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Aparamenta de tensión ultra alta para impulsar a China
Walter Holaus, Fredi Stucki
China necesita urgentemente energía eléctrica. Por todo el país se han levantado
enormes centrales eléctricas, y la gran cantidad de energía eléctrica que fluye a las
grandes megaciudades tiene que cruzar varios miles de kilómetros desde su origen
hasta el usuario final.
Con esas dimensiones, las pérdidas en las líneas eléctricas pueden ser importantes.
La Red Eléctrica Estatal de China (SGCC) tiene como objetivo los 1.100 kV como el nivel
de tensión para la transmisión de CA a fin de tener unas pérdidas tan pequeñas como
sea posible, lo que constituye un paso hacia un nuevo dominio de redes eléctricas.
ABB, junto con sus socios y proveedores, ha desarrollado el núcleo de ese tipo de
sistema: un diseño de aparamenta con aislamiento en gas que pueda superar todas las
pruebas con esta tecnología innovadora.
20 Revista ABB 4/2008

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Un suministro fiable de energía
eléctrica es una de las columnas
vertebrales de las economías modernas.
Su funcionamiento seguro y fiable
depende principalmente de la aparamenta
de alta tensión, la parte nuclear
de un sistema de energía eléctrica. El
interruptor automático de alta tensión
de esta aparamenta es con frecuencia
el último baluarte cuando se trata de
proteger los grandes sistemas en caso
de cortocircuito.
Las redes eléctricas y las correspondientes
subestaciones son bien conocidas
como sistemas aislados en aire en los
que la alta tensión se mantiene separada,
tanto de tierra como de las personas,
por distancias de decenas de
metros.
Otra forma mucho más compacta de
construir aparamenta de alta tensión es
el diseño aislado en gas: la aparamenta
aislada en gas (GIS) Cuadro 1 .
malmente en las regiones costeras, a
miles de kilómetros de distancia. Se
precisan sistemas UHV, tanto de CA
como de CC, para abordar el aumento
del consumo de energía eléctrica y para
potenciar el actual sistema de transmisión
[1,2].
Cuadro 1 Aparamenta aislada en gas (GIS)
La aparamenta aislada en gas se utiliza
ampliamente en los sistemas de transmisión
y distribución de alta tensión. ABB es el
proveedor principal de GIS en los niveles de
tensión para transmisión. Los productos de
GIS de ABB abarcan tensiones nominales de
72 kV a 800 kV con intensidades nominales
de hasta 4.000 A y capacidad de conmutación
de intensidades de cortocircuito de
hasta 63.000 A. Las GIS se utilizan en aplicaciones
interiores y exteriores. Las funciones
proporcionadas por las GIS son conmutación,
desconexión, puesta a tierra y medida.
Como sistema que comprende muchos
La Red Eléctrica Estatal de China (SGCC),
uno de los mayores clientes de ABB,
empezó hace unos años a diseñar un
sistema de CA con una tensión nominal
de 1.100 kV [3]. Este proyecto inició
importantes esfuerzos de investigación
y desarrollo en institutos de investigación
y en fabricantes de equipos [4].
componentes, hay que optimizar cada GIS
para la aplicación en cuestión. Los componentes
de las GIS tienen un diseño coaxial
con un conductor interior y otro exterior,
llenos con gas hexafloruro de azufre (SF 6
)
con una sobrepresión de varios cientos de
kPa. Se conectan entre sí por medio de
bridas sujetas con pernos; por ello, desde
fuera, las GIS parecen grandes conductos.
Los diseños de las subestaciones se denominan
“GIS híbridas” si sus componentes
(por ejemplo, barras de distribución o
conexiones a líneas aéreas) están aislados
en aire.
La tecnología GIS se presentó
en el mercado en
1966 con la primera subestación
subterránea GIS
de 170 kV entregada al
centro urbano de Zurich.
La tecnología GIS se presentó en el
mercado en 1966 con la primera subestación
subterránea GIS de 170 kV entregada
al centro urbano de Zurich 1 . En
1976, ABB entregó la primera GIS de
500 kV en Claireville, Canadá. Con la
instalación de la primera GIS de 800 kV
en Sudáfrica en 1986, ABB demostró
su liderazgo tecnológico también en el
nivel de tensión ultra alta (UHV) Cuadro 2 .
