2.
CLASIFICACIÓN DE LAS LÍNEAS ELÉCTRICAS
2.1. Introducción Los criterios fundamentales a los que se pueden atender a la hora de clasificar las redes eléctricas son: •
Nivel de tensión.
•
Estructura.
Toda línea eléctrica es, a simple vista, categorizada en cualquiera de los criterios anteriormente indicados. Existen, sin embargo, otras clasificaciones de las redes eléctricas de menor rango que, si bien son más sutiles y las diferencias entre los distintos tipos de redes eléctricas no son tan claras, ofrecen características más concretas de las mismas.
2.2. Nivel de tensión Se entiende por tensión nominal de una línea al valor convencional de la tensión eficaz entre fases . A partir de este valor se designa la línea y se refieren sus
características características constructivas y de funcionamiento. Una primera clasificación de las líneas eléctricas atendiendo al nivel de tensión es la siguiente: •
Alta tensión: tensión nominal igual o superior a 1 kV.
2. Clasificación
•
Baja tensión: tensión nominal inferior a 1 kV.
La forma de instalación, los elementos que la componen e incluso la normativa aplicable difieren completamente en función del nivel de tensión de una instalación.
2.2.1. Alta tensión Las líneas de alta tensión deben cumplir las prescripciones establecidas en el “Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en líneas eléctricas de alta tensión” (R.D. 223/2008). Este reglamento define además la tensión más elevada de la línea, al mayor valor de la tensión eficaz entre fases, que puede presentarse en un instante en un punto cualquiera de la línea, en condiciones normales de explotación, sin considerar las variaciones de tensión de corta duración debidas a defectos o a desconexiones bruscas de cargas importantes. Todos los materiales empleados en este tipo de líneas deben estar fabricados teniendo en cuenta esta tensión más elevada de la línea . Tabla 2.1: Tensiones aceptadas por D. 3151/1968.
Categoría de la línea Tensión nominal (kV) Tensión más elevada (kV) 3 3,6 6 7,2 3ª 10 12 15 17,5 20 24 25 30 2ª 30 36 45 52 66 72,5 110 123 132 145 1ª 150 170 220 245 400 420
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Líneas Eléctricas
Las tensiones nominales normalizadas, así como los valores correspondientes de las tensiones más elevadas se incluyen en la tabla 2.1. Únicamente en el caso de que la línea sea extensión de una red ya existente, podrá admitirse la utilización de una tensión nominal diferente de las anteriormente señaladas. De entre ellas se consideran de uso preferente las tensiones nominales destacadas en la tabla 2.1. Las líneas eléctricas de alta tensión se dividen, a su vez, en tres grandes categorías, para determinar factores a tener en cuenta en su ejecución, seguridad y sus protecciones: •
Primera categoría. Las de tensión nominal superior a 66 kV.
•
Segunda categoría. Las de tensión nominal comprendida entre 66 y 30
kV, ambas inclusive. •
Tercera categoría. Las de tensión nominal inferior a 30 kV, e igual o
superior a un kV. Con frecuencia las líneas de alta tensión de tercera categoría (hasta 30 kV) se denominan líneas de media tensión.
2.2.2. Baja tensión La normativa aplicable para este tipo de líneas es el “Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión” (R.D. 842/2002). Se calificará como línea eléctrica de baja tensión todo circuito con la finalidad de distribución de la energía eléctrica, cuya tensión nominal sea inferior a 1000 V para corriente alterna y 1500 V para corriente continua.
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2. Clasificación
A efecto de la aplicación de este reglamento, las instalaciones eléctricas de baja tensión se clasifican, según las tensiones nominales que se les atribuyen, según los criterios establecidos en la tabla 2.2.
Tabla 2.2: Clasificación de tensiones según R.D. 842/2002.
