Sistema de energía eléctrica

Un sistema de energía eléctrica es una red de componentes eléctricos que se utilizan para suministrar, transferir y utilizar energía eléctrica. Un ejemplo de sistema eléctrico es la red eléctrica que suministra energía a hogares e industrias en un área extensa. La red eléctrica se divide, a grandes rasgos, en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que transporta la energía desde los centros de generación hasta los centros de carga, y el sistema de distribución que suministra la energía a los hogares e industrias cercanos.También se encuentran sistemas de energía más pequeños en la industria, hospitales, edificios comerciales y hogares. Un diagrama unifilar ayuda a representar todo el sistema. La mayoría de estos sistemas utilizan corriente alterna trifásica (CA), el estándar para la transmisión y distribución de energía a gran escala en el mundo moderno. Existen sistemas de energía especializados que no siempre utilizan CA trifásica en aeronaves, sistemas ferroviarios eléctricos, transatlánticos, submarinos y automóviles.

En 1881, dos electricistas construyeron el primer sistema eléctrico del mundo en Godalming, Inglaterra. Este funcionaba con dos ruedas hidráulicas y producía una corriente alterna que alimentaba siete lámparas de arco Siemens a 250 voltios y 34 lámparas incandescentes a 40 voltios. Sin embargo, el suministro a las lámparas era intermitente, y en 1882 Thomas Edison y su empresa, Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera central eléctrica de vapor en Pearl Street, Nueva York. Inicialmente, la central de Pearl Street alimentaba unas 3000 lámparas para 59 clientes. La central generaba corriente continua y funcionaba con un solo voltaje. La corriente continua no podía transformarse con facilidad ni eficiencia a los voltajes más altos necesarios para minimizar las pérdidas de energía durante la transmisión a larga distancia, por lo que la distancia máxima económica entre los generadores y la carga se limitaba a unos 800 m (media milla).Ese mismo año, en Londres, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs demostraron el "generador secundario", el primer transformador apto para su uso en un sistema eléctrico real. El valor práctico del transformador de Gaulard y Gibbs se demostró en 1884 en Turín, donde se utilizó para iluminar 40 kilómetros (25 millas) de vía férrea con un único generador de corriente alterna. A pesar del éxito del sistema, ambos cometieron algunos errores fundamentales. Quizás el más grave fue conectar los primarios de los transformadores en serie, de modo que las lámparas activas afectaran la luminosidad de otras lámparas situadas más adelante.En 1885, Ottó Titusz Bláthy, en colaboración con Károly Zipernowsky y Miksa Déri, perfeccionó el generador secundario de Gaulard y Gibbs, dotándolo de un núcleo de hierro cerrado y de su nombre actual: «transformador». Los tres ingenieros presentaron un sistema de energía en la Exposición General Nacional de Budapest que implementaba el sistema de distribución de CA en paralelo propuesto por un científico británico, en el que varios transformadores de energía alimentan sus devanados primarios en paralelo desde una línea de distribución de alta tensión. El sistema encendió más de 1000 lámparas de filamento de carbono y funcionó con éxito desde mayo hasta noviembre de ese año.También en 1885, George Westinghouse, un empresario estadounidense, obtuvo los derechos de patente del transformador Gaulard-Gibbs e importó varios de ellos junto con un generador Siemens. Encargó a sus ingenieros que experimentaran con ellos con la esperanza de mejorarlos para su uso en un sistema eléctrico comercial. En 1886, uno de los ingenieros de Westinghouse, William Stanley, reconoció por sí mismo el problema de conectar transformadores en serie en lugar de en paralelo y también se dio cuenta de que convertir el núcleo de hierro de un transformador en un bucle completamente cerrado mejoraría la regulación de voltaje del devanado secundario. Con este conocimiento, construyó un sistema de energía de corriente alterna basado en transformadores multivoltaje que abastecía a varios hogares y negocios en Great Barrington, Massachusetts, en 1886. Sin embargo, el sistema era