SISTEMA DE PROTECCION Y PREVENCION CONTRA EXPLOSION E INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA TIPO SUBESTACION

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

ESIME ZACATENCO

“SISTEMA DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA

EXPLOSIÓN E INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE

POTENCIA TIPO SUBESTACIÓN”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN

MIGUEL ANGEL ROBLES GONZÁLEZ

EDGAR ALAN SALAS ARRIAGA

A“K , BELIEVE, RECEIVE

A Dios por darme una familia maravillosa y permitirme vivir en esta época.

A mis padres:

Yolanda González y Raúl Robles; que han sido la motivación más importante en mi carrera para poder conseguir este éxito, ya que su inmejorable ejemplo siempre ha sido una motivación para mí. También sobre todo por su incondicional apoyo y comprensión en todas las etapas de mi vida. Gracias a ustedes eh llegado a donde estoy.

A mi hermano:

Luis Raúl Robles; por ser mi único hermano y compartir su tiempo, su esfuerzo y su vida conmigo, sé que las metas obtenidas tanto de él cómo las mías son compartidas por ambos. Gracias por tu incondicional apoyo y motivación.

A mi abuelita:

María Medina (R.I.P.); que me enseño los valores de la vida y siempre estuvo ahí para darme su cariño y comprensión, sé que aunque ya no está con nosotros sigue celebrando mis triunfos desde un lugar superior. Gracias por las grandes enseñanzas y por todos los momentos que pasaste conmigo.

A mi familia:

Fam. Robles Álvarez y Fam. González Medina; agradeciendo a todos y cada uno de los miembros de estas, ya que siempre serán el apoyo más estable e importante que tengo en la vida, y aunque algunos ya no estén con nosotros, tengamos diferencias y existan momentos malos, siempre estaremos ahí para apoyarnos. Gracias por estar ahí siempre de manera incondicional.

A mis amigos:

A los grades amigos y compañeros que eh tenido a lo largo de mi vida, por compartir sus tiempos, experiencias y parte de su vida conmigo. Gracias por las experiencias del día a día.

GRACIAS.

de lo que empezó en un sueño y ahora es una realidad, quiero agradecer infinitamente el haberme apoyado en mi superación académica.

En primer lugar quiero agradecerle a Dios y a la vida que me han permitido llegar a esta etapa donde me encuentro bendecido por todo lo que me han dado. Les dedico esta obra a mis padres que por su apoyo, comprensión e impulso han hecho que logre una satisfacción que anteriormente se había convertido en un reto y ahora es una forma de vivir.

A ti Papá, que me has brindado toda tu confianza a pesar de las adversidades que se me han presentado a ti que siempre has tratado hacer de mí una persona de bien guiándome al camino de la rectitud de la honradez y del bienestar de mi familia.

A ti Mamá, que día con día has estado al pendiente de mí dándome todo tu cariño y la dulzura que han sido un ejemplo de amor, confianza y fe, y que debido a eso me has demostrarme que eres la mejor madre que pude haber tenido.

A ti Oscar, que me has enseñado el verdadero valor de la hermandad demostrándome que la confianza es un valor que hay que ganarse con hechos como me lo has demostrado.

A ti Betty, que me has ayudado y comprendido en cada situación a ti que has estado en cada paso que he dado y me has apoyado en las situaciones de alegría y descontento.

Ustedes son las personas más importantes de mi vida y a quienes les dedico esta tesis. No podría agradecerle con nada a la vida por haberme permitido formar parte de esta hermosa familia.

También le agradezco a las personas que fueron parte fundamental en mi desarrollo profesional y que fueron también una inspiración para la elaboración de esta tesis, Ing. Jorge Francisco Arvizu Robledo por darme la oportunidad de aprender parte de todo el conocimiento que posee, y también la dedico a con quien compartí más de 8 años de mi vida y fue la mejor amiga que pude tener en la vida y que ya no está físicamente conmigo. Y a mis amigos de toda la carrera que siempre estuvieron conmigo a lo largo del tiempo en el instituto y que me demostraron que hay gente que vale la pena conservarlas toda la vida.

Muchísimas gracias por todo lo que han hecho por mí, estoy y estaré completamente agradecido de por vida con ustedes.

Con cariño.

ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS ... viii

LISTA DE TABLAS... x

GLOSARIO DE TÉRMINOS ... xi

CAPITULO I. "GENERALIDADES" 1.1 INTRODUCCIÓN ... 2

1.2 OBJETIVO GENERAL ... 3

1.2.1 OBJETIVOS PARTICULARES ... 3

1.3 JUSTIFICACIÓN ... 4

CAPITULO II. "SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA" 2.1 ENERGÍA ELÉCTRICA ... 6

2.2 SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) ... 8

2.3 GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ... 9

2.3.1 CENTRALES, TURBINAS Y GENERADORES ... 10

2.3.2 TIPOS DE UNIDADES GENERADORAS ... 10

2.3.3 FUENTES DE GENERACIÓN CONVENCIONALES ... 12

2.3.3.1 CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS ... 12

2.3.3.2 CENTRALES TÉRMICAS O TERMOELÉCTRICAS ... 12

2.3.3.3 CENTRALES NUCLEARES O NUCLEOELÉCTRICAS ... 13

2.3.3.4 CENTRALES EÓLICAS ... 14

2.3.3.5 CENTRALES SOLARES ... 14

2.3.3.6 CENTRALES FOTOTÉRMICAS ... 15

2.3.3.7 CENTRALES FOTOVOLTAICAS ... 15

2.3.3.8 CENTRALES DE BIOMASA ... 16

2.4 TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ... 17

2.4.1 EL TRANSFORMADOR DE ENTRADA ... 17

2.4.3 TRANSFORMADOR ELEVADOR ... 18

2.4.4 TRANSFORMADOR REDUCTOR ... 18

2.4.5 EFECTO SOBRE LA CORRIENTE ... 19

2.5 TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ... 20

2.5.1 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ... 22

2.5.2 SISTEMAS TRIFÁSICOS ... 22

2.5.3 SISTEMAS MONOFÁSICOS ... 22

2.6 DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA... 23

2.6.1 TOPOLOGÍAS TÍPICAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ... 24

2.6.2 RED RADIAL O REDES EN ANTENA... 24

2.6.3 RED EN BUCLE ABIERTO ... 24

2.6.4 RED EN ANILLO O EN BUCLE CERRADO ... 24

2.6.5 CRITERIOS PARA DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN... 25

2.6.5.1 REGULACIÓN ... 25

2.6.6 SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ... 25

2.6.6.1 ARREGLOS DE SUBESTACIONES ... 27

2.6.6.1.1 ARREGLO DE BARRA SENCILLA ... 28

2.6.6.1.2 ARREGLO DE DOBLE BARRA E INTERRUPTOR AMARRE ... 29

2.6.6.1.3 ARREGLO DE DOBLE BARRA DOBLE INTERRUPTOR ... 30

2.6.6.1.4 ARREGLO DE INTERRUPTOR Y MEDIO ... 31

2.6.6.1.5 ARREGLO DE BARRA PRINCIPAL Y BARRA DE TRANSFERENCIA ... 32

2.6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ... 32

2.6.7.1 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ... 33

2.6.7.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ... 33

2.6.7.2.1 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN INDUSTRIAL ... 33

