INSTALACIONES
ELÉCTRICAS
INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Antonio Jesús Conejo Navarro José Manuel Arroyo Sánchez
Federico Milano Natalia Alguacil Conde
José Luis Polo Sanz Raquel García Bertrand
Javier Contreras Sanz Antonio Clamagirand Sánchez
Luis López García
Universidad de Castilla-La Mancha
MADRID • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA • MÉXICO NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTIAGO • S ÃO PAULO
AUCKLAND • HAMBURGO • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI • PARÍS SAN FRANCISCO • SIDNEY • SINGAPUR • SAN LUIS • TOKIO • TORONTO
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DERECHOS RESERVADOS © 2007, respecto a la primera edición en español, por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U.
Edificio Valrealty, 1.ª planta Basauri, 17
28023 Aravaca (Madrid) ISBN: 978-84-481-5639-8 Depósito legal: M.
Editor: Carmelo Sánchez González Técnico editorial: Israel Sebastián Diseño de cubierta: ARGA
Compuesto en Gráficas Blanco, S. L.
Impreso en
IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN
ÍNDICE
Prefacio . . . xiii
1. Distribución y suministro de energía eléctrica. . . 1
1.1. Centrales de generación de energía eléctrica . . . 2
1.2. La red de transporte . . . 4
1.3. Las redes de distribución . . . 6
1.3.1. Estructura de las redes de distribución . . . 7
1.3.1.1. Redes radiales. . . 7
1.3.1.2. Redes en anillo . . . 8
1.3.1.3. Redes malladas. . . 11
1.3.2. Selección de una red de distribución. . . 13
1.3.2.1. Redes rurales . . . 13
1.3.2.2. Redes urbanas. . . 14
1.3.2.3. Redes industriales. . . 15
1.3.3. Operación de las redes de distribución . . . 17
1.4. Las redes de baja tensión . . . 18
1.5. El consumo de energía eléctrica . . . 20
1.6. Los sistemas de supervisión, control y seguridad . . . 21
1.7. Resumen . . . 22
1.8. Cuestiones . . . 23
2. Aparamenta . . . 2 5 2.1. Aparatos de maniobra . . . 25
2.1.1. Análisis del cortocircuito. . . 27
2.1.2. Apertura de los circuitos eléctricos . . . 32
2.1.3. Cierre de los circuitos eléctricos . . . 36
2.1.4. Principales aparatos de maniobra . . . 38
2.1.4.1. Interruptor automático . . . 38
2.1.4.2. Seccionador . . . 40
2.1.4.3. Interruptor e interruptor seccionador . . . 42
2.1.4.4. Fusible . . . 42
2.1.4.5. Contactor . . . 45
2.2. Aparatos de transformación . . . 47
2.2.1. Transformador de corriente . . . 47
2.2.2. Transformador de tensión . . . 48
2.3. Aparatos de protección . . . 50
2.3.1. Relé de actuación instantánea . . . 51
2.3.2. Relé de tiempo diferido y relé de tiempo inverso. . . 52
2.3.3. Relé térmico. . . 55
2.3.4. Relé diferencial . . . 58
2.3.5. Relé direccional . . . 61
2.3.6. Relé direccional de tierra. . . 61
2.3.7. Relé de relación . . . 62
2.3.8. Relés de sobretensión y de subtensión . . . 62
2.3.9. Relé de frecuencia . . . 62
2.3.10. Relé Buchholz . . . 63
2.3.11. Cable de guarda y pararrayos . . . 63
2.4. Resumen . . . 64
2.5. Cuestiones y ejercicios. . . 64
3. Cálculo y diseño de redes . . . 69
3.1. Cálculos eléctricos . . . 69
3.1.1. Redes trifásicas . . . 69
3.1.1.1. Distribuidor radial con un consumo . . . 70
3.1.1.2. Distribuidor radial con múltiples derivaciones . . . 73
3.1.1.3. Distribuidor alimentado por los dos extremos. . . 78
3.1.1.4. Distribuidor en anillo . . . 84
3.1.2. Redes monofásicas. . . 85
3.2. Cálculo de la sección de los conductores . . . 88
3.2.1. Criterio térmico . . . 89
3.2.2. Criterio de caída de tensión. . . 93
3.2.3. Criterio de corrientes de cortocircuito. . . 98
3.2.4. Criterio económico . . . 100
3.3. Resumen . . . 101
3.4. Ejercicios . . . 102
4. Instalaciones de conexión . . . 107
4.1. Subestaciones . . . 107
4.1.1. Diseño de las subestaciones . . . 108
4.1.1.1. Subestación de barra simple . . . 109
4.1.1.2. Subestación de barra partida . . . 110
4.1.1.3. Subestación con barra principal y barra de transferencia . . . . 111
4.1.1.4. Subestación con barra doble . . . 111
4.1.1.5. Subestación con barra doble y doble interruptor. . . 113
4.1.1.6. Subestación con barras en anillo o polígono. . . 114
4.1.1.7. Subestación con interruptor y medio . . . 114
4.2. Centros de transformación . . . 116
4.2.1. Clasifi cación de los centros de transformación. . . 116
4.2.1.1. Clasifi cación según el tipo constructivo . . . 116
4.2.1.2. Clasifi cación según el tipo de alimentación . . . 117
4.2.1.3. Clasifi cación según el propietario del CT . . . 118
4.2.2. Esquema general de conexión de un CT a la red de distribución . . . 119
4.2.3. Diseño del transformador de un centro de transformación. . . 121
4.2.3.1. Selección de la potencia nominal . . . 121
4.2.3.2. Determinación de la potencia de emergencia . . . 125
4.2.3.3. Elección de la relación de transformación. . . 126
4.2.3.4. Elección del grupo de conexión del transformador. . . 127
4.2.3.5. Elección de la tensión de cortocircuito . . . 128
4.2.3.6. Elección del tipo de refrigeración . . . 129
4.3. Cuadros eléctricos . . . 132
4.3.1. Clasifi cación de los cuadros eléctricos . . . 132
4.3.2. Cálculo de la potencia disipada por un cuadro eléctrico . . . 134
4.3.3. Cálculo de la temperatura de un cuadro eléctrico. . . 135
4.3.4. Protección de los cuadros frente a cortocircuitos . . . 138
4.3.5. Cuadros eléctricos para uso doméstico . . . 140
4.3.6. Separación, extraibilidad y grado de protección. . . 141
4.4. Resumen . . . 142
4.5. Cuestiones y ejercicios. . . 142
5. Compensación de potencia reactiva y regulación de tensión . . . 145
5.1. Compensación de potencia reactiva. . . 145
5.2. Tipos de compensadores . . . 149
5.3. Regulación de tensión . . . 152
5.4. Relación entre regulación de tensión y potencia reactiva . . . 155
5.4.1. Compensadores inductivo, capacitivo e inductivo-capacitivo. . . 159
5.5. Compensación de los motores de inducción . . . 160
5.6. Resumen . . . 163
5.7. Cuestiones y ejercicios. . . 163
6. Protecciones . . . 165
6.1. Sistemas de protección. . . 165
6.2. Protección frente a sobretensiones. . . 167
6.2.1. Propagación de las ondas en las líneas eléctricas . . . 167
6.2.2. Refracción y refl exión de las ondas electromagnéticas . . . 171
6.2.3. Descargas atmosféricas . . . 172
6.2.4. Ondas de sobretensión y de sobrecorriente normalizadas . . . 176
6.2.5. Nivel de aislamiento (BIL) . . . 178
6.2.6. Posicionamiento de los cables de guarda . . . 179
6.2.7. Posicionamiento de los pararrayos . . . 181
6.2.8. Coordinación de aislamiento . . . 184
6.3. Protección frente a sobrecorrientes . . . 184
6.3.1. Protección de cables . . . 186
6.3.1.1. Protección de cables frente a sobrecargas . . . 186
6.3.1.2. Protección de cables frente a cortocircuitos . . . 190
6.3.2. Protección de redes de distribución. . . 193
6.3.2.1. Zonas de protección . . . 194
6.3.2.2. Protecciones de redes de distribución con alimentación única . 195 6.3.2.3. Protección de los transformadores de los centros de trans- formación . . . 202
6.3.2.4. Protecciones de redes con doble alimentación . . . 204
6.3.2.5. Protecciones de redes en anillo . . . 206
6.3.2.6. Protecciones de líneas en paralelo . . . 207
6.3.2.7. Protecciones de redes malladas . . . 208
6.4. Protección frente a faltas monofásicas . . . 209
6.4.1. Resistencia del centro de estrella a tierra . . . 210
6.4.2. Protecciones frente a faltas monofásicas a tierra en redes con neutro aislado . . . 211
