Lo esencial de los sistemas de distribución eléctrica que todo ingeniero debe conocer

Transferencia de energía eléctrica de CA/CC

Los sistemas de distribución eléctrica son una parte esencial del sistema de energía eléctrica. Para transferir energía eléctrica de una fuente de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC) al lugar donde se utilizará, se debe utilizar algún tipo de red de distribución.

Lo esencial de los sistemas de distribución eléctrica que todo ingeniero debe conocer (crédito de foto: smoketronics a través de Flickr)

l método utilizado para distribuir la energía desde donde se produce hasta donde se usa puede ser bastante simple. Se utilizan sistemas de distribución de energía más complejos para transferir energía eléctrica de la planta de energía a industrias, hogares y edificios comerciales.

Contenido:

sistemas de Distribución en general
Clasificación
1. de distribución de CA
  1. Principal sistema de distribución
  2. sistema de distribución Secundario
2. distribución DC
  1. 2 hilos DC del sistema
  2. 3 hilos DC del sistema
3. Más comunes de acuerdos de distribución
  1. Radial del Sistema
  2. Anillo de sistema principal
  3. sistemas de potencia Interconectados
cálculo de caída de Tensión en DC del sistema
los Requisitos de un buen sistema de distribución
consideraciones de Diseño

Los sistemas de distribución en general

Los sistemas de distribución generalmente emplean equipos como transformadores, disyuntores y dispositivos de protección. El sistema de distribución eléctrica original desarrollado por Thomas Edison era un sistema subterráneo de corriente continua (CC).

En general, el sistema de distribución es el sistema eléctrico entre la subestación alimentada por el sistema de transmisión y el extremo del consumidor.

Generalmente se compone de alimentadores, distribuidores. El diagrama de una sola línea de un sistema de distribución típico se muestra en la Figura 1.

Figura 1-Un sistema de distribución de energía eléctrica típico

Básicamente podemos decir que la parte del sistema de energía que distribuye energía eléctrica para uso local se conoce como sistema de distribución.

Alimentadores

Un alimentador es un conductor que conecta la subestación (o estación generadora localizada) con el área donde se va a distribuir la energía. Por lo general, no se toman derivaciones del alimentador para que la corriente en él permanezca igual en todo momento (Figura 2).

La consideración principal en el diseño de un alimentador es la capacidad de carga de corriente.

Sistema de alimentación radial — Figura 2 – Un ejemplo de sistema de alimentación radial

Distribuidor

Un distribuidor es un conductor del que se toman los grifos para su suministro a los consumidores. La corriente a través de un distribuidor no es constante porque los grifos se toman en varios lugares a lo largo de su longitud.

Red de servicio

Un cable de servicio es generalmente un pequeño cable que conecta al distribuidor con los terminales de los consumidores.

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2. Clasificación

Un sistema de distribución puede clasificarse de acuerdo con:

De acuerdo con la naturaleza de la corriente, el sistema de distribución puede clasificarse como:

Sistema de distribución de corriente continua (CC)
Sistema de distribución de corriente alternativa (CA).

Hoy en día, el sistema de CA se adopta universalmente para la distribución de energía eléctrica, ya que es más simple y más económico que el método de corriente continua.

De acuerdo con el esquema de conexión, el sistema de distribución puede clasificarse como:

Sistema radial
Sistema principal de anillo
Sistema interconectado.

Cada esquema tiene sus propias ventajas y desventajas.

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2.1 Distribución de CA

La energía eléctrica actual se genera, transmite y distribuye en forma de corriente alterna. Una razón importante para el uso generalizado de la corriente alterna en preferencia a la corriente continua es el hecho de que la tensión alterna se puede cambiar convenientemente en magnitud por medio de un transformador.

El transformador ha hecho posible la transmisión de ca. potencia a alto voltaje y utilízalo a un potencial seguro. Los altos voltajes de transmisión y distribución han reducido en gran medida la corriente en los conductores y las pérdidas de línea resultantes.

