CURSO TALLER

CURSO TALLER
ACTIVIDAD 9
GENERACIÓN – TRANSFORMACIÓN – TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE
LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Energía eléctrica
La energía eléctrica apenas existe de manera aprovechable en la Naturaleza,
siendo el ejemplo más habitual de su presencia natural las tormentas eléctricas. Al
mismo tiempo, tampoco es de utilidad directa para el ser humano salvo en
aplicaciones muy singulares, como el uso de corrientes en medicina. Sin embargo
es una de las principales energías debido fundamentalmente a la facilidad para
transportarla, convertirla en otras formas de energía y producirla también a partir
de otras fuentes de energía.
La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad
en la generación y transporte se ha convertido para la industria en la forma más
extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy
ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas
térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de
almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy
costosas.
Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan
generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el
voltaje por medio de transformadores. Para transportar la energía se eleva el
voltaje para impedir que se produzcan caídas de tensión significativas y la
consecuente pérdida en la eficiencia. Para el transporte de una cantidad de
energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente
necesaria, esto disminuye las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la
intensidad. Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las
subestaciones que gradúan la tensión según se utilicen en la industria (entre 33
KV y 440 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).
Una central eléctrica utiliza un motor para mover un generador eléctrico con
diversas fuentes de energía. Se pueden clasificar las centrales eléctricas según la
energía aprovechada.
Central hidroeléctrica:
Utiliza la energía obtenida en los saltos de agua (energía hidráulica).
Central termoeléctrica:
Utiliza la energía obtenida de los combustibles fósiles. (carbón, petróleo, metano,
etc. )
1
Central nuclear:
Utiliza la energía obtenida mediante el calor producido por materiales radioactivos.
Centrales de recursos renovables:
Utiliza energía de recursos renovables: energía solar, eólica, mareomotriz y
geotérmica.
El sistema de suministro eléctrico comprende el conjunto de medios y
elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía
eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y
protección.
Constituye un sistema integrado que además de disponer de sistemas de control
distribuido, está regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una
explotación racional de los recursos de generación y una calidad de servicio
acorde con la demanda de los usuarios, compensando las posibles incidencias y
fallas producidas.
Con este objetivo, tanto la red de transporte como las subestaciones asociadas a
ella pueden ser propiedad, en todo o en parte y, en todo caso, estar operadas y
gestionadas por un ente independiente de las compañías propietarias de las
centrales y de las distribuidoras o comercializadoras de electricidad.
En la figura siguiente, se pueden observar en un diagrama esquematizado las
distintas partes componentes del sistema de suministro eléctrico:
Figura 1: Diagrama esquematizado del Sistema de suministro eléctrico
2
Generación
La energía eléctrica se genera en las Centrales Eléctricas. Una central eléctrica es
una instalación que utiliza una fuente de energía primaria para hacer girar una
turbina que, a su vez, hace girar un alternador, generando así electricidad.
Una Central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad mediante el
aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una presa
situada a un nivel más alto que la central.
El agua es conducida mediante una tubería de descarga a la sala de máquinas de
la central, donde mediante enormes turbinas hidráulicas se produce la generación
de energía eléctrica en alternadores cuya potencia, dependiendo del desnivel
entre la presa y la central puede ser de varios centenares de megavatios.
Figura 2: Central Hidroeléctrica
El hecho de que la electricidad, a nivel industrial, no pueda ser almacenada y deba
consumirse en el momento en que se produce, obliga a disponer de capacidades
de producción con potencias elevadas para hacer frente a las necesidades de
consumo con flexibilidad de funcionamiento para adaptarse a la demanda.
Turbina
Máquina de fluido que permite transformar la energía del fluido que la atraviesa en
movimiento rotativo de un eje. El fluido puede ser líquido (o comportarse como tal)
como en el caso de las turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las
turbinas de los aerogeneradores o gaseoso, se trate de vapor de agua o gases
producto de la combustión de un combustible, turbina de vapor y turbina de gas
respectivamente.