6.4.2.1. Determinación de la fase de la falta . . . 215
6.4.2.2. Bobina Petersen . . . 217
6.5. Protecciones diferenciales . . . 219
6.5.1. Protección diferencial de las barras. . . 219
6.5.2. Protección diferencial de líneas cortas . . . 220
6.5.3. Protección diferencial del transformador . . . 221
6.5.4. Protección de tierra del trasformador . . . 225
6.6. Resumen . . . 227
6.7. Cuestiones y ejercicios. . . 228
7. Instalaciones de puesta a tierra . . . 233
7.1. Conceptos generales de puesta a tierra . . . 233
7.1.1. Conexión a tierra . . . 233
7.1.2. Puestas a tierra de servicio y de protección . . . 234
7.1.3. Razones de la puesta a tierra . . . 235
7.2. Técnicas de puesta a tierra del neutro . . . 237
7.2.1. Puesta a tierra rígida . . . 237
7.2.2. Puesta a tierra a través de reactancia. . . 238
7.2.3. Puesta a tierra a través de resistencia . . . 238
7.2.4. Transformadores de tierra . . . 238
7.3. Esquemas de conexión a tierra en instalaciones de baja tensión . . . 239
7.3.1. Esquema de conexión TN . . . 240
7.3.2. Esquema de conexión TT . . . 241
7.3.3. Esquema de conexión IT . . . 241
7.4. Análisis de la resistencia de tierra . . . 243
7.4.1. Características del terreno . . . 243
7.4.2. Ecuaciones básicas. . . 245
7.4.3. Simplifi caciones usuales . . . 250
7.4.4. Método de imágenes . . . 254
7.4.5. Valores de resistencia de tierra de confi guraciones sencillas . . . 258
7.4.6. Medidas de la resistencia de tierra y de la resistividad del terreno . . . . 261
7.5. Modelado de la red de tierra frente a una onda de corriente tipo rayo . . . 262
7.6. Corrosión en los electrodos de puesta a tierra. . . 265
7.7. Protección de personas. . . 266
7.7.1. Efectos fi siológicos de la corriente . . . 266
7.7.2. Contactos directos e indirectos . . . 267
7.7.3. Cálculo de la corriente en el circuito en falta . . . 271
7.7.4. Cálculo de las tensiones máximas admisibles de paso y de contacto . . 272
7.7.5. Protección diferencial . . . 273
7.8. Resumen . . . 277
7.9. Cuestiones y ejercicios. . . 277
8. Instalaciones de iluminación . . . 285
8.1. Fundamentos básicos de la luminotecnia . . . 285
8.1.1. Naturaleza de la luz . . . 286
8.1.2. Características de las ondas electromagnéticas. . . 286
8.1.3. Espectro electromagnético. . . 287
8.1.4. Propiedades de la luz . . . 287
8.1.5. Magnitudes referentes al cuerpo emisor . . . 289
8.1.6. Magnitudes referentes al cuerpo receptor . . . 290
8.1.7. Color. . . 293
8.1.8. Temperatura de color . . . 293
8.1.9. Índice de reproducción cromática . . . 294
8.1.10. El ojo humano y la percepción de la luz. . . 294
8.1.11. Gráfi cas y diagramas principales. . . 295
8.2. Fuentes luminosas y luminarias . . . 298
8.2.1. Lámparas incandescentes . . . 299
8.2.2. Lámparas fl uorescentes . . . 301
8.2.3. Lámparas de vapor de mercurio . . . 305
8.2.4. Lámparas de vapor de sodio a baja presión . . . 308
8.2.5. Lámparas de vapor de sodio a alta presión . . . 309
8.2.6. Luminarias . . . 310
8.3. Alumbrado de interiores . . . 313
8.3.1. Clasifi cación del alumbrado de interiores . . . 313
8.3.2. Deslumbramiento. . . 314
8.3.3. Método de los lúmenes . . . 314
8.4. Alumbrado de exteriores . . . 318
8.4.1. Clasifi cación del alumbrado de exteriores . . . 319
8.4.2. Método de los lúmenes o del factor de utilización . . . 320
8.5. Resumen . . . 324
8.6. Ejercicios . . . 324
9. Facturación de la energía eléctrica . . . 327
9.1. Medida de potencia y energía . . . 327
9.1.1. Contador de energía activa . . . 328
9.1.2. Contador de energía reactiva . . . 333
9.1.3. Sistemas avanzados de medida . . . 333
9.2. Costes . . . 336
9.2.1. Caracterización de los costes. . . 336
9.2.1.1. Producción . . . 337
9.2.1.2. Transporte y distribución . . . 337
9.2.1.3. Transacción. . . 338
9.2.1.4. Otras actividades . . . 338
9.2.2. Asignación de costes según el régimen de explotación . . . 338
9.3. Tarifas en entornos centralizados. . . 340
9.3.1. Criterios . . . 340
9.3.2. Formación del precio . . . 341
9.3.2.1. Precio de la energía . . . 341
9.3.2.2. Peajes de red. . . 344
9.3.2.3. Precios por actividades de transacción y otras actividades . . 345
9.4. Precios de mercado . . . 347
9.4.1. Criterios . . . 347
9.4.2. Formación del precio . . . 348
9.4.2.1. Precio de la energía . . . 348
9.4.2.2. Peajes de red y actividades de transacción . . . 350
9.4.2.3. Precios por otras actividades . . . 350
9.5. Resumen . . . 353
9.6. Cuestiones y ejercicios. . . 353
10. Proyectos de instalaciones eléctricas . . . 357
10.1. Proyecto de una línea eléctrica aérea de alta tensión . . . 357
10.1.1. Elementos de una línea eléctrica aérea. . . 357
10.1.2. Memoria de un proyecto de línea eléctrica aérea de alta tensión . . 358
10.1.2.1. Cálculos eléctricos de una línea aérea de alta tensión . . 358
10.1.2.2. Cálculos mecánicos de una línea aérea de alta tensión . 359 10.2. Proyecto de un centro de transformación . . . 368
10.2.1. Partes componentes de un centro de transformación . . . 369
10.2.2. Memoria de un proyecto de un centro de transformación . . . 370
10.2.2.1. Cálculos eléctricos de un centro de transformación: co- rrientes nominales y corrientes de cortocircuito . . . 370
10.2.2.2. Cálculos eléctricos de un centro de transformación: ins- talación de puesta a tierra . . . 371
10.2.2.3. Cálculos mecánicos de un centro de transformación . . . 375
10.3. Proyecto de una acometida en baja tensión. . . 375
10.3.1. Memoria de un proyecto de una instalación de acometida en baja tensión . . . 376
10.3.1.1. Cálculos eléctricos de una acometida: potencia de cálculo . . . 377
10.3.1.2. Cálculos eléctricos de una acometida: sección del con- ductor . . . 379
10.3.1.3. Cálculos mecánicos de una acometida: cálculo de ca- nalizaciones . . . 382
10.4. Resumen. . . 383
10.5. Ejercicios . . . 383
A. Circuitos trifásicos de energía eléctrica. . . 385
A.1. Circuitos trifásicos en régimen equilibrado . . . 385
A.1.1. Fases y secuencia de fases. . . 386
A.1.2. Fuentes trifásicas y equivalencias . . . 386
A.1.3. Tensiones y corrientes de fase y de línea . . . 387
A.1.4. Líneas y receptores trifásicos . . . 387
A.1.5. Análisis de circuitos trifásicos. . . 388
A.1.6. Circuito equilibrado estrella-estrella y monofásico equivalente. . . 390
A.1.7. La red eléctrica trifásica. Convenio de tensiones . . . 391
A.1.8. Potencia instantánea y potencia media . . . 392
A.1.9. Potencias activa, reactiva y aparente . . . 393
A.1.10. Potencia compleja y triángulo de potencias . . . 394
A.2. Magnitudes unitarias . . . 395
A.2.1. Magnitudes base . . . 395
A.2.2. Análisis del transformador . . . 397
A.2.3. Cambio de base . . . 400
A.2.4. Aplicación a una red eléctrica . . . 401
A.3. Circuitos trifásicos en régimen desequilibrado . . . 402
A.3.1. Condiciones de desequilibrio o falta . . . 402
A.3.2. Transformación de las componentes simétricas . . . 403
A.3.3. Corrientes y tensiones de desequilibrio o falta . . . 406
A.4. Resumen . . . 410
Bibliografía. . . 411
Biografías . . . 415
Este texto va dirigido a estudiantes de ingeniería que han de conocer los fundamentos de las instalaciones eléctricas para emplearlos en sus respectivos campos de aplicación. En el actual contexto de convergencia europea en educación superior, este texto se dirige a estudiantes de grado en disciplinas científi co-técnicas diversas.
