UT-1. Clasificación y Tipología de las redes de distribución. Módulo: SEC C.F.G.S. Energías Renovables. (Primer curso) MODULO: (SEC) Sistemas eléctricos en centrales UT-1. Estructura de un sistema eléctrico. Tipología de las redes de distribución. CURSO: 2019-2020 Profesor: Julián Fernández Mendoza. Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. ÍNDICE. 1. 2. 3. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 3 1.1 SISTEMAS ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS. ......................................................................................... 3 ESRUCTURA GENERAL DE UN SISTEMA ELÉCTRICO. .................................................................... 9 2.1. -SUBSISTEMAS ELÉCTRICOS. ........................................................................................................ 10 2.2. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO. .................................................................... 12 2.3. CLASIFICACIÓN LÍNEAS ELÉCTRICAS. .................................................................................... 12 2.4. RED DE TRANSPORTE EN ESPAÑA. .............................................................................................. 17 2.5. RED DE DISTRIBUCIÓN EN ESPAÑA. ......................................................................................... 17 ESQUEMAS DE LÍNEAS DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN BT. ........................ 18 3.1. ESQUEMA TN ......................................................................................................................................... 19 3.2. ESQUEMA TT. ........................................................................................................................................20 3.3. ESQUEMA IT ........................................................................................................................................20 3.4. APLICACIÓN DE LOS TIPOS DE ESQUEMAS........................................................................... 21 Julián Fernández Mendoza SEC 1.2 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. Debido a que se disponen de tres tensiones individuales, en la práctica si se quisieran distribuir estas tensiones trifásicas se debería de instalar líneas eléctricas con seis conductores (dos por cada una de las tres fases). Puesto que esto sería muy costoso, se realizan acoplamientos entre las tres tensiones generadas. De esta forma se consiguen tener tres o cuatro conductores en la línea eléctrica, en función del tipo de acoplamiento que se realice. Se definen así los conductores de línea como: 1. INTRODUCCIÓN 1.1 SISTEMAS ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS. Los sistemas de distribución utilizan líneas eléctricas trifásicas. Con estas líneas trifásicas se consiguen valores de tensión de línea más elevados que los que se pueden conseguir con líneas monofásicas. De esta forma, para un valor de potencia determinado, la corriente que deba circular por los conductores de la línea será inferior. Con estas líneas también se consigue poder alimentar a los receptores eléctricos con dos valores de tensión distintos. - Conductores de Línea: Los conductores que forman la línea eléctrica, conectando el generador trifásico con el receptor. Se les denomina L1, L2, y L3, correspondiendo a cada una de las fases del sistema. A) Generación de tensión trifásica. En un sistema trifásico se utilizan dos acoplamientos (conexiones) entre las tres fases de un generador. Estos acoplamientos son: Una tensión alterna trifásica estará formada por tres señales alternas senoidales (monofásicas), cuyo valor de tensión y frecuencia serán iguales, pero que estarán desfasadas 120º entre sí. Por tanto se tendrán tres fuerzas electromotrices (generación de tensión), cada una generada por separado. - Conexión en Estrella: Se realiza conectando entre sí todos los finales de las tres bobinas de fase, mientras que los principios se conectan a los terminales de la línea eléctrica. Existen por tanto cuatro conductores en la línea, los correspondientes a las tres fases conectadas, y un cuarto conductor denominado Neutro. 1.1. 1 TENSIONES ALTERNAS TRIFÁSICAS. Fig.-1.1. Tensiones alternas trifásicas. - Fase de un sistema trifásico: Se denomina Fase de un sistema trifásico, a cada una de las bobinas donde se genera la f.e.m. senoidal. Un sistema trifásico tendrá por tanto tres fases. Fig.-1.3. Generador trifásico conexión en estrella. -Conexión en triángulo: Se realiza conectando el final de una bobina con el principio de la siguiente, sucesivamente hasta completar todas las conexiones. Se consiguen así tres conexiones a los conductores de la línea eléctrica, cada uno de ellos corresponde con una unión entre dos fases. Fig.-1.2. Fases de un Sistema Trifásico. B) Tipos de acoplamientos. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.3 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. - Conexión en Triángulo: Puesto que los conductores de línea (L1, L2, y L3) se conectan en paralelo con los bobinas del generador, en este caso coinciden los valores de las tensiones de fase y de línea. Fig.