¿Cómo diseñar subestaciones adecuadas para redes eléctricas urbanas?

Principales restricciones en el diseño de subestaciones urbanas: espacio, seguridad y estética

Superación de las limitaciones espaciales en entornos de alta densidad

El espacio siempre es un recurso escaso en las subestaciones urbanas, especialmente cuando los precios del suelo en las grandes ciudades pueden superar los nueve millones de dólares por acre, según datos recientes del Urban Land Institute. Los equipos de interruptores aislados en gas reducen las necesidades de espacio físico aproximadamente en dos tercios comparados con los sistemas tradicionales aislados en aire, lo que los convierte prácticamente en una necesidad para la instalación de infraestructura eléctrica en zonas densamente pobladas. El enfoque modular permite a los ingenieros apilar verticalmente transformadores y otros equipos, en lugar de distribuirlos horizontalmente. Las unidades prefabricadas de subestación aceleran considerablemente los trabajos en espacios reducidos, como salas técnicas subterráneas o estrechas callejuelas entre edificios. La ubicación inteligente de todos los equipos garantiza suficiente espacio alrededor de cada elemento para las tareas de mantenimiento, manteniendo al mismo tiempo el funcionamiento continuo y sin interrupciones día tras día.

Garantizar la seguridad mediante una puesta a tierra optimizada y el control del voltaje de paso y de contacto

Los sistemas adecuados de puesta a tierra limitan los potenciales de paso y de contacto por debajo de 5 V durante fallas, conforme a la norma IEEE 80-2013. Un enfoque escalonado combina:

• Electrodos profundamente clavados que alcanzan capas de suelo de baja resistividad
• Conexión equipotencial de todas las estructuras metálicas
• Superficie de grava triturada (profundidad de 0,15 m) para aumentar la resistencia de contacto

La monitorización continua de la integridad de la malla de tierra previene fallos por corrosión —que causan el 17 % de las interrupciones en subestaciones (EPRI, 2023). Los sistemas integrados de protección reducen los riesgos de arco eléctrico en un 92 % en instalaciones urbanas cerradas, tal como se confirma en el Informe de Seguridad Eléctrica 2024.

Cumplimiento de los requisitos municipales de integración visual y reducción de ruido

Las ciudades exigen niveles de ruido en subestaciones inferiores a 55 dB(A) en las líneas divisorias de propiedades, en consonancia con las directrices de la OMS. Esto se logra mediante:

• Transformadores de bajo ruido (<65 dB) con envolventes atenuadoras de sonido
• Barreras acústicas fabricadas con materiales compuestos
• Un diseño estratégico de ventilación para evitar resonancias o amplificación del ruido

La integración estética incluye muros verdes, revestimientos arquitectónicos que coinciden con los edificios circundantes y el enterramiento de las líneas de alta tensión. La subestación Riverbank de Chicago ejemplifica una mitigación visual exitosa: sus estructuras de ventilación cumplen también la función de instalaciones artísticas públicas, manteniendo al mismo tiempo la redundancia N+1.

GIS frente a AIS: Selección de la tecnología óptima de subestación para emplazamientos urbanos

Por qué los equipos de interruptores aislados en gas (GIS) dominan el diseño de subestaciones con restricciones de espacio

Los equipos de interruptores aislados en gas (GIS) realmente destacan en esas zonas urbanas congestionadas donde los precios de los terrenos superan los nueve millones de dólares por acre. Su diseño compacto, con cámaras selladas de SF6, ocupa aproximadamente un setenta por ciento menos de espacio que los equipos de interruptores aislados en aire (AIS), lo cual resulta fundamental cuando las subestaciones deben instalarse en espacios que representan tan solo el treinta por ciento del tamaño estándar anterior. ¿Otra ventaja importante? Los GIS no se ven afectados por el polvo atmosférico ni por la sal proveniente de zonas costeras cercanas, por lo que la frecuencia de fallos disminuye aproximadamente un cuarenta por ciento en lugares próximos a fábricas o a lo largo de las costas. En cuanto al mantenimiento, estos sistemas pueden funcionar más de diez años entre revisiones, es decir, tres veces más que los equipos AIS convencionales. Esto se traduce en un ahorro acumulado de aproximadamente 2,1 millones de dólares a lo largo del tiempo, aunque su costo inicial sea un veinte al treinta por ciento superior. Debido a todo ello, la mayoría de los ingenieros optan primero por los GIS al diseñar sistemas eléctricos para grandes ciudades, centrales de metro y hospitales, donde la fiabilidad simplemente no puede comprometerse.