El texto establece los procedimientos de estudio (análisis y diseño) de las instalaciones eléctricas. El contenido abarca las instalaciones eléctricas más comunes con un tratamiento teórico bien fundamentado, excluyendo temas demasiado específi cos. Las instalaciones eléctri- cas constituyen una disciplina aplicada de la que no debe excluirse el rigor y la formalidad. Este texto tiene complemento y continuidad en manuales de máquinas eléctricas y de sistemas de energía eléctrica.
Para seguir adecuadamente este texto se requieren conocimientos elementales de álgebra lineal, cálculo infi nitesimal, y de teoría de circuitos y máquinas eléctricas. El contenido de este texto puede enseñarse en un curso anual de ciento veinte horas o en dos cursos semestrales de sesenta horas: sesenta teóricas, treinta de ejercicios de pizarra y computacionales, y treinta de la- boratorio experimental.
Cada capítulo es una mezcla elaborada de conceptos teóricos y de ejemplos ilustrativos que facilitan la comprensión en detalle de la teoría expuesta. Estos ejemplos se han elabo- rado con particular cuidado y persiguiendo este propósito. Esta perspectiva nos parece de interés y utilidad y se enmarca en la tradición norteamericana de la que hemos aprendido mucho.
Explícitamente, se huye de una aproximación reglamentista a las instalaciones eléctricas.
Consideramos que los reglamentos proporcionan reglas cambiantes y mejorables y que, por tanto, el estudiante debe tener una visión crítica aunque constructiva frente a los mismos, evi- tando su uso no razonado.
El Capítulo 1 proporciona una visión global de los sistemas de energía eléctrica, haciendo hincapié en las redes de distribución y baja tensión, sobre las que versan los siguientes capítu- los de este libro.
En el Capítulo 2 se describe la aparamenta de media y baja tensión, incluyendo aparatos de apertura y cierre de circuitos, aparatos de transformación y dispositivos de protección.
En el Capitulo 3 se proporcionan los procedimientos de análisis y diseño de redes y con- ductores de media y baja tensión, teniendo fundamentalmente en cuenta, los criterios de máxi- ma densidad de corriente y de máxima caída de tensión.
PREFACIO
El Capítulo 4 analiza las instalaciones de conexión, que comprenden las subestaciones, los centros de transformación y los cuadros eléctricos que constituyen la interfaz hombre-instala- ción.
El Capítulo 5 está dedicado a la compensación de potencia reactiva y a la regulación de la tensión. Se trata particularmente la compensación de reactiva de los motores de inducción.
En el Capítulo 6 se analizan las principales protecciones empleadas en las instalaciones de media y baja tensión. Se detallan las protecciones frente a sobretensiones, frente a sobrecorrien- tes y las específi cas de faltas a tierra.
En el Capítulo 7 se analizan en detalle las instalaciones de puesta a tierra, de importancia crucial para asegurar la protección de las personas frente a fallos en el aislamiento eléctrico y frente a faltas de naturaleza diversa.
El Capítulo 8 está dedicado a las instalaciones de iluminación tanto de interior como de exterior. También se establecen las bases de la luminotecnia.
En el Capítulo 9 se describen y analizan los conceptos necesarios para una formación ra- cional de precios y el subsiguiente proceso de facturación. Se revisan brevemente los procedi- mientos de medición de potencia y energía.
El Capítulo 10 recoge lo expuesto en los capítulos anteriores y describe los ingredientes necesarios de un proyecto eléctrico, los cuales se ilustran con diversos ejemplos realistas fun- damentados en la reglamentación vigente.
Se incluye un apéndice que resume la teoría de circuitos trifásicos de energía eléctrica en régimen estacionario sinusoidal, el sistema por unidad y el análisis de desequilibrios y faltas en redes eléctricas.
Al fi nal de cada capítulo se incluye una colección de cuestiones y/o ejercicios, cuyas solu- ciones se adjuntan, y que permiten al lector comprobar su nivel de comprensión del material de cada capítulo.
Este libro es fruto de la experiencia de los autores en la enseñanza de instalaciones eléctri- cas en contextos académicos diversos y durante un buen número de lustros, y se inspira en el principio de que la mejor docencia es la que emana del quehacer investigador.
Queremos expresar nuestro reconocimiento a todos nuestros alumnos que han disfrutado o padecido nuestro interés por las instalaciones eléctricas.
Agradecemos a la Universidad de Castilla-La Mancha el proporcionarnos un entorno ex- cepcionalmente propicio para la investigación, el estudio y la docencia.
Ciudad Real y Toledo, enero de 2007.
1
DISTRIBUCIÓN Y SUMINISTRO
DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía eléctrica se produce en centrales de generación, se transporta a áreas de consumo mediante la red de transporte y se distribuye dentro de las distintas áreas de consumo median- te redes de distribución. Normalmente, y por razones de seguridad, el consumo tiene lugar en baja tensión. La mayoría de los consumidores reciben la energía eléctrica mediante redes de baja tensión conectadas a las redes de distribución. Sin embargo, los grandes consumidores pueden estar directamente conectados a las redes de transporte o distribución y disponer de redes propias de distribución o baja tensión. La generación distribuida, constituida fundamen- talmente por centrales eólicas, se inserta generalmente en las redes de distribución. Las subes- taciones elevadoras permiten la conexión de las centrales de generación a la red de transporte, las de alta tensión a media tensión interconectan la red de transporte y las redes de distribución, mientras que los centros de transformación interconectan las redes de distribución con las redes de baja tensión. El conjunto de centrales de generación, consumos, subestaciones, centros de transformación y redes de transporte, distribución y baja tensión se denomina sistema de ener- gía eléctrica. La Figura 1.1 muestra la estructura de un sistema de energía eléctrica.
En este libro se denomina alta tensión (AT) a tensiones iguales o superiores a 132 kV, me- dia tensión (MT) a tensiones entre 132 kV y 400 V, y baja tensión (BT) a tensiones iguales o inferiores a 400 V. Las reglamentaciones de distintos países establecen defi niciones más preci- sas que por simplicidad no se incluyen en este libro.
