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APUNTES DE GENERACION Y DISTRIBUCION Para 6 to año ELECTRICIDAD INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Christian G. MORALES ESCUELA TECNICA RAGGIO

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APUNTES DE GENERACION

Y DISTRIBUCION Para 6to año ELECTRICIDAD

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS

ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Christian G. MORALES

ESCUELA TECNICA RAGGIO

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Escuela Técnica RAGGIO GENERACION Y DISTRIBUCION

Área ELECTROTECNIA INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

DE POTENCIA

Christian G. MORALES - 1 -

Un sistema eléctrico de potencia es un conjunto de componentes que se encargan de llevar la energía latente desde una o varias fuentes, hasta uno o más centros consumidores en donde esa energía latente se ha de utilizar (viviendas, industrias, servicios públicos, etc.). En todos los casos, la energía latente se transforma inmediatamente en energía eléctrica, por ser esta la forma más conveniente para el transporte y la distribución. Básicamente puede ser representado de la siguiente manera:

CENTRAL

ELECTRICA

Energía

latente SISTEMA

TRANSMISOR

CENTRO

CONSUMIDOR Consumo

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El componente más significativo es la central eléctrica, cuyo fin es el de producir energía eléctrica a partir de otra forma de energía, denominada latente, la que se encuentra disponible y puede ser de muy diversa naturaleza (térmica, nuclear, hidráulica, eólica, etc.) Actualmente las centrales eléctricas convencionales comprenden una etapa intermedia de conversión electromagnética y una etapa final de adaptación de tensiones, respondiendo al siguiente esquema:

La energía latente se transforma en energía mecánica en una máquina primaria, la que suministra movimiento rotatorio a una máquina eléctrica, un alternador en la mayoría de los casos, la que a su vez se encarga de crear un sistema trifásico de tensiones alternas en 50 Hz o 60 Hz. El valor de tensión de generación es tan alto como lo permita el diseño del alternador (6 kV a 30 kV). Desde allí la energía eléctrica pasa a un transformador que se ocupa de adaptar la tensión de generación para obtener las mejores condiciones en la línea de transmisión. Como la tensión de generación trifásica de las centrales no es muy elevada, y además debe responder a otros requerimientos electromecánicos, es necesaria una estación de transformación elevadora. Es decir, que los alternadores se acolan al primario de un transformador instalado en la central eléctrica. La expresión IUS = nos indica que para una determinada potencia eléctrica disponible

a transmitir a distancia, si se eleva el valor de U, disminuye el valor de I, siendo S constante, deduciendo que la transmisión de potencia eléctrica será más económica cuanto más elevada sea la tensión eléctrica adoptada. No obstante el costo de los materiales para alta tensión obliga a un estudio de factibilidad de costo – beneficio. La estación transformadora elevadora se encarga de aumentar la tensión para adecuarla a un valor óptimo (500 kV, 220 kV, 132 kV y 66 kV) que se requiere en la línea de transmisión por corriente alterna.

Energía

latente

CALDERA

PRESA TURBINA REACTOR

~ Red de

transmisión

Maquina primaria Alternador Transformador

AUXILIARES

MAQUINA

PRIMARIA

AUXILIARES

ALTERNADOR

AUXILIARES

ESTACION

TRANSFORMADORA

MECANISMOS E INSTRUMENTOS PARA

EL CONTROL, COMANDO Y PROTECCION

DEL SISTEMA Y SUS AUXILIARES

Energía

mecánica

Energía

eléctrica

Energía

eléctrica

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En nuestro país la Reglamentación para Líneas Aéreas Exteriores de Media y Alta Tensión de la Asociación Electrotécnica Argentina define distintas clases de líneas: Clase A Baja Tensión: líneas para distribución de energía eléctrica con tensión

nominal de hasta 1 kV. Clase B Media Tensión: líneas para transmisión y distribución de energía eléctrica con

tensión nominal entre 1 kV y 66 kV. Clase C Alta Tensión: líneas para transmisión de energía eléctrica con tensión nominal

entre 66 kV y 220 kV. Clase D Extra Alta Tensión: líneas para transmisión de energía eléctrica con tensión

nominal entre 220 kV y 800 kV. Clase E Ultra Alta Tensión: líneas para distribución de energía eléctrica con tensión

