INTRODUCCIÓN
Dentro de las embarcaciones que se encuentran alrededor del mundo, se puede constatar el hecho de que ninguna queda exenta de la utilización de la energía eléctrica para lograr poner en marcha todo el equipo electrónico, de máquinas y otros elementos que sin electricidad no podrían funcionar. Por ello es necesario que utilicen los equipos conocidos como generadores los cuales se encargan de transformar distintos tipos de energías, ya sea mecánica, química, fotovoltaica, entre otras, en energía eléctrica, con la cual se garantizará el perfecto funcionamiento de las embarcaciones y sus equipos. Sin embargo es necesario constatar el hecho que aún poseyendo la energía eléctrica, es necesario de un medio con la cual se pueda distribuir alrededor de todo el buque de manera correcta y efectiva. En el presenten trabajo se detallarán y explican puntos relacionados a la transmisión de voltaje en sus diferentes denominaciones; la distribución de la corriente continua, trifásica y monofásica; conceptos necesarios a tener en cuenta, tales como tierra, balance, protección, entre otros. De igual manera se tocarán puntos relacionados específicamente a la distribución eléctrica dentro de una embarcación, la cual va desde los sistemas eléctricos, hasta los tableros o cajas eléctricas y el medio más importante para el transporte de la carga eléctrica, conocido como los cables eléctricos o conductores, desde sus partes hasta la elección correcta para el diseño del sistema eléctrico a bordo.
Distribución Eléctrica Abordo
La distribución de electricidad consiste en el transporte de electricidad desde la red de alta tensión hasta el consumidor final. Esta operación requiere la utilización de un transformador que reduzca el voltaje, colocándolo a los niveles requeridos por el usuario (normalmente, 220 voltios).
1.- Transmisión de Alto, Medio y Bajo Voltaje. Primeramente es necesario entender cómo se genera la energía, ya que ésta será la materia prima. La generación de energía se realiza en las centrales eléctricas en las cuales se utiliza una fuente de energía primaria y servirá para girar un magneto, el cual está rodeado por bobinas. El movimiento que hace girar al magneto puede provenir de una fuente de energía directa (viento, agua o de un ciclo termodinámico), induciendo una corriente eléctrica en las bobinas. En esta explicación se utiliza una turbina de vapor. El vapor es creado por la quema de algunos tipos de combustibles tales como aceite, gas natural o reactores nucleares. Se usan tres bobinas que rodean el magneto, creando así energía en corriente sinusoidal con tres fases o tres corrientes (una en cada bobina) lo cual implica una defasamiento entre las corrientes de 120°. Una vez generada la energía el siguiente paso es transmitirla. La red de transporte es la que se encargada de llevar la energía, así como de enlazar las centrales con los puntos de utilización de la energía. En la transmisión se abarcan grandes distancias, tomando como punto de partida la central generadora. Es necesario que la conexión de la red de transporte este interconectada entre sí mediante una estructura en forma mallada, obteniendo así un camino que no presente barreras entre puntos muy alejados o en cualquier sentido. Las líneas de transmisión son construidas sobre grandes torres metálicas, las cuales llevan altos voltajes. Este subsistema de transmisión también sirve como enlaces entre subestaciones. La subestación es una herramienta muy importante dentro del sistema eléctrico, ya que son las encargadas de transformar los voltajes presentes en energía eléctrica, teniendo como componente principal al transformador. El transformador ayuda a elevar o a reducir el voltaje presente en la línea. La reducción o el aumento del voltaje dependen de la ubicación de la subestación.
Si se coloca la subestación junto a las centrales generadoras se elevará el voltaje de salida de los generadores de las centrales. Por el contrario si se ubica cerca de la población (zona de consumo) la subestación sería una subestación reductora. Los voltajes manejados por el sistema eléctrico se tienen que distribuir para así poder transportar la energía y hacerla llegar a los hogares. Esta distribución del voltaje se hace dividiendo los voltajes en tres niveles:
Alta tensión: Se emplea para transportar altas tensiones a grandes distancias, desde las centrales generadoras hasta las subestaciones de transformadores. Su transportación se efectúa utilizando gruesos cables que cuelgan de grandes aisladores sujetos a altas torres metálicas. Las altas tensiones son aquellas que superan los 25 kV (kilovolt). Media tensión: Son tensiones mayores de 1 kV y menores de 25 kV. Se emplea para transportar tensiones medias desde las subestaciones hasta las subestaciones o bancos de transformadores de baja tensión, a partir de los cuales se suministra la corriente eléctrica a las ciudades. Los cables de media tensión pueden ir colgados en torres metálicas, soportados en postes de madera o cemento, o encontrarse soterrados, como ocurre en la mayoría de las grandes ciudades. Baja tensión: Tensiones inferiores a 1 kV que se reducen todavía todavía más para que se puedan emplear en la industria, el alumbrado público y el hogar. Las tensiones más utilizadas en la industria son 220, 380 y 440 volt de corriente alterna y en los hogares entre 110 y 120 volt para la mayoría de los países de América y 220 volt para Europa.