Pequeña tensión Tensión usual Tensión especial
C.A. (Valor eficaz) Un ≤ 50 V 50 < Un ≤ 500 V 500 < Un ≤ 1000 V
C.C. (Valor medio aritmético) Un ≤ 75 V 75 < Un ≤ 750 V 750 < Un ≤ 1.500 V
Las tensiones nominales usualmente utilizadas en las distribuciones de corriente alterna serán: •
230 V entre fases para las redes trifásicas de tres conductores.
•
230 V entre fase y neutro, y 400 V entre fases, para las redes trifásicas de 4 conductores.
Cuando en las instalaciones de baja tensión no pueda utilizarse alguna de las tensiones normalizadas en este reglamento, porque deban conectarse o derivar de otra instalación con tensión diferente, se condicionará su autorización administrativa a que la nueva instalación pueda ser utilizada en el futuro con la tensión normalizada que pueda preverse.
2.2.3. Elección de la tensión más adecuada La selección de la tensión de servicio de una red precisa de la consideración previa de ciertos parámetros: •
La longitud media de las líneas. En efecto, se corre el riesgo de que la
impedancia de una línea, dependiente de forma directa de la longitud de la misma, genere caídas de tensión inaceptables. Así, la necesidad de
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Líneas Eléctricas
distribución de energía eléctrica a lo largo de una zona geográfica muy extensa implica la utilización de una tensión de servicio más bien elevada. •
La potencia suministrada. En las zonas de gran densidad de consumo las
líneas, incluso de poca longitud, sufren una mayor solicitación en cuanto a la corriente que debe circular a su través. Para una misma tensión, las corrientes elevadas provocan la utilización conductores con grandes secciones para que dicha corriente pueda fluir a su través sin calentarse el conductor de forma indebida, lo que lleva a preferir una tensión de servicio más elevada. •
Las pérdidas. Incluso en los casos en que las caídas de tensión y las
corrientes todavía tienen un valor admisible, puede que las pérdidas de energía por efecto Joule tengan un coste importante. Aumentar la tensión de servicio permite disminuir las pérdidas de energía para una potencia distribuida determinada. •
El coste del aislamiento y de los materiales. Cuanto mayor es la tensión,
mayores han de ser las distancias de aislamiento. Esto conlleva un aumento en las dimensiones de las obras y de los equipos, con el correspondiente aumento de los costes. Además, algunas tecnologías que están disponibles para tensiones pequeñas no lo están para tensiones de gama superior. Existen diversas expresiones que tienen como finalidad dar un resultado, de forma indicativa, de cuál es la tensión más adecuada en cada caso: •
Fórmula de Baum o de la milla, que considera adecuada una tensión
nominal equivalente a 1 kV por cada milla de longitud (1609 m). •
Fórmula de Still, que sigue la siguiente expresión: U = 5.5·
l 1.61 .61
•
+
P 100
Fórmula de Hefner, que sigue la siguiente expresión:
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2. Clasificación
U = 0.1· l·P
Para sendas expresiones: U
es la tensión nominal de la línea, en kilovoltios.
l
es la longitud de la línea, en kilómetros.
P
es la potencia que transporta la línea, en kilovatios.
Todas las expresiones anteriores son susceptibles de profundas críticas, aunque conservan un valor informativo, esto es, para dar una idea del orden de magnitud de las tensiones de una línea. Conviene aclarar que la expresión de Still podría utilizarse más cómodamente en el caso de grandes potencias (superiores a 5 MW), mientras que la de Hefner es válida en contextos en los cuales la longitud de la línea es acorde con la potencia que transporta, no ofreciendo ninguna confianza en líneas espectacularmente espectacularmente cortas o largas. En todo caso, esta elección debe limitarse a valores estándar. A fin de poder acceder a un mercado amplio de proveedores, y por lo tanto beneficiarse de condiciones competitivas favorables, un distribuidor debe limitar su elección a los valores normalizados, lo que le asegura la disponibilidad de los diferentes materiales (aislantes, cables y aparamenta) de diversos constructores. La utilización de estos valores normalizados le permite igualmente beneficiarse de la experiencia acumulada por los constructores y por los organismos de normalización. Finalmente, la existencia de normas de referencia permite optimizar el nivel de prestaciones y de calidad. La elección de tensiones se determina por la función a realizar: transporte, distribución o utilización. De esta forma, es típico en instalaciones de media tensión, que la tensión de distribución no sea igual a la tensión de utilización. Por
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Líneas Eléctricas
ejemplo, en una fábrica la tensión de distribución es de 20 kV puede ser perfecta para la distribución (existe una amplia gama de elementos que están diseñados para este nivel de tensión), y sin embargo, los motores receptores obligan a utilizar 6,6 kV para su alimentación (6,6 kV es una tensión muy típica en motores de alta tensión).