nominal superior a 800 kV. Particularmente las tensiones de 66 kV, 220 kV y 330 kV han ido cayendo en desuso. Existen líneas de 66 kV en las provincias de Buenos Aires, Córdoba y Mendoza. En 330 kV existe la línea Futaleufú – Aluar. Las tensiones de 13.2 kV y 33 kV se utilizan para electrificación rural o en distribución suburbana para alimentar transformadores de distribución destinados a usuarios domiciliarios, comerciales e industriales. La tensión de 132 kV es la más generalizada en todo el territorio argentino y para grandes sistemas interconectados se utiliza la tensión de 500 kV. Las disposiciones más comunes de las líneas de transmisión son las siguientes:

CE SE SE

Directa:

CE SE

SE

SE

SE

Radial:

Anillo: CE SE

SE

SE

SE

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En la práctica, los distintos sistemas eléctricos de potencia de cada región de un país son reunidos para ser accionados coordinadamente. Esta unión de sistemas lleva el nombre de sistema interconectado, el que comprende a varios sistemas de transmisión, conectando varias centrales y varios centros de consumo, permitiendo fluir la energía desde una central hasta el centro de consumo que más convenga según el estado de carga de la red, sacar o poner en servicio centrales conforme a las circunstancias, y en fin, accionar con el conjunto en forma de obtener el mejor aprovechamiento económico y elevadas condiciones de seguridad y continuidad del suministro eléctrico.

Para manejar este sistema complejo, es necesario contar con un despacho unificado de carga, lugar donde se puedan tomar las decisiones que más convengan de acuerdo con las contingencias del servicio, la forma en que se desarrolla la demanda de energía eléctrica y las disponibilidades de energía latente en las distintas fuentes.

A consecuencia de las características geográficas y socioeconómicas del país, tales como la ubicación de las fuentes de energía y de los principales consumo, se ha desarrollado un sistema de transporte del tipo radial que cubre grandes distancias, con demandas concentradas y plantas de generación importantes alejadas de los principales centros de consumo.

SISTEMA DE

INTERCONEXION

CE CENTRO

CONSUMIDOR

CENTRO

CONSUMIDOR

DESPACHO

UNIFICADO

DE CARGAS

CE

CENTRO

CONSUMIDOR

CE

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Geográficamente, el país se divide en zonas eléctricas para el estudio de demanda de energía eléctrica de cada región.

AREA ZONA JURISDICCION

1 GBA Capital Federal Buenos Aires

2 LITORAL Santa Fe Entre Ríos

3 COMAHUE La Pampa Neuquén Río Negro

4 BUENOS AIRES Buenos Aires

5 CENTRO Córdoba San Luis

6 CUYO Mendoza San Juan

7 NEA Misiones Formosa Chaco Corrientes

8 NOA Catamarca Jujuy La Rioja Salta Santiago del Estero Tucumán

9 PATAGONICO NORTE

Chubut Río Negro

10 PATAGONICO SUR Santa Cruz Tierra del Fuego

Las condiciones particularmente ventajosas de los proyectos de generación en el área del Comahue, en el sur del país, han aumentado sensiblemente la utilización del sistema de transporte existente en los últimos años, llevándolo prácticamente al límite de operación durante gran parte del año. En efecto, la gran oferta de generación ubicada en el área Comahue, principalmente de origen hidráulico y térmico de bajo costo, entrega al sistema un importante volumen de energía a través del corredor COM-GBA. La ubicación de las líneas de transmisión del corredor COM-GBA en una zona geográfica de potencial riesgo de tornados en época de verano, hace que se restrinja la generación máxima del área a un porcentaje de la demanda total durante dicha época, para evitar el colapso en el resto del sistema en caso de una falla conjunta en la correspondiente vinculación Chocón-Ezeiza. Asimismo el Sistema Patagónico abastece una amplia zona del litoral marítimo de esa región y constituye un sistema de transporte que se encuentra aislado del resto hasta el presente, pero se vislumbra su próxima interconexión en un futuro.