2.6.7.2.2 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN COMERCIALES ... 33

2.6.7.2.3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN URBANA ... 33

2.6.7.2.4 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN RURAL ... 33

2.6.8 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN ... 34

CAPITULO III. "CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES Y USOS"

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES ... 36

3.2 PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO ... 37

3.3 FUERZA ELECTROMOTRIZ ... 38

3.4 MODELADO DE RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN ... 40

3.5 CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES ... 42

3.5.1 NUMERO DE FASES ... 43

3.5.1.1 MONOFÁSICOS ... 43

3.5.1.2 TRIFÁSICOS O POLIFÁSICOS ... 45

3.5.1.3 CIRCUITOS TRIFÁSICOS SIMPLES ... 45

3.5.1.4 CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS ... 47

3.5.2 OPERACIÓN ... 52

3.5.2.1 TRANSFORMADOR DE POTENCIA ... 52

3.5.2.2 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN ... 52

3.5.2.3 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO O MEDICIÓN ... 53

3.5.3 POR APLICACIÓN ... 55

3.5.3.1 TRANSFORMADOR ELEVADOR ... 55

3.5.3.2 TRANSFORMADOR REDUCTOR ... 55

3.5.4 MEDIO REFRIGERANTE ... 55

3.5.5 TIPO DE NÚCLEO ... 57

3.5.6 TIPO DE TANQUE ... 60

3.6 APLICACIÓN Y USOS DE LOS TRANSFORMADORES ... 61

3.6.1 LA IMPORTANCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA VIDA MODERNA ... 62

CAPITULO IV. "FALLAS EN LOS TRANSFORMADORES" 4.1 FALLAS EN TRANSFORMADORES ... 65

4.2 TIPOS DE FALLAS EN TRANSFORMADORES ... 66

4.2.1 FALLAS POR CONDICIONES EXTERNAS ... 67

4.2.1.1 SOBRECARGA ... 67

4.2.1.2 CORTOCIRCUITO ... 68

4.2.1.3 SOBRETENSIÓN ... 68

4.2.1.5 CICLOS DE TRABAJO ... 71

4.2.2 FALLAS INTERNAS ... 72

4.2.2.1 FALLA ENTRE ESPIRAS (CORTOCIRCUITO) ... 72

4.2.2.2 FALLAS EN EL CONEXIONADO ... 73

4.2.2.3 FALLA EN EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO... 74

4.2.2.4 DESCARGAS PARCIALES EN EL ACEITE Y/O EN EL AISLAMIENTO SOLIDO ... 74

4.2.2.5 BAJO NIVEL DE ACEITE (FUGA) ... 75

4.2.2.6 FALLA EN EL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR ... 76

4.2.2.7 FALLAS EN EL CAMBIADOR DE DERIVACIONES ... 76

4.2.3 OTRAS FALLAS ... 76

4.2.3.1 EL ARCO BAJO ACEITE ... 76

4.2.3.2 FALLAS POR FORMACIÓN DE GASES ... 77

4.2.3.3 FERRORRESONANCIA EN TRANSFORMADORES ... 77

4.3 FALLAS EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA CON SU ESQUEMA DE PROTECCIÓN ... 79

4.4 FALLAS EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y SUS CONSECUENCIAS DE ACUERDO AL INCENDIO Y EXPLOSIÓN DE LOS MISMOS ... 81

CAPITULO V. "SISTEMA DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO" 5.1 RIESGOS DE FUEGO EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ... 84

5.1.1 TIPOS DE FUEGO ... 85

5.1.1.1 FUEGO CLASE A ... 85

5.1.1.2 FUEGO CLASE B ... 85

5.1.1.3 FUEGO CLASE C ... 86

5.1.1.4 FUEGO CLASE D ... 86

5.2 MEDIDAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS ... 86

5.2.1 SEGURIDAD DE VIDA ... 86

5.2.2 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS PASIVA ... 87

5.2.3 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS ACTIVA ... 87

5.2.4 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS MANUAL ... 88

5.3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ÁREAS DE RIESGO ... 89

5.3.1.1 ÁREAS DE ALTO RIESGO ... 90

5.3.1.2 ÁREAS DE BAJO RIESGO ... 90

5.3.2 CRITERIOS Y CONDICIONES PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA ... 90

5.3.2.1 MEDIDAS PREVENTIVAS ... 91

5.3.2.1.1 PARÁMETROS DE MANTENIMIENTO ... 91

5.3.2.1.2 FOSA DE CAPTACIÓN ... 91

5.3.2.1.3 TANQUE COLECTOR ... 92

5.3.2.1.4 MAMPARAS ... 92

5.3.2.1.5 CABLES DE POTENCIA, CONTROL, Y SEÑALIZACIÓN ... 92

5.4 SISTEMA CONTRA INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA ... 93

5.4.1 EXPLOSIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA ... 93

5.4.1.1 LIMITACIONES GENERALES DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DEL TRANSFORMADOR ... 94

5.4.1.2 CRITERIOS PARA EL CUMPLIMIENTO DEL FENÓMENO DE EXPLOSIÓN EN EL TRANSFORMADOR ... 94

5.4.2 SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA ... 95

5.4.2.1 SISTEMA CONTRA INCENDIOS CONVENCIONAL (SCI) ... 96

5.4.2.1.1. SISTEMAS CON BASE EN AGUA PULVERIZADA ... 97

5.4.2.1.2 ASPECTOS PREVIOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ... 97

5.4.2.1.3 FUNCIONAMIENTO ... 98

5.4.2.2 SISTEMA DE PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO (SPEI) “SERGI” ... 103

5.4.2.2.1 PRINCIPIOS ... 104

5.4.2.2.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA, FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN ... 107