Aunque en sentido estricto la turbina consta de una o dos ruedas con paletas,
denominadas respectivamente rotor y estator, siendo la primera la que es
impulsada por el fluido arrastrando el eje en el que se obtiene el movimiento de
3
rotación, aquellos motores en los que el efecto útil buscado es precisamente el
giro de un eje, frecuentemente conectado a un generador para la obtención de
energía eléctrica, aunque la turbina sea sólo un componente de la máquina, por
considerarse el principal del conjunto, recibe la denominación de turbina.
La máquina inversa, es decir, aquélla que incrementa la energía del fluido que la
atraviesa a expensas de la energía mecánica de rotación de un eje se denomina
turbocompresor.
Las turbinas se emplean masivamente en la Ingeniería industrial, Eléctrica como
parte de los ciclos termodinámicos de transformación de calor en movimiento, así
como en la Ingeniería Aeronáutica, en donde la corriente cede parte de su energía
a la turbina para mover un compresor previo.
TURBINA HIDRÁULICA
La turbina hidráulica es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial
del agua para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un
eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la
energía mecánica en energía eléctrica.
En cuanto a su modo de funcionamiento, se pueden clasificar en dos grupos:
- Turbinas de acción
- Turbinas de reacción
Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua,
mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se
produce en su interior.
El tipo de turbina de acción más conocido es la Pelton, que se emplea
generalmente para saltos de agua de gran altura (más de 50 metros), pero existen
otros como la Turgo y la de flujo cruzado (también conocida como turbina
Ossberger o Banki-Mitchell). Los principales tipos de turbina de reacción son los
siguientes: Francis, Deriaz, Hélice, Kaplan, Tubular y Bulbo. La turbina Francis es
muy utilizada en saltos de altura media (5 a 100 metros) y la turbina Kaplan lo es
en los saltos de baja altura (menos de 10 metros).
La potencia teórica de un salto de agua viene dada por la siguiente fórmula:
donde:
N = potencia en kW
g = aceleración de la gravedad en m/s²
Q = caudal de agua en m³/s
h = altura de salto en m.
4
De acuerdo con lo anterior, una misma potencia se puede conseguir con gran
altura de salto y poco caudal (centrales hidroeléctricas de montaña), pequeño
salto y gran caudal (centrales de llanura) o con valores medios de ambas
magnitudes (centrales de pié de presa, generalmente).
Alternador
El alternador es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en
eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción, una corriente alterna.
Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido
a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya
polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.
Un alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea
el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las
líneas de fuerza de dicho campo.
Figura3.- Disposición de elementos en un alternador simple
Así, en el alternador mostrado en la Figura 3, tenemos que el inductor está
constituido por el rotor R, dotado de cuatro piezas magnéticas cuya polaridad se
indica. Estas piezas pueden estar imantadas de forma permanente o ser
electroimanes. En las grandes máquinas el inductor siempre está constituido por
electroimanes, cuya corriente de alimentación o excitación proviene de un
generador de corriente continua auxiliar o de la propia corriente alterna generada
por el alternador convenientemente rectificada.
El inducido está constituido por las cuatro bobinas a-b, c-d, e-f y g-h, arrolladas
sobre piezas de hierro que se magnetizan bajo la acción de los imanes o
electroimanes del inductor. Dado que el inductor está girando, el campo magnético
que actúa sobre las cuatro piezas de hierro cambia de sentido cuando el rotor gira
90º, y su intensidad pasa de un máximo, cuando están las piezas enfrentadas
5
como en la figura, a un mínimo cuando los polos N y S están equidistantes de las
piezas de hierro.
Son estas variaciones de sentido y de intensidad del campo magnético las que
inducirán en las cuatro bobinas una diferencia de potencial que cambia de valor y
de polaridad siguiendo el ritmo del campo.
El flujo magnético (Φ) a través de cada espira de las bobinas que constituyen el
inducido tiene por valor el producto de la intensidad de campo (B), por la superficie
de la espira (s) y por el coseno del ángulo formado por el plano que contiene a
esta y la dirección del campo magnético (cos φ), por lo que la variación del flujo
en cada instante será:
Como por otra parte tenemos que siempre que se produce una variación del flujo
magnético que atraviesa a una espira se produce en ella una fuerza electromotriz
F.E.M. (E) inducida cuyo valor es igual a la velocidad de variación del flujo, por
tanto tendremos que,
El signo menos delante de E expresa que, según la Ley de Lenz, la corriente
inducida se opone a la variación del flujo que la genera.
