Introducción a los Sistemas Eléctricos de Potencia
Generalidades El consumo de energía eléctrica es uno de los indicadores del desarrollo de las sociedades modernas junto con el grado de cobertura del servicio. El progreso económico de un país en vías de desarrollo, desarrollo, como Paraguay, marcha a la par de su capacidad para llevar la energía eléctrica de calidad a los puntos más remotos del territorio nacional. El suministrar energía eléctrica a un país requiere de un proceso complejo, cuya tarea es efectuada por la ANDE, siendo el sector eléctrico en sí una estructura extensa, complicada, de singular importancia y con un alto nivel estratégico. La tarea de hacer llegar a todos los hogares y organizaciones un servicio de electricidad de alta calidad, confiabilidad y de bajo costo se convierte en un reto para la ANDE. Sin embargo, este proceso es de complejidad creciente, en donde todas las situaciones estructurales y operativas ameritan estudios delicados, de manera que no se afecte los costos y la calidad del servicio, y es entonces donde surge la necesidad e importancia de estudiar los grandes sistemas eléctricos. En particular, los sistemas de transmisión de energía es el subsistema de mayor extensión (aunque de menor costo) dentro del sector eléctrico. En el presente capitulo se hace una breve introducción a los sistemas eléctricos de potencia, con el objetivo de establecer la ubicación del sistema de transmisión de energía dentro da la complicada estructura del sistema de potencia, enunciando los conceptos más básicos sobre la estructura y operación de los sistemas de potencia. 1
Normalización Los profesionales del sector eléctrico emplean en muchas ocasiones los estándares, prácticas recomendadas, y guías extensivamente en el diseño, instalación, operación y mantenimiento de sistemas eléctricos. Los estándares establecen requerimientos específicos tales como definiciones de términos eléctricos, métodos de medición, procedimiento de ensayos, dimensionamiento y características de equipos. Las prácticas recomendadas sugieren los mejores métodos de lograr un objetivo para unas condiciones especificadas. Las guías especifican los factores que deben ser considerados en el cumplimiento de un objetivo determinado. Todos son agrupados como documentos, cada uno de ellos con su respectiva validez y ámbito de aplicación. Las normativas dependen del contexto, ámbito y poseen una vigencia, de tal modo que en el sector eléctrico se suelen distinguir por normativas internacionales, nacionales, regionales y especiales. En la Tabla 1, se muestra un resumen de algunas normativas aplicables al sector eléctrico en función a su contexto.
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SIGLAS
SIGNIFICADO
PAÍS - REGIÓN
CELENEC BS DIN IEE CEI VDE ANSI NEMA IEEE ISA UL IEC
European Committe for Electrotechnical British Standard Deutsche Institut Fur Normung Institutte of Electrical Engineer Comitati Electritecnico Italiano Verband Deutscher Elektrotechniker American National Standard Institute National Electrical Manufacturers Association Institute of Electrical and Electronic Engineer Instrument Society of America Underwriters Laboratories International Electromechanical Institute
Comunidad Europea Reino Unido Alemania Reino Unido Italia Alemania USA USA USA USA USA Estándar Mundial
La American National Standard Institute (ANSI), no escribe estándares, sino que este instituto promueve y coordina el desarrollo de la estandarización en los Estados Unidos y aprueba aquellos documentos que han sido preparados de acuerdo con las regulaciones ANSI. El Institute of Electrical and Electronic Engineer (IEEE) publica algunos cientos de documentos y estándares cubriendo varios campos de la Ingeniería Eléctrica. Los estándares de la IEEE son rutinariamente enviados a la ANSI; para su consideración y posterior aprobación, para que sean considerados como estándares nacionales americanos. El Underwriters Laboratories (UL) prepara estándares para equipos eléctricos incluyendo su aplicación y prueba para cumplir con esos estándares. Los fabricantes que poseen sus productos aprobados por los comités de la UL son autorizados para emplear la etiqueta UL en sus equipos. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA), prepara estándares que establecen las dimensiones, rating, y requerimientos de rendimiento para equipos eléctricos. Sus estándares son ampliamente usados en la preparación de especificaciones de adquisición. 3