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Para comprender porque la red se desarrollo de esta manera, conviene analizar como están distribuidas la demanda y la generación en el país. Así, la potencia instalada en puede verse en el gráfico siguiente:

La zona del Gran Buenos Aires, Litoral y Provincia de Buenos Aires es un área de gran concentración de demanda y con menor oferta de generación que dicha demanda. Por el contrario, en el resto de las áreas la potencia instalada es superior a la demanda; y en algunas, como el Noreste Argentino (NEA), hay una demanda muy inferior. Lo que se observa claramente es que en todo el sistema hay concentraciones de demanda y generación que resultan en excesiva oferta de generación o excesivo requerimiento de demanda, por lo que deben conectarse entre sí para comprar o vender energía con las otras áreas del sistema, resultando un uso muy intensivo del Sistema de Transporte.

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A la llegada de la energía de la línea de transmisión se instala una estación transformadora reductora (próxima a la zona de influencia de los consumos), para adecuar la tensión a los valores que se requieran en las redes de distribución hacia los centros de consumo. Estas se clasifican en:

Red de distribución primaria.

Red de distribución secundaria. En la primera, al finalizar la línea de transmisión, la tensión se reduce generalmente a 13,2 kV, recorriendo distancias inferiores a los 100 Km. Con estas se alimentan a las grandes industrias, la electrificación rural y la alimentación de los centros de gravedad de las áreas de consumo de las grandes ciudades. Suelen ser distribuciones radiales.La red de distribución secundaria entrega, previo paso por subestaciones transformadoras reductoras, la energía a los usuarios y se caracteriza por tener un gran número de conexiones comunes formando mallas cerradas que permiten asegurar el suministro de energía a toda la red de baja tensión (0,4 kV y 0,231 kV). Este tipo de distribución se realiza de las siguientes maneras:

Anillo:

CAMARA

TRANSF

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Cada configuración presenta ventajas y desventajas:

TIPO DE

DISTRIBUCION VENTAJA DESVENTAJA

RADIAL Es muy sencillo La sección del conductor puede disminuir a medida que salen ramificaciones Es la más económica

La interrupción en cualquier sector de la línea deja sin alimentación al resto Las cargas deben estar distribuidas uniformemente para evitar caídas de tensión superiores a 5% entre Usuarios No es flexible a futuras ampliaciones

ANILLO Ofrece mayor seguridad de servicio que el radial al tener doble alimentación Permite ampliaciones por sectores regulando la tensión de servicio

Alto costo de las protecciones

MALLA Continuidad de servicio Ante una avería, solo se quedan sin energía los usuarios afectados por el tramo defectuoso

Alto costo de las protecciones

Malla:

CAMARA

TRANSF

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De la red de distribución secundaria se pueden obtener dos valores de tensión eléctrica: 220V entre cualquiera de las fases y el conductor de neutro; y 380V entre las fases. La conexión al usuario se denomina acometida, la que puede ser aérea o subterránea según la red de suministro eléctrico. En las zonas urbanas normalmente la distribución se efectúa en forma subterránea. En estos casos el medidor se coloca en la pared del frente de la vivienda y de allí pasa directamente al tablero de entrada con sus líneas y protecciones.

En caso de distribución aérea, generalmente en barrios suburbanos, se bajan los conductores a un pilar de acometida al edificio, cuando se exigen de acuerdo a la reglamentación edilicia, dejar jardín al frente. En el pilar de entrada se coloca una caja para el medidor que da a la calle, colocándose en el interior la caja para el tablero e interruptor y fusibles de entrada.

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A partir de la acometida, las instalaciones eléctricas en inmuebles siguen algún esquema que respete lo indicado por la norma en vigencia. Por ejemplo:

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Marco regulatorio en el país: En síntesis, tres distintas funciones son necesarias para que los usuarios puedan contar con energía eléctrica: GENERACION, TRANSMISION y DISTRIBUCION, lo que lo hace similar a cualquier producto de consumo masivo, el que se resume en el siguiente cuadro:

PROCESO ETAPA DENOMINACION TENSIONES MAS

USUALES

PRODUCCION GENERACION CENTRALES MEDIA TENSION

ELEVACION ESTACIONES DE ELEVACION

DE MEDIA TENSION A ALTA TENSION

TRANSPORTE TRANSMISION LINEAS DE TRANSMISION

ALTA TENSION

REBAJE ESTACIONES DE REBAJE

DE ALTA TENSION A MEDIA TENSION

ALIMENTACION ALIMENTADORES ALIMENTADORES MEDIA TENSION

SECCIONAMIENTO Y MANIOBRA

SUBESTACIONES ALIMENTADORAS

MEDIA TENSION

DISTRIBUCION LINEAS PRIMARIAS RED DE DISTRIBUCION PRIMARIA

MEDIA TENSION

SUBESTACIONES SUBESTACION DE DISTRIBUCION

PRIMARIA

DE MEDIA TENSION A BAJA TENSION

LINEAS SECUNDARIAS RED DE DISTRIBUCION SECUNDARIA

BAJA TENSION

CONSUMO

En nuestro país, la ley N° 24065 (denominada Marco Regulatorio Eléctrico) establece las bases del Mercado Eléctrico Mayorista (MEM), donde se destacan cuatro agentes activos (generadores, transportistas, distribuidores y grandes usuarios), un agente administrador (CAMMESA) y un agente regulador (ENRE), todos actuando coordinadamente bajo pautas técnicas, económicas y jurídicas, siendo el esquema de regulación el siguiente: Los generadores cumplen la función de generar energía eléctrica para colocarla total o parcialmente en algún punto del sistema interconectado argentino. La generación de energía es una actividad de interés general. Los transportistas vinculan eléctricamente todos los nodos del SADI por medio de redes aéreas y/o subterráneas de alta tensión, siendo responsables además de la transformación de energía desde el punto de entrega del generador hasta el punto de recepción del distribuidor o del gran usuario. El transporte de energía es un servicio público monopólico. La transmisión de electricidad en bloque se efectúa mediante un sistema conocido como Sistema Argentino de Interconexión SADI. El SADI consiste principalmente de líneas aéreas y subestaciones, cubre aproximadamente el 90% del territorio y fue dividido en siete sectores acorde con las empresas transportistas cuando este se privatizó:

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• El primero es el Sistema de Transporte en Alta Tensión, operado por TRANSENER, con 7950 km de extensión y 27 estaciones transformadoras distribuidas en todo el país; que está compuesto por todo el sistema de 500 kV y algunas líneas del Sistema del Litoral en 220 kV, las que van desde la SE Villa Lía a la SE Rodríguez. Esta empresa es denominada en la normativa vigente como Empresa de Transporte en Alta Tensión y es única y monopólica en todo el país.

El resto son las empresas de transporte regional, a las que se denomina Empresas de Transporte por Distribución Troncal (DISTRO):

• TRANSNOA: de 2620 km de extensión y 29 estaciones transformadoras, abarca redes de 132 kV en todo el NOA incluyendo las provincias de Tucumán, Catamarca, La Rioja, Salta, Jujuy y Santiago del Estero;

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• DISTROCUYO: de 1245 km de extensión y 11 estaciones transformadoras, incluye redes de 220 y de 132 kV en las provincias de San Juan y Mendoza.

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• TRANSBA: de 5600 km de extensión y 64 estaciones transformadoras, comprende redes de 220, 132 y 66 kV en la provincia de Buenos Aires.

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• TRANSNEA: de 930 km de extensión y 12 estaciones transformadoras, abarca redes de 132 kV en las provincias de Formosa, Chaco, Corrientes y parte de Entre Ríos.

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• C.O.T.D.T COMAHUE: de 888 km de extensión y 13 estaciones transformadoras, abarca redes de 132 kV en las provincias de Río Negro, Neuquén y parte de La Pampa;

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• TRANSPA: de 2417 km de extensión y 18 estaciones transformadoras, que es un área eléctricamente aislada del SADI , y comprende dos líneas de 330 kV entre Futaleufú y Puerto Madryn y diversas redes de 132 kV en la región patagónica de Rio Negro, Chubut y Santa Cruz.