Si la fuerza electromotriz inducida en una espira es igual a E, la fuerza
electromotriz total (Et) es igual a:
siendo n el número total de espiras del inducido.
La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los bornes A-B se obtiene
multiplicando el número de vueltas por segundo del inductor por el número de
pares de polos del inducido (en el caso de la figura 3, por 2 polos).
Los estudios sobre inducción electromagnética, realizados por Michael Faraday
nos indican que en un conductor que se mueva cortando las líneas de fuerza de
un campo magnético se producirá en él una fuerza electromotríz inducida y si se
tratare de un circuito cerrado se producirá una corriente inducida. Lo mismo
sucederá si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable.
6
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas
serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las
produjeron.
Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la
formuló en el año 1834.
Alta tensión eléctrica
Para transportar la energía eléctrica se eleva el voltaje a valores de alta tensión.
Se considera instalación de alta tensión, aquella que genere, transporte,
transforme, distribuya o utilice energía eléctrica, con tensiones superiores a los
siguientes límites:
Corriente alterna: Superior a 1.000 voltios.
Corriente continua: Superior a 1.500 voltios.
Transporte
La red de transporte es la encargada de enlazar las centrales con los puntos de
utilización de energía eléctrica. Para un uso racional de la electricidad es
necesario que las líneas de transporte estén interconectadas entre sí con
estructura de forma mallada, de manera que puedan transportar electricidad entre
puntos muy alejados, en cualquier sentido y con las menores pérdidas posibles.
La Red de transporte de energía eléctrica es la parte del Sistema de suministro
eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar la energía generada
en las centrales hidroeléctricas, térmicas, de ciclo combinado y/o nucleares a
través de grandes distancias hasta los puntos de consumo.
Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados,
elevándose su nivel de tensión.
Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir,
al elevar el voltaje se reduce la corriente que circulará, reduciéndose las pérdidas
por Efecto Joule. Con este fin se emplean Subestaciones Elevadoras en que dicha
transformación se efectúa empleando equipos eléctricos denominados
transformadores.
De esta manera, una red de transmisión emplea usualmente voltajes del orden de
220 kV y superiores, denominados Alta Tensión.
Parte fundamental de la red de transporte de energía eléctrica son las líneas de
transporte.
Una línea de transporte de energía eléctrica o línea de alta tensión es
básicamente el medio físico mediante el cual se realiza la transmisión de la
7
energía eléctrica a grandes distancias. Está constituida tanto por el elemento
conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de
soporte, las Torres de alta tensión.
Al estar estas formadas por estructuras hechas de perfiles de acero, como medio
de sustentación del conductor se emplean aisladores de disco y herrajes para
soportarlos.
Figura4.- Torres para el transporte de Energía Eléctrica
Los aisladores de disco son un tipo de aislador empleado en líneas eléctricas de
transmisión y distribución. Sus características están normalizadas según el peso o
fuerza soportable, nivel de contaminación admisible y diámetro.
Para líneas de transmisión y distribución se emplean aisladores de 10 pulgadas.
Para líneas de distribución de Media Tensión se emplean aisladores de 6
pulgadas.
La electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros. Esto mismo
sucede con el calor, pues en ambos casos hay buenos o malos conductores de la
energía. Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de la corriente
eléctrica depende y se mide por su grosor, longitud y el metal de que está hecho.
A menor resistencia del cable, mejor será la conducción de la electricidad en el
mismo. El oro, la plata, el cobre y el aluminio son excelentes conductores de
electricidad. Los dos primeros resultarían demasiado caros para ser utilizados en
los millones de kilómetros de líneas eléctricas que existen en el planeta; de ahí
que el cobre sea utilizado más que cualquier otro metal en las instalaciones
eléctricas.