Definición de Sistema Eléctrico de Potencia Establecer una definición única de Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) es algo difícil, ya que existe gran cantidad de autores que han establecido sus puntos de vista al respecto de esto, por ello, para ser objetivo se presentan los conceptos internacionalmente aceptados por instituciones de relevancia consagrada. Una de las definiciones más aceptadas a nivel mundial es la establecida por el Institute of Electrical and Electronic Engineer (IEEE), este define un sistema de potencia como: una red formada por unidades generadoras eléctricas y/o líneas de transmisión de potencia, incluyendo equipo asociado, conectado eléctricamente o mecánicamente a la red . Por otra parte, el diccionario de términos eléctricos y electrónicos de la IEEE define al sistema de potencia como las fuentes de potencia eléctrica, conductores y equipos requerido para suplir la potencia eléctrica. Sobre la base de las definiciones antes expuestas, podemos definir un sistema de potencia como: Conjunto de equipos y componentes que forman una rede eléctrica capaz de producir, transmitir y distribuir energía eléctrica a los consumidores
Figura 1 - Vista general de una representación simple de la Estructura de un SEP 4
Ha de entenderse entonces, un sistema eléctrico de potencia (SEP) como el conjunto de elementos que constituyen la red eléctrica de potencia siendo su función; generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica hasta los usuarios, bajo ciertas condiciones y requerimientos. Las tareas de un sistema de potencia son realizadas por cada una de las mayores empresas que prestan el servicio de electricidad. A nivel mundial, las empresas de suministro de electricidad son tanto de capital publico como privado. En países como EEUU, Reino Unido, Argentina, Perú entre otros, las empresas con capital privado son las que se encargan de prestar el servicio eléctrico en su totalidad. En países como Brasil y Venezuela, el servicio de suministro de energía eléctrica es efectuado por empresas de naturaleza pública y privada. En el Paraguay la ANDE es la encargada de la prestación de este servicio, o sea, totalmente pública. Los sistemas de potencia son estructuras complejas y extensas, y debido a múltiples factores (estratégicos, económicos, etc.) no operan de manera aislada, sino que por el contrario, se encuentran relacionados entre sí, constituyendo lo que se denomina un Sistema Interconectado (SI) (Power-Pool). Un sistema interconectado se constituye de dos o más sistemas de potencia que se encuentran conectados eléctricamente entre si, los cuales son planificados y operados de manera a poder suministrar la energía de manera más confiable y económica a sus cargas y consumidores, combinando con los planes de expansión, mejora y mantenimiento de cada sistema, con el objetivo de lograr crecer a la par de la carga. El sistema interconectado de un país se denomina generalmente Sistema Interconectado Nacional (SIN).
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BRASIL
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INTERCONEXIONES DEL SIN
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Figura 2 – Sistema Interconectado Nacional e interconexiones
Figura 3 - Diagrama Unifilar del SIN Paraguayo 6
Las interconexiones facilitan la coordinación de las actividades de planificación y operación de los sistemas de generación y transmisión de los sistemas de potencia, integrándolos a los efectos de expandir y operar el sistema interconectado, y así satisfacer la demanda de energía eléctrica, asegurando la calidad y confiabilidad del servicio al menor costo posible, mediante la optimización en el uso de instalaciones y de recursos energéticos. Con base a lo expresado, podemos resumir que un sistema eléctrico de potencia (SEP) tiene tres partes principales: las centrales de generación, las líneas de transmisión y las redes de distribución. Dentro de los sistemas de potencia, debido a su estructura, es común distinguir también el nivel funcional de subtransmision. La representación de un SEP puede ser esquematizado de la siguiente figura 5:
Figura 5 – Esquematización de la representación de un SEP
Las interconexiones en los sistemas eléctricos de potencia se llevan a cabo en el nivel de transmisión (Tie-Line) (figura 6), esto encuentra su justificación en la posibilidad de poder intercambiar fácilmente grandes bloques energéticos
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Figura 6