La producción de energía eléctrica se realiza en media tensión por limitaciones en el aisla- miento de los alternadores, se transporta en alta tensión para minimizar las pérdidas en el trans- porte, se distribuye en media tensión por razones económicas y de minimización de pérdidas, y en núcleos urbanos se suministra generalmente en baja tensión por razones fundamentalmen- te de seguridad para los usuarios.
En este capítulo introductorio se explican los fundamentos y la estructura básica de las principales centrales de generación, del consumo y de las redes de transporte, distribución y baja tensión. Asimismo, se describen brevemente los mecanismos de supervisión, control y protección de los sistemas de energía eléctrica. Tratándose de un libro de instalaciones eléctri- cas, se hace especial hincapié en las redes de distribución y de baja tensión.
Es importante tener en cuenta que en todo instante (dinámicamente) la energía eléctrica producida debe ser igual a la consumida para que el sistema de energía eléctrica funcione de forma estable. Éste es un condicionamiento singular que diferencia la energía eléctrica de otras energías y que da lugar a una sofi sticación técnica particular, porque cualquier incidente puede
poner en peligro el equilibrio dinámico del sistema. Además, la pérdida de este equilibrio pue- de dar lugar a la pérdida del suministro de algunas o muchas áreas del sistema.
Un sistema de energía eléctrica trabaja bajo la supervisión continua de un sistema de control y protección a efectos de mantener el equilibrio dinámico generación-consumo y solventar los problemas relacionados con la integridad del sistema, como son las faltas en las líneas o las averías en las centrales de producción.
1.1. Centrales de generación de energía eléctrica
Las centrales de generación producen energía eléctrica a partir de alguna fuente de energía primaria. Precisamente, la fuente de energía primaria utilizada permite una clasifi cación de las centrales de generación de energía eléctrica, a saber:
1. Centrales nucleares, que emplean la energía liberada en la fi sión del combustible nuclear para generar vapor de agua que mueve una turbina de vapor a la que está acoplado un alternador que produce energía eléctrica.
Generador
Subestación elevadora
MT/AT
Red de transporte
Subestación AT/MT
Red de distribución
Red de distribución
Red de distribución Consumidor
AT
Consumidor MT
Consumidor BT
Generación distribuida
Centro de transformación
MT/BT
Figura 1.1. Estructura de un sistema de energía eléctrica. AT: alta tensión, MT: media tensión, BT: baja tensión.
2. Centrales térmicas, que queman un combustible fósil (carbón, fuel-oil o gas) para pro- ducir vapor que, como en el caso de las centrales nucleares, permite generar energía eléctrica mediante un conjunto turbina de vapor-alternador. La Figura 1.2 ilustra la es- tructura de las centrales que emplean un conjunto turbina de vapor-alternador para producir energía eléctrica.
3. Centrales de ciclo combinado, que integran una turbina de gas (similar a la turbina de un avión de reacción) que mueve directamente un alternador, y una turbina de vapor que mueve el mismo u otro alternador, y es alimentada con vapor obtenido fundamen- talmente empleando el calor de los gases de combustión de la turbina de gas. La Figu- ra 1.3 ilustra la estructura de una central de ciclo combinado, que incluye dos turbinas, una de gas y otra de vapor.
4. Centrales hidráulicas, que emplean la energía potencial del agua almacenada en un em- balse (centrales de embalse) o la energía cinética de la corriente de un río (centrales de agua fl uyente) para producir energía eléctrica mediante una turbina hidráulica.
5. Centrales de energía renovable, que emplean energía que la naturaleza renueva conti- nuamente. Además de las centrales hidráulicas ya mencionadas, cabe destacar las cen- trales eólicas y las solares. Las centrales eólicas utilizan la energía del viento para mover directamente un alternador eléctrico. Las centrales solares (alejadas aún de los niveles de rentabilidad) son fundamentalmente de dos tipos: las fotovoltaicas, que pro- ducen directamente energía eléctrica mediante células fotovoltaicas; y las térmicas, que concentran la energía solar para producir vapor de agua que se emplea en un conjunto turbina de vapor-alternador para producir energía eléctrica.
Fuente de
vapor Turbina de Alternador
vapor Energía
primaria
Energía eléctrica
Figura 1.2. Centrales térmica y nuclear. Diagrama estructural.
Turbina de vapor
Turbina de gas
Alternador Alternador
Energía eléctrica Fuente
de vapor Calor Energía
primaria
Energía primaria
Figura 1.3. Central de ciclo combinado. Diagrama estructural.
6. Otras centrales. Cabe destacar, entre otras, las centrales mareomotrices, que utilizan la energía que conlleva el desnivel de las mareas; las geotérmicas, que emplean energía geotérmica en zonas con actividad volcánica; las centrales que emplean biomasa; y las de cogeneración, que aprovechan el calor producido al generar energía eléctrica para procesos industriales o acondicionamiento térmico.
Las centrales eléctricas suministran energía a la red de transporte mediante transformadores que elevan la tensión de en torno a 13 kV, que es una tensión típica de generación, a 220 ó 400 kV (132 kV en menor medida), que son tensiones típicas de transporte. La generación se rea- liza en trifásica. Los transformadores se ubican en la así llamada subestación elevadora de la tensión. La Figura 1.4 ilustra la conexión de una central eléctrica a la red de transporte.
1.2. La red de transporte
La red de transporte tiene por objeto transportar la energía eléctrica producida por las centra- les de generación a las áreas de distribución. En general, la energía eléctrica se produce en lugares alejados de las áreas de distribución, por lo que es necesario disponer de una red con una capacidad de transporte adecuada para llevar la energía desde cualquier centro de genera- ción a las áreas de distribución. La Figura 1.5 muestra un ejemplo de sistema de energía eléc- trica, que incluye redes de transporte de 230 y 132 kV, concretamente la red IEEE RTS de 24 nudos [IEEE RTS]. Se emplea el esquema unifi lar de esta red, en el que se representa una fase del circuito usando símbolos estándares para cada componente.
La red de transporte permite transportar energía en trifásica y en alta tensión, típicamente a 220 ó 400 kV (en menor medida 132 kV), a efectos de reducir las pérdidas de energía en el propio transporte, y está adecuadamente mallada, de tal forma que la energía pueda transpor- tarse de las zonas de generación a cualquier área de distribución. Las líneas de la red de trans- porte son mayoritariamente aéreas.
El empleo de redes trifásicas se debe a razones económicas, ya que son más baratas que las monofásicas para transportar el mismo volumen de energía a igual tensión; y técnicas, ya que la potencia activa de un generador o motor en trifásica es constante, al contrario de lo que ocu- rre en monofásica, que es pulsante (véase el Apéndice).
Debe notarse que es más económico construir líneas submarinas o de gran longitud (por encima de 1.000 km) en corriente continua y no en corriente alterna. Esto es así a pesar de que las líneas de corriente continua requieren estaciones de conversión alterna-continua y continua-
Red de transporte
13,8 kV 220 ó 400 kV
Trifásica 50 Hz
Subestación elevadora
Transformador MT/AT
Figura 1.4. Conexión de una central eléctrica a la red de transporte.
alterna. En los países escandinavos y en la costa oeste de Estados Unidos hay instaladas un número signifi cativo de estas líneas.
El coste total de la red de transporte (amortización de la construcción, mantenimiento y explotación) en un determinado período de tiempo (por ejemplo, un año) es bajo en compara- ción con el volumen de negocio eléctrico en ese mismo período de tiempo, estando típicamen- te por debajo del 10 % de ese volumen de negocio. Sin embargo, un funcionamiento inadecua- do de la red de transporte puede dar lugar a disfunciones fundamentales en el suministro de energía eléctrica. Por tanto, es muy conveniente que la red de transporte esté adecuadamente dimensionada y se explote adecuadamente.
