Componentes del sistema de energía eléctrica

El sistema de energía eléctrica se puede dividir en tres componentes principales: generación (G), transmisión (T) y distribución (D), como se muestra en la Fig. 1. El sistema generador proporciona energía eléctrica al sistema.

Sistemas de transmisión y subtransmisión

Los sistemas de transmisión y subtransmisión son redes malladas; es decir, hay más de un camino de un punto a otro. Esta estructura de rutas múltiples aumenta la confiabilidad del sistema de transmisión. La red de transmisión es una red de alto voltaje diseñada para transportar energía a largas distancias desde los generadores hasta los puntos de carga.

La red de subtransmisión es una red de bajo voltaje cuyo propósito es transportar energía a distancias más cortas desde subestaciones de energía a granel hasta subestaciones de distribución. El sistema de transmisión, que suele ser de 132 a 765 kilovoltios (kV), y el sistema de subtransmisión, que suele ser de 34 a 132 kV, constan de:

  1. Hilos aislados o cables para transmisión de potencia.
  2. Transformadores para la conversión de un nivel de tensión a otro.
  3. Dispositivos de protección, como interruptores automáticos, relés, sistemas de comunicación y control
  4. Estructuras físicas para contener lo anterior, como torres de transmisión y subestaciones.

Figura 1: Estructura simple del sistema de potencia.

Sistema de distribución

La distribución de energía eléctrica incluye esa parte de un sistema de energía eléctrica por debajo del nivel de subtransmisión, es decir, la subestación de distribución, líneas de distribución primarias o alimentadores, transformadores de distribución, circuitos de distribución secundaria y conexiones y medidores de los clientes.

La subestación contiene un transformador para bajar el voltaje de la sub-transmisión a los niveles de distribución. Los voltajes de distribución son típicamente de 4 a 34 kV.Cada transformador de subestación sirve a uno o más alimentadores.

El sistema de distribución primario se extiende desde las subestaciones de distribución hasta los transformadores de distribución. Se hace una distinción entre los alimentadores principales, que están conectados a la subestación, y los alimentadores laterales, que están conectados a los alimentadores principales. Estos alimentadores principales y laterales se ilustran en la Fig. 2.

Figura 2: Componentes del sistema de distribución de energía eléctrica.

Cada alimentador está equipado con un interruptor de circuito o recierre para protegerse a sí mismo y al transformador de la subestación contra daños por corrientes de cortocircuito. Más allá de la subestación, el alimentador principal consiste en cables subterráneos o líneas aéreas para transportar la energía y los dispositivos asociados para controlar y proteger el alimentador. Estos incluyen interruptores, condensadores, fusibles, reguladores de voltaje, seccionadores, recierres y transformadores de distribución reducidos.

Muchos transformadores están conectados al alimentador primario para bajar los niveles de voltaje hasta niveles de clientes, que son 240, 208 o 120 V. Los transformadores de distribución sirven al sistema de distribución secundario, que tiene conductores pequeños que conectan de 1 a 10 clientes residenciales a cada transformador de distribución. .

Según el tamaño de su demanda de energía, los clientes pueden estar conectados al sistema de transmisión, al sistema de subtransmisión, a la distribución primaria oa la distribución secundaria. Cada cliente está conectado al sistema de energía a través de un medidor.

Sistema radial

Los principales circuitos de distribución en los distritos comerciales centrales de grandes áreas urbanas consisten en cables subterráneos que se utilizan para interconectar los transformadores de distribución en una red eléctrica. Con esta excepción, el sistema primario es a menudo radial ; Es decir, constituye un árbol. Para mayor seguridad, es bastante frecuente en bucle radial :

El alimentador principal recorre el área de carga y regresa a la subestación.

Los dos extremos del bucle generalmente están conectados a la subestación por dos disyuntores separados. Una configuración radial de bucle proporciona una capacidad de copia de seguridad. La apertura de los interruptores de seccionamiento seleccionados da como resultado una configuración radial que se utiliza para el funcionamiento normal. Cuando ocurre una falla en cualquier sección servida por un alimentador radializado, esa sección se aísla y la otra parte del bucle se puede usar para suministrar a los clientes no afectados aguas abajo de la sección con fallas.

