Distribución de energía eléctrica
La distribución de energía eléctrica es la etapa final en la entrega de electricidad. La electricidad se transporta desde el sistema de transmisión hasta los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y reducen el voltaje de transmisión a voltaje medio que oscila entre 2 kV y 33 kV con el uso de transformadores. Las líneas de distribución primarias llevan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a bajar el voltaje al voltaje de utilización utilizado por la iluminación, los equipos industriales y los electrodomésticos. A menudo, varios clientes reciben suministro de un transformador a través de líneas de distribución secundarias. Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundaria a través de caídas de servicio. Los clientes que demandan una cantidad mucho mayor de energía pueden conectarse directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión.
La transición de transmisión a distribución ocurre en una subestación eléctrica, la cual tiene las siguientes funciones:
- Los interruptores y interruptores permiten desconectar la subestación de la red de transmisión o desconectar las líneas de distribución.
- Transformadores bajan los voltajes de transmisión, 35 kV o más, hasta los voltajes de distribución primaria. Estos son circuitos de tensión media, generalmente 600 a 35000V.
- Desde el transformador, el poder va a la barra de autobuses que puede dividir el poder de distribución en múltiples direcciones. El autobús distribuye el poder a las líneas de distribución, que se afianzan a los clientes.
La distribución urbana es principalmente subterránea, a veces en conductos de servicios comunes. La distribución rural es principalmente sobre el suelo con postes de servicios públicos, y la distribución suburbana es una mezcla. Más cerca del cliente, un transformador de distribución reduce la energía de distribución primaria a un circuito secundario de bajo voltaje, generalmente 120/240 V en los EE. UU. para clientes residenciales. La energía llega al cliente a través de una caída de servicio y un medidor de electricidad. El circuito final en un sistema urbano puede tener menos de 15 metros (50 pies), pero puede tener más de 91 metros (300 pies) para un cliente rural.
Historia
La distribución de energía eléctrica no se hizo necesaria hasta la década de 1880, cuando se empezó a generar electricidad en las centrales eléctricas. Antes de eso, la electricidad generalmente se generaba donde se usaba. Los primeros sistemas de distribución de energía instalados en ciudades europeas y estadounidenses se utilizaron para suministrar iluminación: iluminación de arco que funciona con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) de muy alto voltaje (alrededor de 3000 V) e iluminación incandescente que funciona con bajo voltaje. -voltaje (100 V) corriente continua. Ambos estaban reemplazando los sistemas de iluminación de gas, con la iluminación de arco tomando el control del alumbrado público y de áreas grandes, y la iluminación incandescente reemplazando las luces de gas para usuarios comerciales y residenciales.
Debido a los altos voltajes que se usan en la iluminación de arco, una sola estación generadora podría alimentar una cadena larga de luces, de hasta 11 km (7 millas) de largo. Y cada duplicación del voltaje permitiría que un cable dado transmita la misma cantidad de energía cuatro veces la distancia que con el voltaje más bajo (con la misma pérdida de energía). Por el contrario, los sistemas de iluminación incandescente interior de corriente continua, por ejemplo, la primera central eléctrica de Edison, instalada en 1882, tenían dificultades para abastecer a los clientes a más de una milla de distancia. Esto se debió al bajo voltaje (110 V) que usó en todo momento, desde la generación hasta el uso final. Este bajo voltaje se traducía en una corriente más alta, lo que requería cables de cobre gruesos para la transmisión. En la práctica, las plantas generadoras de CC de Edison debían estar a una distancia aproximada de 2,4 km (1,5 millas) del cliente más lejano para evitar conductores aún más gruesos y costosos.
Introducción del transformador
El problema de transmitir electricidad a distancias más largas se convirtió en un obstáculo de ingeniería reconocido para la distribución de energía eléctrica, con muchas soluciones menos que satisfactorias probadas por empresas de iluminación. Pero a mediados de la década de 1880 se produjo un gran avance con el desarrollo de transformadores funcionales que permitieron "intensificar" a un voltaje mucho más alto para la transmisión, luego bajó a un voltaje más bajo cerca del usuario final. En comparación con la corriente continua, la CA tenía costos de transmisión mucho más baratos y mayores economías de escala, con grandes plantas generadoras de CA capaces de abastecer a ciudades y regiones enteras, lo que llevó a que el uso de la CA se extendiera rápidamente.
