Elementos de líneas de transmisión y redes de distribuciónFacultad de Ingeniería.Ingeniería Mecánica y Eléctrica.

IntroducciónLos sistemas eléctricos se pueden dividir en tres

partes principales:

• Generación. Producción de Energía eléctrica

• Transmisión. Sistema de líneas de extra alta tensión que envía energía eléctrica desde los centros de generación al área donde se emplea.

• Distribución. Sistema de líneas que conectan a los clientes al sistema eléctrico de potencia.

Diagrama de un Sistema Eléctrico de Potencia

Sistema Eléctrico de Potencia (SEP)

El transporte de la electricidad a grandes distancias requiere de altos voltajes, mayores a aquellos que pueden ser manejados en forma segura por los usuarios

Por lo tanto, la energía eléctrica se transporta a las áreas generales de uso por las líneas de transmisión y se distribuye a los usuarios en voltajes bajos por medio de las líneas de distribución.

Los sitios en los cuales se usan transformadores de potencia para bajar los valores de voltajes de distribución, se conocen como subestaciones de distribución.

Niveles de voltaje• Durante varios años, se ha hecho un esfuerzo por

expandir los sistemas eléctricos elevando los niveles de voltaje para cada porción del sistema eléctrico de potencia.

• Debe notarse que las pérdidas más importantes en el sistema de potencia, en el transporte de electricidad, son proporcionales al cuadrado de la corriente, de modo que si se duplica la corriente, se cuadruplican las pérdidas.

Niveles de voltaje• La potencia es el producto de la corriente por

el voltaje, de modo que en la medida que el voltaje aumenta la corriente disminuye, y entonces las pérdidas también disminuyen para una cantidad de potencia transferida

• Los voltajes para las máquinas rotatorias (generadores y motores) tienen límites prácticos dados por limitaciones en el aislamiento y en la tecnología de enfriamiento, con valores máximos de 24 kV para generadores y 12 kV para motores.

Niveles de voltaje

•Los límites de voltaje para transmisión están ajustados por los dispositivos de protección (principalmente los interruptores), como los transformadores y aisladores.

•Algunos de los rangos de voltaje usados por distintas empresas eléctricas, son los que se indican a continuación:

Niveles de voltaje.1. Generadores: 11 a 24 kV.

 2. Transmisión en extra alta tensión:

 345, 400, 500 y 765 kV en corriente alterna y alrededor de 500 kV ó 600 kV en corriente directa.

3. Transmisión: 115 a 230 kV.

4. Subtransmisión: 34.5 a 69 kV.

5. Distribución: 6 , 12.5 , 13.8 , 23.0 y 34.5 kV.

Estructura básica de un SEP desde la generación hasta la conexión a usuarios.

CENTRAL ELÉCTRICAY

SUBESTACIÓN ELEVADORA

SUBESTACIÓNREDUCTORA

TRANSFORMADORREDUCTOR

CONEXIÓNA USUARIO

DISTRIBUCIÓN

LÍNEA DETRANSMISIÓN

CENTRAL GENER ADORA

SUBESTACIÓN ELEVADORA

CLIENTE INDUSTRIAL

SUBESTACIÓN D E LA RED DE POTENCIA

SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN

ALIMENTADORES PRIMARIOS TRIFÁSIC OS

ALIMENTADOR MONOFÁSICO

MEDIDOR

SERVIC IOS

USUAR IO FINAL

CO NFIGURACIÓN DE UN SISTEM A ELÉCTRICO DE PO TENCIA

CENTRAL GENER ADORA

SUBESTACIÓN ELEVADORA

SISTEMA DE TRANSMISIÓN

CLIENTE INDUSTRIAL

SUBESTACIÓN D E LA RED DE POTENCIA

SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN

ALIMENTADORES PRIMARIOS TRIFÁSIC OS

ALIMENTADOR MONOFÁSICO

TRA NSFORMADOR D E DISTRIBUC IÓN

MEDIDOR

SERVIC IOS

USUAR IO FINAL

Los sistemas de transmisión y distribución

•Consisten de miles de kilómetros de líneas de transmisión y distribución, subestaciones, transformadores y otros equipos dispersos sobre una gran área geográfica e interconectados, de tal manera que distribuyan energía eléctrica necesaria a los clientes de las compañías suministradores.

Los sistemas de transmisión y distribución•Mueven la energía desde las plantas

generadoras, generalmente distantes de los consumidores de la energía eléctrica.

•La misión primaria de un Sistema de Transmisión y Distribución es distribuir energía eléctrica a los clientes en el lugar del consumo y lista para ser usada.

Los sistemas de transmisión y distribución•Esa alimentación debe ser confiable, para

que proporcione un flujo ininterrumpido de potencia estable a los clientes.

•La confiabilidad del sistema de distribución tiene la finalidad de distribuir toda la energía eléctrica demandada en un instante dado.

Los sistemas de transmisión y distribución•El Sistema de Transmisión y Distribución

debe también suministrar la energía eléctrica lista para usar, en el voltaje de utilización requerido para aplicaciones y equipo eléctrico y libre de fluctuaciones de voltaje, altos niveles de armónicos o transitorios eléctricos.

Misión de un sistema de Transmisión y distribuciónCubrir el servicio en todo un territorio,

extendiéndose a todos los clientes.