No hay una línea definida entre la transmisión y la distribución de acuerdo con el voltaje o la capacidad a granel. Esta línea también varía de un país a otro.

Sin embargo, en general, el sistema de distribución de CA es el sistema eléctrico entre la subestación reductora alimentada por el sistema de transmisión y los medidores de los consumidores (Figura 3).

unifilar de la red de transmisión y distribución. Estación central donde la energía es generada por alternadores trifásicos. — Figura 3-Diagrama de una sola línea de la red de transmisión y distribución. Estación central donde la energía es generada por alternadores trifásicos.

El sistema de distribución de CA se clasifica en:

Sistema de distribución primario y
Sistema de distribución secundario.

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2.1.1 Sistema de distribución primaria

Es la parte del sistema de distribución de CA que funciona a voltajes algo más altos que la utilización general y maneja grandes bloques de energía eléctrica que el consumo promedio de baja tensión (Figura 4).

El voltaje utilizado para la distribución primaria depende de la cantidad de energía a transportar y la distancia de la subestación requerida para ser alimentada. Los voltajes de distribución primaria más utilizados son 11 kV, 66 kV y 33 kV, pero esto difiere de un país a otro.

Por consideraciones económicas, la distribución primaria se lleva a cabo mediante un sistema de 3 fases y 3 hilos.

La energía eléctrica de la estación generadora se transmite a alta tensión a la subestación ubicada en la ciudad o cerca de ella. En esta subestación, el voltaje se reduce a 11 kV con la ayuda de un transformador reductor.

La alimentación se suministra a varias subestaciones para distribución o a grandes consumidores a este voltaje. Esto forma la distribución de alto voltaje o distribución primaria.

Figura 4-Aparamenta primaria aislada por aire equipada con terminales de alimentación (tipo UniGear ZS1)

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2.1.2 Sistema de distribución secundario

Es la parte del sistema de distribución de CA que incluye el rango de voltajes a los que el consumidor final utiliza la energía eléctrica que se le entrega.

La distribución secundaria emplea un sistema de 400/230 V, trifásico y de 4 hilos. El circuito de distribución primario suministra energía a varias subestaciones, llamadas subestaciones de distribución.

Las subestaciones están situadas cerca de las localidades de los consumidores y contienen transformadores reductores. En cada subestación de distribución, el voltaje se reduce a 400 V y la potencia se entrega mediante un sistema de 4 hilos y 3 fases.

La tensión entre dos fases cualesquiera es de 400 V y entre cualquier fase y neutro es de 230 V (Figura 5).

Las cargas domésticas monofásicas se conectan entre cualquier fase y el neutro, mientras que el motor trifásico de 400 V y las cargas del transformador de potencia se conectan directamente a través de líneas trifásicas.

Figura 5 – celdas de distribución Secundaria en red secundaria (crédito de la foto: centredeformation-hta.fr)

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2.2 Distribución de CC

Es un conocimiento común que la energía eléctrica se genera, transmite y distribuye casi exclusivamente como CA Sin embargo, para ciertas aplicaciones, el suministro de CC es absolutamente necesario.

Por ejemplo, se requiere alimentación de CC para el funcionamiento de maquinaria de velocidad variable (es decir, motores de CC), para trabajos electroquímicos y para áreas congestionadas donde se necesitan reservas de baterías de almacenamiento.

Para este fin, la alimentación de CA se convierte en corriente continua en la subestación mediante el uso de maquinaria de conversión, por ejemplo, rectificadores de arco de mercurio, convertidores rotativos y grupos motogeneradores.

El zumbido de suministro de CC la subestación se puede obtener en forma de:

2 hilos o
3 hilos para distribución

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2.2.1 Sistema de CC de 2 hilos

Como su nombre indica, este sistema de distribución consta de dos cables (+ y -). Uno es el cable saliente o positivo y el otro es el cable de retorno o negativo. Las cargas como lámparas, motores, etc. están conectados en paralelo entre los dos cables.