5.4.2.2.2.1 DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA SPEI ... 107

5.4.2.2.2.2 PRINCIPIO DEL DISEÑO DEL TRANSFORMER PROTECTOR ... 108

5.4.2.2.2.3 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO - MTPA ... 112

5.4.2.2.2.4 FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DEL TRANSFORMER PROTECTOR - MTPA ... 115

CAPITULO VI. "COSTOS"

6.1 COSTO DEL SCI CONVENCIONAL ... 127

6.2 _{COSTO DEL SPEI “SERGI”} ... 129

CONCLUSIONES ... 134

REFERENCIAS ... 135

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 “Sistema Eléctrico de Potencia (SEP)” ... 8

FIGURA 2.2 “Capacidad efectiva instalada por tipo de generación” ... 9

FIGURA 2.3 “Generación por fuente” ... 10

FIGURA 2.4 “Central Hidroeléctrica” ... 12

FIGURA 2.5 “Central Termoeléctrica” ... 12

FIGURA 2.6 “Central Nucleoeléctrica” ... 13

FIGURA 2.7 “Cental Eólica” ... 14

FIGURA 2.8 “Central Fototérmicas” ... 15

FIGURA 2.9 “Central Fotovoltaica” ... 15

FIGURA 2.10 “Central de Biomasa” ... 16

FIGURA 2.11 “Núcleo del Transformador” ... 17

FIGURA 2.12 “Transformador en carga” ... 19

FIGURA 2.13 “Torre para el transporte de energía eléctrica” ... 21

FIGURA 2.14 “Placa de características” ... 21

FIGURA 2.15 “Arreglo debarra sencilla” ... 28

FIGURA 2.16 “Arreglo de doble barra e interruptor de amarre” ... 29

FIGURA 2.17 “Arreglo de doble barra doble interruptor” ... 30

FIGURA 2.18 “Interruptor y medio” ... 31

FIGURA 2.19 “Arreglo de barra principal y barra de transferencia” ... 32

FIGURA 3.1 “Transformador teórico con secundario abierto” ... 36

FIGURA 3.2 “Transformador teórico con secundario abierto” ... 37

FIGURA 3.3 “Representación de la variación sinusoidal del flujo con el tiempo” ... 38

FIGURA 3.4 “Circuito Δ-Δ” ... 45

FIGURA 3.5 “Circuito Δ-Y” ... 45

FIGURA 3.6 “Circuito Y-Δ” ... 46

FIGURA 3.7 “Circuito Y-Y” ... 46

FIGURA 3.8 “Conexión Δ-Y” ... 47

FIGURA 3.9 “Conexión Δ-Δ” ... 48

FIGURA 3.10 “Conexión Y-Δ” ... 49

FIGURA 3.12 “Conexión Δ abierta” ... 51

FIGURA 3.13 “Diagrama Vectorial representativo a la conexión Δ abierta” ... 51

FIGURA 3.14 “Transformador de potencia tipo subestación”... 52

FIGURA 3.15 “Transformador de distribución” ... 53

FIGURA 3.16 “Transformador de corriente” ... 54

FIGURA 3.17 “Transformador de Potencial clásico” ... 54

FIGURA 3.18 “Tipos de núcleos de los transformadores” ... 58

FIGURA 3.19 “Núcleo de sección escalonado” ... 59

FIGURA 3.20 “Núcleo de sección escalonado, acotado por diámetro, ancho y largo en escalón principal” ... 59

FIGURA 3.21 “Ejemplo de un sistema de generación, transmisión y distribución” ... 63

FIGURA 4.1 “Estadísticas de fallas en transformadores de potencia, en base a la red de CFE” .. 65

FIGURA 4.2 “Ejemplo práctico de saturación y por ende sobrecarga en un sistema habitacional” ... 68

FIGURA 4.3 “Sistema de enfriamiento de un transformador de potencia” ... 71

FIGURA 4.4 “Defecto provocado por un cortocircuito entre espiras” ... 72

FIGURA 4.5 “Termografia infrarroja de un transformador de potencia para la deteccion de puntos calientes” ... 73

FIGURA 4.6 “Indicador de nivel de aceite. Contactos de alarma para conexión a un circuito dando una indicación inmediata del bajo nivel de aceite” ... 75

FIGURA 4.7 “Ferrorresonancia en un transformador de 12.47 kV, 500 kVA Núcleo de 5 piernas y con un voltaje de operación de 10 kV” ... 78

FIGURA 5.1 “Presencia del fuego en una Subestación” ... 85

FIGURA 5.2 “Tipos de extintores” ... 88

FIGURA 5.3 “Incendio en una Subestación Eléctrica de Potencia” ... 89

FIGURA 5.4 “Fosa de captación” ... 91

FIGURA 5.5 “Muro contra incendio (mampara protectora)” ... 92

FIGURA 5.6 “Incendio en un Transformador de Potencia” ... 93

FIGURA 5.7“Explosión del Transformador de Potencia” ... 95

FIGURA 5.8 “SPEI SERGI (izquierda) y SCI (derecha)” ... 96

FIGURA 5.9 “Diagrama de Fuerza del SCI” ... 100

FIGURA 5.10 “Diagrama de Control del SCI” ... 101

FIGURA 5.12 “Transformador después de una falla interna” ... 103

FIGURA 5.13 “Curva gasificación de un litro de aceite” ... 105

FIGURA 5.14 “Disco de ruptura del transformer protector (TP)” ... 105

FIGURA 5.15 “Curva Evaporación de un litro de aceite dieléctrico en gas inflamable” ... 106

FIGURA 5.16 “Curva Despresurizacion y no despresurización del tanque” ... 106

FIGURA 5.17 “Transformer protector instalado en un TR de potencia (color verde)” ... 111

FIGURA 5.18 “Transformer Protector Tipo MTPA” ... 112

FIGURA 5.19 “Caja de control del TP” ... 115

FIGURA 5.20 “Gabinete” ... 116

FIGURA 5.21 “Válvula de cierre del conservador” ... 117

FIGURA 5.22 “Detector de fuego” ... 117

FIGURA 5.23 “Conjunto de despresurización”... 118

FIGURA 5.24 “Diagrama lógico de activación del SPEI” ... 119

FIGURA 5.25 “Inicio de la activación del SPEI” ... 122

FIGURA 5.26 “El SPEI en operación” ... 123

LISTA DE TABLAS

TABLA 2.1 “Capacidad efectiva instalada por tipo de generación” ... 9

TABLA 2.2 “Niveles de tensión normalizados en México” ... 34

TABLA 3.1 “Descripción de los tipos de enfriamiento en los Transformadores” ... 56

TABLA 3.2 “Niveles de tensión normalizados para transmisión y distribución en México” ... 62

TABLA 4.1 “Tipos de fallas y esquemas de protección de los transformadores de potencia” ... 79

TABLA 4.2 “Clasificación de los niveles de gas en relación a una posible relación de falla” ... 81

TABLA 5.1 “Sistema contra incendio para transformadores de potencia” ... 97

TABLA 5.2 “Componentes Transformer Protector –MTPA” ... 113

TABLA 5.3 “Comparación entre el CSI Convencional y el SPEI SERGI” ... 124

TABLA 6.1 “Costos por unidad y totales del SCI” ... 128

TABLA 6.2 “Costos por unidad” ... 130

TABLA 6.3 “Precio total del SPEI” ... 132

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Voltaje- La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

Corriente.- La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C·s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.