poco fiable y de corta duración, debido principalmente a problemas de generación. No obstante, basándose en ese sistema, Westinghouse comenzaría a instalar sistemas de transformadores de CA, compitiendo con Edison Company más tarde ese mismo año. En 1888, Westinghouse licenció las patentes de Nikola Tesla para diseños de motores de inducción de CA polifásicos y transformadores. Tesla trabajó como consultor durante un año en Westinghouse Electric & Manufacturing Company, pero los ingenieros de Westinghouse tardaron cuatro años más en desarrollar un motor polifásico y un sistema de transmisión viables.Para 1889, la industria eléctrica florecía y las compañías eléctricas habían construido miles de sistemas de energía (tanto de corriente continua como alterna) en Estados Unidos y Europa. Estas redes se dedicaban, en efecto, a proporcionar iluminación eléctrica. Durante esta época, la rivalidad entre las compañías de Thomas Edison y George Westinghouse se había convertido en una campaña de propaganda sobre qué forma de transmisión (corriente continua o alterna) era superior, una serie de eventos conocidos como la «guerra de las corrientes». En 1891, Westinghouse instaló en Telluride, Colorado, el primer gran sistema de energía, diseñado para impulsar un motor eléctrico síncrono de 100 caballos de fuerza (75 kW), además de proporcionar iluminación eléctrica. Al otro lado del Atlántico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown construyeron la primera línea de transmisión trifásica de alta tensión (15 kV, entonces un récord) de larga distancia (175 kilómetros [109 millas]) desde Lauffen am Neckar hasta Fráncfort del Meno para la Exposición de Ingeniería Eléctrica de Fráncfort. Allí, la energía se utilizó para encender lámparas y accionar una bomba de agua. En Estados Unidos, la competencia entre corriente alterna y corriente continua llegó a su fin cuando Edison General Electric fue absorbida por su principal rival en corriente alterna, la Thomson-Houston Electric Company, formando así General Electric. En 1895, tras un largo proceso de toma de decisiones, se eligió la corriente alterna como estándar de transmisión. Westinghouse construyó la central eléctrica Adams n.º 1 en las cataratas del Niágara y General Electric el sistema de corriente alterna trifásica para abastecer a Buffalo a 11 kV.Los avances en sistemas de energía continuaron más allá del siglo XIX. En 1936, se construyó la primera línea experimental de corriente continua de alto voltaje (HVDC) con válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York. Anteriormente, la HVDC se había logrado mediante generadores y motores de corriente continua conectados en serie (el sistema Thury), aunque este presentaba serios problemas de fiabilidad. El primer diodo metálico de estado sólido apto para usos generales de energía fue desarrollado por Ernst Presser en TeKaDe en 1928. Consistía en una capa de selenio aplicada sobre una placa de aluminio. En 1957, un grupo de investigación de General Electric desarrolló el primer tiristor apto para aplicaciones de energía, lo que marcó el inicio de una revolución en la electrónica de potencia. Ese mismo año, Siemens presentó un rectificador de estado sólido, pero no fue hasta principios de la década de 1970 que los dispositivos de estado sólido se convirtieron en el estándar en HVDC, cuando GE emergió como uno de los principales proveedores de HVDC basados en tiristores. En 1979, un consorcio europeo formado por Siemens, Brown Boveri & Cie y AEG realizó el enlace HVDC récord entre Cabora Bassa y Johannesburgo, con una extensión de más de 1.420 kilómetros (880 millas) y una potencia de 1,9 GW a 533 kV.En los últimos tiempos, se han producido muchos avances importantes gracias a la extensión de las innovaciones en el campo de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) a la ingeniería eléctrica. Por ejemplo, el desarrollo de las computadoras permitió realizar estudios de flujo de carga con mayor eficiencia, lo que permitió una planificación mucho mejor de los sistemas eléctricos. Los avances en las tecnologías de la información y las telecomunicaciones también permitieron un control remoto eficaz de los cuadros de distribución y los generadores de un sistema eléctrico.