8
Las largas líneas de transporte presentan inductancia, capacitancia y
resistencia al paso de la corriente eléctrica. El efecto de la inductancia y de la
capacitancia de la línea es la variación de la tensión si varía la corriente, por lo que
la tensión suministrada varía con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de
dispositivos para regular esta variación no deseada. La regulación de la tensión se
consigue con reguladores de la inducción y motores síncronos de tres fases,
también llamados condensadores síncronos. Ambos varían los valores eficaces de
la inductancia y la capacitancia en el circuito de transmisión. Ya que la inductancia
y la capacitancia tienden a anularse entre sí, cuando la carga del circuito tiene
mayor reactancia inductiva que capacitiva (lo que suele ocurrir en las grandes
instalaciones) la potencia suministrada para una tensión y corriente determinada
es menor que si las dos son iguales. La relación entre esas dos cantidades de
potencia se llama factor de potencia. Como las pérdidas en las líneas de
conducción son proporcionales a la intensidad de corriente, se aumenta la
capacitancia para que el factor de potencia tenga un valor lo más cercano posible
a 1. Por esta razón se suelen instalar grandes condensadores en los sistemas de
transmisión de electricidad.
Pérdida Durante el Transporte
La energía se va perdiendo en el transporte desde la central eléctrica hasta cada
hogar de la ciudad por:
Resistividad: Que provoca que la corriente eléctrica no llegue con la misma intensidad
debido a la oposición que presenta el conductor al paso de la corriente. La resistencia que
ofrece el cable depende de su:
Diámetro o área de la sección transversal. La conductividad disminuye al disminuir
el grosor del cable (en el código de cables a mayor diámetro, menor es el número
del cable)
Material con que está hecho
Longitud. La conductividad de un cable es inversamente proporcional a la longitud
y la resistencia es directamente proporcional a la longitud.
Cambios de temperatura que sufre. Al paso de la corriente, la resistividad se ve
incrementada ligeramente al aumentar su temperatura.
Capacitancia: Porque a medida que se transfiera más carga al conductor, el potencial del
conductor se vuelve más alto, lo que hace más difícil transferirle más carga. El conductor tiene una
capacitancia determinada para almacenar carga que depende del tamaño y forma del conductor,
así como de su medio circundante.
9
La energía eléctrica se mide en vatios-hora (Watts-hora). El vatio es una unidad
de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para efectos prácticos, en nuestra
factura de consumo de energía eléctrica se nos cobra por la cantidad de
kiloWatts-hora (kWh) que hayamos consumido durante un periodo determinado
(generalmente, dos meses). Un kiloWatt-hora equivale a la energía que
consumen:
Un foco de 100 watts encendido durante diez horas
10 focos de 100 watts encendidos durante una hora
Una plancha utilizada durante una hora
Un televisor encendido durante veinte horas
Un refrigerador pequeño en un día
Un computador utilizado un poco más de 6 horas y media
Recuerde que "kilo" significa mil, por lo que un "kiloWatt"-hora equivale a mil
Watts-hora. En los campos de la generación y consumo de electricidad, se utilizan
los megaWatts (MW), equivalentes a millones de Watts; los gigaWatts (GW), miles
de millones; y los teraWatts (TW), billones de Watts).
EFECTO JOULE
Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los
electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con
las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del
mismo; este efecto es conocido como efecto Joule en honor a su descubridor el
físico británico James Prescott Joule.
Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o
moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la
celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial,
los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo
en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino,
los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética
(velocidad) que es cedida en forma de calor.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica
producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la
intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la
resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".
Matemáticamente:
Q = Energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios
I = Intensidad de la corriente que circula
R = Resistencia eléctrica del condutor
t = Tiempo
10
En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como
los hornos, las tostadoras, las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos
empleados industrialmente como soldadoras, etc. en los que el efecto útil buscado
es precisamente el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.
En la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, es un efecto indeseado y la razón
por la que los aparatos eléctricos y electrónicos (como el ordenador desde el que
está leyendo esto) necesitan un ventilador que disipe el calor generado y evite el
calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.
