Las subestaciones prefabricadas siempre reducen la tensión?

No. Una subestación prefabricada con transformador puede diseñarse para funcionar en modo reductor o elevador. Comprueba el flujo de potencia previsto y el diseño del equipo antes de plantearte cambiar el modo de funcionamiento de una unidad ya existente.

¿Qué significa «de libre acceso» en el caso de una subestación prefabricada?

El puesto de mando manual se encuentra dentro de la carcasa. En el caso de los equipos en los que no se puede entrar, el puesto de mando se encuentra en el exterior. Consulte la documentación del equipo para conocer cómo acceder a las zonas de mantenimiento.

¿Qué trabajo queda por hacer tras la entrega?

Utiliza el alcance del proyecto para identificar qué elementos aún deben instalarse y conectarse en la obra. Asimismo, debe asignar la responsabilidad de las comprobaciones en la obra y la puesta en servicio antes de la conexión a la red eléctrica.