-1.4. Generador trifásico conexión en triángulo. C) Tensiones Simples y Compuestas. UF UL Para distinguir las tensiones que se pueden generar entre los distintos conductores de una línea eléctrica trifásica (conductores de fases L1, L2, y L3, y neutro N), se identifican los siguientes valores de tensiones medidos entre los mismos: - Conexión en estrella: Para determinar la relación entre una tensión simple y una compuesta, se deberá tener en cuenta que la tensión compuesta está formada por la diferencia vectorial (considerando los desfases producidos) entre dos tensiones simples. - Tensión de Fase (UF): También se denomina tensión simple (US). Es la tensión que existe entre los dos terminales de conexión de una fase del sistema. ur ur ur U L1 L 2 U L1 U L 2 Se puede comprobar que, en caso de que el sistema esté conectado en estrella, esta tensión coincide con la medida entre cualquier conductor de la línea eléctrica y el conductor neutro. Mientras que si la conexión es en triángulo, la medida coincidirá con la correspondiente entre dos conductores de la línea. Por lo que la relación entre cualquier tensión de fase y de línea de un sistema trifásico, en conexión en estrella, será: U L 3·U F 1.1.2. CORRIENTES EN UN SISTEMA TRIFÁSICO. Las intensidades generadas en un sistema trifásico serán generadas por los tres valores de tensiones de fase del sistema. Así se obtendrán tres intensidades alternas, cuyos valores y desfases dependerán de los valores de los receptores conectados al sistema. A) Intensidades Simples y Compuestas. Fig.-1.5. Tensiones de fase de un sistema trifásico. En un sistema trifásico se producen valores diferenciados de corriente eléctrica, al igual que ocurría con las tensiones en los conductores. Se definen así los valores de intensidades siguientes: - Tensión de Línea (UL): También se denomina Tensión Compuesta (UC). Es la tensión que se mediría entre dos conductores de línea (L1, L2 ó L3) de una línea eléctrica. - Intensidad de Fase (IF): También se denomina intensidad simple. Será la que circulará por cualquiera de los bobinados de fase del generador trifásico. - Intensidad de línea (IL): También se denomina intensidad compuesta. Será la intensidad que circulará por cualquier de los conductores de línea de salida del generador trifásico. Estos valores son la diferencia entre los dos valores de intensidad de fase correspondientes. - Intensidad de Neutro (IN): Es el valor de la intensidad que circulará por el conductor neutro (si existe) de en un sistema trifásico. Este valor coincide con la suma vectorial de todas las intensidades de fase: Fig.-1.6. Tensiones de Línea de un sistema trifásico. r r r r I N I F1 I F 2 I F 3 D) Relación entre tensiones simples y compuestas. Según estén conectados en estrella o triángulo las fases del generador del sistema trifásico, los valores de tensión de fase (UF) del generador, y de línea (UL) entre conductores, pueden coincidir o no. Julián Fernández Mendoza B) Relaciones entre intensidades de fase y línea. La relación entre estas, según la conexión será la indicada a continuación: SEC 1.4 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. - Conexión en Estrella: Puesto que los conductores de línea (L1, L2, y L3) se encuentran conectados en serie con los bobinas del generador, en este caso coinciden los valores de las intensidades de fase y de línea. Fig.-1.7. Conexión de receptor trifásico en Estrella. - Valores de tensión: La relación que existe entre las tensiones de línea (UL), que se aplican a un receptor trifásico en estrella, y los valores de tensión aplicados a cada fase del receptor (UF), tal como ocurría para la conexión de generadores (ver el apartado-1.1.D), tendrá la relación siguiente: IF IL - Conexión en triángulo: Puesto que la intensidad compuesta (entre dos fases del generador) que circulará por un conductor de línea, es la diferencia vectorial (considerando los desfases) de las dos corrientes de fase correspondientes, la relación entre cualquier intensidad de fase y de línea de un sistema trifásico, en conexión en triángulo, será: U L 3·U F - Valores de intensidad: Al tener conectado el receptor trifásico en estrella, las intensidades que circularán por los conductores de alimentación (IL), y las intensidades que irán por las impedancias de fase del receptor (I F), serán iguales (ver apartado-1.2.B). I L 3·I F 1.1.3. CONEXIÓN DE RECEPTORES TRIFÁSICOS. Aplicando la Ley de Ohm a la impedancia de fase, se tendrá un valor de intensidad de Fase (IF) de: En una línea eléctrica trifásica, existe la posibilidad de conexión de receptores, tanto de forma trifásica como monofásica. Esta conexión se realizará: IL IF - Conexión monofásica: Conectando el receptor entre cualquiera de los conductores de fase (L1, L2, ó L3), y el conductor neutro. Para esta conexión al receptor le será aplicado un valor de tensión correspondiente a la tensión de fase o simple (UF). Esta conexión solo será posible si existe en la línea el conductor neutro. UF ZF EJERCICIO-1.1: Se dispone de un Sistema trifásico con conexión en ESTRELLA. Si las impedancias de fase están formadas por tres resistencias de 100, y la tensión de línea de alimentación es de 400v. Determinar las tensiones de fase, e intensidades de fase y línea. SOLUCIÓN: UF=231V; IF=2,31A; IL=2,31A. - Conexión Trifásica: Conectando el receptor trifásico utilizando todos los conductores de línea, así como el conductor neutro (en el caso de que se distribuyera este en la línea eléctrica). B) Conexión de cargas trifásicas en TRIANGULO. En este caso se unirán el final de cada una de las fases del receptor, con el inicio de la fase siguiente. En este caso sobre el receptor no se podrá conectar el conductor neutro, por el receptor será exclusivamente trifásico. Para un receptor Trifásico, al igual que ocurría con las fases de un generador trifásico, cuando se dispone de un receptor trifásico, este también estará formado por tres impedancias de fase (Z1, Z2, y Z3). Estas impedancias, podrán ser conectadas en estrella o en triángulo. A) Conexión de cargas trifásicas en ESTRELLA. Consistirá en conectar los principios de los tres terminales iniciales de cada una de las fases, a cada uno de los conductores de fase de la línea (L1, L2, ó L3), y los finales de las fases del receptor entre sí y al conductor neutro. Fig.