Sistemas de Distribución

JULIO 2011

MUNDO ELECTRICO

Vol.

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CAIDAS DE

TENSION PROTECCION AL SISTEMA

PRIMARIO Circuitos que salen de las subestaciones de distribuci贸n y alimentan los transformadores de distribuci贸n.

SECUNDARIO Distribuye potencia a los consumidores

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DISEÑO DE RED DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA

Ilustración 1. Red eléctrica

U

n sistema o red de distribución de energía eléctrica es un conjunto de equipos que permiten energizar en forma segura y confiable un número determinado de cargas, en distintos niveles de tensión, ubicados generalmente en diferentes lugares. Este constituye la parte del sistema de suministro eléctrico cuya función es el suministro de energía desde las subestaciones de distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente).

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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 reparte la energía partiendo de las subestaciones de transformación hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución.

La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha. Esta red cubre la

superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.)

Los elementos que conforman esta red son los siguientes: 

Subestación Distribución casitas



Circuito Primario.



Circuito Secundario.

de de

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PLANEAMIENTO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

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eamos una red eléctrica (ILUSTRACIÓN 1), incluye un sistema de generación, con sus plantas generadoras y transformadores elevadores, un sistema de transmisión con sus líneas de transporte y transformadores, y un sistema de distribución, también líneas y transformadores.

El sistema de distribución puede considerarse que inicia en una estación eléctrica de potencia con transformadores, y líneas de subtransmisión, que llegan a subestaciones de distribución con otra transformación (a media tensión) circuitos primarios, derivaciones, transformadores de distribución, y red secundaria que llega a los usuarios.

Es necesario resolver distintos niveles de esta logrando optimizar soluciones en cada adoptadas.

los red las caso

Los sistemas de distribución, ya sea que pertenezcan a empresas privadas o estatales, deben proyectarse de modo que puedan ser ampliados progresivamente, con escasos cambios en las construcciones existentes tomando en cuenta ciertos principios económicos, con el fin de asegurar un servicio adecuado y continuo para la carga presente y futura al mínimo costo de operación.

Para el manejo claro de los conceptos en la ILUSTRACIÓN 2, se indica la clasificación funcional de los componentes del sistema de distribución.

Transformador de estación de Recibe potencia del sistema de transmisión la transforma y potencia (principal). la entrega a la tensión de subtransmisión.

Sistema de subtransmisión. Circuitos que salen de la estación principal y alimentan las subestaciones de distribución.

Subestación de distribución. Recibe potencia del sistema de subtransmisión la transforma y la entrega a la tensión de los alimentadores primarios Alimentador o Sistema Circuitos que salen de las subestaciones de distribución y primario alimentan los transformadores de distribución Transformador de distribución Transforma a la tensión de utilización Red o sistema secundario Distribuye potencia a los consumidores Ilustración 2. Definiciones funcionales de componentes del sistema de distribución

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2011 Una serie de factores que intervienen en el diseño de la red se encuentran bajo el control del proyectista, la elección de unos fija el valor de otros.

El problema general de diseño de una red implica definir: - La red de baja tensión (secundaria).

- Las estaciones secundarias, cabinas, centros de potencia de media y baja tensión.

- El sistema de distribución en media tensión (primario).

- Las estaciones primarias de alta a media tensión.

- El sistema de transmisión o subtransmisión en alta tensión. .

La elección acertada de algunos factores optimiza el diseño de la red. El estudio se puede hacer desde la baja tensión hacia la alta, o en sentido contrario.

El diseño óptimo de la red puede quedar definido con distintos criterios, el criterio normalmente adoptado es económico, respetándose condiciones técnicas mínimas.

Por ejemplo se puede optimizar el conjunto de transformadores de distribución y red secundaria (de baja tensión).

Con el correcto diseño de la red se trata de obtener:  Calidad aceptable del servicio dado a los usuarios.  Economía de diseño de la red de distribución.  Combinación óptima de tensiones de transmisión o subtransmisión y tensiones de alimentadores, para satisfacer la expansión.  Correcto dimensionamiento de los circuitos con aceptable utilización de los componentes.  Selección de los puntos del sistema donde deben preverse económicamente regulaciones de tensión.

En una red, en la cual se encuentran definidas las cargas y su ubicación, al adoptarse una configuración geométrica quedan definidas las cargas en los distintos elementos. La adopción de una tensión define la corriente en cada elemento (línea).

Además, en esta fase de planeamiento se trata de estudiar como los cambios en un parámetro o variable influyen en los restantes.