Potencia.- La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Vatio (Watt).

Interruptor.- Un interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito.

Átomo.-En química y física, átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

SEP.- Sistema Eléctrico de Potencia.

Inducción electromagnética.- La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático.

Central eléctrica.- Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico.

Astronáutica.- La Astronáutica es la rama de la ingeniería dedicada a diseñar y construir ingenios que operen fuera de la atmósfera de la Tierra, ya sean tripulados o no. Abarca tanto la construcción de los propios vehículos como el diseño de los lanzadores que habrán de ponerlos en órbita.

Efecto Joule.- Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.

Aisladores de disco.- Los aisladores de disco son un tipo de aislador empleado en líneas eléctricas de transmisión y distribución. Sus características están normalizadas según el peso o fuerza soportable, nivel de contaminación admisible y diámetro.

Corriente alterna.- Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. Desbroce.- Su significado es limpiar, despejar, descombrar, desembarazar

Seccionadores.- Las cuchillas desconectadoras (llamados también Seccionadores) son interruptores de una subestación o circuitos eléctricos que protegen a una subestación de cargas eléctricas demasiado elevadas. Son muy utilizadas en las centrales de transformación de energía eléctrica de cada ciudad

Topología.-La Topología es el estudio de aquellas propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas. Es una disciplina matemática que estudia las propiedades de los espacios topológicos y las funciones continuas

Fusibles.- En electricidad, se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

Frecuencia.- Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo.

Vector.- El vector es magnitud física con longitud y dirección;

Amperímetro.- Un amperímetro (Ampérmetro) es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico.

Voltímetro.- Un voltímetro (Vóltmetro) es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.

CFE.- Empresa mexicana de generación de electricidad y sus siglas significan Comisión Federal de Electricidad

Dieléctrico.- Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos.

Sobrecarga.- Se dice que en un circuito o instalación hay sobrecarga o está sobrecargada, cuando la suma de la potencia de los aparatos que están a él conectados, es superior a la potencia para la cual está diseñado el circuito de la instalación

Cortocircuito.- Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua.

Impedancias.- La impedancia es una magnitud que establece la relación entre la tensión y la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, la tensión y la propia impedancia se describen con números complejos o funciones del análisis armónico.

Reactancia.- En electrónica se usan además de transistores tres tipos básicos de componentes: resistencias, condensadores y bobinas. Estas dos últimas son las que tienen que ver con la reactancia.

Aislante.- Aislante hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía.

de la radiación infrarroja del espectro electromagnético, utilizando cámaras termográficas o de termovisión, se puede convertir la energía radiada en información sobre temperatura. Volumen.- El volumen es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo. Es una función derivada ya que se halla multiplicando las tres dimensiones.

Capacitor.- En electricidad y electrónica, un condensador (capacitor en inglés) es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).

Explosión.- Una explosión es la liberación de energía en un intervalo temporal ínfimo. De esta forma, la potencia de la explosión es proporcional al tiempo requerido. Los órdenes de magnitud rondan los gigawatts. Los orígenes de las explosiones se suelen dividir en dos clases:

Físicos: mecánicos (choques de móviles), electromagnéticos (relámpagos) o neumáticos (presiones y gases).

Químicos: de reacciones de cinética rápida.

Incendio.- Un incendio es una ocurrencia de fuego no controlada que puede abrasar algo que no está destinado a quemarse. Puede afectar a estructuras y a seres vivos. La exposición a un incendio puede producir la muerte, generalmente por inhalación de humo o por desvanecimiento producido por la intoxicación y posteriormente quemaduras graves. Para que se inicie un fuego es necesario que se den conjuntamente estos tres factores: combustible, oxigeno y calor o energía de activación.

Incipiente.- Que se está iniciando

Homologo.- Se aplica a la cosa que se corresponde con otra o se considera semejante o igual a esta por tener una característica común o ejercer la misma función.

Gases.- Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases, las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas, resultan insignificantes. Trincheras.- En el ámbito militar, se denomina trinchera a las excavaciones en las cuales los sitiadores se ponen al abrigo de los fuegos de la plaza.

Extinción.- La extinción es la desaparición de todos los miembros de una especie o un grupo de taxones. Se considera extinta a una especie a partir del instante en que muere el último individuo de ésta. Debido a que su rango de distribución potencial puede ser muy grande, determinar ese momento puede ser dificultoso, por lo que usualmente se hace en retrospectiva.

Relevador Buchholz.- Es un dispositivo de seguridad montado sobre algunos transformadores y reactores que tengan una refrigeración mediante aceite, equipado con una reserva superior llamada "conservador". El relé de Buchholz es usado como un dispositivo de protección sensible al efecto de fallas dieléctricas dentro del equipo.

Presión.- En física y disciplinas afines, la presión es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.

Presurización.- Mantener la presión atmosférica de un recinto a niveles normales para los humanos, independientemente de la presión exterior.

CAPÍTULO

I

“GENERALIDADES”

Las personas suelen hacer uso de la energía eléctrica en aparatos electrodomésticos o maquinas a diario, esto sin tener en cuenta el proceso y trabajo que lleva el generar, transmitir, distribuir y hasta consumir esa energía.

1.1 INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica se ha vuelto primordial en nuestra sociedad actual, ya que en las actividades diarias de las personas, estas implican la electricidad para su uso en cualquier aparato o lugar. Por estos motivos si deben tener muy en cuenta que los elementos que conforman el Sistema Eléctrico de Potencia Nacional (SEP) deben ser cada vez de mayor calidad y veracidad, para de esta forma poder evitar los percances.

Las personas suelen hacer uso de la energía eléctrica en aparatos electrodomésticos o maquinas a diario, esto sin tener en cuenta el proceso y trabajo que lleva el generar, transmitir, distribuir y hasta consumir esa energía.