-1.8. Conexión de receptor trifásico en Triángulo. - Valores de tensión: En este caso, al tener conectado el receptor trifásico en triángulo, las tensiones que existirán en los conductores de alimentación (UL), serán iguales a las tensiones aplicadas a cada una de las fases (UF) del receptor (ver apartado-1.1.D). UL UF Julián Fernández Mendoza IDIS 1.5 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. - Potencia aparente (S): Es la potencia total que transportarán los conductores que alimentan al circuito. Será por tanto la suma de las potencias activa y reactiva del circuito, siendo esta suma vectorial. - Valores de intensidad: La relación que existe entre las intensidades de línea (IL), que circularán por cada conductor de alimentación del receptor trifásico en triángulo, y los valores de intensidad que circularán en cada fase del receptor (IF), tal como ocurría para la conexión de generadores (ver el apartado-1.2.B), tendrá la relación siguiente: La UNIDAD de medida es el voltiamperio (VA), y es la provocada por la impedancia total del circuito. - Triángulo de potencias: Como se indicó, la potencia aparente será suma vectorial de la activa y reactiva del circuito. Si partimos del triángulo de impedancias, y multiplicamos por I2 cada uno de sus lados, obtenemos el triángulo de potencias, manteniéndose constante el ángulo φ de desfase entre la tensión y la intensidad en el circuito. I L 3·I F Para determinar cual será la intensidad de Fase (I F), se deberá aplicar la Ley de Ohm a la impedancia de fase (ZF), obteniéndose un valor de: IF UF ZF EJERCICIO-1.2: Se dispone de un Sistema trifásico con conexión en TRIANGULO. Si las impedancias de fase están formadas por tres resistencias de 100, y la tensión de línea de alimentación es de 400v. Determinar las tensiones de fase, e intensidades de fase y línea. SOLUCIÓN: UF=400V; IF=4,0A; IL=6,9A. Fig.-1.9. Triángulo de potencias circuito R-L. Del triángulo de potencias se puede obtener otra relación P V ·I ·Cos S V ·I Q V ·I ·Sen para determinar cada una de las potencias del circuito: Mientras que la relación entre todas las potencias, será la siguiente: 1.1.4. POTENCIA DE UN SISTEMA TRIFÁSICO. - Factor de Potencia (FP): Para determinar la potencia total de un sistema trifásico, bastará con determinar la potencia en cada una de sus tres fases (potencia monofásica), y sumar los valores. En cualquier instalación eléctrica en la que exista algún S P2 Q2 En un circuito en Corriente Alterna, en el que se encuentra un receptor de tipo resistencia y otro de tipo bobina (independientemente de cómo sea la conexión entre ellas), se producen en el mismo los tres tipos de potencias: receptor de tipo inductivo (bobina) o capacitivo (condensador), se producirá un desfase entre la tensión aplicada al circuito, y la intensidad que circulará por el mismo. Al coseno del ángulo de este desfase se denominará factor de potencia. Se podrá determinar, utilizando cualquier triángulo de relaciones indicado anteriormente: - Potencia activa (P): La que se transformará en energía pretendida. Esta es la única potencia útil. La UNIDAD de medida será el vatio (w), y se consume exclusivamente en la carga. FP Cos EJERCICIO-1.3: Un motor eléctrico monofásico tiene un bobinado con una impedancia de 50Ω, con un ángulo de desfase de 60º. Si se alimenta a una tensión de 230v y 50Hz. Determinar: A) Intensidad total que circulará. B) Potencias activa, reactiva y aparente. Triángulo. SOLUCIÓN: IF=4,6A; S=1058VA; P=529w; Q=916VAr. - Potencia reactiva (Q): Es la que se produce debido a la f.e.m. generada en la bobina, al variar la corriente que circula por la misma. Esta potencia no es consumida por la bobina, pero hace que por los conductores de alimentación al circuito circule una corriente superior. La UNIDAD de medida será el voltiamperio reactivo (VAr), que será inductivo. Esta se generada por la existencia de los bobinados de las máquinas. Julián Fernández Mendoza R VR P Z VT S SEC 1.6 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. intensidades de línea, se deberá tener en cuenta si el receptor trifásico está conectado en estrella o triángulo, ya que los valores de fase y línea puede que no coincidan. De esta forma, se estudian los dos casos siguientes: EJERCICIO-1.4: Una lámpara fluorescente de 223v, tiene una potencia de 42w y un Factor de Potencia, Cosφ=0,65. Determinar: Intensidad, potencia reactiva y aparente del circuito. SOLUCIÓN: IF=0,29A; S=64,6VA; Q=49.1VAr. A) Sistema equilibrado en Estrella. En este caso, los valores de intensidad de fase y de línea coinciden, mientras que la tensión de línea es superior a la de fase. Las relaciones son las siguientes: 1.4.2. POTENCIAS TRIFÁSICAS. Las potencias de una fase de un sistema trifásico, serán: PF U F ·I F ·Cos - Potencia Activa: - Potencia Reactiva: QF U F ·I F ·Sen - Potencia Aparente: S F U F ·I F U L 3·U F Sustituyendo los valores de fase en las fórmulas de potencia anteriores, se obtienen los valores de potencias, en función de los valores de línea, para un sistema equilibrado en estrella. - Potencia Activa: Por tanto, las potencias totales del sistema trifásico, se determinarán por la suma de cada una de las tres fases: PT PF 1 PF 2 PF 3 - Potencia Activa: - Potencia Reactiva: QT QF 1 QF 2 QF 3 - Potencia Aparente: ST S F 1 S F 2 S F 3 U PT 3·U F ·I F ·Cos 3· L ·I L ·Cos 3 3·U L ·I L ·Cos - Para el caso en el que el sistema trifásico esté equilibrado (tenga la misma carga en cada una de sus tres fases), puesto que las tres potencias en cada una