Sistemas eléctricos de potencia y lineas de transmisión

Sistema eléctrico de potencia

Un sistema eléctrico de potencia es una red de componentes eléctricos instalados para suministrar, transferir y usar energía eléctrica. Un ejemplo de un sistema de potencia es la red que proporciona energía a un área extendida. El sistema de potencia de la red eléctrica puede dividirse en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que transporta la energía desde los centros de generación a los centros de carga y el sistema de distribución que alimenta la energía a los hogares e industrias. Los sistemas de potencia más pequeños se encuentran en la industria, hospitales, edificios comerciales y hogares. La mayoría de estos sistemas dependen de la potencia trifásica,la cual se utiliza para la transmisión y distribución de energía eléctrica a gran escala en todo el mundo moderno. Los sistemas de potencia especializados que no siempre dependen de los sistemas trifásicos se encuentran en aviones, sistemas de rieles eléctricos, transatlánticos y automóviles.

Componentes de los sistemas de potencia

Fuentes

La mayoría de la energía mundial todavía proviene de centrales eléctricas de carbón como la que se observa en la imagen.

Todos los sistemas de potencia tienen una o más fuentes de energía. Para algunos sistemas de potencia, la fuente de energía es externa al sistema, pero para otros, es parte del mismo sistema: fuentes de energía internas. La alimentación de corriente continua puede darse por baterías, celdas de combustible o celdas fotovoltaicas. La corriente alterna se suministra por medio de un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador. Se ha utilizado una amplia gama de técnicas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor con combustibles fósiles (como carbón, gas y petróleo), energía nuclear, energía hidroeléctrica y energía eólica.

La velocidad a la que el rotor gira en combinación con el número de polos del generador determina la frecuencia de la corriente alterna producida por el generador. Todos los generadores en un sistema síncrono, por ejemplo, la red eléctrica, rotan en submúltiplos de la misma velocidad y generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si aumenta la carga del sistema, los generadores necesitarán más torque para girar a esa velocidad, por lo tanto, las las turbinas necesitarán más vapor. Además, el vapor utilizado y el combustible gastado dependen directamente de la cantidad de energía eléctrica suministrada. A excepción de los generadores que incorporan electrónica de potencia, como las turbinas eólicas sin engranajes o los enlaces asíncronos a una red, como un enlace HVDC — los cuales pueden operar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema de potencia.

Cargas

Una tostadora es un gran ejemplo de una carga monofásica que existe comúnmente en una residencia. Las tostadoras generalmente consumen de 2 a 10 amperios a 110 a 260 voltios y consumen alrededor de 600 a 1200 vatios de potencia.

Los sistemas de potencia suministran energía a cargas que ejecutan una función. Estas cargas pueden ser desde electrodomésticos a maquinaria industrial. La mayoría de las cargas operan a una tensión específica, y para los dispositivos de corriente alterna, a cierta frecuencia y número de fases. Por ejemplo, los electrodomésticos operan normalmente a 50 o 60 Hertz con una tensión monofásica entre 110 o 260 voltios (dependiendo de las normas locales). A diferencia de los distritos térmicos o grandes sistemas de aire acondicionado centralizados existentes, que son trifásicos debido a que esto permite que sean más eficientes. 

Lineas de transmisión
Una línea de transmisión  eléctrica es básicamente el medio físico mediante el cual se realiza la transmisión y distribución de la energía eléctrica, está constituida por:  conductores, estructuras de soporte, aisladores,  accesorios de ajustes entre aisladores y estructuras de soporte, y cables de guarda (usados en líneas de alta tensión, para protegerlas de descargas atmosféricas); es de suma importancia el estudio de las características eléctricas en los conductores de las lineas, estas abarcan los parámetros impedancia y admitancia, la primera esta conformada por la resistencia y la inductancia uniformemente distribuidas a lo largo de la línea y se representa como un elemento en serie. La segunda esta integrada por la susceptancia y la conductancia y en este caso se representa como un elemento en paralelo, la conductancia representa las corrientes de fuga entre los conductores y los aisladores, esta es prácticamente despreciable por lo que no es considerado un parámetro influyente.

CLASIFICACIÓN DE LAS LÍNEAS ELÉCTRICAS

Las líneas eléctricas de  se pueden clasificar por su función en:

a)Líneas de transmisión.

Son aquellas que se utilizan para transportar la energía eléctrica a grandes distancias, a niveles de voltajes superiores a los 34.500v. Estas constituyen el eslabón de unión entre las centrales generadoras y las redes de distribución. Para  la construcción de estas  líneas se utilizan casi exclusivamente conductores metálicos desnudos, que se obtienen mediante cableado de hilos metálicos (alambres) alrededor de un hilo central.

b)Líneas de distribución.

Son aquellas que van desde las subestaciones hasta los centros de consumo como son las industrias, domicilios y alumbrado público, los niveles de tensión utilizados son por debajo de los 34.500v. Los conductores en media tensión siguen siendo desnudos, pero en baja tensión se usan conductores aislados, para mayor seguridad en zonas urbanas.

Se consideran las líneas cortas, líneas aéreas, a 60Hz, de menos de 80Km de longitud, líneas de longitud media son aquellas comprendidas entre 80 y 240Km y las líneas largas son aquellas con más de 240Km de longitud.

¿Qué es la transposición de líneas de transmisión?

La energía eléctrica se transmite en alta tensión de manera trifásica, y sin neutro (tres conductores). Son las líneas que se pueden ver en el campo en las grandes torres, muchas veces se podrán ver mas de 3 conductores, 6 por ejemplo, es porque llevan dos conductores por fase, pero sigue siendo trifásica. Lo que pasa con estas líneas que recorren grandes distancias es que tienen reactancias distribuidas, tanto inductivas como capacitivas entre si por su configuración geométrica, para anular los efectos de estas reactancias se realizan transposiciones, que consisten en invertir la posición de dos fases entre casi cada un tercio del recorrido. Por ejemplo, si la línea recorre 90km, a los 30km la fase R y S se cambian de lugar, y a los 60 se cambian la S con la T.

Este método permite obtener parámetros de la línea con cualquier número de transposiciones y a cualquier distancia que se desee para cada transposición, tal como muestra en el siguiente diagrama, donde se presenta la transposición completa de la línea consistente en dos rotaciones.

Efecto capacitivo en las líneas de transmisión

Este efecto origina Factores que provocan perdidas de potencia en líneas de alta tensión y por consecuencia el rendimiento de la transmisión de energía en una instalación eléctrica.

Los conductores de una línea, aislados entre sí y aislados de tierra, son desde el punto de vista eléctrico, equivalentes a las armaduras de un condensador (capacitor).

Cuando están a potenciales diferentes, toman una carga eléctrica que depende de estos potenciales y de tierra.