Subestación aislada en aire vs. subestación aislada en gas: ¿cuál es la adecuada para su proyecto?

Seleccionar un apropiado subestación Para un proyecto es muy difícil. Hay que considerar muchos factores, como los requisitos de espacio, el clima, el presupuesto y el tiempo de instalación. Si se construye en una región remota o incluso en una ciudad concurrida, la falta de una planificación adecuada puede afectar los costos, los plazos del proyecto y la fiabilidad. En este blog, compararemos las diferencias entre AIS y GIS para que pueda tomar la decisión correcta.

1) ¿Qué es una subestación aislada en aire (AIS)?

An Subestación aislada por aire (AIS) es un tipo de subestación eléctrica con todos sus componentes de alta tensión ubicados al aire libre, mientras que el aire actúa como aislante. Esto significa que su entorno debe ser aire. El aire es la sustancia envolvente que sirve de aislamiento entre los conductores y las estructuras conectadas a tierra. Este tipo de subestación se ha utilizado durante décadas y sigue siendo una opción popular hoy en día debido a su rentabilidad y simplicidad.

¿Cómo funciona una subestación aislada en aire?

El AIS recibe energía eléctrica a alto voltaje de fuentes de generación o transmisión de energía. Transforma dicha energía a niveles de voltaje más bajos, adecuados para la distribución local. El equipo se monta sobre estructuras de acero u hormigón al aire libre. Dado que el aire actúa como aislante eléctrico entre los componentes, se requiere un mayor espacio para evitar cortocircuitos entre ellos. Por esta razón, el AIS se suele implementar en zonas con fácil acceso a terrenos y sin problemas de disponibilidad.

Componentes clave del AIS

Estos son los basicos componentes de una subestación comprende de:

i) Disyuntores: Estos protegen el sistema interrumpiendo el flujo de energía en caso de fallas o condiciones de sobrecarga libres de intervención humana.

ii) Interruptores de desconexión: Permiten el mantenimiento al proporcionar acceso a las piezas de servicio sin necesidad de interrumpir el funcionamiento del sistema. Esto garantiza la seguridad de las reparaciones y el funcionamiento en condiciones seguras.

iii) Barras colectoras: Las barras colectoras, como grandes tiras de metal capaces de transportar fuertes corrientes eléctricas en la subestación, conectan las líneas eléctricas entrantes y salientes con otros equipos.

iv) Transformadores: Estos dispositivos reducen o elevan los niveles de voltaje según los requisitos del sistema eléctrico. Los transformadores son los componentes principales de la conversión de voltaje para AIS.

v) Aisladores: Están hechos de porcelana o materiales compuestos. Los aisladores sujetan los conductores activos y los separan de las partes conectadas a tierra para evitar cortocircuitos y descargas disruptivas.

Todos los componentes están distribuidos en una amplia zona al aire libre. Al no contar con una carcasa cerrada, la correcta separación de los componentes garantiza un funcionamiento fiable y seguro.

Escenarios típicos de aplicación de AIS

• Distribución de energía semiurbana y rural: Donde el terreno es barato y espacioso, los AIS son los más preferidos.

• Centrales Eléctricas y Zonas Industriales: Las plantas industriales y las grandes centrales eléctricas utilizan sistemas AIS para facilitar el mantenimiento. La gestión de la carga y el flujo de energía también se optimiza adecuadamente.

• Instalaciones al aire libre de clima moderado estable: Las regiones pulidas y moderadamente contaminadas no representan un problema para el AIS. Los entornos externos afectados por el clima no representan un problema para el equipo.

• Subestaciones Cercanas a Presas y Proyectos de Energía Renovable: La tecnología AIS se utiliza en plantas de energía solar y represas hidroeléctricas porque es económica y facilita ampliaciones.

Ventajas del AIS

+ Costos de instalación y operación más bajos: Dado que no es necesario construir viviendas ni sistemas de gas especiales, la subestación con sistema aislado por aire es menos costosa y más fácil de operar.