de las fases son iguales, bastará con determinar la de una de las fases y obtener la total multiplicando su valor por tres. PT 3·PF QT 3·QF IL IF Potencia Reactiva: U QT 3·U F ·I F ·Sen 3· L ·I L ·Sen 3 3·U L ·I L ·Sen - ST 3·S F Potencia Aparente: U ST 3·U F ·I F 3· L ·I L 3·U L ·I L 3 EJERCICIO-1.5: Para un sistema trifásico de conexión en Estrella, con tensión de línea de 230v y resistencia de fase 100Ω (considerando Cos=1, tipo de receptor Resistivo), determinar la Potencia activa de fase y total (PF y PT). RESULTADO: PF=176w; PT=529w. EJERCICIO-1.6: Para un sistema trifásico de conexión en Triángulo, con tensión de línea de 230v y resistencia de fase 100Ω (considerando Cos=1, tipo de receptor Resistivo), determinar la Potencia activa de fase y total (PF y PT). RESULTADO: PF=529w; PT=1.587w. EJERCICIO-1.7: En un sistema trifásico equilibrado, se conocen los valores de fase: tensión=230v, intensidad=25A, y Cos=0,8. Determinar las potencias totales del sistema. RESULT:PT=13.800w; QT=10.350VAr; ST=17.250VA. Fig.-1.9. Potencias receptor trifásico en Estrella. B) Sistema equilibrado en Triángulo. En este caso, coinciden los valores de fase y línea de las tensiones, pero las intensidades de línea son superiores a las de fase. Las relaciones son: a partir de los valores de tensiones e Para determinar los valores de potencias totales Julián Fernández Mendoza IDIS 1.7 Instalaciones de Distribución. I L 3·I F CFGM. 2º IEA. UL UF EJERCICIO-1.10: Se conecta a una línea Trifásica de tensión de línea 230v y de 50Hz, un receptor trifásica conectado en Estrella. Cada fase está formada por una impedancia de 140 con un ángulo de desfase de 30º, se pide determinar: A) Tensiones de fase e Intensidades de fase y línea. B) Potencias de fase y totales activas, reactivas y aparentes. RESULT.: PT=328w; ST=379VA; QT=189VAr. Los valores que se obtienen de potencias, en función de los valores de línea, para un sistema equilibrado en estrella. - Potencia Activa: I PT 3·U F ·I F ·Cos 3·U L · L ·Cos 3 3·U L ·I L ·Cos - EJERCICIO-1.11: Con los datos del ejercicio anterior, determinar lo mismo, si el receptor se conecta en Triángulo. RESULT.: PT=985w; ST=1.132VA; QT=566VAr. Potencia Reactiva: QT 3·U F ·I F ·Sen 3·U L ·I L ·Sen - Potencia Aparente: 1.5. EJERCICIOS. EJERCICIO-1.12: Un receptor trifásico conectado en estrella, tiene una tensión de fase de 127v y 50Hz. Si la intensidad que circula por la fase es 10A. Determinar: Impedancia de fase y tensión e intensidad de línea. RESULTADOS: ZF=12,7; VL=220v; IL=10A. ST 3·U F ·I F 3·U L ·I L EJERCICIO-1.13: Un motor trifásico en estrella, está conectado a una línea trifásica de 380v (tensión de línea). Si la corriente que circula por cada conductor es de 8A, determinar la tensión, intensidad e impedancia de fase. RESULTADOS: ZF=27,5; VF=220v; IF=8A. Fig.-1.10. Potencias receptor trifásico en Triángulo. EJERCICIO-1.14: Un motor eléctrico tiene una impedancia de fase de 30. Si se conecta a una línea trifásica de 400v y 50Hz, determinar las tensiones de fase e intensidades de línea y fase, para su conexión en estrella y en triángulo. RESULTADOS: De esta forma, se puede comprobar que independientemente de que el receptor esté conectado en estrella o triángulo, la relación de potencias totales en función de los valores de tensiones e intensidades de línea son las mismas: PT 3·PL QT 3·QL ST 3·SL EJERCICIO-1.15: Un receptor trifásico conectado en triángulo, tiene una tensión de fase de 220v, si la intensidad que circula por cada fase es de 30A, determinar la tensión e intensidad de línea, e impedancia de fase. RESULTADOS: ZF=7,33; VL=220v; IL=51,96A. Actividad: dar un repaso y anotar las fórmulas como resumen de los cálculos vistos anteriores. EJERCICIO-1.16: (desarrollar dibujo y resultados). Una instalación eléctrica trifásica de 400v y 50Hz, está formada por los siguientes receptores: (1) motor eléctrico trifásico de 6Kw, y Cos=0,8; (2) horno trifásico formado por 3 resistencias de 1500w cada una, conectadas en estrella; (3) 10 lámparas monofásicas de 150w conectadas a L1 y Cos=1; (4) 15 lámparas monofásicas de 250w conectadas a L3 y Cos=1. Determinar: A) Realizar dibujo esquema unificar de conexión. B) Potencia activa que consumirá cada fase, y la total. C) Intensidad de línea de cada receptor y total de cada línea (aproximada). RESULTADOS: B) PF1=5000w; PF2=1500w; PF3=3750w EJERCICIO-1.8: En un sistema trifásico equilibrado en estrella, las intensidades por cada línea son de 40A, mientras que las tensiones de fase son de 230v, y Cos=0,8. Determinar: impedancia de fase, potencias activa, reactiva y aparente totales, y valores tensiones línea e intensidades fase. RESULT.: PT=22.080w; ST=27.600VA; QT=16.560VAr. EJERCICIO-1.9: La tensión de línea de un sistema trifásico equilibrado, en triángulo, es de 400v. Si la corriente que circula por cada fase es de 60A, y el Cos=0,9. Determinar valores de impedancia de fase, tensión de fase e intensidad de línea, y potencias activa, reactiva y aparente totales. RESULT.: PT=64.800w; ST=72.000VA; QT=31.384VAr. Julián Fernández Mendoza SEC 1.8 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. C) (receptores) IR1=10,8A; IR2=6,4A; IR3=6,5A; IR4=16,3A; (líneas) IL1=23,7A; IL2=17,2A; IL3=33,5A. EJERCICIO-1.17: Una instalación eléctrica trifásica de 400v y 50Hz, está formada por los siguientes receptores: (1) motor eléctrico monofásico de 2,2Kw, y Cos=0,7, conectado a L1; (2) motor trifásico en triángulo de 5800w y Cos=0,7; (3) 10 lámparas de 80w conectadas a L1-N y Cos=1; (4) 12 lámparas de 150w conectadas a L3-N y Cos=1. Determinar: A) Potencia activa que consumirá cada fase, y la total. B) Intensidad en cada línea