En los EE. UU., la competencia entre la corriente continua y la corriente alterna dio un giro personal a fines de la década de 1880 en forma de "guerra de corrientes" cuando Thomas Edison comenzó a atacar a George Westinghouse y su desarrollo de los primeros sistemas de transformadores de CA de EE. UU., destacando las muertes causadas por los sistemas de CA de alto voltaje a lo largo de los años y afirmando que cualquier sistema de CA era inherentemente peligroso. La campaña de propaganda de Edison duró poco y su empresa cambió a AC en 1892.
La CA se convirtió en la forma dominante de transmisión de energía con innovaciones en Europa y los EE. UU. en diseños de motores eléctricos y el desarrollo de sistemas universales diseñados que permiten conectar una gran cantidad de sistemas heredados a grandes Redes de CA.
En la primera mitad del siglo XX, en muchos lugares la industria de la energía eléctrica estaba integrada verticalmente, lo que significaba que una sola empresa se ocupaba de la generación, transmisión, distribución, medición y facturación. A partir de las décadas de 1970 y 1980, las naciones iniciaron el proceso de desregulación y privatización, que condujo a los mercados de electricidad. El sistema de distribución permanecería regulado, pero los sistemas de generación, venta al por menor y, a veces, transmisión se transformaron en mercados competitivos.
Generación y transmisión
La energía eléctrica comienza en una estación generadora, donde la diferencia de potencial puede llegar a los 33 000 voltios. Normalmente se utiliza CA. Los usuarios de grandes cantidades de energía de CC, como algunos sistemas de electrificación ferroviaria, centrales telefónicas y procesos industriales como la fundición de aluminio, utilizan rectificadores para obtener CC del suministro público de CA, o pueden tener sus propios sistemas de generación. La CC de alto voltaje puede resultar ventajosa para aislar sistemas de corriente alterna o controlar la cantidad de electricidad transmitida. Por ejemplo, Hydro-Québec tiene una línea de corriente continua que va desde la región de James Bay hasta Boston.
Desde la central se dirige al patio de maniobras de la central donde un transformador elevador eleva la tensión a un nivel apto para la transmisión, de 44 kV a 765 kV. Una vez en el sistema de transmisión, la electricidad de cada estación generadora se combina con la electricidad producida en otros lugares. La electricidad se consume tan pronto como se produce. Se transmite a una velocidad muy alta, cercana a la velocidad de la luz.
Distribución primaria
Los voltajes de distribución primaria varían de 4 kV a 35 kV de fase a fase (2,4 kV a 20 kV de fase a neutro). Solo los grandes consumidores se alimentan directamente de los voltajes de distribución; la mayoría de los clientes de servicios públicos están conectados a un transformador, que reduce el voltaje de distribución al voltaje bajo "voltaje de utilización", "voltaje de suministro" o "voltaje de red" utilizado por los sistemas de iluminación y cableado interior.
Configuraciones de red
Las redes de distribución se dividen en dos tipos, radiales o de red. Un sistema radial está dispuesto como un árbol donde cada cliente tiene una fuente de suministro. Un sistema de red tiene múltiples fuentes de suministro que operan en paralelo. Las redes puntuales se utilizan para cargas concentradas. Los sistemas radiales se usan comúnmente en áreas rurales o suburbanas.
Los sistemas radiales suelen incluir conexiones de emergencia donde el sistema se puede reconfigurar en caso de problemas, como una falla o un mantenimiento planificado. Esto se puede hacer abriendo y cerrando interruptores para aislar una determinada sección de la red.
Los alimentadores largos experimentan una caída de tensión (distorsión del factor de potencia) que requiere la instalación de condensadores o reguladores de tensión.