2.3. Estructura Las líneas eléctricas atendiendo a su estructura se pueden dividir en aéreas y subterráneas. Los elementos de las cuales están formadas, así como las condiciones para su ejecución serán observados con detalle en capítulos posteriores. Resulta más económica la opción de líneas aéreas (excepto en escasas ocasiones). En determinados casos resulta más conveniente, por razones medioambientales, de entorno, de integración de las líneas en la proximidad de edificaciones, de impacto visual y social, la instalación de líneas subterráneas, sobre todo en baja tensión y media tensión. Debido a la dificultad añadida en las labores de identificación y reparación de averías es conveniente que la topología de las redes subterráneas sea más redundante que la de las aéreas.
2.4. Características Características de las redes eléctricas Existen otras clasificaciones de las redes eléctricas de menor rango que las anteriores que, si bien son más sutiles y las diferencias entre los distintos tipos de redes eléctricas no son tan claras, ofrecen características más concretas de las mismas.
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2. Clasificación
2.4.1. Finalidad 2.4.1.1. Red de transporte e interconexión
La dispersión geográfica entre los lugares de producción y los centros de consumo, la irregularidad de este consumo y la imposibilidad de almacenar la energía eléctrica, requieren una red eléctrica capaz de transportarla a grandes distancias. Sus líneas alcanzan millares de kilómetros. La finalidad de una red de este tipo es triple: •
Una función de transporte cuyo propósito es acercar la electricidad de las centrales de producción a las grandes zonas de consumo.
•
Una función de interconexión nacional que gestiona el reparto de la corriente, orientando la producción y garantizando el suministro en todas las zonas y en todo instante.
•
Una función de interconexión internacional para gestionar los flujos de energía entre los países en función de intercambios programados o para suplir necesidades puntuales.
Las tensiones suelen estar incluidas entre 220 y 400 kV, a veces 800 kV. La utilización de estas elevadas tensiones está ligada a un objetivo económico. En efecto, para una potencia transportada, las pérdidas en línea por efecto Joule son inversamente proporcionales proporcionales al cuadrado de la tensión: k
ΔP =
2
U
Donde
U
es tensión de la red y
k
es una constante función de la línea.
Además las potencias transportadas son tales que la utilización de una tensión baja conllevaría secciones de cables totalmente inadmisibles. El uso de tensiones elevadas es por lo tanto una imposición, a pesar de las exigencias de aislamiento que se traducen en mayores costes de material. La solución más fácil consiste en utilizar líneas aéreas. En todos los casos, la elección de una determinada tensión 18
Líneas Eléctricas
de transporte es, ante todo, un compromiso técnico-económico, función de las potencias a transportar y las distancias a recorrer. Garantizar una calidad de suministro es fundamental en estas redes. En efecto, cualquier fallo en este nivel conlleva importantes defectos en la alimentación para el conjunto de los puntos de consumo. Así es como en 1965, 30 millones de personas se quedaron sin suministro eléctrico durante 12 horas en los Estados Unidos. Por lo tanto, las protecciones de estas redes deben ser muy eficaces, su explotación debe realizarse de forma automática, y su topología debe ser mallada. En cuanto a su explotación, está asegurada, a escala nacional, por un centro de control o despacho de cargas, propiedad de la Empresa Red Eléctrica de España (REE), a partir del cual se vigila y gestiona permanentemente el tránsito de la energía eléctrica. En España la red de transporte está formada exclusivamente por líneas de 220 kV y 400 kV, de todas ellas es propietaria y gestora REE, en raros casos redes de menor tensión, pero que tienen la finalidad de interconexión internacional. 2.4.1.2. Red de reparto
La finalidad de esta red es, ante todo, llevar la electricidad de la red de transporte hacia los grandes centros de consumo. Estos centros de consumo son: •
Grandes ciudades, donde la distribución se realizará posteriormente en media tensión.