La potencia eléctrica es el producto de dos magnitudes: corriente y tensión. Estas dos magnitudes pueden variar con el tiempo (corriente alterna) o mantenerse constantes (corriente continua).La mayoría de los refrigeradores, aires acondicionados, bombas y maquinaria industrial utilizan corriente alterna (CA), mientras que la mayoría de las computadoras y equipos digitales utilizan corriente continua (CC). Los dispositivos digitales conectados a la red eléctrica suelen tener un adaptador de corriente interno o externo para convertir de CA a CC. La CA tiene la ventaja de ser fácil de transformar entre voltajes y puede ser generada y utilizada por maquinaria sin escobillas. La CC sigue siendo la única opción práctica en sistemas digitales y puede ser más económica para transmitir a largas distancias a voltajes muy altos (véase HVDC).La capacidad de transformar fácilmente el voltaje de la corriente alterna (CA) es importante por dos razones: en primer lugar, la energía puede transmitirse a largas distancias con menos pérdidas a voltajes más altos. Por lo tanto, en sistemas eléctricos donde la generación está alejada de la carga, es conveniente aumentar el voltaje en el punto de generación y luego reducirlo cerca de la carga. En segundo lugar, suele ser más económico instalar turbinas que produzcan voltajes más altos que los que utilizarían la mayoría de los electrodomésticos, por lo que la capacidad de transformar fácilmente los voltajes permite gestionar fácilmente este desajuste entre voltajes.Los dispositivos de estado sólido, productos de la revolución de los semiconductores, permiten transformar la corriente continua (CC) a diferentes voltajes, construir máquinas de CC sin escobillas y convertir entre CA y CC. Sin embargo, los dispositivos que utilizan tecnología de estado sólido suelen ser más caros que sus homólogos tradicionales, por lo que la corriente alterna (CA) sigue siendo de uso generalizado.

Todos los sistemas eléctricos tienen una o más fuentes de energía. En algunos casos, la fuente de energía es externa al sistema, pero en otros, forma parte del propio sistema; estas fuentes de energía internas se analizan en el resto de esta sección. La corriente continua puede suministrarse mediante baterías, pilas de combustible o células fotovoltaicas. La corriente alterna suele suministrarse mediante un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador. Se han utilizado diversas técnicas para hacer girar el rotor de una turbina, desde el vapor calentado con combustibles fósiles (como carbón, gas y petróleo) o la energía nuclear, hasta la caída de agua (energía hidroeléctrica) y el viento (energía eólica).La velocidad de giro del rotor, en combinación con el número de polos del generador, determina la frecuencia de la corriente alterna producida por este. Todos los generadores de un mismo sistema síncrono, por ejemplo, la red eléctrica nacional, giran a submúltiplos de la misma velocidad y, por lo tanto, generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si la carga del sistema aumenta, los generadores requerirán mayor par para girar a esa velocidad y, en una central eléctrica de vapor, se debe suministrar más vapor a las turbinas que los impulsan. Por lo tanto, el vapor utilizado y el combustible consumido se relacionan directamente con la cantidad de energía eléctrica suministrada. Existe una excepción para los generadores que incorporan electrónica de potencia, como las turbinas eólicas sin engranajes, o que están conectados a la red mediante un enlace asíncrono, como un enlace HVDC; estos pueden operar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema eléctrico.Dependiendo de cómo se alimenten los polos, los generadores de corriente alterna pueden producir un número variable de fases de energía. Un mayor número de fases permite un funcionamiento más eficiente del sistema eléctrico, pero también aumenta los requisitos de infraestructura del sistema. Las redes eléctricas conectan varios generadores que operan a la misma frecuencia; los más comunes son los trifásicos a 50 o 60 Hz.Existen diversas consideraciones de diseño para las fuentes de alimentación. Estas van desde las obvias: ¿Cuánta potencia debería suministrar el generador? ¿Cuál es el tiempo aceptable para el arranque del generador (algunos generadores pueden tardar horas en arrancar)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas energías renovables solo están disponibles cuando hay sol o viento)? Hasta las más técnicas: ¿Cómo debería arrancar el generador? (Algunas turbinas actúan como un motor para alcanzar su velocidad, en cuyo caso necesitan un circuito de arranque adecuado). ¿Cuál es la velocidad mecánica de operación de la turbina y, en consecuencia, cuál es el número de polos requerido? ¿Qué tipo de generador es adecuado (síncrono o asíncrono) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor bobinado, rotor de polos salientes o rotor cilíndrico)?