La reconfiguración, mediante el intercambio de enlaces funcionales entre los elementos del sistema, representa una de las medidas más importantes que pueden mejorar el rendimiento operativo de un sistema de distribución. El problema de optimización a través de la reconfiguración de un sistema de distribución de energía, en términos de su definición, es un problema histórico de un solo objetivo con restricciones. Desde 1975, cuando Merlin y Back introdujeron la idea de la reconfiguración del sistema de distribución para la reducción de pérdidas de potencia activa, hasta la actualidad, muchos investigadores han propuesto diversos métodos y algoritmos para resolver el problema de la reconfiguración como un problema de objetivo único. Algunos autores han propuesto enfoques basados en la optimización de Pareto (que incluyen como objetivos las pérdidas de potencia activa y los índices de confiabilidad). Para ello, se han utilizado diferentes métodos basados en inteligencia artificial: microgenética, intercambio de ramas, optimización de enjambre de partículas y algoritmo genético de clasificación no dominada.
Servicios rurales
Los sistemas de electrificación rural tienden a usar voltajes de distribución más altos debido a las distancias más largas que cubren las líneas de distribución (ver Administración de Electrificación Rural). La distribución de 7,2, 12,47, 25 y 34,5 kV es común en los Estados Unidos; 11 kV y 33 kV son comunes en el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda; 11 kV y 22 kV son comunes en Sudáfrica; 10, 20 y 35 kV son comunes en China. Ocasionalmente se utilizan otros voltajes.
Los servicios rurales normalmente intentan minimizar el número de postes y cables. Utiliza voltajes más altos (que la distribución urbana), lo que a su vez permite el uso de alambre de acero galvanizado. El fuerte alambre de acero permite un espaciamiento de postes anchos menos costoso. En áreas rurales, un transformador de montaje en poste puede servir solo a un cliente. En Nueva Zelanda, Australia, Saskatchewan, Canadá y Sudáfrica, los sistemas de retorno a tierra de un solo cable (SWER) se utilizan para electrificar áreas rurales remotas.
El servicio trifásico proporciona energía para grandes instalaciones agrícolas, instalaciones de bombeo de petróleo, plantas de agua u otros clientes que tienen grandes cargas (equipo trifásico). En América del Norte, los sistemas de distribución aérea pueden ser trifásicos, de cuatro hilos, con un conductor neutro. El sistema de distribución rural puede tener tramos largos de un conductor de fase y un neutro. En otros países o en zonas rurales extremas el hilo neutro se conecta a tierra para utilizarlo como retorno (retorno a tierra monohilo).
Distribución secundaria
La electricidad se entrega a una frecuencia de 50 o 60 Hz, según la región. Se entrega a clientes domésticos como energía eléctrica monofásica. En algunos países, como en Europa, puede estar disponible un suministro trifásico para propiedades más grandes. Vista con un osciloscopio, la fuente de alimentación doméstica en América del Norte se vería como una onda sinusoidal, oscilando entre −170 voltios y 170 voltios, dando un voltaje efectivo de 120 voltios RMS. La energía eléctrica trifásica es más eficiente en términos de potencia entregada por cable utilizado y es más adecuada para hacer funcionar grandes motores eléctricos. Algunos electrodomésticos europeos grandes pueden funcionar con energía trifásica, como estufas eléctricas y secadoras de ropa.
Normalmente se proporciona una conexión a tierra para el sistema del cliente, así como para el equipo propiedad de la empresa de servicios públicos. El propósito de conectar el sistema del cliente a tierra es limitar el voltaje que puede desarrollarse si los conductores de alto voltaje caen sobre los conductores de voltaje más bajo que generalmente se montan más cerca del suelo, o si ocurre una falla dentro de un transformador de distribución.. Los sistemas de puesta a tierra pueden ser TT, TN-S, TN-C-S o TN-C.