Hay que destacar que las tensiones que se utilizan en la industria y la que llega a nuestras casas son alterna (C.A.), cuya frecuencia en América es de 60 ciclos o hertz (Hz), y en Europa de 50 ciclos o hertz. El alto voltaje es utilizado para la transmisión de larga distancia (300 millas). El voltaje medio es usado para suministrar a ciudades, zonas rurales o industrias, mientras que el bajo voltaj e es usado en la “última milla” para casas, comercios y oficinas (consumo). Los transformadores son vitales para la convertir los niveles por lo que son un elemento indispensable para los sistemas eléctricos. La adaptación de los niveles de voltaje depende de las diferentes distancias que se presentan en el sistema eléctrico. Los transformadores son diseñados para que no haya pérdidas de energía o éstas sean bajas, la frecuencia a la que trabajan es de 50 a 60 Hz.
Para frecuencias usadas en comunicaciones, los transformadores representan un obstáculo natural, el cual causa una separación drástica entre frecuencias, es decir: rechaza las altas frecuencias utilizadas en comunicaciones y sólo deja pasar la frecuencia de trabajo. El nivel de alto voltaje se usa para el transporte a largas distancias que van desde la central generadora hasta las subestaciones. Estas distancias van desde varias docenas hasta cientos de kilómetros. Debido a su bajo costo, las redes de transporte utilizadas para este nivel son trifásicas. Los niveles medio y bajo de voltaje son transportados por líneas aéreas y cables subterráneos, la forma más común de conducción es por cables de cobre o aluminio. El voltaje medio se transporta a distancias de 5 a 25 km, cuyo valor nominal está por debajo de los 110KV usando valores típicos de 10- 20 kV y suministrará áreas rurales, ciudades pequeñas e industrias. El voltaje medio puede ser transportado por líneas aéreas o mientras el área de consumo no sea muy poblada se utilizarán instalaciones subterráneas. El nivel bajo se suministra en ciudades pequeñas; este nivel es el que se encarga de dar suministro a todas las casas y/u oficinas. Su forma de transmisión es de manera subterránea pero en algunos casos la instalación subterránea es imposible de utilizar debido al mal suelo o en su defecto por que la instalación tiene un precio elevado, por lo cual se recurre a la instalación de cables aéreos. El radio de distribución de este nivel o la distancia de distribución es de 100 a 500 mts. En la siguiente figura se puede apreciar la distribución en tierra de un sistema de trasmisión de voltaje.
2.- Distribución DC, Trifásica y Monofásica. - Distribución DC: La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica). La corriente continua es uno de los sistemas de distribución de la energía eléctrica en las instalaciones eléctricas industriales y del sector terciario y es necesario que sus redes de distribución estén perfectamente coordinadas con las protecciones. Aunque la corriente co rriente continua ya no se usa para la generación gener ación de potencia a largas distancias, aún tiene varios usos. Las baterías operan con corriente continua, ya que los electrones que aportan la energía fluyen en una sola dirección. Muchos tipos de artefactos electrónicos, como las computadoras, usan corriente continua y requieren de un adaptador especial de CA a CC para usar la electricidad de los enchufes comunes. Una de las principales razones de por qué la CA es mejor que la CC es que en las distancias, la CA viaja sin perder cantidades apreciables de energía. Una línea de CC tiene un rango máximo de aproximadamente media milla (800 metros) de modo que para usar corriente continua en tu casa necesitarías de una estación a media milla de distancia de tu casa. Es casi un hecho que la corriente alterna es más económica en muchos niveles que la corriente continua. Primero, la CA tiene menos pérdidas de energía, lo cual implica que se debe producir menos energía de forma genera. En segundo lugar, a diferencia de la CC, que requiere de cables de cobre de muy alta calidad para poder transmitirse de manera efectiva, la CA puede usar cables más económicos porque la pérdida de potencia no es un problema tan grave. Por último, la CA requiere de menos inversión en infraestructura porque se necesitan de menos estaciones de energía para transmitir la electricidad. Principales aplicaciones de la corriente continua:
Alimentación de servicios de emergencia y servicios auxiliares. El empleo de corriente continua es debido a la necesidad de disponer de una fuente de energía de reserva que permita la alimentación de servicios esenciales,
como sistemas de protección, alumbrado de emergencia, sistemas de alarmas, servicios de hospitales, centros de proceso de datos utilizando, por ejemplo, baterías de acumuladores. Tracción eléctrica. Las ventajas, en términos de regulación, que ofrece la utilización de motores de c.c. y la alimentación mediante líneas de contacto a catenaria, hacen de la corriente continua la solución más utilizada para trenes, metros, tranvías, y medios de transporte en general. Instalaciones industriales particulares pueden ser instalaciones relativas a procesos electrolíticos, así como aplicaciones a las que se les requiere exigencias particulares de servicio de las máquinas eléctricas.