Se denominan subestaciones a los nudos de interconexión de las redes eléctricas y, en ge- neral, subestaciones de alta tensión a las subestaciones de la red de transporte. En las subesta- ciones es posible desacoplar líneas de la red mediante interruptores eléctricos (que permiten abrir el circuito en condiciones de corriente de carga y de avería) y seccionadores (que, a efec- tos de seguridad, permiten visualizar la apertura). En las subestaciones también se encuentran
Reactancia Transformador
Generador
Compensador síncrono
Carga 132 kV
230 kV 18
21
22
23
19 20 14
11 12
9 10
5
2 7
8 6
13 16
15 17
24
3
4
1
Figura 1.5. Ejemplo de sistema de energía eléctrica.
transformadores que permiten modifi car el nivel de la tensión eléctrica. En particular, las sub- estaciones de transformación acoplan la red de transporte con las redes de distribución bajando la tensión de 400 ó 220 kV a niveles de media tensión (típicamente 20 kV). Asimismo, en las subestaciones se encuentran sistemas de medida que incluyen transformadores de tensión y corriente, voltímetros, amperímetros y vatímetros, así como relés de protección y un adecuado sistema independiente de comunicación.
La red de transporte constituye un monopolio natural, dado que no es socialmente razona- ble disponer de redes paralelas de transporte de energía eléctrica. Por tanto, la red de transpor- te ha de ser ampliada y gestionada, persiguiendo el bien común, por un gestor regulado.
La red de transporte tiene un límite físico y un límite de estabilidad en cuanto al nivel máxi- mo de energía que puede transportarse. El límite de estabilidad es en general más restrictivo que el límite físico. Por tanto, si la demanda crece, la red de transporte deberá ser periódica- mente ampliada.
Empleando la analogía del transporte por carretera, se puede decir que la red de transporte está constituida por las autopistas y autovías que permiten un tráfi co de gran volumen entre las regiones de un país.
1.3. Las redes de distribución
Las redes de distribución permiten acercar la energía eléctrica a los consumidores fi nales. Una determinada red de distribución obtiene energía eléctrica a través de su conexión o conexiones con la red de transporte mediante subestaciones de alta tensión a media tensión. La red de dis- tribución suministra fi nalmente la energía a los consumidores fi nales a través de centros de transformación de media tensión a baja tensión. Los centros de consumo presentan diversas características en cuanto a densidad de carga y fi abilidad, lo que determina su confi guración.
La tensión típica de las redes de distribución es 20 kV, aunque por razones históricas esta tensión suele coexistir con otras tensiones, por ejemplo 66 y 45 kV. Las redes de distribución son en general trifásicas. La interconexión entre la red de transporte y las redes de distribu- ción se ilustra en la Figura 1.6.
20 kV 220 kV
ó 400 kV
Trifásica 50 Hz
Red de transporte
Red de distribución
Red de distribución
Red de distribución
Subestación Transformador
AT/MT
Figura 1.6. Interconexión de la red de transporte y las redes de distribución.
Cada vez más, en las redes de distribución se integran centrales de generación distribuida, como los parques eólicos, lo que supone una complicación técnica en la explotación y amplia- ción de estas redes.
Las redes de distribución también son monopolios naturales por las mismas razones que la red de transporte. Independientemente de sus dueños, han de ser accesibles a cualquier consu- midor y ampliarse y explotarse de forma regulada.
Las redes de distribución presentan límites físicos en las líneas que no pueden sobrepasar- se y que vienen establecidos por la corriente máxima que admiten los conductores. Si la de- manda crece, la correspondiente red de distribución habrá de reforzarse y/o ampliarse.
Empleando nuevamente el símil del transporte por carretera, las redes de distribución equi- valen a las carreteras regionales que conectan la red de autopistas con las carreteras locales.
Según su disposición sobre el terreno, se distinguen dos tipos de redes de distribución: aé- reas y subterráneas. Las redes aéreas pueden construirse con conductor desnudo o con cable aislado, mientras que las redes subterráneas emplean cable aislado.
Las dos ventajas principales de las redes aéreas con respecto a las redes subterráneas son su menor coste de inversión inicial y su mayor accesibilidad, que simplifi ca la detección de averías. Por el contrario, la acción de los agentes atmosféricos incide notablemente en la fi abi- lidad de las redes aéreas, implicando, además, un mayor coste de mantenimiento y una reduc- ción en su vida útil. Por otro lado, las redes aéreas están en desventaja frente a las subterráneas en lo que se refi ere a los impactos ambiental y estético.
Como resultado de estas ventajas e inconvenientes, el uso de las líneas aéreas es mayorita- rio en las redes de distribución que suministran a zonas rurales, zonas industriales de densidad de carga baja, zonas exteriores a núcleos urbanos y núcleos urbanos con densidad de carga reducida (0,5 a 2 MW/km2). Las redes subterráneas se emplean principalmente en núcleos urbanos y en zonas industriales, ambos con densidades de carga elevadas (en torno o superior a 50 MW/km2).
1.3.1. Estructura de las redes de distribución
Las redes de distribución también se pueden clasifi car en función de su estructura, distinguien- do entre redes radiales, redes en anillo y redes malladas. A continuación, se describen las ca- racterísticas principales de estas confi guraciones.
1.3.1.1. Redes radiales
En las redes de distribución radiales las líneas parten de las subestaciones y se ramifi can exten- diéndose por todo el área suministrada. Las redes radiales se alimentan por un único extremo desde el que se realiza el suministro a los centros de transformación mediante derivaciones o ramifi caciones en antena que no se cierran sobre sí mismas. De esta forma, la energía sólo dis- pone de un camino para alcanzar a los consumos partiendo de la subestación.
En la práctica, existen dos implementaciones mayoritarias de redes radiales. La Figura 1.7 muestra una red radial en la que el alimentador principal, también llamado distribuidor, se ra- mifi ca en derivaciones laterales que también se dividen hasta llegar a los centros de transfor- mación. En este tipo de redes la sección de los conductores disminuye a medida que éstos se acercan a los centros de transformación, dando lugar a las así llamadas redes telescópicas.
Para reducir la caída de tensión de la confi guración anterior se emplean redes radiales con centros de distribución en las que los alimentadores de gran sección se extienden hasta puntos próximos a los centros de cargas, llamados centros de distribución, desde donde se ramifi can las derivaciones hacia los centros de transformación. De esta forma, se reduce la longitud de las ramifi caciones, incurriéndose en caídas de tensión menores. Estas redes, además, permiten conectar la carga de un ramal defectuoso a un ramal próximo, de forma que la interrupción del suministro afecte al menor número posible de consumidores. La Figura 1.8 ilustra una de estas redes, en la que se indican los centros de distribución mediante cuadrados.
Las principales ventajas de las redes radiales son: i) simplicidad en el diseño y operación;
ii) coste bajo, por el número reducido de aparatos de maniobra y por la sencillez del sistema de protección, y iii) localización rápida de averías debido al sentido único de la corriente en condiciones normales.
Por el contrario, las principales desventajas son: i) poca fi abilidad del suministro, ya que cualquier avería o trabajo sobre la red implica la pérdida de suministro de algunos o muchos consumidores; ii) caídas de tensión considerables, y iii) limitada capacidad de ampliación del suministro.
Estas características limitan el uso de las redes radiales para el suministro de energía a zo- nas de densidad de demanda baja y media y/o con pocas exigencias en cuanto a calidad del suministro.
1.3.1.2. Redes en anillo
Las redes en anillo están formadas por una línea cerrada a lo largo de la cual se reparten los centros de transformación. Estas redes proporcionan dos caminos para alimentar a los centros de transformación, constituyendo una solución intermedia entre las redes radiales y las redes
Subestación
Alimentadores
Centro de transformación
Figura 1.7. Red radial ramifi cada.
malladas. El suministro de energía eléctrica se puede realizar mediante una o varias subesta- ciones conectadas en diversos puntos del anillo.