Sistema de Generación El sistema de generación es la parte básica del sistema eléctrico de potencia, esta se encarga de entregar la energía eléctrica al sistema, esto a partir de la transformación de distintos tipos de energía primaria. El conjunto de unidades generadoras reciben el nombre de centrales o plantas de generación, siendo su tarea tomar una fuente primaria de energía y convertirla en energía eléctrica. El tipo de central de generación y su ubicación depende de las condiciones físicas de la fuente primaria de utilización. La selección del tipo de central de generación eléctrica se realiza por criterios técnicos y económicos, siendo estos últimos lo de mayor importancia. Una central eléctrica consta de las máquinas motrices, generadores, equipos de maniobra y protección, etc. que sirven para la producción de energía eléctrica. En la realidad, el nombre de central eléctrica es la abreviación de Central Generadora de Energía eléctrica. Las Centrales de Generación son instalaciones encargadas de entregar energía eléctrica al sistema a partir de transformar alguna fuente de energía primaria (Hidráulica, Térmica, Nuclear, Eólica, Geotérmica etc.) en energía eléctrica. Existen muchas y muy variadas formas de generar energía eléctrica, pero de acuerdo a su forma primaria de energía se pueden distinguir los siguientes: Térmica, Hidráulica, Nuclear, Solar, Eólica, Geotérmica, Maremotrices.
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Sistema de Transmisión Las líneas de transmisión constituyen los enlaces entre las centrales generadoras y las redes de distribución y conduce a otras redes de potencia por medio de interconexiones. La misión del sistema de transmisión es transportar grandes bloques de energía desde los centros de generación a los puntos del sistema, interconectar las diferentes centrales y/o diferentes sistemas de potencia. Las líneas de transmisión son los elementos físicamente más extensos del sistema eléctrico de potencia y poseen un gran número de ventajas cuando interconectan sistemas eléctricos de potencia: - Permite producir la energía eléctrica en forma más económica, - Mejora la confiabilidad del sistema de potencia, - Operación más económica del Sistema: las interconexiones permiten que centrales de generación de alto costo de producción sean sustituidas por otras de menor costo, - Menores necesidades individuales de reserva girante1: la posibilidad de intercambio de reserva girante permite el empleo de unidades de mayor porte pare este fin. - Aprovechamiento de la diversidad de la carga: la diversidad de la carga entre los sistemas interconectados lleva a la reducción de los niveles de punta del sistema como un todo. Las líneas de transmisión operan a niveles de voltajes elevados, esencialmente se debe al hecho que al duplicar el nivel de tensión de operación se cuadriplica la potencia que se puede transmitir. Esto será demostrado en los capítulos siguientes. 1
Reserva Girante o Reserva Rodante (spining reserve): se refiere al número de máquinas girando en vacío, necesarias para atender cambios bruscos de carga 9
Las evoluciones tecnológicas y científicas permitieron la utilización de cada vez mayores niveles de tensión y aumento de la capacidad de transmisión en las líneas. Los niveles de transmisión en CA más utilizados en mundo van desde 69kV, 138kV, 220kV, 345kV, 500kV hasta 765kV. A partir de 345kV ya es considerada transmisión en extra alta tensión (EAT), y en estos niveles de tensión empiezan a predominar los problemas referentes a surtos de maniobra, efecto corona, audio interferencia y radio interferencia. Los sistemas de transmisión en 1000 y 1200 kV de CA han sido ensayados en varias instalaciones de prueba y se han utilizado en aplicaciones comerciales durantes breves periodos, los sistemas de transmisión 1200 kV actualmente no se utilizan comercialmente. Hay varios problemas relacionados con la construcción de tales líneas y es necesario desarrollar nuevos equipos como transformadores, interruptores, descargadores de sobretensiones, reactancias en derivación, condensadores en serie, transformadores de corriente y de tensión, así como seccionadores e interruptores de puesta a tierra. El resumen de los datos físicos del sistema de transmisión CA de la ANDE existente en el 2009 se presenta en la siguiente tabla:
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Transmisión CC - Aspectos del sistema La transmisión de corriente continua se basa en convertir la corriente alterna en continua en una estación rectificadora, transmitir la energía en una línea bipolar de CC y convertirla de nuevo en corriente alterna en una estación inversora. Desde el punto de vista del sistema, la tecnología de corriente continua simplifica la transmisión a largas distancias. Las estaciones rectificadora e inversora pueden controlar rápidamente la corriente y la tensión y, por tanto, son adecuadas para controlar el flujo de potencia. La diferencia de ángulo de fase entre los extremos transmisor y receptor no tiene importancia si la única conexión es de CC. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asíncronas, ya que la corriente continua no tiene ángulos de fase y no depende de la frecuencia. La máxima tensión de HVDC hoy día es 600 kV. El proyecto Itaipu, que entró en funcionamiento hace más de 20 años, opera sobre dos bipolos de ±600 kV y transmite 6.300 MW a una distancia de 800 km.