- Distribución Trifásica: Los sistemas de transmisión y distribución de mayor utilización son los sistemas trifásicos, los cuales están constituidos por tres tensiones de igual magnitud, desfasadas 120° entre sí. Las ventajas de usar este tipo de distribución pueden ser: Para alimentar una carga de igual potencia eléctrica donde las corrientes en los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofásico, y para una misma potencia, las máquinas eléctricas son de menor tamaño que las maquinas eléctricas monofásicas. La generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica se efectúa, generalmente, mediante sistemas trifásicos. En los sistemas monofásicos, dos conductores son suficientes para transmitir el voltaje a la carga, es decir, fase y neutro. Pero en caso de sistemas trifásicos, dos extremos de cada fase, es decir, R1 – R2, Y1 – Y2, y B1 – B2 están disponibles para suministrar el voltaje a la carga. Si todos los seis terminales se usan independientemente para suministrar voltaje a la carga como mostramos en la figura con la que abrimos este artículo siguiente figura, se requieren seis conductores y será demasiado costoso. Para disminuir los costes reduciendo el número de devanados, los devanados trifásicos se interconectan de un modo particular. Esto proporciona diferentes conexiones trifásicas. Conexión en estrella La conexión en estrella está formada conectando entre sí los terminales de comienzo y finalización. Los extremos R 1 – Y1 – B1 se conectan entre sí y los extremos R2 – Y2 – B2 se conectan entre sí. Este punto común es llamado punto neutral. Los tres extremos restantes se llevan para propósitos de conexión. Estos extremos a los que las cargas se conectan son generalmente referidos como R – Y – B.
La conexión de estrella se muestra en la siguiente figura:
Conexión en triángulo La conexión delta está formada conectando un extremo del devanado para comenzar en el extremo del otro y las conexiones continúan para formar un bucle cerrado. Los terminales de alimentación son tomados de los tres puntos de unión. La conexión delta es mostrada en la siguiente figura:
Ventajas de los sistemas trifásicos En los sistemas trifásicos, la armadura del alternador tiene tres devanados y produce tres voltajes alternos independientes. La magnitud y frecuencia de todos ellos es igual pero tienen una diferencia de fase de 120 º entre sí. Tales sistemas trifásicos tienen las siguientes ventajas sobre los sistemas monofásicos.
La producción de las máquinas trifásicas es siempre mayor que las de las máquinas monofásicas del mismo tamaño, aproximadamente 1,5 más. Así para un tamaño y voltaje dado un alternador trifásico ocupa menos espacio y es menos costoso también que los monofásicos del mismo tamaño. Para una transmisión y distribución, distribución, los sistemas trifásicos necesitan menos cobre o menos material conductor que un sistema monofásico simple dado en voltio amperios y voltaje por lo que la transmisión es mucho más económica.
Es posible producir campos magnéticos rotatorios con bobinados estacionarios usando el sistema trifásico. Por ello los motores trifásicos son de autoarranque. En un sistema monofásico, monofásico, la potencia instantánea es una función del tiempo y fluctúa w.r.t. veces Esta fluctuación de potencia causa vibraciones considerables en los motores monofásicos. Por ello el rendimiento de los sistemas monofásicos es pobre. Sin embargo, la potencia instantánea en los sistemas trifásicos es constante. Los sistemas trifásicos dan una salida estable. Una alimentación monofásica puede obtenerse de los circuitos trifásicos pero trifásica no puede obtenerse de un motor monofásico. El factor de potencia de los motores monofásicos es pobre en relación a los motores trifásicos equivalentes. Para máquinas convertidoras como los rectificadores, el voltaje de salida en corriente continua es más uniforme si el número de fases se incrementa.