Este sistema nunca se utiliza para fines de transmisión debido a su baja eficiencia, pero puede emplearse para la distribución de energía de CC.

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2.2.2 Sistema de CC de 3 hilos

Consta de dos cables exteriores y un cable medio o neutro que se conecta a tierra en la subestación (ver Figura 5). La tensión entre los conductos exteriores es el doble de la tensión entre el cable exterior y el neutro.

La principal ventaja de este sistema es que pone a disposición dos voltajes en los terminales de consumo entre cualquier exterior y el neutro y entre los exteriores.

Las cargas que requieren alto voltaje (por ejemplo, motores) están conectadas a través de los conductos exteriores, mientras que las lámparas y los circuitos de calefacción que requieren menos voltaje están conectados entre el exterior y el neutro.

Figura 5 – Potencial en un 3-sistema de alambre

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2.3 Arreglos de distribución más comunes

2.3.1 Sistema radial

En este sistema, los alimentadores separados irradian desde una sola subestación y alimentan a los distribuidores en un solo extremo. En la Figura 6 se muestra un diagrama de una sola línea de un sistema de distribución radial. El sistema radial se emplea a baja tensión y la subestación se encuentra en el centro de la carga.

Este es el circuito de distribución más simple y tiene el costo inicial más bajo.

Figura 6 – distribución Radial del sistema

sin Embargo, adolece de los siguientes inconvenientes.

El extremo del distribuidor más cercano al punto de alimentación estará muy cargado.
Los consumidores dependen de un solo alimentador y un solo distribuidor.

Por lo tanto, cualquier falla en el alimentador o distribuidor corta el suministro a los consumidores que están en el lado de la falla lejos de la subestación.
Los consumidores en el extremo distante del distribuidor estarían sujetos a fluctuaciones de voltaje graves cuando la carga en el distribuidor cambia.

Debido a estas limitaciones, este sistema se utiliza solo para distancias cortas. El sistema radial se puede ampliar introduciendo más laterales y sublaterales.

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2.3.2 Sistema principal de anillos

En este sistema, las primarias de los transformadores de distribución forman un bucle. El circuito de bucle comienza desde las barras colectoras de la subestación, hace un bucle a través del área a servir y regresa a la subestación.

El diagrama de una sola línea del sistema principal de anillos se muestra en la Figura 7.

El sistema principal de anillos tiene las siguientes ventajas:

Hay menos fluctuaciones de voltaje en los terminales del consumidor.
El sistema es muy fiable, ya que cada distribuidor se alimenta a través de dos alimentadores. En caso de avería en cualquier sección del alimentador, se mantiene la continuidad del suministro.

Por ejemplo, supongamos que se produce un fallo en cualquier sección del alimentador. A continuación, la sección con fallas del alimentador se puede aislar para reparaciones y, al mismo tiempo, se mantiene la continuidad del suministro a todos los consumidores a través del otro alimentador.

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2.3.3 Sistemas de alimentación interconectados

Cuando el anillo de alimentación está energizado por dos o más de dos fuentes, se denomina sistema interconectado. El diagrama de una sola línea del sistema interconectado se muestra en la Figura 8 a continuación.

Figura 8 – sistemas de potencia Interconectados

El sistema interconectado tiene las siguientes ventajas:

aumenta la confiabilidad del servicio.
Cualquier área alimentada desde una estación generadora durante las horas de carga máxima se puede alimentar desde la otra estación generadora. Esto reduce la capacidad de potencia de reserva y aumenta la eficiencia del sistema.

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3. Cálculo de caída de tensión en el sistema de CC

La caída de tensión en el sistema de distribución se calcula siguiendo la ley Ohm,s. Consideremos un sistema de distribución radial do simple como se muestra en la Figura 9.

Figura 9 – Sistema distribuidor de CC radial con carga concentrada

El sistema tiene carga concentrada Ia, Ib, Ic, Id e Ie en el punto de carga A,B,C,D y E respectivamente. La resistencia de diferentes secciones se ha mostrado en la Figura 5 anterior.