Normalmente, las redes en anillo se conectan dando lugar a distintas confi guraciones en pétalo:
1. Pétalo simple. El origen y el fi nal de cada anillo es la misma subestación (Figu- ra 1.9).
2. Pétalo múltiple. El origen y el fi nal de cada anillo es la misma subestación o una cabe- cera de pétalo, donde se centraliza la aparamenta de maniobra que permite enlazar va- rios anillos (Figura 1.10).
Las redes en anillo están provistas de elementos de maniobra que permiten la apertura o cierre de cualquier sección del anillo (Figura 1.11). En condiciones normales, estas redes se suelen explotar con una sección abierta, es decir, en modo radial. La aparición de una avería en una línea obliga a realizar ciertas maniobras que permiten aislar la zona afectada y restaurar el suministro a todas las cargas. Para el funcionamiento correcto tras una avería, las líneas del
Subestación
Alimentadores Centro de distribución
Figura 1.8. Red radial con centros de distribución.
Subestación
Centro de transformación
Figura 1.9. Red de distribución en anillo. Pétalo simple.
anillo están diseñadas para no sobrecargarse cuando algún circuito está fuera de servicio. Asi- mismo, la avería o el mantenimiento de un transformador de un centro de transformación no interrumpen el suministro a los otros centros de transformación conectados al mismo anillo.
Las principales ventajas de las redes en anillo con respecto a las redes radiales son: i) me- nor caída de tensión ante variaciones bruscas de la carga (con anillo cerrado); ii) mayor fi abi- lidad y continuidad del suministro, ya que las averías afectan a menos consumidores; iii) mayor fl exibilidad de operación, ya que permite un mejor reparto de la carga, y iv) mayor facilidad de mantenimiento.
Por el contrario, la confi guración en anillo presenta los siguientes inconvenientes: i) es más cara; ii) los sistemas de protección empleados son más complejos; iii) la conexión de un centro de transformación adicional es más complicada, y iv) una falta en una línea, automáticamente despejada mediante la apertura y cierre de los interruptores pertinentes, puede ignorarse duran- te bastante tiempo si no hay alarmas.
Las redes en anillo se suelen usar para suministrar grandes cargas como consumidores in- dustriales o consumidores comerciales, donde la continuidad del suministro es de gran impor-
Cabecera de pétalo Subestación
Centro de transformación
Figura 1.10. Red de distribución en anillo. Pétalo múltiple.
Subestación Centro de
transformación Interruptor
Figura 1.11. Esquema detallado de una red en anillo.
tancia. Asimismo, este sistema también se emplea para alimentar cargas distribuidas como las de los consumidores residenciales en zonas de elevada densidad de carga.
1.3.1.3. Redes malladas
Las redes malladas se obtienen al enlazar varios anillos en las zonas de concentración de de- manda. Los centros de transformación de las redes malladas se pueden alimentar por varias subestaciones cercanas mediante líneas de longitud relativamente corta.
Las redes de distribución malladas se suelen diseñar con dos tipos de arquitectura: i) en huso, y ii) en espiga. En la arquitectura en huso el origen y el fi nal de cada rama son puntos distintos. Se pueden distinguir tres tipos de confi guraciones en huso:
1. Huso simple (Figura 1.12). Los extremos de cada rama son dos subestaciones distintas.
2. Huso con centro de refl exión (Figura 1.13). Cada lazo tiene su origen en la misma sub- estación y su fi nal en un centro de refl exión, nudo en el que confl uyen todas las líneas y que está dotado de aparamenta de maniobra y corte. Los lazos se cierran mediante la llamada línea cero que une la subestación y el centro de refl exión. En condiciones nor- males, la línea cero se mantiene en tensión pero sin carga. En caso de avería en algún lazo, la aparamenta de maniobra y corte situada en el centro de refl exión conecta la carga del lazo defectuoso a la línea cero.
3. Huso apoyado (Figura 1.14). Esta confi guración consta de dos husos conectados entre sí por un mismo centro de refl exión. El centro de refl exión está conectado con la sub- estación de cada huso mediante sendas líneas cero.
Figura 1.12. Red de distribución mallada.
Arquitectura en huso simple.
Figura 1.13. Red de distribución mallada.
Arquitectura en huso con centro de refl exión.
Figura 1.14. Red de distribución mallada. Arquitectura en huso apoyado.
La arquitectura en espiga consiste en un conjunto de ramas que parten de la misma subes- tación y que se cierran por una línea cero que termina en la subestación de partida. La arqui- tectura en espiga se diferencia de la arquitectura en huso por la existencia de más de un centro de refl exión. Se pueden distinguir dos tipos de confi guraciones en espiga:
1. Espiga simple (Figura 1.15). Este esquema consiste en un conjunto de husos que parten de una misma subestación. Los centros de refl exión de cada huso se unen con la subes- tación mediante una línea cero.
2. Espiga apoyada (Figura 1.16). Esta confi guración está formada por dos espigas alimen- tadas por sendas subestaciones y unidas por un centro de refl exión, que se conecta con el resto de centros de refl exión y con las subestaciones mediante una línea cero.
Las principales ventajas de las redes malladas son dos: i) mejor calidad del suministro, y ii) mayor fl exibilidad.
La calidad del suministro se puede medir por los siguientes parámetros:
1. Fiabilidad. Al contrario que en las redes radiales, la pérdida de una línea o de una sub- estación (para redes malladas alimentadas por varias subestaciones) no implica la inte- rrupción del suministro debido a la diversidad de caminos por los que la energía puede llegar a los centros de transformación. La red ha de diseñarse para mantener la carga total del conjunto bajo cualquier contingencia. La disponibilidad de vías alternativas de alimentación también proporciona un reparto de la carga entre las subestaciones. Final- mente, estas redes también presentan una mayor facilidad para realizar las tareas de mantenimiento sin afectar al suministro.
Figura 1.15. Red de distribución mallada. Arquitectura en espiga simple.
Figura 1.16. Red de distribución mallada. Arquitectura en espiga apoyada.
2. Regulación de la tensión. Las líneas de las redes malladas suelen tener poca longitud y gran sección por lo que las caídas de tensión son pequeñas y no experimentan grandes alteraciones ante variaciones en el consumo. Además, las líneas están alimentadas por ambos extremos, lo cual contribuye a una mejor regulación de la tensión en condiciones normales.
3. Pérdidas de energía. Las pérdidas son generalmente menores por las mismas razones que las mencionadas en la regulación de la tensión: líneas cortas de gran sección y ali- mentación por ambos extremos.
Por otro lado, las redes malladas proporcionan una mayor fl exibilidad porque pueden aco- modar directamente el aumento o variación de la demanda con pequeño impacto sobre la red.
Una característica importante de las redes malladas es que utilizan subestaciones pequeñas ubicadas cerca de los centros de consumo. Esto, junto con la interconexión de los centros de transformación, hace posible quitar o añadir pequeños incrementos de capacidad de determina- dos transformadores sin tener que hacer modifi caciones importantes en las redes.
La fl exibilidad de las redes malladas es una gran ventaja en la economía a largo plazo del sistema de distribución, particularmente cuando la demanda total cambia en el tiempo signifi - cativamente o cuando se producen desplazamientos de la demanda de una zona a otra. Gracias a esta fl exibilidad, la inversión es casi proporcional a la demanda suministrada. Las redes ma- lladas se caracterizan por pequeños incrementos regulares de la inversión mientras que las redes radiales requieren grandes inversiones esporádicas.
El principal inconveniente de las redes malladas es su elevado coste. Por un lado, el sistema de protección es considerablemente más complejo debido al mayor número de dispositivos de protección requeridos y a unas mayores exigencias de selectividad y potencias de cortocircuito.
Por otro lado, las líneas emplean conductores de gran sección, a diferencia de las líneas teles- cópicas usadas en las redes radiales.