En los últimos años los avances tecnológicos han sido sobresalientes, sin embargo en el campo de la energía eléctrica no se han logrado y no se contemplan cambios tecnológicos sustanciales en el corto plazo.

La implementación de una red eléctrica en cualquier zona conlleva a hablar de uno de los

equipos más importantes en el ámbito de la ingeniería eléctrica “el transformador” que es

necesario su uso para poder lograr la acción transformadora que permita la transmisión y distribución de la energía eléctrica hasta el punto de utilización.

Los transformadores de potencia se encuentran entre los equipos más caros instalados en el sistema eléctrico de potencia, en específico más aun en subestaciones y plantas de generación de energía eléctrica.

Es conocido que los transformadores presentan una gran cantidad de materiales eléctricos, mecánicos y químicos; los cuales en su combinación pueden denotar fallas importantes que se presentan en este. Las fallas en los transformadores son cada vez más serias y más tomadas en cuenta, debido a que se presentaría la suspensión del servicio de energía eléctrica en el sistema, lo cual debe solucionarse lo antes posible para impedir pérdidas económicas debidas a estas fallas latentes (internas o externas).

Si bien es cierto que en un sistema eléctrico de potencia existen diferentes esquemas de protección que nos permiten limitar y proteger de forma eficiente al transformador, debido a las fallas presentes en él y a la cada vez mayor sobredemanda que existe, cada vez se presentan más problemas referentes a la explosión de los transformadores de potencia, por lo cual es importante tener presente que se necesita tener una protección (sistema) que nos permita extinguir algún tipo de llama o fuego que se pudiera presentar en el transformador.

1.2 OBJETIVO GENERAL

Demostrar la importancia de contar con un buen sistema de protección y prevención contra explosión e incendio en los transformadores de potencia, siendo este uno de los equipos más caros y fundamentales dentro del Sistema Eléctrico de Potencia, proporcionando con ello seguridad al transformador, a los demás equipos dentro de la instalación y al personal.

1.2.1 OBJETIVOS PARTICULARES

 Conocer la importancia del transformador dentro del Sistema Eléctrico de Potencia.

 Conocer las diferentes fallas que se pueden presentar u ocurrir en el transformador, debido a diferentes factores (internos, externos).

 Demostrar las ventajas y desventajas que presenta un Sistema Contra Incendios Convencional contra un Sistema de Prevención contra Explosión e Incendio (SPEI)

1.3 JUSTIFICACIÓN

La importancia de contar con una investigación que nos permita conocer el tipo de riesgos que son latentes en cada elemento del SEP, más aun en el Transformador de potencia que es el equipo más importante y uno de los más caros instalados dentro del SEP, así como las precauciones para proteger y prever a los demás equipos y al personal, es algo que en cualquier sistema eléctrico de potencia debe tomarse en cuenta.

Es por ello que este trabajo se enfoca precisamente en dar un panorama del lugar que ocupa el Transformador de potencia tipo subestación dentro del Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), de cuáles son sus posibles fallas procurando evitarlas, tomando en cuenta que este tipo de transformador por ser el más utilizado en todo el SEP es aquel tipo que presenta una mayor cantidad de fallas y problemas.

CAPÍTULO

II

“

SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

”

La utilización de la energía eléctrica se ha vuelto primordial en la sociedad puesto que en las actividades diarias de cualquier persona está involucrada la electricidad en aparatos, lugares. Por tal motivo se debe tener en cuenta que los elementos que conforman el sistema eléctrico nacional deben ser de la mejor calidad de tal manera que no se tenga ningún tipo de percance. Cuando se utiliza cualquier aparato electrodoméstico o equipo industrial no se tiene conciencia del proceso y labor que representa de generar hasta consumir esa energía.

2.1 ENERGÍA ELÉCTRICA

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

La posibilidad de explotar distintos tipos de fuentes de energía como corrientes de ríos, combustóleo, gas, Uranio, carbón, la fuerza de los mares y vientos, géiser, etc. de sitios alejados de los centros de consumo, hace posible que la energía eléctrica se transmita a grandes distancias, lo que resulta relativamente económico, ya que es necesaria en la gran mayoría de procesos de producción de la sociedad actual.

Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad.

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.

Tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina, resultando un cambio normalmente desagradable e incluso peligroso, según las circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se le genera, transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados acumuladores.

La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.

La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.).Estos aparatos construidos con el fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.

La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica.

Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializas. Si miras a tu alrededor, verás multitud de objetos que usan la energía eléctrica para su funcionamiento. Esto se debe a estas características:

 Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica: bombillas; calorífica: estufas).

 Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento relativamente alto (no se pierde excesiva energía).

Se denominan centros o centrales de generación a las instalaciones donde se transforma la energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica.

Una vez generada, esta energía de consumo debe ser trasportada hasta los puntos donde se necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etc.

2.2 SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP)

Un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), es el conjunto de centrales generadoras, de líneas de transmisión interconectadas entre sí y de sistemas de distribución esenciales para el consumo de energía eléctrica.

El Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) está formado por tres partes principales:

 Generación.  Transmisión.  Distribución.

En la siguiente figura se muestra el diseño detallado de un Sistema Eléctrico de Potencia mostrando los elementos que lo conforman.

2.3 GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La generación de energía eléctrica de CFE requerida para cubrir la demanda poblacional, de la industria, la agricultura, el comercio y los servicios, se realiza en diferentes tipos de centrales, dependiendo del tipo de generación de la que se trate, tal como se muestra en la siguiente tabla.[1]

Tabla 2.1 Capacidad efectiva instalada por tipo de generación[1]

Tipo de Generación Capacidad efectiva en MW

Termoeléctrica 22,404.69

Hidroeléctrica 11,054.90

Carboeléctrica 2,600.00

Geotermoeléctrica 964.50

Eolo eléctrica 85.48

Nucleoeléctrica 1,364.88

Termoeléctrica

(Productores independientes) 11,456.90

Total 49,931.34

Figura 2.3 Generación por fuente[2]

2.3.1 CENTRALES, TURBINAS Y GENERADORES

La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a través de una red de cables, se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía eléctrica. Para ello, se utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son enormes engranajes que rotan sobre sí mismos una y otra vez, impulsados por una energía externa. Los generadores son aparatos

que transforman la energía cinética “de movimiento” de una turbina, en energía eléctrica.