Cuando los equipos de conmutación aislados en aire (AIS) siguen siendo viables para las reformas urbanas

Los equipos de interruptores aislados con aire siguen teniendo aplicaciones en el mundo real al trabajar en redes urbanas antiguas, donde la configuración existente facilita su conexión. Al considerar la ampliación de esas subestaciones antiguas, que llevan más de 100 años en funcionamiento —especialmente en el rango de 11 a 33 kV—, la instalación de equipos AIS resulta aproximadamente un 40 % menos costosa que la modernización de sistemas GIS, según estudios recientes publicados el año pasado en la investigación sobre la modernización de redes eléctricas. El hecho de que los equipos AIS se instalen al exterior permite a los ingenieros actualizar sus componentes progresivamente, sin necesidad de interrumpir por completo el suministro, lo cual resulta fundamental en zonas donde las compañías eléctricas solo están autorizadas a realizar cortes de energía durante periodos breves, quizás tan solo cuatro horas cada vez. Es cierto que los sistemas GIS ofrecen un mejor rendimiento frente a condiciones meteorológicas adversas, pero los equipos AIS funcionan adecuadamente en lugares donde el polvo y la suciedad no constituyen un problema constante, siempre que el mantenimiento periódico garantice su limpieza. Además, al implementar soluciones temporales de suministro eléctrico durante la transición entre distintas fases de una obra, el diseño más sencillo de los componentes AIS permite a los equipos de instalación restablecer el funcionamiento aproximadamente dos tercios más rápido que con las opciones GIS.

Optimización del diseño eléctrico y térmico para subestaciones urbanas

Integración de cables subterráneos, mitigación de interferencias electromagnéticas (EMI) y puesta a tierra coordinada

Cada vez más subestaciones eléctricas urbanas están optando por cables subterráneos en la actualidad, ya que simplemente ya no hay suficiente espacio para líneas aéreas, además de que nadie desea que esos feos postes ensucien los paisajes urbanos. Pero aquí radica el problema: instalar todos esos cables bajo tierra puede generar graves problemas de interferencia electromagnética que afectan negativamente los delicados sistemas de control y los equipos de comunicaciones. Para solucionar este problema, los ingenieros deben instalar cables blindados especiales, asegurarse de que las fases eléctricas estén adecuadamente equilibradas durante su colocación y mantener físicamente separados los cables de datos de las líneas de alimentación. Otro aspecto absolutamente crítico es la correcta puesta a tierra. Todas las partes metálicas de la subestación —por ejemplo, las cubiertas de los cables, las redes de tuberías e incluso la propia estructura de acero— deben conectarse entre sí formando una única red de puesta a tierra. Esta configuración permite desviar de forma segura cualquier falla eléctrica peligrosa y cumple con las estrictas normas de seguridad establecidas en la norma IEEE 80-2013 respecto a las tensiones de contacto y de paso.

Estrategias de gestión térmica para configuraciones de subestaciones cerradas o instaladas en sótanos

El control térmico es imprescindible en subestaciones con restricciones de espacio, cerradas o ubicadas bajo rasante, donde la acumulación de calor acelera la degradación del aislamiento y reduce la vida útil de los equipos. Las estrategias eficaces incluyen:

• Soluciones pasivas: revestimientos absorbentes de calor en las paredes, integración de masa térmica y trayectorias optimizadas de flujo de aire mediante modelado por dinámica de fluidos computacional (CFD)
• Refrigeración activa: sistemas de aire forzado para equipos de media tensión; transformadores refrigerados por líquido en zonas de alta carga
  Supervisión térmica proactiva —mediante sensores IoT integrados y detección de anomalías impulsada por inteligencia artificial— previene puntos calientes y prolonga la vida útil de los activos hasta un 50 % en comparación con entornos no gestionados.

Preparación futura de subestaciones urbanas: escalabilidad, inteligencia y aptitud para energías renovables

Las redes eléctricas urbanas deben mantenerse al ritmo de la creciente demanda generada por los vehículos eléctricos, la producción local de energía y los desafíos climáticos. Los diseños modernos de subestaciones incorporan ahora componentes modulares que permiten a las empresas eléctricas ampliar su capacidad de forma gradual, en lugar de construirlo todo de una sola vez. Esto facilita la conexión de estaciones de carga para vehículos eléctricos (EV), redes locales pequeñas de suministro eléctrico o barrios recién desarrollados, sin provocar interrupciones importantes. Asimismo, se está integrando tecnología inteligente: la inteligencia artificial y los sensores conectados a Internet ayudan a predecir cuándo podría fallar un equipo, equilibrar las cargas eléctricas en tiempo real e aislar rápidamente los problemas, de modo que los cortes de suministro no duren tanto. Para fuentes de energía renovable como la eólica y la solar, configuraciones especiales permiten gestionar su naturaleza impredecible, manteniendo al mismo tiempo tensiones estables incluso cuando la energía fluye en ambos sentidos a través de la red. Estas adaptaciones garantizan que se desperdicie menos energía limpia en caso de exceso de oferta. Al mirar hacia el futuro, las ciudades que inviertan en infraestructuras escalables, sistemas inteligentes de monitorización y flexibilidad para la energía verde sentarán bases más sólidas para sus redes eléctricas.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la ventaja principal de utilizar equipos de interruptores aislados en gas (GIS) en subestaciones urbanas?

El GIS requiere hasta un 70 % menos de espacio que los equipos de interruptores aislados en aire (AIS), lo que lo hace ideal para entornos urbanos densamente poblados.

¿Cómo garantizan las subestaciones urbanas la seguridad?

Mediante sistemas de puesta a tierra optimizados, conexión equipotencial y monitoreo continuo para prevenir fallos, así como el uso de sistemas integrados de protección para reducir los riesgos de arco eléctrico.

¿Qué estrategias se emplean para la gestión térmica en las subestaciones?

Las estrategias incluyen soluciones pasivas, como la integración de masa térmica, y sistemas de refrigeración activa, junto con un monitoreo térmico proactivo mediante sensores IoT.