Ventajas e inconvenientes de la transmisión de grandes bloques de potencia en corriente alterna CA La principal ventaja de la corriente alterna es la flexibilidad con que se pueden conectar cargas y estaciones de generación a lo largo de la ruta. Esto es especialmente importante si la ruta de transmisión pasa por un área muy poblada y si hay instalaciones de generación emplazadas en muchos puntos a lo largo de la ruta. Un inconveniente de la corriente alterna es su costo. El sistema arriba descrito es bastante caro puesto que, de hecho, se ha de construir una infraestructura eléctrica completa a lo largo de la ruta. Otro inconveniente es la necesidad de terrenos y derechos de paso. Dado que la transmisión de CA no puede utilizar por 11
completo la capacidad térmica de cada línea cuando ésta es muy larga, habrá que instalar una línea en paralelo .
Ventajas e inconvenientes de la transmisión de grandes bloques de potencia en corriente continua CC Una importante ventaja de la corriente continua de alta tensión (HVDC) es el bajo coste de transmitir potencias muy altas a distancias muy grandes. Una segunda gran ventaja es que las pérdidas son bastante bajas. Las pérdidas totales en la transmisión de energía a una distancia de 2.000 km son del orden del 5%. La tercera gran ventaja es que se necesitan menos líneas, con menores requisitos de derecho de paso. Según se ha mencionado antes, la transmisión de 12.000 MW se puede conseguir con dos líneas utilizando HVDC de 800 kV. Transmitir la misma potencia con 800 kV de CA requeriría ocho líneas. El principal inconveniente del sistema HVDC es que la energía se transmite de un punto al otro y que es bastante caro construir estaciones de derivación (aunque esta solución es posible y ya se ha aplicado).
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Sistema de Distribución La energía eléctrica es transmitida frecuentemente en bloques de magnitud considerable y en altas tensiones desde el punto de generación hasta el área donde se pretende distribuirla, donde es necesario ejecutar uno o más pasos de transformación para llevarla a los niveles de utilización. El sistema de distribución es el último sub-sistema dentro de los sistemas de potencia antes de llegar a los consumidores. Esta parte del sistema de potencia está compuesto de líneas y dispositivos para distribuir la energía eléctrica hasta los usuarios. Estos pasos de transformación dan lugar a las diferentes etapas del sistema de distribución que son: • Sistema de distribución primaria: • Sistema de distribución secundaria
Figura 7 -Estructura típica de un Sistema de Distribución aéreo típico
Distribución Primaria: que
trabaja con tensión y potencia moderados. En Paraguay el nivel de tensión es de 23 kV y en este nivel pueden ser alimentados consumidores especiales como 13
industrias y otros. Los circuitos de distribución primaria se caracterizan por estar conectados a un solo punto o subestación de distribución (sistemas radiales) y es muy poco visto o en casos especiales la conexión a mas de una subestación (sistema de anillo múltiple)
Distribución Secundaria: Esta parte del sistema corresponde a los menores niveles de potencia y tensión. Estando más cerca del consumidor promedio (residencial). La ANDE suministra en la tensión de 380 Vca.