Subestaciones
Las instalaciones llamadas subestaciones son plantas transformadoras que se
encuentran junto a las centrales generadoras (Estación elevadora en la Figura 1) y
en la periferia de las diversas zonas de consumo, enlazadas entre ellas por la Red
de Transporte. En estas últimas se reduce la tensión de la electricidad de la
tensión de transporte a la de distribución.
Subestación eléctrica
Instalación industrial empleada para la transformación del voltaje de la corriente
eléctrica. Las subestaciones eléctricas se ubican en las inmediaciones de las
centrales eléctricas para elevar el voltaje a la salida de sus generadores y en las
cercanías de las poblaciones y los consumidores, para bajarlo de nuevo. La razón
técnica para realizar esta operación es la conveniencia de realizar el transporte de
energía eléctrica a larga distancia a voltajes elevados para reducir las pérdidas
resistivas, que dependen de la intensidad de corriente.
Figura5.- Subestación Eléctrica
11
Distribución
Desde la subestaciones ubicadas cerca de las áreas de consumo, el servicio
eléctrico es responsabilidad de la compañía suministradora (distribuidora o
comercializadora) que ha de construir y mantener las líneas necesarias para llegar
a los clientes. Estas líneas, realizadas a distintas tensiones, y las instalaciones en
que se reduce la tensión hasta los valores utilizables por los usuarios, constituyen
la red de distribución. Las líneas de la Red de Distribución pueden ser aéreas o
subterráneas.
Red de distribución de la energía eléctrica
La Red de distribución de la energía eléctrica es un escalón del Sistema de
suministro eléctrico que es responsabilidad de las compañías distribuidoras o
comercializadoras de electricidad. La distribución de la energía eléctrica desde las
subestaciones de transformación de la Red de transporte, se realiza en dos
etapas.
La primera está constituida por la red de reparto que, partiendo de las
subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante
anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones
transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas
entre 25 y 132 kV.
Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución,
encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en
media tensión.
La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con
tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy mallada.
Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran
industria, etc.) uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los
centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media
tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (110220 o 220/440 V).
Centros de Transformación
Los Centros de Transformación, dotados de transformadores alimentados por las
líneas de distribución en Media Tensión, son los encargados de realizar la última
transformación, efectuando el paso de las tensiones de distribución a la Tensión
de utilización.
12
Instalación de Enlace
El punto que une las redes de distribución con las instalaciones interiores de los
clientes se denomina Instalación de Enlace y está compuesta por: Acometida,
Caja general de protección, Línea repartidora y Derivaciones individuales.
En muchas zonas del mundo las instalaciones locales o nacionales están
conectadas formando una red. Esta red de conexiones permite que la electricidad
generada en un área se comparta con otras zonas. Cada empresa aumenta su
capacidad de reserva y comparte el riesgo de apagones.
Estas redes son enormes y complejos sistemas compuestos y operados por
grupos diversos. Representan una ventaja económica pero aumentan el riesgo de
un apagón generalizado, ya que si un pequeño cortocircuito se produce en una
zona, por sobrecarga en las zonas cercanas se puede transmitir en cadena a todo
el país. Muchos hospitales, edificios públicos, centros comerciales y otras
instalaciones que dependen de la energía eléctrica tienen sus propios
generadores para eliminar el riesgo de apagones.
Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipos
suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias
líneas de conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión
que se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.
Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación
contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación
ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo
automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala
produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este
dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales.
Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger
los generadores y las secciones de las líneas de conducción primarias, están
sumergidos en un líquido aislante, por lo general aceite. También se utilizan
campos magnéticos para romper el arco. En tiendas, fábricas y viviendas se
utilizan pequeños cortacircuitos diferenciales. Los aparatos eléctricos también
incorporan unos cortacircuitos llamados fusibles, consistentes en un alambre de
una aleación de bajo punto de fusión; el fusible se introduce en el circuito y se
funde si la corriente aumenta por encima de un valor predeterminado.
Tomado de:
http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad
Documento editado por: docente Ing. Iván Mora
Documento revisado por: docente Ing. Alvaro Ospina
13