Los sistemas eléctricos suministran energía a las cargas que realizan una función. Estas cargas van desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial. La mayoría de las cargas requieren un voltaje determinado y, en el caso de los dispositivos de corriente alterna, una frecuencia y un número de fases determinados. Los electrodomésticos de entornos residenciales, por ejemplo, suelen ser monofásicos y funcionan a 50 o 60 Hz con un voltaje de entre 110 y 260 voltios (según las normas nacionales). Existe una excepción para los sistemas de aire acondicionado centralizados de mayor tamaño, ya que ahora suelen ser trifásicos, lo que les permite funcionar de forma más eficiente. Todos los electrodomésticos también tienen una potencia nominal, que especifica la cantidad de energía que consumen. En cualquier momento, la cantidad neta de energía consumida por las cargas de un sistema eléctrico debe ser igual a la cantidad neta de energía producida por las fuentes de alimentación menos la energía perdida en la transmisión.Asegurarse de que el voltaje, la frecuencia y la cantidad de energía suministrada a las cargas se ajusten a las expectativas es uno de los grandes desafíos de la ingeniería de sistemas eléctricos. Sin embargo, no es el único desafío: además de la energía que utiliza una carga para realizar trabajo útil (denominada potencia real), muchos dispositivos de corriente alterna también consumen una cantidad adicional de energía, ya que provocan un ligero desfase entre el voltaje y la corriente alterna (denominado potencia reactiva). La potencia reactiva, al igual que la potencia real, debe estar equilibrada (es decir, la potencia reactiva producida en un sistema debe ser igual a la potencia reactiva consumida) y puede suministrarse desde los generadores. Sin embargo, suele ser más económico suministrar dicha energía desde condensadores (véase "Condensadores y reactancias" más adelante para más detalles).Una última consideración sobre las cargas se relaciona con la calidad de la energía. Además de las sobretensiones y subtensiones sostenidas (problemas de regulación de la tensión), así como las desviaciones sostenidas de la frecuencia del sistema (problemas de regulación de la frecuencia), las cargas del sistema eléctrico pueden verse afectadas negativamente por diversos problemas temporales. Estos incluyen caídas de tensión, sobretensiones transitorias, parpadeos, ruido de alta frecuencia, desequilibrio de fase y un factor de potencia bajo. Los problemas de calidad de la energía ocurren cuando la alimentación de una carga se desvía del valor ideal. Estos problemas pueden ser especialmente importantes en el caso de maquinaria industrial especializada o equipos hospitalarios.

Los conductores transportan la energía desde los generadores hasta la carga. En una red eléctrica, los conductores pueden clasificarse como pertenecientes al sistema de transmisión, que transporta grandes cantidades de energía a altas tensiones (normalmente superiores a 69 kV) desde los centros de generación hasta los centros de carga, o al sistema de distribución, que suministra cantidades menores de energía a tensiones más bajas (normalmente inferiores a 69 kV) desde los centros de carga hasta los hogares e industrias cercanas.La elección de los conductores se basa en consideraciones como el costo, las pérdidas de transmisión y otras características deseables del metal, como la resistencia a la tracción. El cobre, con menor resistividad que el aluminio, fue en su momento el conductor predilecto para la mayoría de los sistemas eléctricos. Sin embargo, el aluminio tiene un costo menor para la misma capacidad de conducción de corriente y ahora suele ser el conductor predilecto. Los conductores de líneas aéreas pueden reforzarse con acero o aleaciones de aluminio.Los conductores en sistemas eléctricos exteriores pueden instalarse aéreos o subterráneos. Los conductores aéreos suelen estar aislados por aire y soportados por aisladores de porcelana, vidrio o polímero. Los cables utilizados para transmisión subterránea o cableado de edificios están aislados con polietileno reticulado u otro material flexible. Los conductores suelen estar trenzados para hacerlos más flexibles y, por lo tanto, más fáciles de instalar.Los conductores suelen estar clasificados para la corriente máxima que pueden transportar ante un aumento de temperatura determinado con respecto a las condiciones ambientales. A medida que aumenta el flujo de corriente a través de un conductor, este se calienta. En el caso de los conductores aislados, la clasificación se determina por el aislamiento. En el caso de los conductores desnudos, la clasificación se determina por el punto en el que la flecha de los conductores se vuelve inaceptable.