Sistema de Sub-transmisión El sistema de sub-transmisión posee características muy similares del sistema de distribución, pero manejan mayor potencia (10-50 MVA) y se diferencian en que alimentan a un cierto número de subestaciones de distribución. El nivel de voltaje usado por la ANDE es de 66kV. El sistema de sub-transmisión se diferencia al de transmisión debido a que el primero no realiza interconexiones entre sistemas de potencias o centrales de generación.
Curva de Carga Un moderno SEP debe monitorear continuamente las características de consumo de determinado centro de carga, buscando atender a los consumidores de forma confiable y económica. El comportamiento individual de millones de consumidores de un sistema de potencia es imprevisible y altamente diferenciado, aleatorio en esencia. Entretanto, el comportamiento de grupos de consumidores es estadísticamente previsible y suministra a la empresa de energía eléctrica (ANDE) subsidios valiosos para implementar nuevas instalaciones. 14
Una vez determinada las características de consumo de determinado centro de carga, esta puede ser representada gráficamente por una curva, como la figura 8, donde se muestra la curva de carga y generación del Sistema Interconectado y Sistema Interconectado Nacional para el día miércoles 26 de enero de 2011, un día caluroso de verano en el Paraguay. Puede verse claramente periodos diferenciados de carga leve, mediana y pesada.
Figura 8 – Curva de carga y Generación para un día de verano
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La curva de carga del SIN (Sistema Interconectado Nacional) es la curva roja de la figura, y corresponde a la demanda de energía eléctrica consumida en todo el Paraguay. La curva en negro corresponde a la curva de carga del SI (Sistema Interconectado) y corresponde a la curva de consumo de energía eléctrica en Paraguay más la energía vendida a otros países (cerca de 22MWconstantes-curva en rosado) Analizando la curva de carga del SIN, el valor mínimo de consumo puede verse claramente que se dio por las 07hs con 1344MW. El valor máximo ocurrió cerca de las 21hs con 1981MW de consumo, constituyéndose así como el ¨horario de punta¨ del SIN o ¨punta de carga¨. Si calculamos el área de la curva en análisis (integrar la función matemática que representa a la curva) obtendremos la energía suministrada al sistema durante el periodo de 24 horas. Se observa en la figura 8 que a las 14hs se tiene un primer pico de carga no desconsiderable, con un consumo de 1902MW. Se considera que este pico se debe principalmente a la conexión de aparatos de aire acondionardo. La Figura 9 muestra una curva de carga del SIN y SI para el día 11 de julio de 2010, a fin de comparar una curva de carga de un día caluroso de verano con un día frió de invierno. Como se puede observar en la figura 9, el pico de carga se traslada a la hora 18 con un valor de 1398MW, coincidiendo con la llegada de la mayoría de las personas a la casa posterior al trabajo, y el consecuente aumento del consumo. Se nota que la demanda es mas o menos constante hasta el horario de pico máximo, en donde desaparece el primer pico de carga de las 14hs visto en la curva de un día de verano (figura 8), esto sugiere que es correcta la consideración de que la conexión 16
masiva de aparatos de aire acondicionado al sistema es la principal causa de este aumento de carga durante la siesta en días de verano.
Figura 9 – Curva de carga y Generación para un día de invierno
En la figura 8, la energía suministrada al SIN en 24 horas es de aproximadamente 39552MWh. Si consideramos que el valor máximo de demanda (1981MW) se mantenga por todo el periodo de 24 horas, la energía suministrada al sistema seria de 47544MWh. La relación entre el primer valor de energía y el segundo (punta constante) se conoce como factor de carga del sistema. 17
Para la curva de carga de la figura 8 el factor de carga es de 0,83. Este factor indica el comportamiento de la demanda comparada con su pico máximo. Lo más recomendable es que el factor de carga esté lo más cercano al valor de 1, ya que demuestra una utilización constante de la carga y facilita la operación del sistema. En la figura 9, la energía suministrada al SIN en 24 horas es de aproximadamente 22547MWh. Si consideramos que el valor máximo de demanda (1399MW) se mantenga por todo el periodo de 24 horas, la energía suministrada al sistema seria de 33576MWh. Para la curva de carga de la figura 9 el factor de carga es de 0,67.
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