Producción de energía eléctrica

La mayor parte de la energía eléctrica en México se genera en plantas de turbinas de vapor . La energía hidráulica representa menos del 20% del total, y ese porcentaje disminuirá debido a que la mayoría de las fuentes disponibles de energía hidráulica se han desarrollado. Las turbinas de gas se utilizan en menor medida durante períodos cortos cuando un sistema lleva una carga máxima.

El carbón es el combustible más utilizado para las plantas de vapor. Las plantas nucleares alimentadas por uranio representan una proporción cada vez mayor de la carga, pero su construcción es lenta e incierta debido a la dificultad de financiar los mayores costos de construcción, el aumento de los requisitos de seguridad, la oposición pública a la operación de las plantas nucleares y los retrasos en la licenciamiento

Hay un cierto uso de energía geotérmica en forma de vapor derivado de la tierra en Mexico.

La energía solar, aún principalmente en forma de calentamiento directo del agua para uso residencial, debería llegar a ser práctica a través de la investigación en células fotovoltaicas. Se ha logrado un gran progreso en el aumento de la eficiencia y la reducción del costo de estas células, pero aún queda mucho camino por recorrer.

Los generadores eléctricos accionados por molinos de viento operan en varios lugares y suministran pequeñas cantidades de energía a los sistemas de energía. Se están realizando esfuerzos para extraer energía de las mareas cambiantes y de las olas. Una forma indirecta de energía solar es el alcohol obtenido de granos y mezclado con gasolina para obtener un combustible aceptable para automóviles. El gas sintético hecho de basura y aguas residuales es otra forma de energía solar indirecta.

Transmisión y distribución

El voltaje de los generadores grandes en el sistema de energía generalmente está en el rango de 13.8 a 24 kV. Sin embargo, los generadores de módem grandes están diseñados para voltajes que van desde 18 a 24 kV. No se ha adoptado ningún estándar para voltajes de generador.

El voltaje del generador se eleva a niveles de transmisión en el rango de 115 a 765 kV.Los voltajes altos estándar (HV) son 115, 138 y 230 kV. Los voltajes extra-altos (EHV) son 345, 500 y 765 kV.

La investigación se está realizando en líneas en los niveles de ultra-alto voltaje (UHV) de 1000 a 1500 kV. La ventaja de niveles más altos de voltaje de transmisión es evidente cuando se considera la capacidad de transmisión en megavoltio-amperios (MVA) de una línea.

La capacidad de las líneas de transmisión varía con el cuadrado de la tensión. La capacidad también depende de los límites térmicos del conductor, de la caída de voltaje permitida, de la confiabilidad y de los requisitos de estabilidad para mantener la sincronización entre las máquinas del sistema. La mayoría de estos factores dependen de la longitud de la línea .

La transmisión de alto voltaje generalmente emplea líneas aéreas soportadas por estructuras de acero, cemento o madera. En la actualidad, la aplicación de la transmisión subterránea es insignificante en términos de la longitud total de las líneas de transmisión. Esto se debe principalmente a la inversión mucho mayor , así como a los costos de reparación y mantenimiento, en forma subterránea en comparación con la transmisión aérea.

El uso de cables subterráneos se limita principalmente a áreas urbanas densamente pobladas o grandes cuerpos de agua.

El primer paso hacia abajo del voltaje desde los niveles de transmisión se encuentra en la subestación de energía a granel, donde la reducción es de 34.5 a 138 kV, dependiendo de la tensión de transmisión. Algunos clientes industriales pueden ser suministrados a estos niveles de voltaje.

El siguiente paso hacia abajo en el voltaje es en la subestación de distribución, donde el voltaje en las líneas de transmisión que salen de la subestación varía de 4 a 34.5 kV y generalmente está entre 11 y 15 kV. Este es el sistema de distribución primaria . Un voltaje muy popular en este nivel es de 12 kV (línea a línea). Este voltaje generalmente se describe como 12-kV Y / 7.2-kV ∆.

La mayoría de las cargas industriales se alimentan desde el sistema primario, que también suministra los transformadores de distribución que proporcionan voltajes secundarios en circuitos monofásicos de tres hilos para uso residencial. Aquí el voltaje es de 240 V entre dos cables y 120 V entre cada uno de estos y el tercer cable, que está conectado a tierra. Otros circuitos secundarios son sistemas trifásicos, de cuatro cables con clasificación 208-VY / 120-VA o 480-VY / 277-V.