•
Consumidores cualificados y abonados de gran potencia (superior a 10 MVA) conectados directamente a alta tensión. El número de estos abonados en cada país es pequeño. Se trata sobre todo de industrias como la siderurgia, la del cemento, las químicas y las de transporte ferroviario.
La estructura de estas redes es generalmente aérea (a veces subterránea en las proximidades de las ciudades).
19
2. Clasificación
Las tensiones de estas redes están comprendidas entre 45 kV y 220 kV. Las protecciones son del mismo tipo que las utilizadas en las redes de transporte, así como la topología sigue siendo mallada y la explotación se realiza de forma automática, debido a que este tipo de líneas siguen siendo las instalaciones que transportan la energía a nivel regional. En España la red de reparto está formada por líneas de propiedad de las principales compañías eléctricas eléctricas del país, tiene la finalidad de extraer la energía de las subestaciones de reparto y transformación y llevarla a las estaciones de distribución. 2.4.1.3. Red de distribución en media tensión
La finalidad de estas redes es acercar la electricidad de las redes de reparto a los puntos de consumo medio. Estos centros de consumo son: •
Distribución en el interior de las grandes ciudades, acceso a entidades menores sector público donde posteriormente se realizará la distribución en baja tensión.
•
Privados con acceso a tensiones de suministro de media tensión con consumo superior a 100 kVA, o bien en los que la opción técnico-económica más adecuada sea el suministro en media tensión. La estructura es de tipo aéreo o subterráneo.
Las tensiones en estas redes están incluidas entre algunos kilovoltios y 30 kV. Las protecciones son menos sofisticadas que en el caso de las redes anteriores. En cuanto a la explotación de estas redes, puede desarrollarse manualmente o, cada vez más, por telemando a partir de los centros de maniobra fijos y/o a bordo de vehículos. La explotación depende en gran medida de la importancia de la red: en zonas urbanas suele ser automática, mientras que en zonas rurales puede ser manual. La topología, como se comprueba posteriormente es muy variada. 20
Líneas Eléctricas
2.4.1.4. Red de distribución en baja tensión
Esta red tiene como finalidad llevar la electricidad de la red de distribución de media tensión a los puntos de bajo consumo. Representa el último nivel en la estructura eléctrica. Esta red permite alimentar un elevado número de consumidores que corresponden al sector doméstico. Su estructura puede ser de tipo aéreo o subterráneo, siendo a menudo influenciada por el entorno. Las tensiones en estas redes están comprendidas entre 127 y 400 V. Estas redes se explotan manualmente y su topología suele ser radial.
2.4.2. Topología La topología de una red es la ubicación física de esa línea, para alimentar todos los puntos de consumo. Suele representarse por esquemas unifilares en los que figuran todos los puntos de consumo. Conviene distinguir entre topología, que determina la existencia física de una línea, y explotación que es, entre otros factores el conjunto de líneas por los que circula la corriente eléctrica y que puede variar, realizando las maniobras oportunas, entre todas las líneas existentes (líneas que forman la topología). En conclusión, una red tiene una única topología, aunque puede explotarse de diversas formas. La elección de una topología lleva consigo una serie de compromisos. Cuanto mayor es el nivel de continuidad de suministro requerida, mayor debe ser la complejidad de la red, siendo ésta más difícil de maniobrar y más costosa. Una red sencilla es más económica, y las maniobras a realizar requieren menor aparamenta, además de menor cualificación del personal, pero un defecto en algún punto de la línea supone un corte en el suministro eléctrico en las instalaciones afectadas. Se exponen a continuación las topologías más comunes y su forma de explotación: 21
2. Clasificación
2.4.2.1. Red radial o en antena
Se trata de la red más sencilla, donde todos los puntos de consumo cuentan exclusivamente exclusivamente con una posible alimentación. Cualquier maniobra, en caso de mantenimiento o avería es extremadamente sencilla, pero cualquier fallo en una parte de la red supone una interrupción del suministro aguas abajo del elemento de maniobra/protección maniobra/protección anterior. En el esquema de la figura 2.1, si existiese un defecto en la línea en el punto A, el elemento de maniobra 1 se abrirá (en este tipo de instalaciones las maniobras
suelen ser manuales) quedando sin servicio todos los clientes aguas abajo del interruptor. De esta forma, la única posibilidad de aumentar la continuidad del suministro pasa por la instalación de un elevado número de elementos de maniobra.