El alimentador se alimenta en el punto O. Deje que los voltajes en diferentes nodos sean Va, Vb, Vc, Vd y Ve y el alimentador se alimenta en el voltaje Vo . Por lo tanto, la caída de tensión viene dada por:

VDTotal =VDOA + VDAB +VDBC + VDCD + VDDE

Corriente que fluye en secciones:

La corriente que fluye en la sección ‘OA’ es: Ioa = Ia + Ib + Ic + Id + Ie
La corriente que fluye en la sección ‘AB’ es: Iab = Ib + Ic + Id + Ie
La corriente que fluye en la sección » BC » es: Ibc = Ic + Id + Ie
La corriente que fluye en la sección ‘CD’ es: Icd = Id + Ie
La corriente que fluye en la sección ‘DE’ es: Ide = Ie

La caída de tensión total por lo tanto, está dada por:

VDTotal = IoaRoa + IabRab + IbcRbc + IcdRcd + IdeRde

De manera similar, podemos determinar la caída de tensión para CA sistema de distribución. En muchos casos, la carga en el sistema no está concentrada, puede ser una carga uniforme o una combinación de carga uniforme y concentrada.

Si la carga es uniforme, la caída de tensión se calcula para una longitud muy pequeña del alimentador, como dx, y luego se integra en toda la longitud.

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4. Requisitos de un buen sistema de distribución

Se necesita una cantidad considerable de esfuerzo para mantener un suministro de energía eléctrica dentro de los requisitos de varios tipos de consumidores. Algunos de los requisitos de un buen sistema de distribución son:

Voltaje adecuado,
Disponibilidad de energía bajo demanda y
Fiabilidad.

Voltaje adecuado

Un requisito importante de un sistema de distribución es que las variaciones de voltaje en los terminales del consumidor sean lo más bajas posible. Los cambios de voltaje generalmente se deben a la variación de la carga en el sistema. El bajo voltaje causa pérdida de ingresos, iluminación ineficiente y posible combustión del motor.

El alto voltaje hace que las lámparas se quemen permanentemente y puede causar fallas en otros aparatos.

Por lo tanto, un buen sistema de distribución debe garantizar que las variaciones de voltaje en los terminales de los consumidores estén dentro de los límites permitidos. El límite legal de variaciones de tensión es de ± 5% del valor nominal en los terminales del consumidor.

Por lo tanto, si la tensión declarada es de 230 V, entonces la tensión más alta del consumidor no debe exceder los 242 V, mientras que la tensión más baja del consumidor no debe ser inferior a 218 V.

Disponibilidad de energía bajo demanda

La energía debe estar disponible para los consumidores en cualquier cantidad que puedan requerir de vez en cuando. Por ejemplo, los motores pueden arrancar o apagarse, las luces pueden encenderse o apagarse, sin previo aviso a la compañía de suministro eléctrico. Como la energía eléctrica no se puede almacenar, por lo tanto, el sistema de distribución más capaz de satisfacer las demandas de carga de los consumidores.

Esto requiere que el personal de operación debe estudiar continuamente los patrones de carga para predecir de antemano los cambios de carga principales que siguen los horarios conocidos.

Fiabilidad

La industria moderna depende casi por completo de la energía eléctrica para su funcionamiento. Las viviendas y los edificios de oficinas se iluminan, calientan, enfrían y ventilan con energía eléctrica. Esto requiere un servicio confiable.

Desafortunadamente, la energía eléctrica, como todo lo demás que es artificial, nunca puede ser absolutamente y 100% confiable.

Sin embargo, la fiabilidad se puede mejorar en gran medida mediante:

Sistema interconectado
Sistema de control automático fiable
Que proporciona instalaciones de reserva adicionales.

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5. Consideraciones de diseño

Una buena regulación de voltaje de una red de distribución es probablemente el factor más importante responsable de brindar un buen servicio a los consumidores. Para este propósito, el diseño de alimentadores y distribuidores requiere una cuidadosa consideración.