La denominada subestación alfa ha estado
en servicio durante más de 20 años
sin ningún fallo o interrupción no programada.
La GIS de 500 kV de Itaipu,
Brasil, continúa siendo la mayor instalación
del mundo, pero pronto se verá
superada por la GIS de ABB en el interior
de la Presa de las Tres Gargantas
en China.
China y su innovadora tecnología GIS
China es un país enorme donde la
generación de energía eléctrica tiene
lugar principalmente en la parte occidental,
y los centros de carga están nor-
Revista ABB 4/2008
Cuadro 2 Tensión ultra alta (UHV)
Los sistemas de energía eléctrica trabajan a
distintos niveles de tensión para optimizar el
rendimiento de la transmisión, minimizar las
pérdidas eléctricas y el consumo de materiales,
y mantener la máxima seguridad de trabajo.
Las normas IEC establecen niveles de
tensión normalizados hasta 800 kV. Los sistemas
que funcionan a una tensión nominal
superior a 550 kV se denominan sistemas de
“tensión ultra alta”. Se emplean cuando hay
que transmitir miles de MW de energía eléctrica
a cientos de kilómetros de distancia.
Puesto que las pérdidas de transmisión son
comparativamente menores a tensiones
mayores, un paso desde los 550 kV a los
1.100 kV reduce esas pérdidas en un factor
de cuatro. Por lo tanto, los sistemas UHV
son especialmente adecuados para transportar
eficientemente grandes volúmenes de
energía a grandes distancias.
1 La historia de las GIS de ABB: desde los primeros proyectos de investigación a la mayor
instalación del mundo en 50 años
© ABB Power Technology Products, BU PPHV -1
Primera GIS de 170 kV
Sempersteig (CH)
Primeras
investigaciones
Primera GIS de 500
kV Claireville (CA)
Primera GIS de 800
kV Alpha (ZA)
Primera GIS de
500 kV en Jiangmen,
China
La mayor GIS de
500 kV Itaipu (BR)
1956 1966 1976 1986 1996
Primera GIS de
1100 kV
GIS de 500 kV Jingmen (CN)
Tres Gargantas (CN)
> 170 kV
< 170 kV
2006 2010
21

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Para determinar finalmente la
viabilidad técnica, la SGCC
pidió a un grupo de tres
fabricantes de GIS chinos y
dos japoneses y a ABB que
participaran en el desarrollo
de equipos GIS de UHV para
el proyecto chino de demostración
de CA en UHV. En
2008 se instaló en China central
y comprende casi 600 km
de líneas de alta tensión y
tres subestaciones: Jingmen,
Nanjang y Jing Don Nan.
Proyecto de desarrollo de GIS
300 kV
de UHV ELK-5
Para diseñar e instalar esta
GIS de 1.100 kV, ABB y Xian
Shiky, el mayor proveedor chino de
GIS, establecieron un proyecto de desarrollo
conjunto llamado “ELK-5” (ELK es
el nombre de los sistemas GIS de ABB;
5 indica el nuevo nivel de prestación).
La participación de ABB en este esfuerzo
conjunto se centraba en el diseño
global de la GIS híbrida y en la producción
y envío de los componentes básicos,
mientras que Shiky se centraba
en la producción de todos los demás
componentes: la prueba de tipo –bajo
supervisión de expertos de SGCC y
KEMA– y el montaje y la instalación
de la aparamenta en Jingmen. SGCC
estableció un programa muy exigente:
tras su inicio en noviembre de 2006, la
primera instalación en Jingmen debía
activarse a finales de 2008. La realización
de esto en dos años constituiría un
récord mundial en cuanto a mejora de
una GIS a un nuevo nivel exigente de
tensión; durante este tiempo también
deberían producirse el desarrollo, la
verificación, la prueba de tipo, la fabricación
y la instalación. Para cumplir
este reto, ABB constituyó un equipo de
proyecto con hasta 20 especialistas y
2 Dimensiones de los interruptores de ABB desde 300 kV a 1.100 kV
1100 kV con
resistencia de cierre
Peso total:
7 toneladas
550 kV con
resistencia de cierre
550 kV
Vínculo
Conmutador
de CO
10 m
4 interruptores
Resistencia de cierre
2 interruptores + resistencia de cierre
2 interruptores
1 interruptor
El interruptor de 1.100 kV es una am -
pliación de la actual cartera de interrupdispuso
el acceso prioritario a otros
expertos e instalaciones de prueba.