1.3.2. Selección de una red de distribución
En un sistema de distribución de gran dimensión se puede emplear cualquiera de las estructuras anteriores. La elección adecuada depende, por un lado, de las características propias de la con- fi guración (calidad del suministro, fl exibilidad y coste) y, por otro, de las características del consumo (densidad de carga de la zona, número y ubicación de los puntos de concentración de carga, requerimiento de seguridad del suministro, etc.).
A continuación, se describen los tipos de redes de distribución más usados para alimentar consumos en zonas rurales, urbanas e industriales.
1.3.2.1. Redes rurales
La electrifi cación rural se caracteriza por puntos de bajo consumo dispersos en una zona rela- tivamente amplia. Las grandes distancias entre los consumos hacen poco atractivo económica- mente el uso de redes en anillo o malladas.
Por tanto, las redes de distribución rurales suelen tener estructura radial (Figura 1.17), don- de la energía fl uye en un único sentido desde el principio de la línea (subestación) hacia el fi nal
(centros de transformación). Las líneas suelen ser aéreas y los centros de transformación se ubican en postes o casetas.
1.3.2.2. Redes urbanas
Las redes urbanas se diferencian de las rurales por su mayor densidad de carga y porque cada centro de transformación alimenta a un número elevado de pequeños consumos. En zonas próxi- mas a los núcleos urbanos o en zonas con densidades de carga medias se emplean líneas aéreas.
En el interior de las poblaciones es mayoritario el uso de líneas subterráneas con el objetivo de garantizar un mejor suministro (reducir el número de interrupciones) y una mayor seguridad.
Las redes de distribución urbanas suelen adoptar la confi guración en anillo. Las redes ma- lladas se emplean en zonas de densidad de carga elevada o en la alimentación de consumos importantes en los que la calidad del suministro es crucial. No obstante, las redes urbanas se operan como redes radiales, manteniendo algún punto abierto.
En las redes subterráneas, la localización y reparación de averías es más compleja que en las redes aéreas. Para garantizar la continuidad del suministro en las redes subterráneas, los cen- tros de transformación suelen permitir la alimentación por uno u otro lado y se denominan centros de transformación de paso (véase la Figura 1.18).
Centro de transformación
Subestación Interruptor
Figura 1.17. Red de distribución rural típica.
Centro de transformación Interruptor
Figura 1.18. Centros de transformación de paso.
La Figura 1.19 muestra el esquema detallado de la confi guración típica de una red urbana de distribución con cable subterráneo. Se trata de una red mallada en huso apoyado y de estruc- tura simple.
1.3.2.3. Redes industriales
A partir de una cierta potencia, las instalaciones industriales no se pueden alimentar en baja tensión por lo que deben conectarse a la red de media tensión a través de centros de transfor- mación. Las redes industriales abastecen centros de carga cuya potencia puede ser muy variada.
En función de la densidad de carga se pueden emplear redes radiales, en anillo o malladas.
Cuando el tamaño de la industria es grande (varios MW) se suele instalar un centro de transformación con un único transformador o varios transformadores conectados en paralelo por el devanado de baja tensión. Normalmente, el centro de transformación se ubica lo más cerca posible del baricentro eléctrico de las cargas. Asimismo, el centro de transformación se conecta a la subestación de AT/MT (o centro de distribución) situada en la periferia de la in- dustria mediante dos líneas de media tensión, actuando una de ellas como línea de reserva (véase la Figura 1.20).
Otra solución frecuente consiste en varios centros de transformación conectados entre sí por una línea interior de media tensión, formando una red radial (véase la Figura 1.21) o un anillo (véase la Figura 1.22).
Obsérvese que, como se muestra en la Figura 1.21, la red interna de media tensión puede alimentar directamente a algunas cargas especiales de gran potencia.
Subestación
Subestación
Centro de reflexión
Línea cero
Centro de transformación
Interruptor Seccionador
Figura 1.19. Red de distribución urbana típica.
Interruptor
Subestación Centro de transformación Alimentador
auxiliar Alimentador
principal
Consumo industrial
Figura 1.20. Suministro a centro industrial con un centro de transformación.
Subestación MT/MT
Motor Carga
Figura 1.21. Suministro a centro industrial con varios centros de transformación y red interna radial.
Subestación Centro de transformación
Centro de transformación
Figura 1.22. Suministro a centro industrial con dos centros de transformación y red interna en anillo.
1.3.3. Operación de las redes de distribución
El objetivo principal de la operación de las redes de distribución es maximizar la calidad del suministro, medida en términos de continuidad del suministro, de un perfi l de tensiones ade- cuado y de unas pérdidas de energía mínimas. La consecución de estos objetivos se lleva a cabo mediante dos procedimientos principales: la reconfi guración de la red y la compensación de potencia reactiva.
Independientemente de que el diseño sea más o menos mallado, las redes de distribución se suelen operar de forma radial. Esta estructura es adecuada para condiciones normales de funcionamiento y para condiciones de falta debido, principalmente, a que el sentido de la ener- gía es único, lo que simplifi ca el sistema de protección. La topología radial se consigue abrien- do un conjunto de interruptores localizados en determinadas ramas de la red. En caso de falta, el tramo defectuoso se puede aislar rápidamente manteniendo la continuidad del suministro mediante la apertura y cierre de los interruptores correspondientes. La reconfi guración de la red comprende las maniobras de apertura y cierre de interruptores que cambian la topología de la misma.
Por otro lado, la compensación de potencia reactiva consiste en la inyección de potencia reactiva en determinados nudos de la red, lo cual contribuye a la reducción de las pérdidas de energía y al mantenimiento del nivel de tensión en los nudos de consumo (véase el Capítulo 5).
La compensación de potencia reactiva se puede llevar a cabo actuando sobre:
1. Baterías de condensadores situadas en los centros de transformación.
2. Condensadores conectados en paralelo en las barras de media tensión de las subestacio- nes, de forma que se puede ajustar el fl ujo de reactiva por el transformador.
3. Transformadores AT/MT equipados con cambiadores de tomas bajo carga y transfor- madores MT/BT con cambiadores de toma en vacío. En estos transformadores es posi- ble modifi car la relación de transformación, de tal forma que se mantiene la tensión en el devanado secundario en un nivel cercano a la tensión nominal independientemente del régimen de carga, modifi cando, por tanto, el fl ujo de potencia reactiva por la red.
El control óptimo de los interruptores, de los condensadores y de los cambiadores de tomas de los transformadores resulta en unos fl ujos de potencia por la red de distribución que dan lugar a una operación óptima desde el punto de vista de las pérdidas o del nivel de tensión.
Asimismo, la operación de la red de distribución se debe llevar a cabo incurriendo en el mínimo coste posible. Mientras que la infl uencia de las pérdidas de energía y de la interrupción del suministro en el coste de operación es clara, no lo es tanto en el caso del mantenimiento de la tensión dentro de unos niveles determinados. Sin embargo, el incumplimiento de los límites de la tensión afecta al funcionamiento y, consecuentemente, a la vida útil de los equipos eléc- tricos y electrónicos, por lo que es fundamental cuantifi car en términos de costes de operación estos efectos. La reglamentación de cada país establece los límites de variación de la tensión.
Con estas premisas el problema de operación óptima resultante es un problema de optimi- zación ([Castillo, 2002], [Conejo, 2006]) multiobjetivo que consiste en determinar las posicio- nes óptimas de los interruptores, las baterías de condensadores y las tomas de transformadores para suplir la demanda de forma que se minimicen las pérdidas, las caídas de tensión y el cos- te de operación. Para la resolución de este problema se han propuesto diversos métodos en la literatura técnica, tales como heurísticos o programación lineal entera-mixta. En cualquier caso,
las técnicas de resolución propuestas no son capaces de resolver el problema de forma exacta, por lo que la operación óptima de la red de distribución sigue siendo un campo abierto a la investigación.
Una vez determinadas las posiciones de los elementos de la red de distribución, la operación de esta red se suele realizar de forma automática desde centros de control que maniobran de forma remota los interruptores, las baterías de condensadores y las tomas de transformadores.