+ Inspección y mantenimiento más fáciles: Como todo el equipo se puede ver fácilmente, las inspecciones regulares y la detección de fallas se vuelven más rápidas y convenientes.

+ Diseño y maquetación sencillos: El diseño puede ser fácilmente comprendido y utilizado por ingenieros y trabajadores de mantenimiento.

Con el cuidado adecuado, las subestaciones aisladas en aire (AIS) pueden seguir funcionando eficazmente durante más de treinta años sin mayores preocupaciones.

Desventajas del AIS

Sin embargo, aunque los beneficios aportan un valor considerable, el AIS también tiene algunas desventajas.

- Requisito de espacio grande: Dado que la construcción requiere una separación segura y operativa entre las partes, el AIS requiere una superficie considerable. Esto lo hace inadecuado para zonas urbanas con escasez de espacio.

- Exposición al clima y a la contaminación: Dado que el equipo se encuentra en exteriores, está expuesto directamente a la lluvia, el polvo, la nieve e incluso a las aves. Cualquiera de estos factores puede afectar la productividad o, peor aún, causar fallas.

- Menor resistencia del aislamiento en relación con los gases: En comparación con gases especiales como el SF₆, el aire tiene menor capacidad aislante. Esto aumenta el riesgo de descargas disruptivas o arcos eléctricos, especialmente en sistemas de alta tensión.

- Limpieza y mantenimiento realizados manualmente: La combinación de polvo, óxido y otros factores ambientales puede dañar los componentes. La limpieza y el mantenimiento periódicos son imprescindibles, ya que ayudan a prevenir fallos en el sistema.

2) ¿Qué es una subestación aislada en gas (GIS)?

A Subestación con aislamiento de gas (GIS) es un tipo de subestación eléctrica cuyos componentes principales están encerrados en un compartimento metálico que contiene un gas aislante a presión. La GIS es más compacta que las subestaciones tradicionales, ya que utiliza hexafluoruro de azufre (SF₆) como gas de subestación. Es ideal para zonas con espacio limitado o con condiciones climáticas extremas.

¿Cómo funciona una subestación aislada en gas?

Una subestación GIS contiene componentes de alta tensión, como barras colectoras y transformadores de potencia, sellados dentro de compartimentos metálicos llenos de gas SF₆. Este gas posee una alta rigidez dieléctrica, lo que le permite evitar la formación de arcos eléctricos entre los conductores. El diseño cerrado protege el equipo de la lluvia, el polvo y otros contaminantes.

La electricidad se transporta a la subestación, donde se canaliza a través de diversos componentes con aislamiento de gas, como interruptores automáticos, barras colectoras e interruptores de desconexión. Estos dispositivos controlan el flujo y aumentan o reducen la tensión según sea necesario.

• Propósito del gas SF₆

El hexafluoruro de azufre, o SF₆, es incoloro, inodoro e inflamable. Se utiliza en sistemas de información geotécnica (GIS) por sus excelentes propiedades aislantes y su capacidad para extinguir un arco eléctrico.

• Ventajas del SF₆:

• Soportar y mantener voltajes mucho más altos donde la electricidad no puede escapar de la contención.

• Mejora la seguridad del sistema al suprimir arcos (chispas) durante la conmutación.

• Reduce las restricciones de espacio del material y permite que los componentes de configuración se coloquen más cerca unos de otros.

• Desventajas del SF₆:

• Actúa como un gas de efecto invernadero y plantea un problema ambiental cuando se libera a la atmósfera.

• Las regulaciones prohibitivas para el manejo, almacenamiento y eliminación de materiales crean el potencial de que se produzcan fugas ambientales accidentales.

• Los sistemas de subestaciones aisladas con gas (GIS) requieren un sellado adecuado para contener el gas durante períodos prolongados.

• A pesar de estas consideraciones, el SF₆ sigue siendo la mejor opción para muchos sistemas de alto voltaje.