y total. RESULTADOS: B) PF1=w; PF2=w; PF3=w C) (receptores) IR1=A; IR2=A; IR3=A; IR4=A; (líneas) IL1=A; IL2=A; IL3=A. 2. ESRUCTURA GENERAL DE UN SISTEMA ELÉCTRICO. Se conoce como sistema eléctrico al conjunto formado por los siguientes elementos: - - Centrales generadoras de energía eléctrica, encargadas de generar la potencia eléctrica requerida por los receptores a los que alimenta o suministra energía eléctrica. Estaciones transformadoras y de Distribución elevadoras o reductoras, que realizan la elevación o reducción de la tensión de transporte de la energía eléctrica, así como el reparto de la misma. Líneas de transporte, que llevan la energía eléctrica desde las centrales generadoras, hasta puntos cercanos a los de su utilización. La tensión de línea es elevada. Redes primarias (en Media Tensión) y secundarias (en Baja Tensión) de distribución, encargas de distribuir o suministrar la energía eléctrica hasta los puntos de consumo finales. Centros de Transformación y de Distribución, que reducen la tensión de las líneas hasta su nivel de utilización por los usuarios finales. También realizan el reparto de la misma. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.9 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. Fig.-1.11. Sistema eléctrico y elementos que lo componen. 2.1. -SUBSISTEMAS ELÉCTRICOS. El sistema eléctrico, puede quedar dividido en tres subsistemas, según la aplicación que tiene cada una de estas partes. SUBSISTEMA DE PRODUCCIÓN: El objetivo de este subsistema es generación de energía eléctrica necesaria para abastecer las necesidades se suministro de la zona, ciudad, región o país. Está formado por el conjunto de todas las Centrales eléctricas generadoras de energía eléctrica (hidráulicas, térmicas, nucleares, etc.). SUBSISTEMA DE TRANSPORTE: La función del mismo será el trasladar la potencia eléctrica generada por las centrales, hasta los puntos más cercanos de las instalaciones receptoras de energía. Puesto que las distancias de transporte suelen ser grandes, y las potencias elevadas, se utilizan Altas tensiones (superiores a 20KV) para dicho transporte. Este sistema estaría formado por las estaciones transformadoras elevadoras de las centrales, líneas de transporte de energía, y las estaciones transformadoras reductoras. Todos los elementos sometidos a AT o MAT (tensiones superiores a 20KV) SUBSISTEMA DE DISTRIBUCIÓN: La función de este subsistema es doble, por un lado realiza una ramificación (distribución) de las líneas de energía eléctrica, de forma que la línea de transporte se divide en varias para poder llegar a las distintas ubicaciones en las que están las distintas instalaciones receptoras (consumidores). Por Julián Fernández Mendoza SEC 1.10 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. otro lado, también se encarga de ir reduciendo la tensión de distribución de las líneas, para adaptarse a las bajas tensiones de los distintos receptores. Puesto que las distancias a transportar y las potencias de línea son menores, también los son las tensiones de línea. Los distintos elementos de los que estará compuesto el Subsistema de Distribución, se indican y definen a continuación: - Subestación Transformadora: Centro que transforma la tensión, reduciendo el valor de la misma, con entrada y salida del mismo en Alta Tensión. - Centro de Reparto: Centro fuertemente alimentado, mediante una o más líneas de Alta Tensión, y del cual se derivan líneas otras líneas de la misma tensión. En su interior se alojan los dispositivos de protección y maniobra de las líneas derivadas - Líneas Primarias de Distribución (Líneas de Alta Tensión): Líneas de alimentación de Alta Tensión que, partiendo de una Subestación o Centro de Reparto, alimenta a los Centros de Transformación. - Centro de Transformación: Centro alimentado por una línea de Distribución de Alta Tensión, que reduce la tensión a 400/230v, y del que parten las líneas de Distribución de Baja Tensión que alimentan a las instalaciones receptoras. - Líneas Secundarias de Distribución (Líneas de Baja Tensión): Aquellas que parten de los Centros de Alimentación, y dan suministro de energía eléctrica a las instalaciones receptoras de los abonados. Fig.-1.12. Esquema y Simbología del Sistema eléctrico. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.11 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. La simbología utilizada para la representación de los distintos elementos de los sistemas eléctricos, se representan y pueden ser agrupados: - Centrales generadoras: Hidráulicas, térmicas. Estaciones y centros: transformadora elevadora, reductora, de reparto. Tipo de instalación: intemperie, interior, subterránea, sobre postes. 2.2. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO. Un sistema eléctrico quedará definido por las siguientes características: - - Número de Fases que utilizará para el transporte o distribución de la energía eléctrica. Este número de fases, corresponderá con el número de devanados de fase que tendrá el generador de energía eléctrica (alternador). El número de fases más utilizado es el trifásico (generación transporte, distribución), mientras que los sistemas monofásicos son reservados para instalaciones que poca potencia (suministros de Baja Tensión). Frecuencia de la señal senoidal alterna generada en la central de energía eléctrica. Este valor también vendrá impuesto por el generador de energía eléctrica de la central, siendo el valor de esta frecuencia, el indicado a continuación: F - nP 60 Siendo: n, velocidad de giro del alternador (r.p.m.). P, número de pares de polos del alternador. F, frecuencia de la señal generada (Hz.) Tensión de servicio, es decir, la tensión del sistema eléctrico, indicada en valor eficaz, que se medirá entre los conductores de línea (tensión de línea o compuesta), en un determinado punto del mismo. 