Duplicación del nivel de tensión
El comportamiento del aislamiento de
la GIS depende de muchos parámetros:
la presión del gas, la geometría de los
electrodos, la forma de impulso – tensión
aplicada y la polaridad o la pureza
del gas SF 6
, por mencionar sólo algunos.
Aunque se hayan estudiado
muchos de estos parámetros en función
de la intensidad del campo eléctrico,
los fenómenos pueden variar considerablemente
con las distintas configuraciones
de campo. Por lo tanto, el factor
fundamental en el diseño de una GIS
para un nuevo nivel de tensión es la
comprensión de los diversos fenómenos
físicos del aislamiento eléctrico dependientes
de la tensión. Hay que aplicar
reglas especiales para el aumento de
escala de cada componente y finalmente
de todo el sistema. Tienen un interés
particular los efectos cuya importancia
aumenta con el nivel de alta tensión,
por ejemplo, los denominados transitorios
muy rápidos (VFT) que se produ-
3.8 m
cen cuando se hace funcionar
un seccionador.
Una tarea especialmente difícil
es encontrar la presión óptima
del gas para estos niveles de
muy alta tensión. Existe un
compromiso entre los parámetros
con influencia de la presión
positiva y negativa en el
comportamiento del aislamiento.
Los estudios de ABB han
determinado que una presión
bastante pequeña del gas SF 6
es la más adecuada para los
componentes de las GIS de
UHV.
La solidez del diseño y la disponibilidad
operativa son también puntos
fundamentales. Por lo tanto, se han
aplicado al diseño de las GIS de UHV
las reglas siguientes:
Encapsulado monofásico para interruptores
Compartimentos separados para las
resistencias de cierre
Márgenes de seguridad para todos los
parámetros eléctricos
Las enormes dimensiones de la aparamenta
de 1.100 kV exigen unos considerables
cálculos mecánicos. Los factores
de escala de los parámetros mecánicos,
por ejemplo, energía de accionamiento,
velocidad de los contactos o
capacidad de presión de ruptura, son
también no lineales en gran medida. En
realidad, un proyecto de desarrollo de
este tipo precisa al menos tantos ingenieros
mecánicos como eléctricos.
Todo el diseño mecánico y eléctrico se
llevó a cabo con herramientas de cálculo
en 3D reales y, cuando fue posible,
se escogieron procesos de fabricación
bien probados.
3 El interruptor de la GIS de ABB con la unidad de accionamiento durante su montaje en fábrica
El interruptor, el componente
principal
El interruptor es un componente de la
aparamenta que puede conectar y desconectar
con seguridad en cualquier
condición de conmutación, por ejemplo,
el funcionamiento normal o la
eliminación de fallos. Su actuación se
realiza en 50 milisegundos después
del disparo.
22 Revista ABB 4/2008

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tores de ABB. Comprende dos depósitos:
uno para los interruptores y otro
para la resistencia de cierre. Los interruptores
y el conmutador de CO que
inserta la resistencia de cierre son accionados
por un mecanismo simple
hidráulico activado por resorte, que
ABB ha desarrollado especialmente
para esta aplicación [5, 6, 7]. En 2 se
muestra una comparación de interruptores
de ABB para distintos niveles
de tensión. Los valores nominales de
1.100 kV y 4.000 A corresponden a una
potencia nominal de 7.600 MW para las
tres fases. Esto es más que el consumo
medio de energía eléctrica de Suiza. 1)
Con este valor, el interruptor podría
conectar y desconectar toda la energía
eléctrica de Suiza.
El peso total de este moderno interruptor
de UHV es de sólo 7,5 toneladas
gracias a un número óptimo de interruptores
y a las carcasas de aluminio 3 .