Componentes clave del SIG

i) Disyuntores aislados en gas: Estas unidades interrumpen el flujo de corriente durante fallas mediante contactos eléctricos sellados en contenedores. Pueden llenarse con SF₆ y soportar tensiones muy altas sin esfuerzo.

ii) Barras colectoras aisladas en gas: Estas piezas facilitan la conducción eléctrica entre los diferentes dispositivos ubicados dentro de la subestación. Su diseño compacto permite un mayor flujo de energía en un espacio reducido.

iii) Transformadores de potencia sellados (externos o internos): Los transformadores pueden estar ubicados en un sistema de aislamiento externo (GIS) o parcialmente cubiertos. Estos transformadores modifican los niveles de tensión de forma segura, sin contacto directo con el aire.

iv) Unidades de Monitoreo y Control de Gas: Estos ayudan a monitorear la presión y la calidad del gas. En particular, facilitan la detección temprana de fugas y garantizan el funcionamiento seguro del sistema.

Las barras colectoras aisladas con gas permiten la contención compacta de todas las partes del sistema manteniéndolo ordenado y limpio, al tiempo que requieren que las unidades se almacenen en carcasas metálicas rellenas de gas aislante para mantenerlas protegidas.

Escenarios típicos de aplicación de los SIG

Las subestaciones aisladas en gas (GIS) son las más adecuadas para las siguientes regiones:

• Áreas urbanas y metropolitanas: Los SIG son una excelente solución a los problemas y necesidades de las grandes ciudades (áreas metropolitanas), donde el terreno es escaso y costoso. Su diseño compacto permite la construcción en sótanos, azoteas o pequeñas parcelas.

• Zonas Costeras e Industriales con Vientos Severos: El GIS es ideal para zonas con sal, polvo o alta humedad. Su diseño sellado protege los componentes de la corrosión y la suciedad.

• Sistemas de metro y de montaje en tejado: Los SIG pueden instalarse en túneles y estaciones subterráneas, así como en la azotea de edificios. Son flexibles y no requieren grandes espacios abiertos.

• Aeropuertos, ferrocarriles y centros de datos: Los proyectos de infraestructura sensibles confían en GIS debido a su confiabilidad, seguridad y capacidad para operar en espacios restringidos o cerrados.

Ventajas de los SIG

A continuación se muestra una lista de las principales ventajas de tener un gas aislado estación de distribución.

+ Diseño compacto que ahorra espacio: En comparación con el AIS, el SIG requiere mucho menos espacio. Puede instalarse en zonas urbanas concurridas sin mayores complicaciones.

+ Funcionamiento fiable en entornos hostiles: El sistema sellado impide la entrada de polvo, humedad y contaminación. El SIG funciona bien en desiertos, regiones nevadas y zonas costeras.

+ Mantenimiento mínimo necesario: Los sistemas GIS cerrados evitan la necesidad de limpieza regular o reparaciones relacionadas con el clima, ya que todas las piezas están cubiertas. Esto ayuda a reducir los costos operativos a largo plazo.

+ Riesgo reducido de electrocución/incendio: Los gabinetes sellados y conectados a tierra evitan la posibilidad de descargas eléctricas o incendios, lo que mejora enormemente la seguridad del personal cercano que trabaja con GIS.

Desventajas de los SIG

Si bien el SIG tiene sus ventajas, también tiene algunas desventajas:

- Más caro: En comparación con los AIS, los sistemas GIS cuestan más de construir debido a los contenedores de gas, los sistemas de sellado y la necesidad de un manejo especial.

- Retrasos debidos a mantenimiento especializado y herramientas: La necesidad de herramientas especializadas y trabajadores capacitados puede retrasar las reparaciones, aumentando la cantidad de tiempo necesario para el mantenimiento de rutina, lo que puede reducir la eficiencia general.

- Impacto ambiental del gas SF₆: Aunque su uso es seguro, el gas SF₆ supone un impacto peligroso en el medio ambiente si se produce una fuga. Es necesario establecer normas de sujeción rigurosas para limitar los daños.

- Componentes difíciles de agregar: Incorporar nuevos componentes a sistemas SIG existentes es más difícil que expandir sistemas AIS. Los diseños sellados no planificados dificultan las futuras ampliaciones.