La mayor parte de la carga en un sistema de alimentación de CA típico es inductiva; la corriente va desfasada con respecto al voltaje. Dado que el voltaje y la corriente están desfasados, esto da lugar a una forma de potencia "imaginaria" conocida como potencia reactiva. La potencia reactiva no realiza un trabajo medible, sino que se transmite entre la fuente de potencia reactiva y la carga en cada ciclo. Esta potencia reactiva puede ser proporcionada por los propios generadores, pero suele ser más económico proporcionarla mediante condensadores. Por ello, estos suelen colocarse cerca de las cargas inductivas (es decir, si no están en la subestación más cercana) para reducir la demanda de corriente en el sistema eléctrico (es decir, aumentar el factor de potencia).Los reactores consumen potencia reactiva y se utilizan para regular la tensión en líneas de transmisión largas. En condiciones de carga ligera, donde la carga en las líneas de transmisión es muy inferior a la carga de impedancia de sobretensión, la eficiencia del sistema eléctrico puede mejorarse mediante la conmutación de reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema eléctrico también limitan las sobretensiones de corriente; por lo tanto, los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con condensadores para limitar las sobretensiones de corriente asociadas con la conmutación de un condensador. Los reactores en serie también pueden utilizarse para limitar las corrientes de falla.Los condensadores y reactancias se conmutan mediante interruptores automáticos, lo que produce cambios significativos en la potencia reactiva. Una solución para esto son los condensadores síncronos, los compensadores estáticos VAR y los compensadores estáticos síncronos. En resumen, los condensadores síncronos son motores síncronos que giran libremente para generar o absorber potencia reactiva. Los compensadores estáticos VAR funcionan conectando y desconectando condensadores mediante tiristores, a diferencia de los interruptores automáticos, que permiten conectar y desconectar condensadores en un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más precisa que la de los condensadores conmutados por interruptor automático. Los compensadores estáticos síncronos van un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando únicamente electrónica de potencia.

La electrónica de potencia son dispositivos basados en semiconductores capaces de conmutar cantidades de potencia que van desde unos pocos cientos de vatios hasta varios cientos de megavatios. A pesar de su función relativamente simple, su velocidad de operación (normalmente del orden de nanosegundos) les permite realizar una amplia gama de tareas que serían difíciles o imposibles con la tecnología convencional. La función clásica de la electrónica de potencia es la rectificación, o la conversión de CA a CC; por lo tanto, se encuentra en casi todos los dispositivos digitales alimentados por una fuente de CA, ya sea como un adaptador que se conecta a la red eléctrica (véase la foto) o como un componente interno del dispositivo. La electrónica de potencia de alta potencia también puede utilizarse para convertir CA en CC para la transmisión a larga distancia en un sistema conocido como HVDC. El HVDC se utiliza porque resulta más económico que los sistemas de CA de alta tensión similares para distancias muy largas (de cientos a miles de kilómetros). El HVDC también es recomendable para interconexiones, ya que permite la independencia de frecuencia, mejorando así la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de energía que requiera generar una salida de CA, pero que por su naturaleza produce una salida de CC. Por lo tanto, se utiliza en instalaciones fotovoltaicas.La electrónica de potencia también se utiliza en una amplia gama de aplicaciones más exóticas. Es fundamental en todos los vehículos eléctricos e híbridos modernos, ya que se utiliza tanto para el control del motor como para el motor de corriente continua sin escobillas. La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos de gasolina, ya que la energía proporcionada por las baterías del coche por sí sola es insuficiente para el encendido, el aire acondicionado, la iluminación interior, la radio y las pantallas del salpicadero durante toda su vida útil. Por lo tanto, las baterías deben recargarse durante la conducción, una tarea que normalmente se consigue mediante electrónica de potencia.Algunos sistemas ferroviarios eléctricos también utilizan corriente continua (CC) y, por lo tanto, emplean electrónica de potencia para alimentar las locomotoras con energía de la red eléctrica y, a menudo, para controlar la velocidad de sus motores. A mediados del siglo XX, las locomotoras rectificadoras eran populares; estas utilizaban electrónica de potencia para convertir la corriente alterna (CA) de la red ferroviaria para su uso en un motor de CC. Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas se alimentan con CA y funcionan con motores de CA, pero aún utilizan electrónica de potencia para proporcionar un control adecuado del motor. El uso de electrónica de potencia para ayudar con el control del motor y los circuitos de arranque, además de la rectificación, es responsable de la presencia de la electrónica de potencia en una amplia gama de maquinaria industrial. La electrónica de potencia incluso se encuentra en los aires acondicionados residenciales modernos y es la base de los aerogeneradores de velocidad variable.