0
2
1
A
Figura 2.1. Esquema de una red radial en antena.
La explotación es única (existe un único camino por donde puede circular la corriente) y además coincide con su topología, esto es, radial. Además, las maniobras suelen realizarse de forma manual. Es la más económica de todas las opciones y se usa en líneas de media tensión aéreas en zonas rurales con baja densidad de carga, y en general en redes de baja tensión.
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Líneas Eléctricas
2.4.2.2. Radial con enlaces entre líneas
Se trata de una modificación del caso anterior donde se instalan líneas que enlazan a dos líneas con topología en antena o dos derivaciones importantes de la misma línea. Estas líneas de enlace se denominan habitualmente “líneas cero”. En condiciones normales de explotación estas líneas cero no tienen ninguna utilidad, pero en caso de defecto en el punto A, se realizaran las maniobras oportunas (cierre de 3 y 4 y apertura de 1, habitualmente de forma manual) se establece el suministro eléctrico en una importante porción de la línea que estaba sin suministro. Se observa que la introducción de líneas de enlace (en nuestro caso, la existente entre los puntos 3 y 4) garantiza una mayor cantidad de puntos de suministro en caso del mismo defecto que en el caso anterior. Por otra parte la secuencia de maniobras más compleja exige una mayor cualificación técnica del personal. Evidentemente se trata de redes más costosas, ya que se instalan tramos de línea que habitualmente no tienen ninguna utilidad. La explotación es radial (existe un único camino por donde puede circular la corriente, en un instante determinado), aunque puede variar en función de qué interruptores estén abiertos o cerrados.
5 0
6 7
2
1 3
Zona donde se ha restaurado el suministro
Figura 2.2. Esquema de una red radial en antena con enlaces entre líneas.
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2. Clasificación
Este tipo de líneas se emplea habitualmente en líneas aéreas de media tensión en zonas rurales o semiurbanas donde la planificación estratégica del distribuidor ha considerado conveniente la instalación de líneas de enlace para mejorar la continuidad del suministro de energía. 2.4.2.3. Doble alimentación
Este tipo de instalación se la conoce también como radial doble. Está basada en la redundancia de suministros. Como se observa en la figura 2.3, se trata simplemente de la instalación de dos líneas radiales donde cada punto de consumo tiene acceso a las dos líneas. En caso de avería en una de ellas se pasa automáticamente automáticamente a consumir de la otra. Resulta evidente que la continuidad de suministro queda garantizada, y que la cualificación necesaria del personal no debe ser elevada. Resulta, sin embargo una instalación costosa en la medida en que todos los elementos de las líneas están duplicados. Se utiliza particularmente en instalaciones aéreas privadas donde un corte en el suministro eléctrico resulta crítico, y no existe un personal técnico específicamente cualificado cualificado para realizar las labores de mantenimiento eléctrico.
Figura 2.3. Esquema de una red en doble alimentación.