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Los distribuidores atienden la demanda de los usuarios finales de energía eléctrica (aquellos que no tienen la posibilidad de contraer suministro en forma independiente) en su área de concesión. La distribución de energía es un servicio público monopólico. Los grandes usuarios son aquellos que, por su característica de demanda y consumo, pueden contratar en forma independiente y para su consumo propio el abastecimiento de energía eléctrica. Pactan libremente el precio de compra y según las características de demanda se clasifican en grandes usuarios mayores GUMA (con una capacidad máxima de 1 MW y un consumo de 4380 MWh anuales), grandes usuarios menores GUME (con una capacidad máxima entre 0.1 y 2 MW sin tope de consumo mínimo de energía) y grandes usuarios particulares GUPA (con una capacidad entre 50 y 100 kW sin tope de consumo mínimo de energía)

La compañía administradora del mercado mayorista eléctrico sociedad anónima CAMMESA es el coordinador central de la operación técnica del sistema argentino de interconexión SADI, encargándose de programar y despachar a los generadores para cubrir la demanda existente, principalmente sobre la base de un orden de méritos usando los costos marginales y la disponibilidad ofrecida por los generadores, siendo generalmente despachados en primer lugar aquellos que ofrecen costos marginales más bajos. Por ejemplo el costo marginal de un generador de una central térmica se define como el costo de combustible (gas oil, fuel oil, gas natural o carbón) consumido para producir 1 kWh.

El ente nacional regulador de la electricidad ENRE es el encargado de controlar los contratos de concesión, dictar reglamentos en materia de seguridad, normas y procedimientos técnicos, controlar la calidad de los servicios, etc.

La comercialización en el MEM se realiza por tres mecanismos:

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Mercado spot: se rige por precios de sanción horaria en base a un costo marginal de corto plazo, que está constituido por los consumos de combustible y de producción del sistema, con la incorporación de máquinas de acuerdo a sus costos crecientes basados en el rendimiento.

Mercado estacional: los distribuidores pueden comprar electricidad del MEM a un precio estacional estabilizado. Este precio se calcula mediante modelos de simulación, tomando períodos de seis meses:

• Mayo a Octubre, en el que se presume una elevada contribución de generación hidroeléctrica por que dicho período abarca la estación de mayores lluvias, nieve y deshielo

• Noviembre a Abril, en el que se presume una mayor contribución de generación térmica, debido a un aporte hidroeléctrico de menor volumen, por corresponder con la época de estiaje en las principales cuencas.

Es decir, se tiene en cuenta las características de clima e hidraulicidad media del país. Para cada uno de estos períodos se define un precio estabilizado.

Mercado de precios libres: en este, los generadores pueden establecer contratos con distribuidores y grandes usuarios con precios, condiciones y plazos pactados libremente.

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Aspectos reglamentarios aplicables a las instalaciones eléctricas de baja tensión. Las instalaciones eléctricas de baja tensión, los materiales con las que se ejecutan, y el trabajo del instalador electricista, deben cumplir ciertos aspectos reglamentarios. Los materiales de uso eléctrico y aquellos dispositivos, aparatos y equipos que se conecten a la instalación eléctrica deben estar certificados bajo normas IRAM del Instituto Argentino de Normalización y normas IEC del Comité Electrotécnico Internacional, según lo establece la Resolución N° 92/98 de la ex Secretaría de Industria, Comercio y Minería. Esta resolución abarca a todo equipamiento (artefactos, aparatos y materiales eléctricos destinados a una instalación eléctrica o formando parte de ella) que funcione con tensiones menores a 1000V, valor límite considerado como de baja tensión y tiene como fin la protección de las personas, los bienes y los animales domésticos. Para ello contempla protecciones ante los peligros originados en el propio equipo eléctrico y los causados por influencias externas. Las instalaciones eléctricas inicialmente estaban regidas por la resolución N° 207/95 del ENRE (Ente Regulador de la Electricidad) que determina aplicable a la construcción y mantenimiento de estas, a la Reglamentación para la ejecución de instalaciones eléctricas en inmuebles. Esta resolución es de alcance nacional, por lo tanto se aplica en Capital Federal (área de concesión de las empresas EDENOR, EDESUR Y EDELAP) y en aquellas provincias y municipalidades que adhieran a la misma. El ENRE designó al APSE Asociación para la Promoción de la Seguridad Eléctrica para aplicar esta Resolución. Para ello se crea el IHA Instituto de Habilitación y Acreditación encargado de: Seleccionar, acreditar y supervisar a los centros de capacitación donde se forma al

personal idóneo en electricidad que no haya tenido una educación formal en electricidad.

Habilitar a los instaladores electricistas.