- Distribución Monofásica: En ingeniería eléctrica, un sistema monofásico es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por una única corriente alterna o fase y por lo tanto todo el voltaje varía de la misma forma. La distribución monofásica de la electricidad se suele usar cuando las cargas son principalmente de iluminación y de calefacción, y para pequeños motores eléctricos. Un suministro monofásico conectado a un motor eléctrico de corriente alterna no producirá un campo magnético giratorio, por lo que los motores monofásicos necesitan circuitos adicionales para su arranque, y son poco usuales para potencias por encima de los 10 kW. El voltaje y la frecuencia de esta corriente dependen del país o región, siendo 230 y 115 Voltios los valores más extendidos para el voltaje y 50 o 60 Hercios para la frecuencia. Dentro del sistema monofásico se encuentra:
Fase (cable negro o marrón), proporciona la electricidad Neutro o retorno (cable azul) es el responsable de que la corriente de un aparato conectado no derive en nosotros, sino que vuelva por donde vino, cerrando un circuito. Físico o tierra (cable listado de dos colores, verde/amarillo), es la misma protección que el neutro, apoyando a éste a absorber la energía en su retorno. Las instalaciones sin sistema de tierra (pues no es de extrañar que en casa, si es antigua, sólo encuentres 2 cables detrás del enchufe), están menos protegidas que las que lo usan, pues no es otra cosa que una puerta trasera al escape de electricidad que siempre busca camino. Se dice tierra
porque está conectada a una malla o jabalina de cobre enterrada en el suelo, que absorbe la energía.
3.- Conceptos de Tierra, Balance y Protección. - Tierra: se emplea en las instalaciones eléctricas para llevar a tierra cualquier derivación indebida de la corriente eléctrica a los elementos que puedan estar en contacto con los usuarios de aparatos de uso normal, por un fallo del aislamiento de los conductores activos, evitando el paso de corriente al posible usuario. La toma a tierra es un sistema de protección al usuario de los aparatos conectados a la red eléctrica. Consiste en una pieza metálica, conocida como pica, electrodo o jabalina, enterrada en suelo con poca resistencia y si es posible conectada también a las partes metálicas de la estructura de un edificio. Se conecta y distribuye por la instalación por medio de un cable de aislante de color verde y amarillo, que debe acompañar en todas sus derivaciones a los cables de tensión eléctrica, y debe llegar a través de contactos específicos en las bases de enchufe, a cualquier aparato que disponga de partes metálicas accesibles que no estén suficientemente separadas de los elementos conductores de su interior. Cualquier contacto directo o por humedades, en el interior del aparato eléctrico, que alcance sus partes metálicas con conexión a la toma a tierra encontrará por ella un camino de poca resistencia, evitando pasar al suelo a través del cuerpo del usuario que accidentalmente pueda tocar el aparato. La protección total se consigue con el interruptor diferencial, que provoca la apertura de las conexiones eléctricas cuando detecta que hay una derivación hacia la tierra eléctrica en el interior de la instalación eléctrica que controla. Debe evitarse siempre enchufar un aparato dotado de clavija de enchufe con toma de tierra en un enchufe que no disponga de ella.
En las líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica el hilo de tierra se coloca en la parte superior de las torres de apoyo de los conductores y conectado eléctricamente a la estructura de éstas, que, a su vez, están dotadas de una toma de tierra como la descrita anteriormente. En este caso el hilo de tierra cubre una doble función: por una parte protege a las personas de una derivación accidental de los conductores de alta tensión, y por otra, al encontrarse más alto que los citados conductores, actúan como pararrayos, protegiendo al conjunto de las descargas atmosféricas, que de esta forma son derivadas a tierra causando el mínimo daño posible a las instalaciones eléctricas. A los elementos que forman el conjunto de una puesta a tierra los podemos clasificar de la siguiente forma: Tierra: Necesitamos un terreno que será capaz de disipar las energías que pueda recibir. Toma de tierra: Esta es la instalación de conexión a tierra, consta de las siguientes partes: - Electrodos o picas (también llamados jabalinas): Partes metálicas enterradas. - Línea de enlace con tierra: Conductor conectado a los electrodos. - Bornes de puesta a tierra: conexión entre la línea de enlace y los distintos conductores de protección. - Conductores de protección: unen los distintos puntos de la instalación con la línea de enlace.
