Com dissenyar subestacions adequades per a les xarxes elèctriques urbans?

Limitacions clau en el disseny de subestacions urbanes: espai, seguretat i estètica

Superar les limitacions espacials en entorns d'alta densitat

L'espai sempre és escàs per a les subestacions urbanes, especialment quan els preus del sòl a les grans ciutats poden arribar a superar els nou milions de dòlars per acre, segons dades recents de l'Urban Land Institute. L'equipament de commutació aïllat amb gas redueix les necessitats d'espai físic aproximadament en dues terceres parts respecte als sistemes tradicionals aïllats amb aire, cosa que el fa pràcticament indispensable per a la instal·lació d'infraestructures elèctriques en àrees molt densament poblades. L'enfocament modular permet als enginyers apilar transformadors i altres equips verticalment en lloc d'estendre'ls horitzontalment. Les unitats prefabricades de subestació acceleren considerablement el procés quan es treballa en espais reduïts, com ara sales tècniques subterrànies o carrerons estrets entre edificis. La col·locació intel·ligent de tots els equips assegura que hi hagi prou espai al voltant de cadascun d'ells per a les tasques de manteniment, tot mantenint alhora un funcionament fluid i continu dia rere dia.

Garantir la seguretat mitjançant una messa a terra optimitzada i el control de les tensions de pas i contacte

Els sistemes adequats de messa a terra limiten els potencials de pas i de contacte per sota de 5 V durant les fallades, segons les normes IEEE 80-2013. S’aplica una aproximació en capes que combina:

• Elèctrodes enfonsats profundament fins a les capes de sòl de baixa resistivitat
• La connexió equipotencial de totes les estructures metàl·liques
• Una superfície de grava triturada (amb una profunditat de 0,15 m) per augmentar la resistència de contacte

La monitorització contínua de la integritat de la xarxa de terra evita les fallades per corrosió, que causen el 17 % de les interrupcions en subestacions (EPRI, 2023). Els sistemes integrats de protecció redueixen el risc d’arcs elèctrics en un 92 % en instal·lacions urbanes tancades, tal com es confirma al Informe de Seguretat Elèctrica de 2024.

Complir els requisits municipals d’integració visual i reducció del soroll

Els ajuntaments exigeixen nivells de soroll en subestacions inferiors a 55 dB(A) als límits de les propietats, en consonància amb les directrius de l’OMS. Això s’aconsegueix mitjançant:

• Transformadors de baix soroll (<65 dB) amb carcasses insonoritzades
• Barreres acústiques fabricades amb materials compostos
• Un disseny estratègic de ventilació per evitar ressonàncies o amplificacions del soroll

La integració estètica inclou parets verdes, revestiments arquitectònics que coincideixen amb els edificis circumdants i l'enterrament de les línies d'alta tensió. La subestació Riverbank de Chicago és un exemple exitós d’atenuació visual: les seves estructures de ventilació fan doble funció com a instal·lacions artístiques públiques, tot mantenint la redundància N+1.

GIS vs. AIS: Selecció de la tecnologia de subestació òptima per a emplaçaments urbans

Per què l’equipament de commutació aïlat amb gas (GIS) domina el disseny de subestacions en espais restringits

L'equipament de commutació aïllat amb gas (GIS) realment destaca en aquelles zones urbans molt densament poblades on els preus dels terrenys superen els nou milions de dòlars per acre. El disseny compacte, amb cambres tancades de SF6, ocupa aproximadament un 70 % menys d'espai en comparació amb l'equipament de commutació aïllat amb aire (AIS), fet que és molt rellevant quan les subestacions han d'instal·lar-se en espais que només representen el 30 % de la mida habitual abans. Un altre avantatge important? El GIS no es veu afectat per la pols de l'aire ni per la sal de les zones costaneres properes, de manera que les avaries es produeixen aproximadament un 40 % menys sovint en llocs propers a fàbriques o al llarg de les costes. Pel que fa al manteniment, aquests sistemes poden funcionar més de deu anys entre revisions, és a dir, tres vegades més que l'equipament AIS convencional. Això es tradueix en estalvis d'aproximadament 2,1 milions de dòlars al llarg del temps, tot i que el cost inicial és un 20-30 % superior. Per aquest motiu, la majoria d’enginyers opten primer pel GIS quan dissenyen sistemes elèctrics per a grans ciutats, nuclis de metro i hospitals, on la fiabilitat simplement no pot comprometre's.

Quan els quadres elèctrics aïllats amb aire (AIS) segueixen sent viables per a les reformes urbannes

L'equipament de commutació aïllat per aire encara té aplicacions en el món real quan es treballa en xarxes urbans antigues, on la configuració existent facilita la connexió. En analitzar l'ampliació d'aquestes subestacions antigues, que porten més de 100 anys en funcionament, especialment en la gamma de 11 a 33 kV, la instal·lació d'equipaments AIS resulta aproximadament un 40 % menys cara que actualitzar sistemes GIS, segons estudis recents de la recerca sobre la modernització de xarxes de l'any passat. El fet que l'AIS estigui situat a l'exterior permet als enginyers actualitzar-ne les parts progressivament, sense haver de tallar completament l'alimentació, cosa que és molt important en àrees on les companyies elèctriques només poden interrompre el subministre durant períodes breus, potser només quatre hores seguides. És cert que els sistemes GIS ofereixen una millor resistència a les condicions meteorològiques extremes, però l'AIS funciona prou bé en llocs on la pols i la brutícia no són problemes constants, sempre que el manteniment periòdic mantingui tot net. I quan es munta una solució temporal d’alimentació durant la transició entre diferents fases d’una obra, el disseny més senzill dels components AIS permet als equips posar-ho tot en marxa unes dues terceres parts més ràpidament que amb les opcions GIS.