Puesto que se trataba del primer equipo
en el mundo de 1.100 kV, había que
probarlo según las normas internacionales
y chinas; los proveedores de los
equipos y, en particular, los laboratorios
de pruebas se enfrentaron así a grandes
problemas. La prueba de tipo del interruptor
se realizó en los laboratorios de
prueba de Xihari en Xian y en ABB en
Suiza 4 .
Se requirió un gran esfuerzo para llevar
a cabo las pruebas de potencia en Xiha-
ri para el nivel de 1.100 kV. Los aspectos
más exigentes fueron:
La fabricación y las pruebas exigieron
el transporte intercontinental de los
equipos de UHV. Fue preciso el transporte
aéreo de los interruptores completos
y de otros equipos para poder
cumplir el ajustado programa del proyecto.
Amplias exigencias de espacio para el
laboratorio: las pruebas de tensión
combinadas exigieron dos aisladores
a una distancia de más de 13 m, cada
uno de ellos a una distancia de más
de 10 m de las paredes del laboratorio.
Las pruebas de conmutación de
potencia se llevaron a cabo en su
mayor parte sobre medio interruptor
solamente, ya que no se disponía de
la alta tensión suficiente para la solicitación
del interruptor completo.
Esta prueba, denominada de “medio
polo”, requiere un recinto específico
y unos cálculos de graduación de la
tensión.
Como consecuencia de un diseño y una
fabricación realizados cuidadosamente,
el interruptor pudo probarse con éxito
durante la primera serie de pruebas.
El seccionador de la GIS de UHV
La función básica de un seccionador es
desconectar partes de la GIS para poder
realizar de forma segura trabajos de
mantenimiento en las partes desconectadas
y en las puestas a tierra.
4 Equipo humano y punto de prueba para el desarrollo del interruptor de 1.100 kV en el
laboratorio Baden Power Lab (Suiza) después de la prueba del T100
En comparación con un interruptor,
puede actuar de forma relativamente
lenta y necesitar algunos segundos. El
seccionador de 1.100 kV de ABB está
Cuadro
Valores especificados para el proyecto
de demostración de GIS de 1.100 kV
Tensión nominal
Tensión nominal de
impulsos de descarga
Intensidad nominal
del equipo
Intensidad nominal en la
barra de distribución
Intensidad nominal
de cortocircuito
1.100 kV
2.400 kV
4.000 A
8.000 A
50 kA
5 Sección transversal del seccionador de UHV
a
a Accionamiento
b Contacto móvil
c Contacto fijo
d Aislante
e Aislante
e
b
6 Instalación para las pruebas de conmutación
del seccionador en el laboratorio STRI
better quality
picture without text
a
c
b
d
c
d
f
g
e
a Casquillo
b Casquillo
c Transformador de prueba CA de alta tensión
d Transformador de prueba CC de alta tensión
e Interruptor automático
f Barra de distribución GIS UHV busbar
g Desconector en prueba
Revista ABB 4/2008
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diseñado con una configuración
de 90 grados con una
separación visible del conductor
interior de menos de
300 mm. Esta separación puede
soportar más de 3.400 kV
durante las pruebas de alta
tensión. Ésta es una de las
ventajas claras de un diseño
GIS de SF 6
: aislar tensiones
muy altas con distancias
pequeñas. Los conductores
expuestos al aire libre a
3.400 kV precisarían una separación
mínima de 13 m para
impedir la producción de
arcos.
Las pruebas de tipo de conmutación
del seccionador se efectuaron
en el Instituto Sueco para la Investigación
de las Transmisiones (STRI) en
Ludvika, Suecia, el único laboratorio
con las instalaciones necesarias 5 6 . La
maniobra, relativamente lenta, de un
seccionador produce chispas durante el
cierre y la apertura en el espacio entre
los contactos. Estas chispas generan
transitorios muy rápidos (VFT) que se
propagan a través de la GIS, un fenómeno
que ejerce las más altas solicitaciones
EMC (compatibilidad electromagnética)
en los componentes sometidos a
la prueba.