2.3. CLASIFICACIÓN LÍNEAS ELÉCTRICAS. Son el conjunto formado por: los conductores y los elementos auxiliares de sustentación (sujeción y soporte), aislamiento, e interconexión (derivaciones y empalmes) de los mismos. Siendo la utilidad de esta Línea eléctrica el llevar la energía eléctrica desde un punto hasta otro cualquiera. Las Líneas Eléctricas pueden ser clasificadas, básicamente, en función de tres criterios: - Tensión Tipo de instalación. Tipo de trazado o configuración de la misma. 2.3.1. CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DE TENSIÓN NOMINAL. En función del valor de la tensión que define a la línea eléctrica, se pueden clasificar en dos tipos: - Líneas de Alta Tensión. Líneas de Baja Tensión. Para cada una de estos dos tipos de líneas aplica un Reglamento Electrotécnico. Julián Fernández Mendoza SEC 1.12 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. A) LÍNEAS ELÉCTRICAS DE ALTA TENSIÓN. Para este tipo de líneas, el reglamento que aplica es el “Reglamento de Líneas eléctricas de Alta Tensión (RLAT)”. En cada uno de los artículos en los que se divide este reglamento, se indican las condiciones de diseño y montaje que deben cumplir las instalaciones de Líneas Eléctricas Aéreas AT. Varias páginas ejemplo http://www.ingenieros.es/files/normativas/2014/Reglamento__Inst_Elect_Alta_Tension_BOE-A2014-6084.pdf La clasificación y configuración de estas líneas que se hace en este reglamento, se indica a continuación, según un extracto del mismo. Artículo-1. Ámbito de Aplicación. Aquí se indican las prescripciones técnicas que deben cumplir las líneas eléctricas aéreas de AT. Siendo las características de las mismas las siguientes: - Número de Fases: Corriente alterna trifásica. Frecuencia: 50 Hz. Tensión nominal entre fases (compuesta o de línea): igual o superior a 1KV. Artículo-3. Tensiones nominales. Clasificación de las instalaciones En este artículo se definen dos conceptos de tensiones. Tensión nominal: Valor eficaz de tensión entre fases (tensión compuesta), que define la línea, y el funcionamiento de la misma. El valor de esta tensión, expresado en KV, se representará en todo el reglamento por la letra “U”. Tensión más elevada: Mayor valor de tensión eficaz entre fases, que puede presentarse durante un instante en la línea, y en un punto determinado de la misma, en condiciones normales de funcionamiento. Los valores de Tensiones Nominales, y sus correspondientes valores más elevados, se indican a continuación: (dibujar tabla) TENSION NOMINAL (KV) TENSION MAS ELEVADA (KV) 3 6 10 15 20* 30 45 66* 132* 220* 380* 3,6 7,2 12 17,5 24 36 52 72,5 145 245 420 Julián Fernández Mendoza SOBRETENSIÓN (%) +20% +20% +20% +16,6% +20% +20% +15,5% +9,84% +9,84% +11,36% +10,52% IDIS 1.13 Clasificación de la Línea 3ª Categoría 2ª Categoría 1ª Categoría Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. NOTA: Los valores marcados en negrita (*), son los valores de tensión nominal que en el reglamento (RAT) se recomiendan utilizar. Clasificación de las instalaciones.. (dibujar tabla) Las líneas aéreas de AT, en función del valor de Tensión nominal que tienen, se clasifican en tres categorías, de la forma siguiente: - Primera Categoría: Para tensiones superiores a los 66KV. Utilizados para las líneas de transporte de energía eléctrica. - Segunda Categoría: Para valores comprendidos entre los 30KV y 66KV, ambos valores inclusive. Utilizados en las líneas de transporte y distribución. - Tercera Categoría: Tensión inferior a 30KV, y superior a 1KV. Utilizados en la producción y distribución de energía eléctrica. B) LÍNEAS ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN. Para este tipo de líneas, el reglamento que aplica es el “Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión” (REBT)”. La clasificación de estas líneas que se hace en este reglamento, se indica a continuación, según un extracto del mismo. http://www.upv.es/electrica/rbt_modif/reglamento.pdf Artículo-2. El reglamento se aplica a instalaciones de generación, distribución de energía eléctrica para consumo propio y a las receptoras, con los siguientes límites de tensiones nominales: Corriente alterna: igual o inferior a 1000 voltios. Corriente continua: igual o inferior a 1500 voltios. Artículo-3. Se define como instalación eléctrica de baja tensión, como aquella que está formada por un conjunto de circuitos eléctricos y aparatos asociados, que son utilizados para: producción, transformación, transmisión, distribución o utilización de la energía eléctrica. Artículo-4. Para la aplicación de este reglamento, las instalaciones eléctricas de Baja Tensión se clasifican, según su valor de Tensión Nominal, de la forma siguiente: Pequeña Tensión. Tensión Usual. Tensión Especial. VALOR EFICAZ (C.A.) (V) VALOR MEDIO (C.C.) (V) U 50 U 75 50 U 500 75 U 750 500 U 1000 750 U 1500 Las tensiones se normalizan en los siguientes valores: Redes trifásicas de tres conductores: 230v entre fases. Redes trifásicas de cuatro conductores: 230v entre fase y neutro, y 400v entre fases. Las instalaciones eléctricas de Baja Tensión, funcionarán a una frecuencia de 50 Hz. Julián Fernández Mendoza SEC 1.14 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. 