Los sistemas eléctricos contienen dispositivos de protección para prevenir lesiones o daños durante fallas. El dispositivo de protección por excelencia es el fusible. Cuando la corriente que pasa por un fusible supera un umbral determinado, el elemento fusible se funde, produciendo un arco en el espacio resultante que se extingue e interrumpe el circuito. Dado que los fusibles pueden construirse como el punto débil de un sistema, son ideales para proteger los circuitos de daños. Sin embargo, presentan dos problemas: primero, después de funcionar, deben reemplazarse, ya que no se pueden reiniciar. Esto puede resultar inconveniente si el fusible se encuentra en un sitio remoto o no se dispone de uno de repuesto. Y segundo, los fusibles suelen ser inadecuados como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, ya que permiten flujos de corriente muy superiores a los que resultarían letales para una persona o un animal.El primer problema se resuelve mediante el uso de interruptores automáticos, dispositivos que pueden reiniciarse tras interrumpir el flujo de corriente. En sistemas modernos que consumen menos de unos 10 kW, se suelen utilizar interruptores automáticos miniatura. Estos dispositivos combinan el mecanismo que inicia el disparo (al detectar el exceso de corriente) y el mecanismo que interrumpe el flujo de corriente en una sola unidad. Algunos interruptores automáticos miniatura funcionan únicamente mediante electromagnetismo. En estos interruptores, la corriente circula a través de un solenoide y, en caso de exceso de corriente, la fuerza magnética del solenoide es suficiente para forzar la apertura de los contactos del interruptor (a menudo indirectamente a través de un mecanismo de disparo).En aplicaciones de mayor potencia, los relés de protección que detectan una falla e inician el disparo son independientes del interruptor automático. Los primeros relés funcionaban con base en principios electromagnéticos similares a los mencionados en el párrafo anterior; los relés modernos son computadoras específicas para cada aplicación que determinan si deben dispararse según las lecturas del sistema eléctrico. Los distintos relés iniciarán disparos según los distintos esquemas de protección. Por ejemplo, un relé de sobrecorriente podría iniciar un disparo si la corriente en cualquier fase supera un umbral determinado, mientras que un conjunto de relés diferenciales podría iniciar un disparo si la suma de las corrientes entre ellos indica que puede haber una fuga de corriente a tierra. Los interruptores automáticos en aplicaciones de mayor potencia también son diferentes. El aire normalmente ya no es suficiente para extinguir el arco que se forma al forzar la apertura de los contactos, por lo que se utilizan diversas técnicas. Una de las técnicas más populares es mantener la cámara que encierra los contactos inundada con hexafluoruro de azufre (SF₆), un gas no tóxico con buenas propiedades de extinción de arco. Se describen otras técnicas en la referencia.El segundo problema, la incapacidad de los fusibles para actuar como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, probablemente se resuelva mejor mediante el uso de dispositivos de corriente residual (DCR). En cualquier aparato eléctrico que funcione correctamente, la corriente que entra por la línea activa debe ser igual a la que sale por la línea neutra. Un dispositivo de corriente residual funciona monitorizando las líneas activa y neutra y disparando la línea activa si detecta una diferencia. Los dispositivos de corriente residual requieren una línea neutra independiente para cada fase y deben poder dispararse dentro de un plazo determinado antes de que se produzcan daños. Esto no suele ser un problema en la mayoría de las aplicaciones residenciales, donde el cableado estándar proporciona una línea activa y una neutra para cada aparato (por eso los enchufes siempre tienen al menos dos pinzas) y los voltajes son relativamente bajos. Sin embargo, estos problemas limitan la eficacia de los DCR en otras aplicaciones, como la industria. Incluso con la instalación de un DCR, la exposición a la electricidad puede ser mortal.En grandes sistemas eléctricos, el