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Las condiciones inmediatas se pueden prever con la tasa de crecimiento actual, pero las condiciones del futuro deben considerar tasas de crecimiento basadas en periodos representativos, largos, el futuro lejano puede ser víctima de la saturación, o de la aparición de otras opciones que compiten.

P

odemos clasificar las redes en dos tipos, aquellas para las cuales las cargas pueden suponerse puntuales, de valor y ubicación definidas, y aquellas en las cuales la carga sigue una ley de distribución continua en la superficie del plano en el cual debe realizarse la distribución de energía.

Las redes del primer tipo son concretamente las que corresponden a industrias, mientras que las del segundo tipo corresponden a distribución urbana.

En general se tiende a reducir la primera inversión, pero este criterio no debe representar encarecimiento futuro, por esto es muy importante planear para la situación final, y luego identificar la necesidad presente.

Una vez que hemos identificado la distribución de centros de carga, aparecen dos problemas, la red que debe llegar a todos los usuarios y la red que desde la fuente de energía debe llegar a todos los centros. También este problema merece un análisis, se proyecta la red final, se busca lo que inicialmente más conviene, teniendo presentes las reservas que se deben hacer para el futuro.

E

l planeamiento no debe entrar en las soluciones de detalle que seguramente en el transcurso del tiempo perderán vigencia victimas del progreso tecnológico (tanto en componentes como en materiales).

El dato más importante que afecta el planeamiento de una red:  carga actual  crecimiento de la carga  aumento del número de cargas  modificación de cargas por situaciones especiales (depende del desarrollo de algunos clientes).

Fijadas las cargas se debe buscar la red que las satisface, sin bajar a detalles menores, estos serán objeto de trabajos al momento de construir.

El fruto de este trabajo de planeamiento debe quedar bien documentado, para que cuando se presenta la necesidad de construir las obras y desarrollar la ingeniería de detalle no queden dudas de lo que se debe hacer.

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SISTEMA DE PROTECCIONES La Protección de los Sistemas Eléctricos de Distribución ha venido adquiriendo cada vez mayor importancia ante el crecimiento acelerado de las redes eléctricas y la exigencia de un suministro de energía a los consumidores con una calidad de servicio cada vez mayor. No son muy abundantes las publicaciones que tratan este tema tan interesante y hoy en día tan necesario, a nivel de distribución con un interés especial a la selección, aplicación y coordinación de los equipos de protección comúnmente usados en estos sistemas.

Los equipos normalmente utilizados para la protección de un sistema de distribución son los siguientes:

Las cuchillas desconectadoras (llamados también Seccionadores) son interruptores de una subestación o circuitos eléctricos que protegen a una subestación de cargas eléctricas demasiado elevadas.

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para excitar, llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las personas o construcciones Órgano de Corte en Red es un interruptor-seccionador de aislamiento y corte en atmósfera de gas inerte para redes aéreas de distribución en media tensión. Este elemento se integrará en el sistema de distribución de energía eléctrica con el fin de obtener importantes mejoras en su fiabilidad.

Poseerá un sistema de telecontrol gracias al cual cuando se produzcan defectos en la red eléctrica, podrán ser rápidamente detectados y aislados, realizando una reconfiguración remota de la red, reduciendo gastos de desplazamiento y aumentando la calidad del servicio.

El fusible es el medio más sencillo de interrupción automática de corriente en caso de cortocircuitos o sobrecargas. En baja tensión se encuentran hasta de 600 A y de 250 a 600 Volt. En este rango, la exigencia es que soporten continuamente la corriente nominal y que se fundan en un tiempo máximo de 5 minutos con un 15% de sobrecarga.

Los Relés pueden manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control. También ofrecen la posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control. Son capaces de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, por lo que pueden considerarse, en un amplio sentido, como amplificadores eléctrico.

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CAIDA DE TENSION Llamamos caída de tensión de un conductor a la diferencia de potencial que existe entre los extremos del mismo. Este valor se mide en voltios y representa el gasto de fuerza que implica el paso de la corriente por ese conductor. Así mismo, la caída de tensión es medida frecuentemente en tanto por ciento de la tensión nominal de la fuente de la que se alimenta. Por lo tanto, si en un circuito alimentado a 400 Voltios de tensión se prescribe una caída máxima de tensión de una instalación del 5%, esto significará que en dicho tramo no podrá haber más de 20 voltios, que Ilustración 3. Se realizan mediciones de la caída de tensión sería la tensión perdida con respecto a la entre las barra interceldas y los ánodos para verificar el buen entre ambas y además se mide la caída de tensión tensión nominal. No existe un conductor contacto entre barra y plancha de los ánodos para chequear su unión. perfecto, pues todos presentan una resistividad al paso de la corriente por muy pequeña que sea, por este motivo ocurre que un conductor incrementa la oposición al paso de la corriente, a medida que también va aumentando su longitud.