Variaciones regionales
Sistemas de 220–240 voltios
La mayor parte del mundo utiliza 50 Hz 220 o 230 V monofásicos o 400 V trifásicos para servicios residenciales e industriales ligeros. En este sistema, la red de distribución primaria alimenta unas pocas subestaciones por área, y la energía de 230 V/400 V de cada subestación se distribuye directamente a los usuarios finales en una región normalmente de menos de 1 km de radio. Tres cables vivos (activos) y el neutro están conectados al edificio para un servicio trifásico. La distribución monofásica, con un hilo vivo y el neutro, se utiliza en el ámbito doméstico donde las cargas totales son ligeras. En Europa, la electricidad se distribuye normalmente para la industria y el uso doméstico mediante el sistema trifásico de cuatro hilos. Esto da un voltaje de fase a fase de 400 voltios servicio en estrella y un voltaje monofásico de 230 voltios entre cualquiera fase y neutro. En el Reino Unido, una subestación de bajo voltaje urbana o suburbana típica normalmente tendría una potencia nominal de entre 150 kVA y 1 MVA y abastecería a un vecindario completo de unos pocos cientos de casas. Los transformadores suelen tener un tamaño de carga promedio de 1 a 2 kW por hogar, y los fusibles y cables de servicio están dimensionados para permitir que cualquier propiedad tenga una carga máxima de quizás diez veces más. Para clientes industriales, también está disponible 690 / 400 voltios trifásicos, o se pueden generar localmente. Los grandes clientes industriales tienen su(s) propio(s) transformador(es) con una entrada de 11 kV a 220 kV.
Sistemas de 100 a 120 voltios
La mayoría de las Américas utilizan CA de 60 Hz, el sistema de fase dividida de 120/240 voltios a nivel nacional y trifásico para instalaciones más grandes. Los transformadores norteamericanos generalmente alimentan los hogares a 240 voltios, similar a los 230 voltios de Europa. Es la fase dividida que permite el uso de 120 voltios en el hogar.
En el sector eléctrico de Japón, el voltaje estándar es de 100 V y se utilizan frecuencias de CA de 50 y 60 Hz. Partes del país usan 50 Hz, mientras que otras partes usan 60 Hz. Esta es una reliquia de la década de 1890. Algunos proveedores locales en Tokio importaron equipos alemanes de 50 Hz, mientras que los proveedores locales de energía en Osaka trajeron generadores de 60 Hz de los Estados Unidos. Las redes crecieron hasta que finalmente todo el país estuvo cableado. Actualmente, la frecuencia es de 50 Hz en el este de Japón (incluidos Tokio, Yokohama, Tohoku y Hokkaido) y de 60 Hz en el oeste de Japón (incluidos Nagoya, Osaka, Kioto, Hiroshima, Shikoku y Kyushu).
La mayoría de los electrodomésticos están hechos para funcionar en cualquier frecuencia. El problema de la incompatibilidad salió a la luz pública cuando el terremoto y el tsunami de Tōhoku de 2011 destruyeron alrededor de un tercio de la capacidad del este, y el poder en el oeste no se pudo compartir completamente con el este, ya que el país no tiene una frecuencia común.
Hay cuatro estaciones convertidoras de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que mueven energía a través de la frontera de frecuencia de CA de Japón. Shin Shinano es una instalación HVDC adosada en Japón que forma una de las cuatro estaciones de cambio de frecuencia que conectan las redes eléctricas del este y el oeste de Japón. Los otros tres están en Higashi-Shimizu, Minami-Fukumitsu y Sakuma Dam. Juntos pueden mover hasta 1,2 GW de potencia hacia el este o el oeste.
Sistemas de 240 voltios y tomacorrientes de 120 voltios
La mayoría de los hogares norteamericanos modernos están cableados para recibir 240 voltios del transformador y, mediante el uso de energía eléctrica de fase dividida, pueden tener receptáculos de 120 y 240 voltios. Los 120 voltios se utilizan normalmente para la iluminación y la mayoría de los enchufes de pared. Los circuitos de 240 voltios se usan típicamente para aparatos que requieren una salida de calor de alto vatio, como hornos y calentadores. También se pueden utilizar para alimentar un cargador de coche eléctrico.
Modernos sistemas de distribución
Tradicionalmente, los sistemas de distribución solo operarían como simples líneas de distribución donde la electricidad de las redes de transmisión se compartiría entre los clientes. Los sistemas de distribución actuales están fuertemente integrados con la generación de energía renovable en el nivel de distribución de los sistemas de energía por medio de recursos de generación distribuida, como la energía solar y la energía eólica. Como resultado, los sistemas de distribución son cada día más independientes de las redes de transmisión. Equilibrar la relación oferta-demanda en estas modernas redes de distribución (a veces denominadas microrredes) es un gran desafío y requiere el uso de varios medios tecnológicos y operativos para operar. Dichas herramientas incluyen una estación de energía de almacenamiento de batería, análisis de datos, herramientas de optimización, etc.
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