2.3.2. CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIPO DE INSTALACIÓN. En función de la forma constructiva que tienen las líneas eléctricas, estas se pueden clasificar en: A) LÍNEAS ELÉCTRICAS AÉREAS. Son las que están montadas a una determinada altura sobre el nivel del suelo. En función del tipo de sujeción que tengan los conductores, estas se pueden clasificar de la siguiente forma: - - Líneas eléctricas con conductores Tensados (Línea Tensada) sobre apoyos ó entre paredes, cuando el conductor de la línea está soportado por distintos postes o paredes a lo largo de la línea, estando sometidos a esfuerzos mecánicos (tracción, etc.). Líneas eléctricas con conductores Posados (Línea Posada) sobre fachadas o muros de las edificaciones, cuando los conductores son sujetos a las fachadas de las casas o edificios, por medio de abrazaderas fijadas a las mismas, de forma que estos no están sometidos a ninguna tensión mecánica. Otra clasificación que se puede hacer, es en función del tipo de conductor que se utilice. Así estas pueden ser: - Líneas eléctricas con conductores desnudos, cuando el conductor que se utiliza no dispone de aislante eléctrico. Líneas eléctricas con conductores aislados, cuando el conductor que se utiliza dispone de un material aislante eléctrico, que rodea al conductor. A su vez, las líneas que utilizan conductores aislados, pueden clasificarse en función de cómo se realice la fuerza de tensado o amarre de los conductores, obteniéndose dos configuraciones de cables (instalaciones de BT): - - Con neutro fiador: En este cable, el conductor neutro es utilizado para la sujeción del cable, siendo este de un material especial (conductor de la electricidad y con gran resistencia mecánica). Con fiador de acero: Se añade un cable de acero, juntos a los conductores eléctricos, sobre el cual se le aplica la fuerza de sujeción. B) LÍNEAS ELÉCTRICAS SUBTERRANEAS. Son aquellas que están montadas de forma enterrada, es decir, que transcurren por debajo del nivel del suelo. La construcción de las mismas se puede clasificar en tres tipos de líneas subterráneas, que son: - Con cables directamente enterrados en el suelo. Con cables instalados en tubos bajo suelo (canalizaciones entubadas). Con cables instalados en galerías o zanjas registrables subterráneas. 2.3.3. CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN TIPO DE TRAZADO O CONFIGURACIÓN. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.15 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. Las líneas de distribución a su vez, en función de cual sea su esquema eléctrico de montaje, se pueden clasificar en: A) Líneas de Distribución Abiertas: Red Radial. Son aquellas que reciben la corriente por un solo extremo. La estructura de la red radial está constituida por un centro de alimentación, del que parten las principales líneas con sus derivaciones. Fig.-1.13. Derivaciones de una Red Radial. Las principales ventajas que presenta este tipo de instalación son: Diseño sencillo de la instalación. Economía de la instalación, al utilizarse el material mínimo, así como la distribución. Clara distribución de la línea, lo que permite una localización rápida de averías. Los principales inconvenientes de estas líneas son: Baja calidad del servicio eléctrico, ya que una avería de la línea afecta a muchos usuarios. La capacidad de aumentar la potencia de suministro está muy limitada. B) Líneas de Distribución Cerradas: Son líneas que reciben alimentación por dos o más puntos. A su vez estas líneas se pueden dividir en: Red en Anillo: Constituida por una línea cerrada eléctricamente, que puede tener una o dos alimentaciones. Red en malla: Constituida por varias redes cerradas en anillo, unidas eléctricamente. Las principales ventajas de estas redes son: Garantía del suministro eléctrico frente a una avería, ya que se disponen de elementos de maniobra que permiten aislar partes de la instalación. Se producen caídas de tensión pequeñas, frente a variaciones grandes de carga. Fig.-1.14. Líneas de Distribución Cerradas. En Anillo, y en Malla. Julián Fernández Mendoza SEC 1.16 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. 2.4. RED DE TRANSPORTE EN ESPAÑA. En España la Red de Transporte es propiedad de la empresa Red Eléctrica Española (REE), y es quien se encarga de su instalación y mantenimiento. Las compañías eléctricas que utilizan esta red (compañías generadoras o distribuidoras), pagan un alquiler (peaje preestablecido) a REE para hacer llegar la energía eléctrica a los consumidores. La función principal de REE es la de Operador del Sistema: consiste en coordinar adecuadamente la producción de energía eléctrica, respecto del consumo de la misma, para ofrecer la mejor garantía de calidad y continuidad del suministro de energía eléctrica. Entre los principales trabajos están: gestionar el intercambio internacional de electricidad, conexión de nuevas líneas, interconexión de la existentes, reestablecimiento del suministro después de una interrupción, etc. 2.5. RED DE DISTRIBUCIÓN EN ESPAÑA. De forma general, las líneas de distribución pertenecen a las compañías distribuidoras, que deben permitir el uso de sus instalaciones a cualquiera que necesite utilizarlas, siempre que estas líneas tengan la capacidad suficiente, y se realice la contraprestación de estas líneas pagando un alquiler (peajes fijados anualmente por el gobierno). Esta libertad para poder utilizar las líneas de distribución, es lo que se conoce como Mercado Libre, de forma que cualquier usuario (consumidor de electricidad), puede elegir entre las distintas empresas que les ofrezca el suministro de energía eléctrica a su instalación receptora. Se representa a continuación la implantación territorial de las distintas compañías eléctricas, así como su tensión de distribución. Fig. 1.15. Distribución geográfica de las compañías eléctricas más importantes. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.17 Instalaciones de Distribución. CFGM. 2º IEA. 3. ESQUEMAS DE LÍNEAS DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN BT. En el Reglamento Electrotécnico de BT, en su ITC-08, se indican los distintos esquemas de conexión del conductor Neutro, y de las masas de la instalación eléctrica receptora, que pueden ser utilizados en una Línea Eléctrica de distribución de BT. Para la determinación de las características de las medidas de protección contra choques eléctricos en caso de defecto (contactos indirectos) y contra sobreintensidades, así como de las especificaciones de la aparamenta encargada de tales funciones, será preciso tener en cuenta el esquema de distribución empleado. Los esquemas de distribución se establecen en función de las conexiones a tierra de la red de distribución o de la alimentación, por un lado, y de las masas de la instalación receptora, por otro. La denominación se realiza con un código de letras con el significado siguiente: - Primera letra: Se refiere a la situación de la alimentación con respecto a tierra. T = Conexión directa de un punto de la alimentación a tierra. I = Aislamiento de todas las partes activas de la alimentación con respecto a tierra o conexión de un punto a tierra a través de una impedancia. - Segunda letra: Se refiere a la situación de las masas de la instalación receptora con respecto a tierra. T = Masas conectadas directamente a tierra, independientemente de la eventual puesta a tierra de la alimentación. Julián Fernández Mendoza SEC 1.18 UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. N = Masas conectadas directamente al punto de la alimentación puesto a tierra (en corriente alterna, este punto es normalmente el punto neutro). - Otras letras (eventuales): Se refieren a la situación relativa del conductor neutro y del conductor de protección. S = Las funciones de neutro y de protección, aseguradas por conductores separados. C = Las funciones de neutro y de protección, combinadas en un solo conductor (conductor CPN). 3.1. ESQUEMA TN Los esquemas TN tienen un punto de la alimentación, generalmente el neutro o compensador, conectado directamente a tierra (1ª letra) y las masas de la instalación receptora conectadas a dicho punto mediante conductores de protección (2ª letra). Se distinguen tres tipos de esquemas TN según la disposición relativa del conductor neutro y del conductor de protección: - Esquema TN-S: En el que el conductor neutro y el de protección son distintos (Separados, Fig.-1.15. Esquema de distribución tipo TN-S. Letra-S) en todo el esquema. - Esquema TN-C: En el que las funciones de neutro y protección están combinados (Letra-C) en un solo conductor en todo el esquema. Fig.-1.16. Esquema de distribución tipo TN-C. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.19 Instalaciones de Distribución. - CFGM. 2º IEA. Esquema TN-C-S: En el que las funciones de neutro y protección están combinadas en un solo conductor en una parte del esquema. Fig.-1.17. Esquema de distribución tipo TN-C-S. En los esquemas TN cualquier intensidad de defecto franco fase-masa es una intensidad de cortocircuito. El bucle de defecto está constituido exclusivamente por elementos conductores metálicos. 3.2. ESQUEMA TT. El esquema TT tiene un punto de alimentación, generalmente el neutro o compensador, conectado directamente a tierra. Las masas de la instalación receptora están conectadas a una toma de tierra separada de la toma de tierra de la Fig.-1.18. Esquema de distribución tipo TT. alimentación. En este esquema las intensidades de defecto fase-masa o fase-tierra pueden tener valores inferiores a los de cortocircuito, pero pueden ser suficientes para provocar la aparición de tensiones peligrosas. En general, el bucle de defecto incluye la resistencia de paso a tierra, tanto de la alimentación (conexión del neutro), como la de las masas de la instalación receptora. 3.3. ESQUEMA IT El esquema IT no tiene ningún punto de la alimentación conectado directamente a tierra, esta alimentación o está completamente aislada de tierra, o unida por medio de una impedancia elevada. Las masas de la instalación receptora están puestas directamente a tierra. Julián Fernández Mendoza SEC 1.20 Fig.-1.19. Esquema de distribución tipo IT. UT-1. Estructura general de un sistema eléctrico. Módulo: SEC. En este esquema, la intensidad resultante de un primer defecto fase-masa o fase-tierra, tiene un valor lo suficientemente reducido como para no provocar la aparición de tensiones de contacto peligrosas. La limitación del valor de la intensidad resultante de un primer defecto fase-masa o fase-tierra se obtiene bien por la ausencia de conexión a tierra en la alimentación, o bien por la inserción de una impedancia suficiente entre un punto de la alimentación (generalmente el neutro) y tierra. En caso de producirse un segundo defecto en otra fase, el valor de la intensidad será la de cortocircuito entre fases. 3.4. APLICACIÓN DE LOS TIPOS DE ESQUEMAS. La elección de uno de los tipos de esquemas debe hacerse en función de las características técnicas y económicas de cada instalación. Sin embargo, hay que tener en cuenta los siguientes principios. A) Las redes de distribución pública de baja tensión tienen un punto puesto directamente a tierra por prescripción reglamentaria. Este punto es el punto neutro de la red. El esquema de distribución para instalaciones receptoras alimentadas directamente de una red de distribución pública de baja tensión es el esquema TT. B) En instalaciones alimentadas en baja tensión, a partir de un centro de transformación de abonado, se podrá elegir cualquiera de los tres esquemas citados. Julián Fernández Mendoza IDIS 1.21