Los consumidores esperan que la electricidad esté siempre a su disposición cuando conectan un aparato electrodoméstico, encienden una luz, o abren un refrigerador. Para satisfacer estas demandas instantáneas se necesita de un flujo interrumpido de electricidad. Para cumplir con estas necesidades, los generadores de energía eléctrica para servicios públicos y de otra clase operan varios tipos de unidades generadoras de electricidad, que se alimentan de una amplia gama de fuentes de combustible. Entre estas se incluyen combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo), uranio y combustibles renovables (agua, energía geotérmica, aire y otras fuentes de energía renovables).

A la combinación de las fuentes de energía que se utilizan, se les conoce como mezcla de combustible o generación.[2]

2.3.2 TIPOS DE UNIDADES GENERADORAS

petróleo se quema en unidades de producción con motores de combustión interna. La combustión ocurre dentro de los cilindros del motor, el cual está conectado al eje del generador. La energía mecánica que genera el motor impulsa al generador para producir energía.

En las unidades que operan con energía nuclear, la caldera se sustituye con reactor en el cual la fisión de uranio se utiliza para generar vapor e impulsar la turbina.

Las unidades de energía hidroeléctrica utilizan corrientes de agua para hacer girar una turbina conectada a un generador. En un sistema de cascadas, el agua se acumula en depósitos de agua creados por las presas, después se libera a través de conductos para aplicar presión contra los impulsores de la turbina e impulsar al generador. En un sistema de corrientes ribereñas, la fuerza de la corriente ribereña ejerce presión en los impulsores de la turbina para generar electricidad.

La generación de electricidad de fuentes renovables sin agua contribuye en pequeñas cantidades a la generación total de energía. En estas fuentes se incluyen la energía geotérmica, desperdicios, merma de calor, merma de vapor, energía solar, viento y madera.

Entre los diversos tipos de centrales eléctricas que vienen determinados por la fuente de energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas, solares, mare motrices y de biomasa).

Dentro de las energías no convencionales, las energías solares y eólicas son las que mayor implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente de energía.

2.3.3 FUENTES DE GENERACIÓN CONVENCIONALES

2.3.3.1 CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS

Figura 2.4 Central Hidroeléctrica[3]

En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.

2.3.3.2 CENTRALES TÉRMICAS O TERMOELÉCTRICAS

Figura 2.5 Central Termoeléctrica[4]

moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en una gran caldera.

El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.

El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600 º C. Acto seguido, entra en una turbina a través de un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.

2.3.3.3 CENTRALES NUCLEARES O NUCLEOELÉCTRICAS

Figura 2.6 Central Nucleoeléctrica[5]

2.3.3.4 CENTRALES EÓLICAS

Figura 2.7 Central Eólica[6]

En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador).

La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que dispone.

Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45Km/h de velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 Km/h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100Km/h.

Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

2.3.3.5 CENTRALES SOLARES

2.3.3.6 CENTRALES FOTOTÉRMICAS

Figura 2.8 Central Fototérmicas[7]

En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con helióstatos, que reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea para mover el rotor de un generador.

2.3.3.7 CENTRALES FOTOVOLTAICAS

Figura 2.9 Central Fotovoltaica[8]

En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica mediante paneles de células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.

Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas.

2.3.3.8 CENTRALES DE BIOMASA

2.10 Central de Biomasa[9]

La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos naturales.

La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales y agrícolas (restos de poda, pajas, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la remolacha (cultivos energéticos).

2.4 TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

2.4.1 EL TRANSFORMADOR DE ENTRADA

La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos empleados o utilizados en servicios domésticos o industrias, por ello generalmente se usa un transformador en casi todos los equipos domésticos o industriales. Este transformador reduce la tensión a niveles inferiores, más adecuados para su uso en dispositivos compactos, motores, o circuitos con componentes electrónicos.

Un transformador es un conjunto de chapas de hierro muy juntas que tienen dos arrollamientos, uno a cada lado del conglomerado de chapas de hierro.[12]

Figura 2.11 Núcleo del Transformador

Para efectos de nuestro análisis haremos uso de esta simbología:

La bobina izquierda se llama "Arrollamiento Primario" y la derecha se llama "arrollamiento secundario". El número de vueltas en el arrollamiento primario es N1 y el del arrollamiento

secundario N2.Las rayas verticales entre los arrollamientos primario y secundario indican

2.4.2 RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

La relación existente entre el número de espiras del primario y del secundario de un transformador, determinará el valor de la f.e.m. inducida sobre su circuito secundario. Un transformador que posea en su secundario mayor número de espiras que las del primario, inducirá sobre aquel una tensión mayor que la aplicada. A la inversa, un secundario con menor número de espiras que las del primario generará una tensión menor que la del primario.[12]

La relación entre el número de vueltas y la tensión es:

2.4.3 TRANSFORMADOR ELEVADOR

Cuando el arrollamiento secundario tiene más vueltas que el arrollamiento primario (N2 >

N1), la tensión del secundario es superior a la del primario (V2>V1), es decir, N2 : N1 es

mayor que 1 (N2 : N1 > 1). Por lo tanto si N2 tiene el triple de vueltas que N1, la tensión en

el secundario será el triple que la tensión en el primario.

Si N

> N

V

< V

A la vez que elevador de tensión este transformador es "Reductor de Corriente".

Si N

> N

I

< I

2.4.4 TRANSFORMADOR REDUCTOR

Cuando el arrollamiento secundario tiene menos vueltas que el arrollamiento primario (N2

< N1), se induce una tensión menor en el secundario de la que hay en el primario. En este

caso N2: N1 sería menor que 1 (N2: N1 < 1).

Por cada 9 espiras en N1 hay 1 espira en N2.

Esta fórmula se cumple para V1 y V2 eficaces. Como se ha visto, ha habido una reducción

muy grande.

A este tipo de transformador se le llama "Transformador Reductor" (de tensión se entiende). A la vez que reductor es elevador de corriente también.

2.4.5 EFECTO SOBRE LA CORRIENTE

En la figura siguiente se puede ver una resistencia de carga conectada al arrollamiento secundario, esto es, el transformador en carga.[12]

A causa de la tensión inducida en el arrollamiento secundario, a través de la carga circula una corriente. Si el transformador es ideal (K = 1 y no hay pérdidas de potencia en el arrollamiento y en el núcleo), la potencia de entrada es igual a la potencia de salida:

Si aplicamos esta ecuación:

Por lo tanto nos quedaría:

Y al final tenemos esta ecuación:

2.5 TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía eléctrica generada en las centrales eléctricas.

Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la corriente que circulará, reduciéndose las pérdidas por Efecto Joule. Con este fin se emplazan subestaciones elevadoras en las cuales dicha transformación se efectúa empleando transformadores, o bien autotransformadores. De esta manera, una red de transmisión emplea usualmente voltajes del orden de 230 kV y superiores, denominados alta tensión, de 400 kV.