La primera subestación GIS
de UHV en Jingmen
Tras el desarrollo y la prueba de tipo
realizada con éxito en 2007 y 2008,
ABB y Shiky comenzaron el montaje
y el envío de los primeros equipos a
la subestación de Jingmen. Esta subestación
incluye un juego casi completo
de componentes de GIS, tales
como interruptores con resistencias
de cierre, seccionadores, conmutadores
de tierra, trans formadores de intensidad,
barras de distribución, aisladores
y casquillos 7 .
Exhaustivos estudios de configuración
para encontrar la disposición óptima de
los componentes de la GIS demostraron
que lo mejor para la subestación GIS
híbrida de Jingmen sería una configuración
“plana” con una buena accesibilidad
[8]. Esta configuración presenta las
características siguientes:
Todos los equipos de conmutación
de la GIS están colocados próximos
al nivel del suelo.
7 Disposición de la subestación de GIS híbrida de 1.100 kV de Jingmen
Esta disposición plana mejora la solidez
frente a cargas producidas por
fenómenos sísmicos.
Todos los accionamientos están colocados
a una altura inferior a 1,5 m
sobre el suelo, lo que permite un
acceso cómodo y seguro para los
operarios durante la instalación y el
mantenimiento.
No se precisan plataformas ni escaleras.
La configuración puede ampliarse
fácilmente en la dirección de la barra
de distribución.
Precisa un mínimo de construcciones
de acero como estructuras de bahía.
La carga de trabajo “in situ” es pequeña
y permite una rápida instalación.
La subestación se instaló en 2008 cerca
de la ciudad de Jingmen en China Central.
Transmitirá parte de la energía producida
por la central eléctrica de las
Tres Gargantas a la parte norte
de China.
Cómo se cumple un reto
El proyecto de desarrollo
ELK-5 constituyó un gran reto
en muchos aspectos: un diseño
innovador, en un tiempo
de ejecución sin precedentes,
y una colaboración transcontinental
con proveedores y
socios en Europa y China, que
con trasfondos culturales muy
distintos trabajaron en estrecha
unión.
Las pruebas de tipo de los
componentes de la ELK-5 se
efectuaron simultáneamente
en laboratorios chinos, suecos y suizos.
Este proyecto no solamente era el inicio
de una nueva era en la transmisión de
tensión ultra alta, sino también una
potente demostración de las capacidades
combinadas de ingeniería de los
líderes tecnológicos mundiales.
Walter Holaus
Fredi Stucki
ABB Switzerland Ltd.
Zürich, Suiza
walter.holaus@ch.abb.com
fredi.stucki@ch.abb.com
Referencias
[1] International Conference of UHV Power Transmission Technology. (2006). Pekín.
[2] IEC/CIGRE UHV Symposium. (2007). Pekín.
[3] 1,100 UHV AC demonstration project. http://www.sgcc.com.cn/ztzl/zgtgy/tgyzs/41249.shtml.
[4] Sun, Y.; Zhang, D.; Meng, W. (2006). “The Research and Development of 1,100 kV GIS”. International
Conference of UHV Power Transmission Technology, Pekín.
[5] Holaus, W.; Sologuren, D.; Keller, M.; Kruesi, U.; Riechert. (2007). “Entwicklung einer gasisolierten
Schaltanlage für 1,100 kV”. ETG Kongress, Karlsruhe.
[6] Holaus, W.; Kruesi, U.; Sologuren, D.; Riechert, U.; Keller, M. (2008). “Testing of GIS components at
1000 kV rated voltage”. CIGRE Session 2008, SG A3-202, París.
[7] Riechert, U.; Krüsi, U.; Holaus, W.; Sologuren, D. (2008). “Gasisolierte Schaltanlagen für 1,100 kV –
Heraus forderungen an Entwicklung und Prüfung”. Stuttgarter Hochspannungssymposium, Stuttgart, Alemania.
[8] Holaus, W.; Xia, W.; Sologuren, D.; Keller, M.; Kruesi, U.; Riechert, U.; Xu, S.; Wang, C. (2007). “Development
of 1,100 kV GIS equipment: Up-rating of existing design vs. specific UHV design”. IEC/CIGRE UHV
Symposium, Pekín.
Nota a pie de página
1)
5º Informe Anual Suizo de la Energía 2005/2006.
http://www.bfe.admin.ch/energie/00556/index.htmllang=en&dossier_id=01060
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