Auditar el cumplimiento de la Reglamentación en las instalaciones realizadas. Las instalaciones eléctricas en inmuebles se clasifican en tres categorías: A. Instalaciones de gran demanda, con demanda de potencia mayor a 50 kW.

B. Instalaciones de media demanda, con demanda de potencia mayor a 10 kW y hasta

50 kW. C. Instalaciones de pequeña demanda, con demanda de potencia de hasta 10 kW.

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Estas tres categorías se corresponden con los tres niveles establecidos para los instaladores electricistas habilitados: Nivel 1: profesionales universitarios matriculados ante los Consejos o Colegios

profesionales, con títulos que acreditan incumbencia en instalaciones eléctricas, habilitados para ejecutar instalaciones de categorías A, B y C. Obtienen su habilitación en forma automática con la presentación del título y la matricula.

Nivel 2: técnicos matriculados ante los Consejos o Colegios profesionales, con títulos

que acreditan incumbencia en instalaciones eléctricas, habilitados para ejecutar instalaciones de categorías B y C. Obtienen su habilitación en forma automática con la presentación del título y la matricula. (En Buenos Aires la matriculación se realiza en el COPIME Consejo Profesional de Ingenieros Mecánicos y Eléctricos para la Capital Federal y en el Colegio de Técnicos de la provincia)

Nivel 3: idóneos que han cursado y aprobado el examen final de la capacitación de los

centros de formación, habilitados para ejecutar instalaciones de categoría C. A partir de 1997, las instalaciones eléctricas de los inmuebles destinados a vivienda, locales comerciales, oficinas y otros locales similares que soliciten suministro eléctrico, deben contar con un certificado técnico o DCI Declaración de Conformidad de la Instalación para asegurar el cumplimiento de los reglamentos vigentes y la calidad de los materiales empleados. Esta certificación la realizan los instaladores electricistas registrados. La DCI está formada por varios formularios (carátula de presentación, síntesis de proyecto, esquema unifilar de tablero y características de dispositivos de protección y maniobra, listado de materiales y croquis de vista en planta). A través de la DCI el instalador declara haber realizado la instalación eléctrica según lo establecido por la Reglamentación. En la actualidad esta resolución, la 207/95, fue derogada a principios del año 2009 y reemplazada por las resoluciones ENRE 184/09 y ENRE 336/09. Estas resoluciones establecen que las empresas distribuidoras son las encargadas del control de los elementos de protección hasta el tablero principal, por ende cumpliendo ese requisito cualquier usuario puede pedir suministro eléctrico domiciliario. En cuanto a la instalación eléctrica interior del inmueble, esta queda bajo el control de los municipios, los que carecen de estructura profesional para cumplir con el cometido de verificación e inspección. Además en muchos casos la normativa vigente municipal aplicable a las instalaciones eléctricas no ha sido actualizada o los municipios no han adherido a la Reglamentación de la Asociación Eléctrica Argentina (AEA). Por ejemplo la ciudad de Buenos Aires tiene vigente el Código de Edificación según una ordenanza del año 1943 que no está actualizada a los múltiples adelantos tecnológicos ni de seguridad eléctrica.

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Debido a los diferentes cuestionamientos, recursos administrativos y acciones judiciales iniciados contra dicha resolución por parte de las empresas distribuidoras y entidades sectoriales, la polémica resolución 336/09 fue derogada en el año 2011 por la Resolución ENRE 225/11 que establece un nuevo Reglamento para la conexión de nuevos suministros, la posibilidad de contar nuevamente con una declaración de conformidad de las instalaciones emitida por profesionales electricistas registrados y recomienda el uso de la Reglamentación AEA para la ejecución de las instalaciones eléctricas en inmuebles. El Reglamento para la Ejecución de Instalaciones Eléctricas consta de siete partes:

1. Alcance, principios y objeto. 2. Definiciones. 3. Determinación de las características generales de las instalaciones. 4. Protecciones para preservar la seguridad. 5. Elección e instalación del equipamiento. 6. Verificación de las instalaciones. 7. Reglas particulares de las instalaciones de acuerdo a su destino.

La parte 7, contiene la sección 7.71 para viviendas, oficinas y locales y la sección 7.01 para cuartos de baño.