Tener la suficiente capacidad para cubrir las demandas pico de sus clientes.

Proporcionar una distribución altamente confiable a sus clientes.

Proporcionar un voltaje estable a sus clientes.

Leyes de la Transmisión y Distribución de energía eléctrica1. Es más económico transmitir energía eléctrica

en alto voltaje. Así a mayor voltaje disminuye el costo por kW para poder transmitir la energía eléctrica.

2. A mayor voltaje se incrementa la capacidad y el costo de los equipos, así, aunque las líneas de alto voltaje son más caras que una línea de bajo voltaje, tienen una capacidad mucho mayor. Sólo se justifican económicamente cuando se usan para transmitir grandes cantidades de energía.

Leyes de la Transmisión y Distribución de energía eléctrica3. El voltaje de utilización no sirve para

propósitos de transmisión.

La aplicación de esos voltajes bajos para algo más que no sea distribución local, darán una gran cantidad de pérdidas, caídas de voltaje y equipo costoso.

Leyes de la Transmisión y Distribución de energía eléctrica4. Es costoso cambiar el nivel de voltaje, pero el voltaje

de transformación es más caro cuando no se transmite a una cierta distancia de energía eléctrica.

5. Es más económico producir energía eléctrica en grandes cantidades.

Los grandes generadores producen energía más económica que los pequeños.

Es más eficiente producir energía en unos cuantos lugares utilizando grandes plantas generadoras.

Leyes de la Transmisión y Distribución de energía eléctrica6. La energía eléctrica debe ser distribuida

en cantidades relativamente pequeñas en bajos niveles de voltaje (120 ó 250 volts).

Niveles del sistema de transmisión y distribución.•Como una consecuencia de una estructura

jerárquica en los niveles de voltaje, el sistema de distribución de energía puede ser concebido de manera conveniente compuesto de varios niveles diferentes.

•Cada nivel consiste de equipos fundamentalmente diferentes para realizar el mismo trabajo, pero localizados en diferentes partes del sistema.

Niveles del sistema de transmisión y distribución.• La energía eléctrica puede concebirse como si

fluyera hacia abajo a través de esos niveles en su viaje desde su generación hasta los clientes.

• Se mueve desde las plantas generadoras (nivel sistema) hasta el cliente, la energía viaja a través del nivel de transmisión, subtransmisión, subestaciones, alimentadores primarios, hasta el nivel de servicio secundario, donde finalmente llega a los clientes.

Niveles del sistema de transmisión y distribución.•Cada nivel se alimenta del nivel anterior y

distribuye energía al nivel próximo inferior del sistema. Cada nivel varía en el tipo de equipo que tiene, sus características, misión y manera de diseñar y planear; sin embargo, todas comparten varias características comunes:

Niveles del sistema de transmisión y distribución.Cada nivel es alimentado por un nivel superior, de

tal manera que el próximo nivel superior está eléctricamente cercano a la generación.

Ambos, tanto el voltaje nominal como la capacidad nominal de equipo disminuyen de un nivel a otro. Las líneas de transmisión operan a voltajes entre 69 y 1100 kV y tienen capacidades entre 50 y 2000 MW. Por otro lado, los alimentadores de distribución operan entre 2.2 y 34.5 kV y tienen capacidades de entre 2 y 35 MW.

Niveles del sistema de transmisión y distribución. Cada nivel tiene más equipos que su nivel superior.

Un sistema con varios cientos de miles de usuarios podría tener 50 líneas de transmisión, un centenar de subestaciones, seiscientos alimentadores y cuarenta mil transformadores de servicio.

Como resultado, la capacidad neta de cada nivel se incrementa conforme nos acercamos a los clientes. Un sistema de potencia podría tener 4500 MVA de capacidad en subestaciones, pero 6200 MVA en capacidad de alimentadores y 9000 MVA de capacidad en los transformadores de servicio instalados.

Niveles del sistema de transmisión y distribución.

La confiabilidad disminuye mientras se acerca a los clientes. La mayoría de las interrupciones en el servicio son resultado de fallas (ya sean debido a envejecimiento o a daños por climas severos) de transformadores, conectores o conductores muy cercanos a los clientes.

Requerimientos de los SEP

•Para proporcionar la energía eléctrica en una forma “utilizable” por los usuarios, un sistema de transmisión y distribución debe cumplir con ciertos requerimientos básicos, como son:

Requerimientos de los SEP

•Suministrar en forma ininterrumpida la potencia que los usuarios demandan.

•Mantener el voltaje nominal en forma estable, sin que exceda su variación dentro de un cierto rango, fijado por la empresa suministradora, de acuerdo al índice de calidad deseable, que puede estar alrededor de ± 10% con respecto al valor nominal.

Requerimientos de los SEP

•Mantener la frecuencia estable, de manera que siempre se encuentre dentro de un rango de variación establecido, que puede ser por ejemplo ± 0.1 Hz.

•Suministrar la energía a un precio aceptable, es decir, se debe cumplir con un requisito de economía, en la transmisión y distribución.

Requerimientos de los SEP• Respetar las normas de seguridad,

establecidas en cuanto a distancias en aire; distancias de conductores con respecto al suelo y con respecto a construcciones en zonas urbanas; cruzamientos con ríos, carreteras, vías de ferrocarril, etc.

• Cumplir con los requerimientos de estética y de protección del medio ambiente.