- Balance: entrando en materia de la ingeniería naval y eléctrica, el sistema eléctrico tiene como misión generar y/o proveer de energía eléctrica a los diferentes consumidores del buque. Las características básicas del sistema vienen definidas por los usos, las especificaciones de los elementos y el requerimiento de menor consumo energético posible. Las necesidades de energía eléctrica son muy dependientes de la situación de operación y por ello el dimensionamiento del sistema requiere la realización de un balance eléctrico. El balance eléctrico se basa en la estimación del consumo eléctrico medio en cada situación de operación. Para realizar el balance eléctrico se han de seguir los siguientes pasos/criterios:
Se definen las diferentes diferentes situaciones de operación del barco, entre las cuales hay diferencias significativas de consumo eléctrico (por ejemplo: Navegación, Maniobra atraque, Puerto, Carga, entre otros). Se listan los diferentes consumidores eléctricos en una tabla, indicando el número de unidades instaladas y su potencia máxima. Se asignan factores de utilización para cada situación y unidad. Se determina el consumo medio en cada condición, como suma suma de los consumos medios de cada unidad. Se asigna un margen de seguridad al consumo medio de cada situación. Se calcula el número y capacidad de los generadores eléctricos y baterías, de manera que se cumplan las siguientes características: Se han de poder servir servir todos los consumos en cada situación. situación. El sistema de generación/almacenamiento habrá de tener la flexibilidad suficiente como para atender todas las situaciones, funcionando con el máximo rendimiento posible. El coste de instalación y mantenimiento del sistema será mínimo.
Una vez realizado el balance eléctrico se conoce como resultado de este el consumo medio en cada una de las situaciones de operación. A partir de estos datos es necesario determinar la capacidad y número de generadores que se instalaran. Las consideraciones de diseño básicas que hay que seguir para esta elección son:
Si se instala un único generador, en condiciones de carga mínima, su rendimiento será muy bajo (los equipos tienen un límite inferior de potencia generada). Si se instalan varios generadores diferentes para atender a las diferencias de consumo, el sistema tendrá gran flexibilidad y alto rendimiento, pero se incrementarán los costes de instalación y mantenimiento, y se necesitarán más repuestos. Si se instalan varios generadores iguales, el número de respetos necesarios disminuirá, pero puede que el rendimiento del sistema sea menor en condiciones de carga elevadas. menos) un El sistema debe tener capacidad de responder a la caída de (al menos) generador, por lo que debe haber un equipo de repuesto.
- Protección: Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella. Los deterioros y los regímenes anormales en las instalaciones eléctricas ponen en peligro el funcionamiento de los equipos. Debido a esto surge la necesidad de crear y utilizar dispositivos automáticos que desconecten y protejan al sistema y sus elementos. Existen muchos tipos de protecciones que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, entre otros, ya s ea de baja o alta tensión. En calidad de dispositivos de protección se utilizaron durante mucho tiempo los fusibles, pero a medida que aumentaron la potencia y el voltaje de los dispositivos eléctricos y se hicieron más complejos sus circuitos, este método de protección dejó de ser efectivo. Por eso, sobre la base de los aparatos automáticos han sido creados dispositivos de protección más modernos y seguros que se llaman relevadores o relés. La protección por relevadores, método principal de la automatización eléctrica sin la cual no es posible el trabajo normal y seguro de los sistemas energéticos moderno, realiza un control permanente del estado y del régimen de trabajo de todos los elementos del sistema y detecta la aparición de averías y regímenes anormales. Al detectar algún deterioro, la protección por relevadores desconecta el circuito defectuoso empleando interruptores especiales. En función del tipo de falla la protección realiza operaciones encaminadas a restablecer el régimen normal o da la señal de alarma al personal de turno.
En los sistemas eléctricos modernos, la protección por relevadores está estrechamente unida a la automatización eléctrica, cuya función es restablecer rápidamente el régimen normal de alimentación de los consumidores. Su función principal es detectar y desconectar rápida y automáticamente el circuito defectuoso, con el fin de evitar que se dañe o se destruya y de asegurar un trabajo normal de la parte restante de la instalación eléctrica o del sistema eléctrico.
4.- Distribución Eléctrica a Bordo y Elementos Integrantes del Sistema. La corriente eléctrica producida a bordo se distribuye a todos los servicios del buque por medio de cuadros eléctricos. En primer lugar la corriente producida por los alternadores se centralizan en el cuadro principal, donde se encuentran los aparatos para control de estos alternadores. Del cuadro principal y dependiendo de la potencia instalada se distribuye a otros cuadros secundarios o se alimenta directamente a los distintos receptores del buque. Además de estos cuadros de distribución existe también el cuadro de emergencia que según la normativa vigente derivado de la Ley de Prevención de Riesgos Laborales, debe reunir una serie de requisitos que se verán más adelante. Como puede observarse en la siguiente imagen, un ejemplo del sistema eléctrico a bordo bordo está formado por tres alternadores alternadores y dos grupos de baterías. Estos generadores son los encargados de suministrar la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar los distintos consumidores existentes a bordo.