Existen una gran variedad de torres de transmisión como son conocidas, entre ellas las más importantes y más usadas son las torres de amarre, la cual debe ser mucho más fuertes para soportar las grandes tracciones generadas por los elementos antes mencionados, usadas generalmente cuando es necesario dar un giro con un ángulo determinado para cruzar carreteras, evitar obstáculos, así como también cuando es necesario elevar la línea para subir un cerro o pasar por debajo/encima de una línea existente.

Figura 2.13 Torre para el transporte de energía eléctrica[10]

Existen también las llamadas torres de suspensión, las cuales no deben soportar peso alguno más que el del propio conductor. Este tipo de torres son usadas para llevar al conductor de un sitio a otro, tomando en cuenta que sea una línea recta, que no se encuentren cruces de líneas u obstáculos.

Figura 2.14 Placa de características[11]

Al estar estas formadas por estructuras hechas de perfiles de acero, como medio de sustentación del conductor se emplean aisladores de disco y herrajes para soportarlos.[11]

2.5.1 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN

Los sistemas de transmisión esencialmente constan de los siguientes elementos:

 Estaciones transformadoras elevadoras.

 Líneas de transmisión.

 Estaciones de maniobra.

 Estaciones transformadoras reductoras.

Hoy en día, para el transporte de grandes potencias se usan universalmente los sistemas de corriente alterna. Se ha llegado a ello como consecuencia de la simplicidad de los grandes generadores y transformadores de corriente alterna. La tensión de transmisión puede ser adaptada a las necesidades del servicio con mayor sencillez y economía que en caso de sistemas de corriente continua.

El sistema de uso más general en la actualidad es el trifásico. Los sistemas monofásicos solo se usan en ferrocarriles. Los sistemas de transmisión tensión en corriente continua fueron usados en Europa desde 1890 hasta 1937.

2.5.2 SISTEMAS TRIFÁSICOS

Se emplean de modo casi exclusivo para la transmisión de energía, gracias a su simplicidad y al mayor rendimiento de los conductores respecto a los demás sistemas de corriente alterna.

2.5.3 SISTEMAS MONOFÁSICOS

Estos sistemas no pueden, en general, competir con los sistemas trifásicos para la transmisión de energía y se usan tan solo para aplicaciones especiales. La más importante de ellas es la de los grandes ferrocarriles; sise tiene en cuenta el coste del conjunto del equipo, la transmisión monofásica resulta ser la más económica.

2.6 DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La Red de Distribución de la Energía Eléctrica o Sistema de Distribución de Energía Eléctrica es un subsistema del Sistema Eléctrico de Potencia cuya función es el suministro de energía desde la subestación de distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente).

Los elementos que conforman la red o sistema de distribución son los siguientes:

 Subestación de Distribución: Conjunto de elementos (transformadores, interruptores, seccionadores, etc.) cuya función es reducir los niveles de alta tensión de las líneas de transmisión (o subtransmisión) hasta niveles de media tensión para su ramificación en múltiples salidas.

 Circuito Primario

 Circuito Secundario

La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas:

 La primera está constituida por la red de reparto, que partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión.

 La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (127/220 ó 220/440 V ).

Las líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red.

2.6.1 TOPOLOGÍAS TÍPICAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN

La topología de una red de distribución se refiere al esquema o arreglo de la distribución, esto es la forma en que se distribuye la energía por medio de la disposición de los segmentos de los circuitos de distribución. En este sentido se enfoca a la forma como se distribuye la energía a partir de la fuente de suministro.

2.6.2 RED RADIAL O REDES EN ANTENA

Se caracteriza por la alimentación por uno solo de sus extremos transmitiendo la energía en forma radial a los receptores y el emisor.

Ventajas: Resaltan su simplicidad y la facilidad que presentan para ser equipadas de protecciones selectivas.

Desventajas: Su falta de garantía de servicio.

Estas desventajas pueden ser compensadas en la actualidad con los dispositivos modernos de desconexión automática de la zona en falla llamados "Órganos de Corte de Red" o la utilización de los dispositivos llamados "Reconectadores" que desconectan y cierran la zona en falla, procurando de esa manera despejar la zona en falla y volver el servicio sobre la línea completa.

2.6.3 RED EN BUCLE ABIERTO

Esto significa que cualquier punto de consumo, en esta estructura, puede ser alimentado por dos posibles caminos eléctricos, dado que uno solo de estos dos caminos es efectivo, la emergencia se realiza mediante esta posibilidad de bucle.

Ventajas: Todas las ventajas de la distribución en redes radiales y además la posibilidad de alimentar alternativamente de una fuente u otra, con lo que ante situaciones de falta y utilizando los OCR y Reconectadores, quedaría siempre fuera de servicio la zona en falta más pequeña posible y el resto de la línea en servicio

Desventajas: Si la estructura está alejada del pararrayos la electricidad seria dirigida a las puntas de la tierra lo cual afectaría a las estructuras cercanas.

2.6.4 RED EN ANILLO O EN BUCLE CERRADO

Se caracteriza por tener dos de sus extremos alimentados, quedando estos puntos intercalados en el anillo o bucle.

2.6.5 CRITERIOS PARA DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN

2.6.5.1 REGULACIÓN

La regulación se relaciona con la caída de tensión en los conductores de una red determinada, en generadores y transformadores eléctricos. No resulta conveniente que haya una caída de tensión excesiva en el conductor por que el usuario final o transformador de Media Tensión (MT) a Baja Tensión (BT) estaría alimentado por un valor reducido de tensión muy distinto al valor asignado.[35]

Existen básicamente dos definiciones de regulación, dependiendo del país donde se haga la instalación:

 Normativa estadounidense: la regulación se define como sigue:

V2n es la tensión en bornes de la carga o transformador

 Normativa europea (IEC): la regulación es definida como:

Donde:

V1n es la tensión aguas arriba de la carga o transformador, es decir en el alimentador

La regulación dada por IEC es mayor que la normativa americana.

2.6.6 SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

Una subestación eléctrica es una instalación destinada a modificar y establecer los niveles de tensión de una infraestructura eléctrica, con el fin de facilitar el transporte y distribución de la energía eléctrica. Su equipo principal es el transformador.

tensión hasta valores comerciales (baja tensión) aptos para el consumo doméstico e industrial, típicamente 127, 220 o 440 V.