2.4.2.4. Bucle abierto
La estructura en bucle abierto o en corte de arteria consiste en un anillo donde, a partir de una o varias subestaciones trasformadoras se realiza un anillo, pudiendo
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Líneas Eléctricas
ser alimentado cada punto de consumo de al menos dos líneas eléctricas. Se consigue de esta forma una garantía de suministro en todos los puntos. Es la topología típica en líneas subterráneas de media y alta tensión, y a veces se utiliza también en líneas subterráneas de baja tensión. Debido a la inaccesibilidad de las líneas se instalan elementos de maniobra en cada punto de suministro para poder dejar sin tensión durante largo tiempo algún tramo de la línea. En caso de avería o labores de mantenimiento en uno de los tramos de línea se abren los elementos de maniobra existentes en los puntos de suministro anexos a la misma, eliminándose la tensión en el citado tramo sin necesidad de dejar sin suministro a ningún punto.
1
Corte de arteria
Figura 2.4. Los puntos de consumo deben tener dos elementos de maniobra .
Figura 2.5. Topología en anillo abierto.
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2. Clasificación
Es conveniente hacer notar que aunque la topología es un anillo la explotación se realiza de forma radial, porque para un instante determinado a cada punto de consumo le llega la energía a través de un único camino. Por esta razón, en condiciones normales de explotación existen dos interruptores abiertos que dejan sin tensión el tramo existente entre ellos. A este punto se le denomina corte de arteria. Se trata de una estructura costosa debido a que todos los puntos de la línea deben tener al menos dos elementos de maniobra y además todos los conductores deben estar ampliamente sobredimensionados para que, en el caso crítico de un defecto en el punto 1, cercano a la subestación se pueda practicar el corte de arteria en los elementos de maniobra anexos al defecto, satisfacer todo el suministro desde el tramo de línea opuesto. Además se exige una muy alta cualificación técnica del personal. Este tipo de topología es muy común en distribución de energía eléctrica en zonas urbanas, e incluso en ocasiones se realizan líneas redundantes (líneas cero), para enlazarse entre sí a partir de centros de reflexión y obtener una mayor garantía de continuidad de suministro reduciendo la sección de los conductores. 2.4.2.5. Doble bucle en anillo
Está basada en la misma filosofía de la radial doble, pero sólo se utiliza en instalaciones donde la estructura de las líneas es subterránea. Se trata simplemente de la instalación de dos anillos con sus correspondientes cortes de arteria, donde cada punto de consumo tiene acceso a las dos líneas. En caso de avería en una de ellas se pasa automáticamente a consumir de la otra. Resulta evidente que la continuidad de suministro queda garantizada. Resulta, sin embargo una instalación costosa en la medida en que todos los elementos de las líneas están duplicados. Se utiliza en aplicaciones donde las 26
Líneas Eléctricas
líneas eléctricas deben ser subterráneas, y un corte en el suministro será crítico, y no existe un personal técnico específicamente cualificado para realizar las labores de mantenimiento eléctrico. 2.4.2.6. Red mallada
Se trata de una red en la que la corriente puede circular por diferentes caminos para llegar de los puntos de generación a los puntos de consumo. Es una red muy compleja, y las maniobras deben realizarse de forma automática por personal muy especializado, debiendo garantizarse la gestión de la energía eléctrica. Las redes de transporte son típicamente redes malladas, como ha quedado patente en la figura 1.1. 2.4.2.7. Instalación de grupos generadores de energía eléctrica
La instalación de generadores eléctricos independientes de la red, aunque en realidad no supone una modificación de la topología de la red en un sentido estricto, parece conveniente comentarse, ya que es el recurso más utilizado para garantizar una continuidad de suministro, e incluso su instalación es obligatoria en determinadas ocasiones. A menudo su instalación no tiene la finalidad de mantener el proceso productivo durante un corte del suministro eléctrico, sino de garantizar una mínima cantidad de energía para aplicaciones básicas, como iluminación en locales de pública concurrencia. Otras situaciones por las que se recurre a veces a este tipo de instalaciones es la inexistencia de cobertura de red de suministro eléctrico, o una imposibilidad por parte de la red eléctrica de poder ofrecer una potencia determinada en instantes puntuales. Ejemplos de estos casos son, respectivamente, las obras de construcción o eventos extraordinarios (espectáculos, (espectáculos, etc.). 27