Optimització de la disposició elèctrica i tèrmica per a subestacions urbans

Integració de cables subterranis, atenuació de les interferències electromagnètiques (EMI) i posada a terra coordinada

Cada cop més subestacions urbanes de transformació d’energia recorren als cables soterrats en aquests dies, perquè ja no hi ha prou espai per als cables aeris i, a més, ningú vol aquells llosos feixucs que emboliquen els paisatges urbans. Però aquí hi ha la trampa: fer passar tots aquests cables sota terra pot provocar problemes greus d’interferència electromagnètica que alteren els sistemes de control delicats i l’equipament de comunicacions. Per resoldre aquest problema, els enginyers han d’instal·lar cables especials blindats, assegurar-se que les fases elèctriques estiguin correctament equilibrades quan es col·loquen i mantenir físicament separats els cables de dades de les línies elèctriques. Un altre aspecte absolutament fonamental és fer bé la messa a terra. Totes les parts metàl·liques de la subestació —penseu en les cobertes dels cables, les xarxes de canonades i fins i tot l’estructura d’acer— han d’estar connectades entre si formant una única xarxa de messa a terra. Aquesta configuració ajuda a derivar de forma segura qualsevol fallada elèctrica perillosa i compleix les estrictes normes de seguretat estipulades a la norma IEEE 80-2013 sobre tensions de contacte i de pas.

Estratègies de gestió tèrmica per a configuracions de subestacions tancades o muntades en soterranis

El control tèrmic és imprescindible en subestacions amb limitacions d’espai, tancades o situades sota ras—on l’acumulació de calor accelera la degradació de l’aïllament i redueix la vida útil de l’equipament. Les estratègies eficients inclouen:

• Solucions passives: revestiments absorbents de calor per a les parets, integració de massa tèrmica i trajectòries òptimes de flux d’aire mitjançant modelització per dinàmica de fluids computacional (CFD)
• Refredament actiu: sistemes de ventilació forçada per a equips de mitjana tensió; transformadors refrigerats per líquid per a zones de càrrega elevada
  Monitoratge tèrmic preventiu—mitjançant sensors IoT integrats i detecció d’anomalies impulsada per intel·ligència artificial—prevé punts calents i allarga la vida útil dels actius fins a un 50 % en comparació amb entorns no gestionats.

Subestacions urbans preparades per al futur: escalabilitat, intel·ligència i compatibilitat amb energies renovables

Les xarxes elèctriques urbannes han d’adaptar-se als creixents requeriments dels vehicles elèctrics, de la producció energètica local i dels reptes climàtics. Actualment, els dissenys moderns de subestacions incorporen components modulars que permeten a les empreses distribuïdores ampliar la capacitat progressivament, en lloc de construir-ho tot d’una. Això facilita la connexió d’estacions de càrrega per a vehicles elèctrics, de petites xarxes elèctriques locals o de nous barris en desenvolupament, sense provocar interrupcions majors. També s’està integrant tecnologia intel·ligent, amb intel·ligència artificial i sensors connectats a internet que ajuden a predir quan podria fallar algun equipament, equilibrar les càrregues elèctriques en temps real i aillar ràpidament els problemes, de manera que els tallers no duren tant. Per a fonts d’energia renovables com l’eòlica i la solar, es fan servir configuracions especials que permeten gestionar la seva naturalesa imprevisible, mantenint alhora estables les tensions, fins i tot quan l’energia circula en ambdós sentits per la xarxa. Aquestes adaptacions asseguren que es desaprofiti menys energia neta quan hi ha un excés d’oferta. En mirar cap al futur, les ciutats que invertiran en infraestructures escalables, sistemes intel·ligents de monitoratge i flexibilitat per a l’energia verda construiran fonaments més sòlids per a les seves xarxes elèctriques.

FAQ

Quin és l'avantatge principal de fer servir equipaments de commutació aïllats amb gas (GIS) en subestacions urbanes?

El GIS necessita fins a un 70 % menys d'espai que l'equipament de commutació aïllat amb aire (AIS), el que el fa ideal per a entorns urbans molt densos.

Com asseguren la seguretat les subestacions urbanes?

Mitjançant sistemes de messa a terra optimitzats, vinculació equipotencial i monitorització contínua per prevenir fallades, així com l'ús de sistemes integrats de protecció per reduir els riscos d'arcs elèctrics.

Quines estratègies es fan servir per a la gestió tèrmica en subestacions?

Les estratègies inclouen solucions passives, com la integració de massa tèrmica, i sistemes de refrigeració activa, juntament amb una monitorització tèrmica preventiva mitjançant sensors IoT.