3) AIS vs. GIS: Diferencia clave

La elección entre una subestación aislada en aire (AIS) y una subestación aislada en gas (GIS) depende de diversos factores. Cada una tiene sus ventajas y desventajas y ofrece un mejor rendimiento en diferentes situaciones. A continuación, se presentan las diferencias fundamentales entre ambos tipos de subestaciones.

a) Requisito de espacio

AIS: Un AIS requiere un amplio espacio abierto, ya que todos sus componentes están distribuidos e instalados al aire libre. Se necesita un área amplia para construirlo.

SIG: Gracias a su diseño compacto, el GIS puede instalarse en espacios reducidos como sótanos, azoteas o incluso bajo tierra. Todas las piezas están selladas en pequeñas cajas metálicas.

b) Tiempo de instalación

AIS:  Debido a la amplia distribución y al extenso trabajo en exteriores requerido, la instalación de AIS requiere más tiempo. Las obras en obra con mal tiempo también pueden ocasionar retrasos.

SIG:  Gracias a la gran cantidad de piezas preensambladas, el GIS se instala más rápido. El cronograma de instalación se mantiene porque se ve menos afectado por las condiciones climáticas.

c) Necesidades de mantenimiento

AIS:  Dado que el AIS está expuesto al ambiente, el polvo, la humedad y la contaminación pueden afectar significativamente su rendimiento. Es necesario limpiarlo y revisarlo periódicamente.

SIG:  Gracias al sello que posee el GIS, necesita muy poco mantenimiento, lo que reduce los costos de mantenimiento a largo plazo.

d) Costo inicial

AIS:  El AIS es más económico de construir. Los componentes son más económicos y no requiere carcasas ni sistemas de gas especiales.

SIG:  El SIG requiere una mayor inversión inicial. El costo es mayor debido al sistema de gas, los contenedores sellados y el equipo de protección.

e) Seguridad y confiabilidad

AIS:  La seguridad con AIS existe, pero puede verse afectada por el clima, los animales o incluso el polvo. Los equipos diseñados para uso en exteriores son propensos a fallar en condiciones adversas.

SIG: El GIS es superior en cuanto a fiabilidad. Su construcción sellada impide la entrada de todo tipo de elementos: clima, polvo y pequeños animales. Además, es más seguro de usar, lo que minimiza el riesgo de fallos.

f) Impacto ambiental

AIS: El AIS no presenta riesgos ambientales, ya que utiliza aire como aislante. Sin embargo, la cantidad de tierra que utiliza podría alterar los hábitats naturales, lo cual es preocupante.

SIG: El diseño de SIG contiene gas SF₆, considerado un potente gas de efecto invernadero. Si se permite su escape, podría ser perjudicial para el ecosistema. Es necesario utilizar métodos adecuados de manejo.

g) Capacidad de expansión

AIS: Con AIS, se pueden agregar más componentes y la expansión es más conveniente con un poco de espacio adicional.

SIG:  La planitud y compacidad de los equipos SIG dificultan su expansión. El diseño sellado, junto con su diseño compacto, implica que se requerirá trabajo adicional a menos que los cambios se diseñen desde el principio.

h) Idoneidad según la ubicación

AIS:  Se adapta mejor a zonas rurales, centros industriales o cualquier otro lugar con mucho terreno. Es apropiado cuando hay espacio suficiente.

SIG:  Los SIG funcionan mejor en regiones metropolitanas, zonas costeras o zonas con condiciones climáticas severas. Funcionan bien cuando hay poco espacio o condiciones adversas.

Característica	AIS (Subestación aislada en aire)	GIS (Subestación aislada en gas)
Espacio Necesario	Gran área abierta	Compacto; se adapta a espacios pequeños.
Tiempo de instalación	Más lento	Más rápido
Mantenimiento	Limpieza y controles frecuentes	Muy poco mantenimiento
Costo Inicial	Más Bajo	Más alto
Confiabilidad	Afectado por el clima y la suciedad	Alto; sellado y protegido
Riesgo ambiental	No hay gas involucrado	Riesgo de fuga de gas SF₆
Facilidad de expansión	Fácil de ampliar con espacio.	Es difícil expandirse sin planificación
Ideal para	Ubicaciones rurales y abiertas	Sitios urbanos, costeros o con espacio limitado

4) ¿Cómo elegir la subestación adecuada para su proyecto?