Si esta resistencia aumenta, por consiguiente aumenta el desgaste de fuerza, es decir, la caída de tensión. Podríamos decir que la caída de tensión de un conductor viene determinada por la relación que existe entre la resistencia que ofrece este al paso de la corriente, la carga prevista en el extremo más lejano del circuito y el tipo de tensión que se aplicará a los extremos.

La caída de voltaje es como la pérdida de presión en una tubería de agua. La corriente Eléctrica fluye por el conductor como el agua en una cañería y crea una pérdida. La pérdida es consecuencia de:  El diámetro del cable, cuanto más pequeño más pérdida.  El largo del cable. A mayor longitud del cable mayor caída de tensión.  El tipo de metal utilizado como conductor. A mayor resistencia del metal mayor pérdida. El cobre y el aluminio son los metales comúnmente utilizados como conductor siendo el cobre el de menor resistencia. (Ver Ilustración 5 ) Material

Resistividad

Coeficiente de corrección por temperatura



Cobre Aluminio Aleación de Aluminio



mm2/km a 20 ºC

1/ºC

17,54 29,5 33,3

0,0039 0,0040 0,0036

Ilustración 4. Tabla de material de conductores eléctricos.

La caída de tensión en el transformador de la subestación es fácilmente determinable en función de la carga, además debe tenerse en cuenta que frecuentemente este transformador tiene regulación de tensión bajo carga por lo que la tensión en las barras de la subestación puede ser fijada en el valor conveniente para la buena distribución.

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MUNDO ELECTRICO Caída de tensión de un conductor. Cálculo.

La caída de tensión es calculada utilizando la “Ley de Ohm”: E=IxR Dónde: E es la caída de tensión [Volts] I es la corriente que fluye por el conductor [Ampers) R es la resistencia del conductor [Ohms] Circuitos Monofásicos Caída de tensión = Ampers X Resistencia del conductor cada 1000’ (300m) X distancia en miles de pies X 2 cables.

Circuitos Trifásicos Caída de tensión = 0.866 X Ampers X Resistencia del conductor cada 1000’ (300m) X distancia en miles de pies X 2 cables.

Luego deberá restar el resultado de la fórmula a la tensión de trabajo del controlador. La resultante se debe encontrar dentro del rango de tensión admisible especificada por el fabricante del controlador.

Caída de tensión de un alimentador. Calculo.

Los alimentadores presentan una caída de tensión que para ser calculada requiere conocimiento de varias cosas: Caída alimentador = (r * cosfi + x * senfi) * A * k * longitud / U^2 Siendo r, x características del alimentador A, potencia que distribuye el alimentador, que es variable reduciéndose a medida que nos alejamos del punto de alimentación, y cosfi factor de potencia de la carga k es el factor que toma en cuenta la variación de carga a lo largo del cable, y que depende de la distribución de carga longitud del alimentador desde el inicio hasta el fin.

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DISEÑO DE LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN Y SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIÓN.

L

a distribución de energía como actualmente se desarrolla generalmente parte da la alta tensión con líneas de transmisión estas llegan a estaciones eléctricas donde arrancan las líneas de subtransmisión que llevan la energía a las subestaciones de distribución.

Cada subestación de distribución alimenta a través de líneas de distribución (alimentadores primarios) a los centros de carga, y de éstos parte la distribución a los usuarios.

De acuerdo a su instalación, las Subestaciones de Distribución puede ser tipo convencional (de superficie en caseta ó subterránea en edificios), tipo aérea (monoposte o biposte) y tipo compacta (bóveda ó pedestal).

En las estaciones eléctricas de alta tensión, en las subestaciones de distribución, y en los centros de carga se realizan transformaciones entre la

tensión inferior.

superior

y

la

Los conceptos que se aplican en el diseño de líneas de subtransmisión no

son distintos de los que se aplican a líneas en general, se trata de lograr un diseño confiable, que ocupe poco espacio y económico.

Las subestaciones de distribución frecuentemente deben realizarse con importantes limitaciones de espacio, y entonces este es el condicionante base del diseño. Se deben buscar las soluciones compactas, y los esquemas se han ido modernizando más y más, aprovechando equipos más confiables y que ocupan menos espacio.

están en el centro de la zona que atienden, en la que distribuyen energía.