La razón técnica que explica por qué el transporte y la distribución en energía eléctrica se realizan a tensiones elevadas, y en consecuencia, por qué son necesarias las subestaciones eléctricas es la siguiente:

 Las pérdidas de potencia que se producen en un conductor por el que circula una corriente eléctrica, debido al Efecto Joule, son directamente proporcionales al valor

de esta ( ).

 La potencia eléctrica transportada en una red es directamente proporcional al valor de su tensión y al de su intensidad ( ).

Por tanto, cuanto mayor sea el valor de la tensión, menor deberá ser el de intensidad para transmitir la misma potencia y, en consecuencia, menores serán las pérdidas por efecto Joule.

Además de transformadores, las subestaciones eléctricas están dotadas de elementos de maniobra (interruptores, seccionadores, etc. y protección fusibles, interruptores automáticos, etc. que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y operación de las redes de distribución y transporte.

Uno de las maniobras más habituales y a la vez, más peligrosa, que se realiza en una subestación eléctrica es la apertura y cierre de interruptores, debido a que, el carácter inductivo de los circuitos, presenta rechazo al corte en la circulación de la intensidad eléctrica que se produce en la apertura de un interruptor.

Pueden aparecer incluso, arcos eléctricos que liberan una gran cantidad de energía, y que pueden resultar peligrosos para las personas e instalaciones.

2.6.6.1 ARREGLOS DE SUBESTACIONES

En el sector eléctrico se han empleado una diversidad de diagramas de conexiones, basándose en los requerimientos que se deben satisfacen para cubrir las expectativas y condiciones propias de las subestaciones de transmisión, subtransmisión y distribución. Algunos arreglos típicos en general, utilizados en las subestaciones del sector son los siguientes:

- Barra sencilla

- Doble barra con interruptor de amarre - Doble barra doble interruptor

- Interruptor y medio

- Barra principal y barra de transferencia

2.6.6.1.1 ARREGLO DE BARRA SENCILLA

Son subestaciones que constan solamente de una barra para cada tensión, por lo que no ofrece mayor grado de flexibilidad, ya que una falla en barras produce la salida total, por lo que se procura que tenga la capacidad de poder ser seleccionada atreves de cuchillas. El mantenimiento en ellas se dificulta al no poder transferir el equipo, su utilización es principalmente en subestaciones de pequeña capacidad o de tipo industrial pequeñas.

2.6.6.1.2 ARREGLO DE DOBLE BARRA E INTERRUPTOR AMARRE

Como en el esquema de doble barra con dos disyuntores, este esquema utiliza dos barras principales, pero cada alimentador cuenta con un par de seccionadores para seleccionar una u otra barra. Un disyuntor junto a un par de seccionadores asociados (acoplamiento) pueden conectar ambas barras entre sí, permitiendo la transferencia de un circuito desde una barra a otra, sin necesidad de interrumpir el servicio. Los circuitos pueden alimentarse desde una sola barra, estar divididos entre ambas barras, o estar conectados a ambas barras, con el disyuntor de acoplamiento cerrado, pero para este tipo de maniobras, se requiere que las protecciones posean una coordinación muy selectiva, para evitar que la subestación completa salga fuera de servicio ante una falla en alguna de las barras. Ante estas posibilidades, es preferible utilizar el acoplamiento sólo para reemplazar la protección de un único circuito cuando su disyuntor se encuentra fuera de servicio, en el caso de contar con un seccionador by pass en el circuito.

2.6.6.1.3 ARREGLO DE DOBLE BARRA DOBLE INTERRUPTOR

Sin duda este arreglo resulta la mejor opción en cuanto a flexibilidad y confiabilidad se refiere, utilizándose en aquellos casos en donde la continuidad es muy importante, tanto en condiciones de falla como en mantenimiento. Su permanentemente energizados y conectados a barras distintas. En estos transformadores de instrumentos, aisladores, barras, etcétera), por lo tanto, no requiere barra, ni equipos de transferencia y su costo resulta muy alto, por lo que solo se recomienda en casos muy especiales en los que se justifica una alta confiabilidad.

2.6.6.1.4 ARREGLO DE INTERRUPTOR Y MEDIO

Esta configuración se llama también de “3 campos” porque tiene 3 campos en serie

conectados a las barras principales. Por cada 2 circuitos convergentes, hay 3 interruptores, o sea 1,5 interruptores por cada circuito: de ello proviene el nombre “interruptor y medio”.

En funcionamiento normal, todos los interruptores están cerrados, con ambas barras energizadas. Para desconectar un circuito convergente, hay que abrir los dos interruptores adyacentes. Este sistema combina la seguridad y facilidades de puenteo de un sistema en malla con la flexibilidad de la doble barra, permitiendo obviar el uso de un disyuntor de acoplamiento entre ambas barras. Para cubrir todas las situaciones de desconexión, los disyuntores deben ser capaces de manejar corrientes combinadas de las cargas de dos circuitos. Si aparece un defecto, en el interruptor central, salen de servicio los dos circuitos, porque abren los interruptores de barra. Si en cambio falla un interruptor en barra, sale de servicio esa barra (abren todos los interruptores adyacentes a esa barra), pero permanecen en servicio los circuitos convergentes.

El servicio de mantenimiento sobre un interruptor cualquiera puede hacerse sin producir interrupción y sin alterar los automatismos de protección. Por su alta seguridad, este esquema se recomienda en subestaciones elevadoras asociadas a generación. El esquema presenta una buena seguridad en barras y en interruptores. Se pueden usar tensiones de 400 y 230 KV y algunas subestaciones de 115 KV.

2.6.6.1.5 ARREGLO DE BARRA PRINCIPAL Y BARRA DE TRANSFERENCIA

Son subestaciones cuyo arreglo resulta más flexible, ya que cuenta con interruptor de transferencia, por lo que para darles mantenimiento no se requiere interrumpir el servicio, aquí la barra principal es la única permanente energizada y sólo al librar algún interruptor se energiza la barra de transferencia. Por contara con mayor cantidad de equipo se está más expuesto a sufrir fallas, incrementándose también su costo y ocupando una mayor extensión de terreno. También al ocurrir una falla en cualquiera de las barras se produce la salida total.

Figura 2.19 Arreglo de barra principal y barra de transferencia.

2.6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

Los principales datos de sistemas eléctricos son la tensión nominal, la frecuencia nominal y su comportamiento en caso de cortocircuito.