Encontrar la subestación adecuada puede parecer una tarea compleja, pero se vuelve muy sencillo una vez que se sabe a qué prestar atención. A continuación, se presentan seis factores fundamentales que debe tener en cuenta al tomar la decisión.

• Capacidad de espacio: Actualmente, aún hay una gran área disponible para AIS, ya que todos sus componentes están instalados. Es ideal para espacios abiertos, como regiones industriales o zonas rurales. Los SIG son pequeños y se adaptan a áreas con poco espacio disponible, como edificios urbanos o estructuras subterráneas.

• Aspectos ambientales: El polvo, la suciedad y otros contaminantes afectarán el flujo de trabajo y otras partes móviles del sistema. Por eso, si su sitio es propenso al polvo, la contaminación o el aire salino, el SIG es una opción mucho mejor, ya que está completamente aislado y protegido de factores externos.

• Consideraciones financieras: Trabajar con presupuestos limitados favorecería los SIA debido a sus menores costos iniciales. Los SIG siempre tendrán costos iniciales más altos, pero a menudo resultan más económicos a largo plazo debido a la menor necesidad de reparaciones.

• Tiempo de instalación: Los sistemas más grandes requieren más tiempo de instalación y configuración, como es el caso de los SIA. Los SIG son mucho más rápidos de configurar, ya que muchos de sus componentes vienen preensamblados en piezas más pequeñas.

• Cantidad de mantenimiento necesario: Un menor mantenimiento suele implicar menos esfuerzo y costes, y precisamente por eso los SIG son una mejor opción. A diferencia de los SIA, los SIG son mucho más silenciosos y requieren menos mantenimiento.

5) Conclusión

En resumen, tanto el AIS como el GIS tienen sus ventajas según los requisitos específicos de su proyecto. El AIS es económico y ofrece un buen rendimiento en espacios abiertos, pero requiere mucho mantenimiento y su instalación es lenta. El GIS es más caro, pero ofrece un rendimiento fiable en entornos compactos y exigentes. Al seleccionar una subestación, tenga siempre en cuenta su presupuesto, el espacio disponible, las condiciones climáticas y los objetivos a largo plazo del proyecto.

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6) Preguntas frecuentes

1. ¿Qué es mejor, AIS o GIS?

La decisión se toma en función de la disponibilidad de espacio, el presupuesto y otros factores ambientales. Para soluciones rentables en espacios abiertos, opte por AIS. Si requiere fiabilidad y compacidad, y puede trabajar en espacios extremos o reducidos, GIS es la mejor opción.

2. ¿Cuánto cuesta el SIG en comparación con el AIS?

Debido a su geometría, diseño compacto, tecnología de aislamiento de gas y componentes sellados, el GIS es más caro inicialmente. El AIS es más económico al principio, pero se espera un aumento en el mantenimiento y los costos con el tiempo.

3. ¿Por qué las subestaciones GIS son más adecuadas para aplicaciones urbanas?

En GIS, su compacidad, sellado y tamaño reducido lo hacen ideal para zonas urbanas con alta densidad de población. Ofrece un mejor servicio en entornos contaminados y, gracias a sus menores requisitos de mantenimiento, garantiza un servicio confiable.

4. ¿Es el AIS adecuado para condiciones climáticas severas?

Las nevadas intensas, los vientos fuertes o la lluvia pueden afectar negativamente la eficacia del sistema AIS. Los componentes exteriores pueden dañarse, por lo que el GIS es una mejor alternativa para condiciones más adversas.

5. ¿Qué subestación es más rápida de instalar?

Gracias a su tamaño compacto, el GIS se instala más rápido gracias a sus componentes preensamblados. La configuración extendida del AIS hace que su instalación sea más lenta.