A veces es aconsejable llevar las subestaciones de distribución a las afueras de la zona que se debe atender, para que esto sea posible el área que se debe cubrir no puede ser muy grande.

La ubicación de la subestación fija el tamaño de la zona que debe alimentar, los alimentadores primarios deben llegar hasta los límites del área servida.

Según sea la carga del alimentador y sus características podrá ser más o menos largo y esto fija el área que se puede cubrir.

Potencia_alimentador = Potencia_subestación/ numero_alimentadores

Las subestaciones de distribución generalmente

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DISEÑO DE LOS SISTEMAS PRIMARIO

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ormalmente se estructuran en forma radial, en un sistema de este tipo la forma geométrica del alimentador asemeja la de un árbol, donde por el grueso del tronco, el mayor flujo de la energía eléctrica se transmite por toda una troncal, derivándose a la carga a lo largo de los ramales.

Pensando en una línea de tipo radial, a medida que la falla ocurre más cerca de la alimentación la separación del tramo fallado asume más importancia, con falla en el primer tramo todos los usuarios quedan afectados.

Surge natural la conveniencia de alimentar la línea desde ambos extremos, para superar estas condiciones logrando contener el número de afectados.

Los componentes de un alimentador primario son: *Troncal. En los sistemas de distribución estos conductores son de calibres gruesos 336, 556 y hasta 795 MCM, ACSR (calibre de aluminio con alma de acero), dependiendo del valor de la densidad de carga. * Ramal. Parte del alimentador primario energizado a través de un troncal, en el cual van conectados los transformadores de distribución y servicios particulares suministrados en media tensión Niveles de tensión En nuestro país las tensiones normalizadas que se utilizan en distribución son 13.8 y 24 kV, en el pasado también se utilizo la tensión

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de 4.4 kV, en algunos casos particulares 34.5 kV,.

El Código Eléctrico Nacional establece que para nuestro País (Venezuela) está normada una Frecuencia de 60 Hz. En nuestro caso puede ser interesante examinar las tensiones del rango 20 – 24 kV, que permiten máximo aprovechamiento de los materiales fabricados y difundidos bajo la tecnología europea, frente a este criterio la tensión de 34.5 kV esta fuera de rango.

Carga La distribución pública alimenta en general a sus usuarios en baja tensión, pero cuando la carga que estos representan supera ciertos valores comienza a ser conveniente (para ambas partes) desarrollar la alimentación en media tensión.

Ilustración 5.El transformador de distribución es la liga entre los alimentadores primarios y los alimentadores secundarios.

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DISEÑO DE LOS SISTEMAS SECUNDARIOS

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n la mayoría de los casos son circuitos radiales, salvo en los casos de las estructuras subterráneas malladas (comúnmente conocidas como redes automáticas) en las que el flujo de energía no siempre sigue la misma dirección.

Los alimentadores secundarios de distribución, por el número de hilos, se pueden clasificar en: 1- Monofásico dos hilos.

2- Monofásico tres hilos.

3- Trifásico cuatro hilos.

Para conocer las ventajas técnicas y económicas inherentes a los alimentadores secundarios de distribución se deben realizar estudios

comparativos que esclarezcan estos méritos y permitan seleccionar el sistema de distribución más adecuado a las necesidades del caso.

Niveles de tensión secundarios. a tensión secundaria, baja tensión, que se utiliza en Ldistribución, usada en nuestro ambiente es 120220-380-440 V, 380 V trifásico (entre líneas) recordemos que nuestra frecuencia es 60 Hz. Esta tensión es la normal en Venezuela, mientras que en Gran Bretaña la tensión normal era 240 - 420 V, hace ya algunos años en un esfuerzo de unificación se normalizo a nivel europeo 230 400 V.

En los países de 60 Hz, como en nuestro País, frecuentemente la distribución (para iluminación y cargas pequeñas) es monofásica 2 * 120 V, 2 * 240 V, la distribución de fuerza motriz es 3 * 240 V, o 3 * 440 V y también se encuentran otras combinaciones.

Para poder distribuir energía monofásica y trifásica en estos últimos sistemas una de las ramas del triángulo 3 * 440 V tiene punto medio (neutro), con lo que se tiene una distribución con 4 hilos, pero con tensiones compuestas el doble de la tensión simple (fase neutro).

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ELABORADO POR: TSU JOSE JAVIER GONZALEZ F. V-16.643.907