1.4. Las redes de baja tensión
Las redes de baja tensión parten de los centros de transformación para suministrar a los consu- mos fi nales en un área geográfi ca pequeña, dado que las pérdidas son signifi cativas en baja tensión. En la mayoría de los casos el consumo fi nal se lleva a cabo en baja tensión por razones claras de seguridad para los usuarios. A diferencia de las redes de distribución, muchos consu- mos en baja tensión son monofásicos, especialmente los correspondientes a usuarios residen- ciales y comerciales, los cuales se conectan entre dos fases o entre fase y neutro. En España (también en Alemania, Italia y el Reino Unido), las tensiones típicas de suministro en baja son 400 V (fase-fase) y 230 V (fase-neutro). Véanse las Figuras 1.1 y 1.23. En otros países se em- plean niveles de 120, 208 y 240 V (Estados Unidos y Canadá).
En entornos rurales, las redes de baja tensión que parten de un centro de transformación alimentan a un conjunto de viviendas, mientras que en un entorno urbano suelen alimentar a un bloque de pisos o apartamentos.
De importancia crucial en las redes de baja tensión es el sistema de protección de los usua- rios. Los puntos de suministro a clientes y sus correspondientes redes de baja tensión incorpo- ran sistemáticamente la protección diferencial y protecciones frente a sobretensiones y sobre- corrientes, así como adecuadas puestas a tierra de los elementos no energizados (accesibles al usuario) de los aparatos de consumo.
Las redes de baja tensión se construyen con líneas subterráneas de cable aislado y con líneas aéreas, bien con conductor desnudo o con cable aislado (típicamente cables trenzados en haz).
20 kV trifásica 50 Hz
400 V trifásica Red de distribución
Centro de transformación
Consumo en baja
Consumo en baja Transformador MT/BT
Consumo en monofásica
230 V fase-neutro
Figura 1.23. Suministro en baja tensión a través de la red de distribución y los centros de transformación.
Las redes de baja tensión suelen ser de longitud corta y presentan una estructura radial, en anillo o mallada en función del tipo de carga a la que se suministra energía. En cualquier caso, la explotación de estas líneas se suele hacer de forma radial. La principal ventaja del uso de redes radiales es su bajo coste.
La Figura 1.24 muestra un ejemplo de red radial en la que los centros de carga (edifi cios de viviendas, edifi cios de una instalación industrial, etc.) más alejados o más importantes se alimentan con alimentadores individuales (consumo E), mientras que los centros de carga de pequeña potencia se alimentan con líneas con derivaciones (consumos A, B, C y D). El sumi- nistro mediante alimentadores individuales tiene la ventaja de subdividir bien la carga y de posibilitar el control, la maniobra y la medida de cada consumo desde el centro de transforma- ción. El uso de líneas con derivaciones para el suministro de grupos de consumos es la solución más económica que se aconseja cuando el consumo total no es elevado.
Las acometidas de los consumos parten de la línea asignada a cada edifi cio o grupo de edi- fi cios y terminan en las cajas de acometidas en el interior de los edifi cios.
En zonas urbanas la red de baja tensión se suele disponer en forma de mallas subterráneas cerradas (véase la Figura 1.25). Esta red conecta los transformadores de los centros de trans- formación, obteniéndose un perfi l de tensión más estable. Para el suministro de cargas elevadas se suelen instalar varios transformadores en un mismo centro de transformación.
Centro de transformación
E
A B C D
Alimentador individual Alimentador conjunto
Figura 1.24. Diversos consumos en una red radial de baja tensión.
Centro de transformación Línea de baja tensión
Figura 1.25. Red mallada de baja tensión.
Con objeto de reducir la longitud de las acometidas, los cables se instalan lo más cerca posible de las paredes de los edifi cios. Para aislar tramos de líneas en caso de avería, las redes cuentan con cajas y armarios de distribución dotados de aparamenta para la adecuada protec- ción de estas instalaciones.
La operación de las redes de baja tensión se realiza con los siguientes objetivos:
1. Continuidad del suministro. Cuando se produce una anomalía, la red de baja tensión debe permitir aislar el defecto, desconectando el menor número posible de consumos durante el menor tiempo posible.
2. Regulación de la tensión. La red debe garantizar el mantenimiento de la tensión dentro del margen reglamentado, tanto en condiciones normales como anómalas.
3. Mínimas pérdidas. La longitud y la sección de los conductores deben ser tales que se minimicen las pérdidas por efecto Joule durante la operación de la red.
1.5. El consumo de energía eléctrica
El consumo de energía eléctrica varía según las horas del día y según el día de la semana, lo que da lugar a una utilización parcial de algunas de las centrales de producción, en particular las más caras. Esto es así porque no es posible almacenar energía eléctrica en grandes cantida- des. La variación de la demanda en un día laborable y en un día festivo (año 2006) en el siste- ma de energía eléctrica peninsular español se ilustra en la Figura 1.26.
La única tecnología que permite almacenar cantidades importantes de energía es la emplea- da por las centrales de bombeo. Una central de bombeo, cuando el precio (demanda) de la energía eléctrica es bajo, bombea agua de un embalse inferior a uno superior consumiendo ener- gía eléctrica; y cuando el precio (demanda) de la energía es alto, turbina agua desde el embal- se superior al inferior generando energía eléctrica.
Son de interés las políticas de gestión de la demanda que tienden, entre otros objetivos, a fomentar una demanda más uniforme a lo largo del día y entre días laborables y fi n de se- mana.
Asimismo, son también de particular interés las medidas de ahorro energético que tienen por objeto reducir la energía eléctrica consumida sin alterar la prestación a la que da lugar el consumo de esa energía eléctrica. Esto se consigue empleando tecnologías más efi cientes. Un ejemplo típico es el empleo de lámparas fl uorescentes compactas en vez de lámparas de incan- descencia (véase el Capítulo 8).
El consumo de energía eléctrica ha crecido permanentemente desde que comenzó a utili- zarse a fi nales del siglo XIX. Esta tendencia sigue en vigor, lo que obliga a buscar fuentes de energía alternativas a las fuentes no renovables actualmente empleadas, como es el caso del uranio, el carbón, el fuel-oil o el gas. En particular, la energía eólica es una fuente alternativa económicamente competitiva y cada vez más extendida.
Como se ha mencionado anteriormente, la energía eléctrica ha de suministrarse con el me- nor número de cortes posible, y bajo condiciones técnicas adecuadas, lo que incluye una tensión y frecuencia (50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos) estables, y la ausencia de armóni- cos en la onda de tensión, así como de otras perturbaciones que afectan a la calidad de la onda (parpadeo y microcortes, fundamentalmente).
1.6. Los sistemas de supervisión, control y seguridad
Un sistema de energía eléctrica está permanente supervisado por un sistema de control que mantiene la frecuencia y las tensiones dentro de márgenes técnicamente adecuados, que permi- ten un funcionamiento estable del sistema. El control frecuencia-potencia activa, permite man- tener la frecuencia y tiene una estructura jerarquizada en tres niveles. Análogamente, el control tensión-potencia reactiva, permite mantener niveles de tensión adecuados a lo largo del sistema y presenta también una estructura jerarquizada en tres niveles.
La Figura 1.27 muestra el sistema primario de control de frecuencia-potencia activa y de tensión-potencia reactiva de un alternador. El nivel secundario coordina regionalmente los sis-
15.000 25.000 25.000 30.000 35.000
23 21 19 17 15 13 11 9 7 5 3 1
Demanda (MW)
Hora
15.000 25.000 25.000 30.000 35.000
23 21 19 17 15 13 11 9 7 5 3 1
Demanda (MW)
Hora a) Día laborable
b) Día festivo
Figura 1.26. Demandas eléctricas típicas en el sistema eléctrico peninsular español.