4.1.- Potencias, Tensiones y Frecuencias Utilizadas. Los márgenes de potencia que se pueden encontrar a bordo son muy amplios, abarcando desde la sencilla instalación de un velero de recreo, compuesta básicamente por baterías con unos cientos de vatios de potencia hasta la complejísima planta de un buque de pasaje, dotado de propulsión eléctrica, con una potencia instalada de decenas de megavatios. Sin embargo, entre ambos extremos nos encontramos con la gran mayoría de los buques: mercantes, de pesca, remolcadores, de guerra, servicio de guardacostas, etc. (Sin propulsión eléctrica) con potencies instaladas que no superan, en la mayoría de los casos los 5.000 Kw. Con este amplio margen de potencies, es lógico pensar que las soluciones adoptadas en el diseño de la planta, sean muy variadas. Por lo que respecta a las tensiones y frecuencias, en corriente alterna, las combinaciones utilizadas en trifásica son 380V-50hz y 440V-60Hz (por supuesto en trifásica), que en la práctica se consideran valores normalizado, La primera es de use común en Europa, mientras que la segunda lo es en América. Dado que para una misma potencia, al aumentar el voltaje, disminuye la intensidad, las instalaciones a 440v-60hz pueden resultar más económicas. Para la red de alumbrado, los valores más utilizados son 220 o 230 V (En monofásica), obtenida a partir de la de fuerza por medio de transformadores. En casos de grandes buques de pasajes o con propulsión eléctrica, el valor más utilizado es de 6,6kv. En corriente continua, son usuales tensiones de 24, 110 y 220 v. las instalaciones continuas, solo aparecen en buque antiguo y en aquello con varia potencia que pueden utilizar baterías (con su correspondiente sistema de carga: alternador, aerogeneradores o células solares) y en submarinos con grandes baterías para navegar en inmersión. También pueden encontrarse instalaciones de c.c en algunos pesqueros con maquinillas de arrastre que utiliza los grupos Ward-leonard.
4.2.- Sistemas de Distribución a Bordo. Existen dos formas diferentes de conectar los devanados de un generador, en estrella y en triangulo. El primero nos permitiría distribuir la corriente utilizando cuatros conductores, es decir L1, L2, L3 mientras que el segundo solo permite la distribución con tres conductores.
Por otra parte según el tipo de conexión del neutro se obtiene tres tipos o sistema de distribución:
Neutro aislado (flotante) Conexión real del neutro a tierra. Conexión del neutro a tierra limitada
El sistema utilizado en las redes de bajo tensión en tierra es el segundo, de tal forma que los consumidores 380 V se conectan entre fases y los de 220 V entre una fases y neutro.
Sin embargo, a bordo, el sistema más utilizado, salvo para redes de alta tensión (6,6 kV), es el sistema de <>
4.3.- Cuadros Eléctricos. Se entiende por cuadro eléctrico aquel armario o caja, en cuyo interior se disponen diversos equipos de aparamenta o control. Los cuadros que nos podemos encontrar abordo están construidos generalmente de chapas de aceros pintadas, pintadas, debiendo conectarse tierra, tanto las paredes como las puertas. Generalmente tienen el fondo total o parcialmente abierto (con una rejilla) y en laterales o en el fondo nos podemos encontrar con abertura adecuadas para el paso de los cables y barras. En el frontal se dispone la puerta. Los cuadros principales pueden disponer también en el fondo de puertas o paneles desmontables.
El conjunto ha de ser de (frente muerto), lo que significa que ninguno de los elementos accesibles al operador pueden estar bajo tensión. En dicho frente se coloca los elementos de interface hombre-maquinas como instrumentos de medidas, interruptores, pulsadores, lámparas de señalización, etc. y en su interior, los elementos de aparamenta y las conexiones de los conductores. El cuadro debe estar convenientemente ventilado. Generalmente la ventilación es de tipo natural, existiendo para ellos aberturas troqueladas o rejillas en la parte inferior y superior. Cuando el calor disipado es importante, como sucede cuando en el cuadro se ubica transformadores, puede ser necesario el uso de ventilación forzada. A bordo de los buques nos podemos encontrar con diferentes tipos de cuadros:
Cuadro principal. Cuadro de maniobra Cuadro de emergencia
- Cuadro Principal: Son los que reciben la corriente producida por los alternadores y la distribuyen a todos los servicios del buque. Entre sus principales misiones son:
Alojar los dispositivos necesarios para el acoplamiento de los alternadores Alojar los elementos de de protección de los alternadores Distribuir la la corriente a los demás servicios del buque
En todos los buques nos encontramos con el cuadro principal que constituye el centro neurológico del sistema eléctrico. El cuadro principal, suele estar situado en la cámara de máquinas, cerca de los generadores y en las proximidades de un mamparo o costado. Si el buque dispone de cámara de control de máquinas lo normal es que el cuadro principal vaya alojado dentro de la misma. En los buques de pasaje o los de propulsión eléctrica el cuadro principal suele estar situado en un local independiente, siempre cerca de los generadores y de la sala de control. En el cuadro principal nos encontramos, entre otros, los siguientes elementos: - Los instrumento de medidas (vatímetros, voltímetros, amperímetro, frecuencímetros, fasímetros, entre otros.) y otros elementos de control (lámparas