Características de carga eléctrica

El objetivo final de cualquier sistema de energía es entregar energía eléctrica al consumidor de manera segura, confiable, económica y de buena calidad. El funcionamiento del sistema de energía requiere que se preste la atención adecuada a la seguridad no solo del personal de servicios públicos, sino también del público en general.

En los centros de carga del consumidor, la energía eléctrica se convierte en otras formas de energía más deseables y útiles. Esto implica que el suministro de electricidad debe estar disponible donde, cuándo y en la cantidad que requiera el consumidor.

La calidad de la energía eléctrica suministrada depende parcialmente del uso de energía por parte de los consumidores. Cuando hay una gran demanda en las capacidades limitadas del sistema de energía, el voltaje puede desviarse de sus niveles aceptables.

La conmutación de maquinaria grande podría causar fluctuaciones en el voltaje y en la frecuencia. Las demandas inusualmente altas y prolongadas pueden llevar a un equipo sobrecargado, lo que puede ocasionar que los dispositivos de protección se disparen para evitar daños adicionales al equipo.

Finalmente , el sistema de energía debe operarse de manera tal que se minimicenlos costos generales de producción de electricidad, incluidas todas las pérdidas concomitantes en los sistemas de generación y entrega. Las condiciones más económicas se derivan no solo de los procedimientos operativos adecuados, sino también de una planificación y diseño eficientes del sistema.

Las cargas eléctricas generalmente se agrupan en cuatro categorías : residencial, comercial, industrial y otras.

Estos a veces se subdividen en subgrupos según sus niveles de uso, por ejemplo, residencial A, B o C.

Las cargas residenciales son casas privadas y apartamentos. Incluyen iluminación, cocina, calefacción y refrigeración de confort, refrigeradores, calentadores de agua, lavadoras y secadoras, y muchos más aparatos diferentes.

Las cargas comerciales incluyen edificios de oficinas, grandes almacenes, tiendas de comestibles y tiendas.

Las cargas industriales consisten en fábricas, plantas de fabricación, acero, madera, papel, minería, textiles y otras fábricas industriales.

Tanto en los grupos comerciales como en los industriales, las cargas incluyen iluminación, calefacción y refrigeración de confort y diversos tipos de equipos de oficina. Además, las cargas industriales contienen varios tipos y tamaños de motores, ventiladores, prensas, hornos, etc.

La carga eléctrica se refiere a la cantidad de energía eléctrica o energía eléctrica consumida por un dispositivo en particular o por una comunidad entera .

También se le conoce como demanda eléctrica. A nivel del consumidor individual, la demanda eléctrica es bastante impredecible. Sin embargo, a medida que las demandas de los distintos usuarios se acumulan y agregan en un alimentador o una subestación, comienzan a exhibir un patrón definido.

Curva de carga

Una gráfica típica de la carga eléctrica se muestra en la Fig. 3, y se conoce como una curva de carga . El período de interés es normalmente de 1 día; Por lo tanto, se llama una curva de carga diaria . La curva de carga diaria muestra la demanda de kilovatios desde la medianoche hasta el mediodía hasta la medianoche.

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Figura 3: Una curva de carga típica.

Las curvas de carga diarias de lunes a viernes son similares en forma y valores máximos. Las curvas de carga de fin de semana son generalmente diferentes, particularmente para clientes industriales y comerciales debido a la suspensión de operaciones los sábados y domingos.

Las curvas de carga pueden construirse para alimentadores, subestaciones, plantas generadoras o para todo el sistema. Las curvas de carga también se dibujan para diferentes períodos o estaciones del año. Por lo tanto, la carga máxima del sistema para verano o invierno puede leerse como la ordenada más alta de la curva de carga correspondiente.

Curva de duración de carga

Las curvas de carga diarias pueden acumularse durante un año entero y presentarse en otra curva, denominada curva de duración de carga anual (LDC). En la Fig. 4 se muestra una curva de duración de carga típica.

Figura 4: Curva de duración de la carga

El LDC muestra las 8760 cargas por hora durante todo el año, aunque no en el orden en que ocurrieron. Más bien, el LDC muestra la cantidad de horas durante las cuales la carga excedió una cierta demanda de kilovatios. Si el área bajo la curva LDC se calcula y se divide por el número total de horas, se determina la demanda promedio.

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