control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) se utiliza para tareas como el encendido y control de la salida de generadores, así como la activación o desactivación de elementos del sistema para mantenimiento. Los primeros sistemas de control de supervisión implementados consistían en un panel de lámparas e interruptores en una consola central cerca de la planta controlada. Las lámparas proporcionaban información sobre el estado de la planta (función de adquisición de datos) y los interruptores permitían realizar ajustes en la planta (función de control de supervisión). Hoy en día, los sistemas SCADA son mucho más sofisticados y, gracias a los avances en los sistemas de comunicación, las consolas que controlan la planta ya no necesitan estar cerca de la misma. En su lugar, es común que las plantas se controlen con equipos similares (si no idénticos) a una computadora de escritorio. La posibilidad de controlar estas plantas a través de computadoras ha incrementado la necesidad de seguridad; ya se han reportado ciberataques a estos sistemas que han causado interrupciones significativas en los sistemas eléctricos.A pesar de sus componentes comunes, los sistemas de energía varían ampliamente tanto en diseño como en funcionamiento. Esta sección presenta algunos tipos comunes de sistemas de energía y explica brevemente su funcionamiento.Las viviendas residenciales casi siempre se abastecen de líneas o cables de distribución de baja tensión que pasan por la vivienda. Estos operan con tensiones de entre 110 y 260 voltios (fase a tierra), según las normas nacionales. Hace algunas décadas, las viviendas pequeñas se alimentaban monofásicamente mediante un cable de servicio bipolar dedicado (un núcleo para la fase activa y otro para el neutro de retorno). La línea activa pasaba por un interruptor general en la caja de fusibles y se dividía en uno o más circuitos para alimentar la iluminación y los electrodomésticos de la casa. Por convención, los circuitos de iluminación y electrodomésticos se mantienen separados para que la avería de un aparato no deje a los ocupantes de la vivienda a oscuras. Todos los circuitos se protegían con un fusible adecuado según el calibre del cable utilizado. Los circuitos contaban con un cable activo y uno neutro, y las tomas de corriente y de iluminación se conectaban en paralelo. Las tomas también contaban con una toma de tierra de protección. Esta se conectaba a cualquier carcasa metálica para que los electrodomésticos pudieran conectarse. Si esta carcasa se energizara, la teoría es que la conexión a tierra provocaría la activación de un diferencial o fusible, evitando así la electrocución de un ocupante que manipule el aparato. Los sistemas de puesta a tierra varían según la región, pero en países como el Reino Unido y Australia, tanto la tierra de protección como el neutro se conectarían a tierra juntos cerca de la caja de fusibles, antes del interruptor principal de aislamiento, y el neutro se conectaría a tierra de nuevo en el transformador de distribución.A lo largo de los años, se han producido varios cambios menores en la práctica del cableado residencial. Algunas de las diferencias más significativas entre los sistemas eléctricos residenciales modernos en los países desarrollados y los antiguos incluyen:

• Para comodidad, los interruptores de miniatura se utilizan ahora casi siempre en la caja de fusibles en lugar de fusibles ya que pueden ser fácilmente reasentados por los ocupantes y, si el tipo termomagnético, pueden responder más rápidamente a algunos tipos de falla.
• Por razones de seguridad, las RCD se instalan a menudo en circuitos de aparatos y, cada vez más, incluso en circuitos de iluminación.
• Mientras que los acondicionadores de aire residencial del pasado podrían haber sido alimentados de un circuito dedicado a una sola fase, los acondicionadores de aire centralizados más grandes que requieren energía trifásica ahora se están volviendo comunes en algunos países.
• Las tierras protectoras se ejecutan ahora con circuitos de iluminación para permitir que los soportes de lámparas metálicas sean terrados.
• Cada vez más sistemas de energía residencial están incorporando microgeneradores, sobre todo células fotovoltaicas.