de señalización, alarmas visuales y sonoras, etc.) necesario para fiscalizar el correcto funcionamiento de los generadores. - Los mandos utilizados para regular manualmente la frecuencia y el voltaje de la corriente generada. - Los interruptores principales; se trata de interruptores de potencia situados en el panel correspondiente a cada generador e intercalados entre este y las barras. Su misión es conectar y desconectar el generador de la red y, sobre todo proteger a ambos. Los interruptores principales utilizados a bordo pueden ser de tipo abierto o al aire y se disparan accionados por los correspondientes relés de protección:
- Los transformadores. - Las barras; que son aquellos conductores formados por perfiles rectangulares de cobre a las que se conectan los distintos generadores y de las que cuelgan las líneas que alimentan los diferentes cuadros secundarios o de distribución. - Los mecanismos, mandos, instrumentos de medida, entre otros, necesarios para conectar en paralelo varios generadores. Según la potencia de la instalación eléctrica desde el cuadro principal se controlan todos los servicios del buque con sus arrancadores o se distribuye la corriente a cuadros secundarios de maniobra donde están todos los elementos necesarios para el arranque y maniobra de los servicios eléctricos del buque; como pueden ser:
Cuadros de alumbrado Planta frigorífica Cuadros de arrancadores de las bombas del M.P.
Molinete anclas Compresores aire Cuadro del servomotor Cuadro maquinilla de cubierta Entre otros.
- Cuadro de Maniobra: Los cuadros de maniobra reciben la corriente del cuadro principal y por medio de los elementos de accionamiento y control, conduce la corriente eléctrica a los diferentes receptores que hay a bordo. Reciben la energía eléctrica del cuadro principal, en el interior de los cuadros están situados los elementos de control y protección que se vieron en el apartado anterior, también reciben señales de control del exterior, como pueden ser detectores de nivel, de temperatura, de presión, entre otros, y según la maniobra del cuadro da paso de la energía eléctrica al receptor que esté asociado; como puede ser arrancar un motor eléctrico, poner en marcha una caldera.
Características de los cuadros:
Dimensiones y formas: Su tamaño tamaño depende de los elementos que tenga que alojar, permitiendo que estos quepan con cierta holgura, tanto los aparatos como el cableado. Materiales: Los materiales de los cuadros dependen del local donde se van van a utilizar. Los materiales más comunes son: Materiales PVC o similares, Chapas de acero al carbono, Chapas de acero inoxidable y perfiles galvanizados. Los más utilizados a bordo son los de acero al carbono, normalmente galvanizados y pintados, debido a las características especiales de calor, vibraciones, ambiente salino que nos encontramos en los barcos. Grado de protección: El grado de protección depende del lugar donde va va colocado y las condiciones de trabajo. Los grados de protección se
representan con un número de tres cifras donde la primera cifra el grado de protección contra cuerpos sólidos, la segunda cifra representa el grado de protección contra cuerpos líquidos y la tercera cifra que no se contempla en algunas normalizaciones representa la protección mecánica contra golpes. En la tabla siguiente se muestra la correspondencia entre los números y el grado de protección que representan.
Algunos ejemplos de grados de protección para cuadros colocados en lugares especiales son los siguientes:
Sala de máquinas
315/317
Talleres
215/237
Cuartos de calderas
215/217
Cámaras frigoríficas
331/335
- Cuadros de Emergencia: La construcción de estos cuadros es similar a los de maniobra, su diferencia principal es su situación, que debe estar por encima de la cubierta principal y de los servicios que alimenta. Los servicios de emergencias son aquellos que deben entrar en funcionamiento en caso de avería de los generadores de electricidad, como pueden ser: alumbrado de emergencia, señales de alarma, equipo de radio y luces de situación.
En cuanto a la caja de distribución que alimenta las luces de situación estas tienen que ser alimentadas por dos líneas diferentes de manera que pueda hacerse el cambio con rapidez de la una a la otra por medio de un conmutador. La alimentación de estos cuadros puede ser por un diésel generador o una batería de acumuladores. En condiciones normales de navegación, los generadores de emergencia no tienen por qué ir trabajando por los que los servicios que se alimenten directamente del cuadro de emergencia tienen que disponer de una línea de interconexión con el cuadro principal. La fuente de energía eléctrica de emergencia deberá estar situada fuera de la sala de máquinas y estar diseñada en todos los casos, de forma que garantice, en caso de incendio o de avería de la instalación eléctrica principal, el funcionamiento simultáneo, durante un mínimo de tres horas.