Los sistemas eléctricos comerciales, como los de centros comerciales o rascacielos, son de mayor escala que los residenciales. Los diseños eléctricos de sistemas comerciales de mayor tamaño suelen estudiarse en función del flujo de carga, los niveles de falla por cortocircuito y la caída de tensión. Los objetivos de estos estudios son asegurar el dimensionamiento adecuado de equipos y conductores, y coordinar los dispositivos de protección para minimizar las interrupciones al solucionar una falla. Las grandes instalaciones comerciales contarán con un sistema ordenado de subpaneles, separados del cuadro de distribución principal, para una mejor protección del sistema y una instalación eléctrica más eficiente.Normalmente, uno de los electrodomésticos más grandes conectados a un sistema eléctrico comercial en climas cálidos es la unidad de climatización (HVAC), y garantizar que esta unidad reciba el suministro adecuado es un factor importante en los sistemas eléctricos comerciales. La normativa para establecimientos comerciales impone otros requisitos a los sistemas comerciales que no se aplican a los sistemas residenciales. Por ejemplo, en Australia, los sistemas comerciales deben cumplir con la norma AS 2293, la norma para iluminación de emergencia, que exige que la iluminación de emergencia se mantenga durante al menos 90 minutos en caso de corte del suministro eléctrico. En Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional exige que los sistemas comerciales se construyan con al menos una toma de corriente de 20 A para la señalización exterior. Las normativas del código de construcción pueden imponer requisitos especiales al sistema eléctrico para iluminación de emergencia, evacuación, suministro eléctrico de emergencia, control de humo y protección contra incendios.La gestión del sistema eléctrico varía según el sistema. Los sistemas eléctricos residenciales, e incluso los de automóviles, suelen funcionar hasta el fallo. En la aviación, el sistema eléctrico utiliza redundancia para garantizar la disponibilidad. En el Boeing 747-400, cualquiera de los cuatro motores puede suministrar energía y los interruptores automáticos se revisan durante el encendido (un interruptor automático disparado indica una falla). Los sistemas eléctricos más grandes requieren una gestión activa. En plantas industriales o minas, un solo equipo puede ser responsable de la gestión de fallas, la ampliación y el mantenimiento. En cambio, en la red eléctrica, la gestión se divide entre varios equipos especializados.La gestión de fallas implica monitorear el comportamiento del sistema eléctrico para identificar y corregir problemas que afecten su confiabilidad. Puede ser específica y reactiva: por ejemplo, enviar un equipo para reconectar un conductor que se haya caído durante una tormenta. O bien, puede centrarse en mejoras sistémicas, como la instalación de reconectadores en secciones del sistema sujetas a interrupciones temporales frecuentes (como las causadas por la vegetación, los rayos o la fauna silvestre).Además de la gestión de fallas, los sistemas eléctricos pueden requerir mantenimiento o ampliación. Dado que a menudo no resulta económico ni práctico que grandes partes del sistema permanezcan fuera de servicio durante estas tareas, los sistemas eléctricos se construyen con numerosos interruptores. Estos interruptores permiten aislar la parte del sistema en la que se trabaja, mientras que el resto permanece activo. A altas tensiones, existen dos interruptores importantes: los aisladores y los disyuntores. Los disyuntores son interruptores de ruptura en carga, mientras que el funcionamiento de los aisladores bajo carga provocaría arcos eléctricos inaceptables y peligrosos. En una interrupción planificada típica, se disparan varios disyuntores para permitir que los aisladores se conmuten antes de que los disyuntores se cierren de nuevo y redirijan la energía alrededor del área aislada. Esto permite completar el trabajo en el área aislada.Más allá de la gestión de fallos y el mantenimiento, una de las principales dificultades de los sistemas eléctricos es que la potencia activa consumida más las pérdidas debe ser igual a la potencia activa producida. Si se reduce la carga mientras la entrada de generación se mantiene constante, los generadores síncronos girarán más rápido y la frecuencia del sistema aumentará. Lo contrario ocurre si aumenta la carga. Por lo tanto, la frecuencia del sistema debe gestionarse activamente, principalmente mediante el encendido y apagado de las cargas despachables y la generación. Asegurarse de que la frecuencia sea constante suele ser tarea del operador del sistema. Incluso manteniendo la frecuencia, el operador del sistema puede mantenerse ocupado garantizando:

• simulación del sistema de energía

• IEEE Power Engineering Society
• Power Engineering International Magazine Artículos archivados 16 noviembre 2009 en la máquina Wayback
• Power Engineering Revista Artículos archivados 19 febrero 2009 en la máquina Wayback
• American Society of Power Engineers, Inc.
• National Institute for the Uniform Licensing of Power Engineer Inc.