Del sistema de comunicación interna, de los detectores de incendios y de las señales necesarias en caso de emergencia De las luces de navegación y de la iluminación de emergencia Del sistema de radiocomunicación De la bomba eléctrica de emergencia contra incendios, si forma parte del equipo del buque
Cuando la fuente de energía eléctrica de emergencia sea una batería de acumuladores u falle la fuente de energía principal, esta batería de acumuladores deberá quedar conectada automáticamente al cuadro de distribución de energía eléctrica de emergencia y deberá garantizar la alimentación ininterrumpida durante tres horas de los elementos antes mencionados.
4.4.- Cables o Conductores Eléctricos. Los conductores eléctricos o cables son los encargados de transportar la corriente desde el generador al cuadro principal, de este a los cuadros de maniobra y de estos a los receptores y a los elementos de control. Constitución de los cables eléctricos En general los cables eléctricos están compuestos de un elemento conductor y un aislante que lo recubre. Los componentes de los cables son los que aparecen en la figura, de los cuales pueden tener todos o solamente algunos, dependiendo del uso al que se le vaya a dedicar.
- Cubierta: Es la envoltura del cable, de protección mecánica al mismo, su función no es estrictamente eléctrica. Los materiales comúnmente empleados son: Polietileno, goma, goma resistente a hidrocarburos, material textil. Entre otros. - Armadura: Es un recubrimiento metálico que le da al cable una gran protección mecánica. Los materiales que se suelen emplear son: flejes de acero, flejes de aluminio, alambre de acero o aluminio. - Relleno: Es un material aislante que rellena los huecos entre el aislamiento y la armadura o cubierta. - Aislante: Es el aislamiento del conductor eléctrico. Protege al conductor de defectos en el aislamiento. Los materiales más empleados son: Goma, P.V.C. (Cloruro de polivinilo), polietileno, etileno propileno, entre otros. - Conductor: Es el material encargado de transportar la corriente eléctrica, puede estar constituido de un hilo o de varios acolchados que si son finos constituyen los conductores flexibles. El material más empleado es el cobre recocido seguido del aluminio. Tipos de cables eléctricos Los cables eléctricos se caracterizan por el número de conductores y por la tensión nominal y por la sección del conductor. - Por el número de conductores:
Según el número de conductores los cables se pueden clasificar en unipolares y multipolares.
Unipolares: Son los que están compuestos del conductor, aislante y cubierta, se emplean para cablear el interior de los cuadros eléctricos. Multipolares: Son los que están compuestos por dos conductores (bipolares), tres conductores (tripolares), cuatro conductores (tetrapolares) o cinco conductores (pentapolares). Son los que conducen la corriente eléctrica entre el cuadro eléctrico y los receptores o a los generadores de corriente.
- Por la tensión nominal: Corresponde a la máxima tensión que puede soportar su aislante. La tensión de trabajo debe ser inferior a la tensión nominal del cable. - Por la sección del conductor: La elección de la sección del conductor depende de dos factores: de la caída de tensión que se puede producir por el cable y de la intensidad máxima que va a circular por el cable. Si la intensidad que circula por el cable es más elevada de la que puede soportar este se calienta y puede llegar a fundirse o provocar un incendio. En la tabla se muestra los valores de sección que se deben usar para diferentes intensidades. En cuanto a la caída de tensión, si el cable es largo y de poca sección se puede producir una gran caída de tensión, llegando al receptor una tensión menor que a la que tiene que trabajar el aparato en cuestión.
Refiriéndose a los cables de tipo Multipolares, los cuales son los principales encargados de la distribución eléctrica en el buque, por lo general el más utilizado en el tripolar. Se recomienda que salvo en los circuitos finales de alumbrado o calefacción de alojamientos de la tripulación, se empleen cables multifilares. Igualmente las normas aconsejan el empleo de cables multipolares. Los cables empleados a bordo son, salvo en buques con instalaciones de alta tensión, de los denominados de baja tensión, esto es de 600/1000 V, es decir, cables que pueden soportar tensiones de 600 voltios entre el conductor y tierra y 1000 entre conductores. En la siguiente figura se aprecia un cable tripolar que consta de las siguientes partes:
1.- Conductores; como ya hemos señalado, a bordo son multifilares multifilares (para evitar el riesgo de rotura) de cobre (el aluminio se usa muy poco debido a su mayor resistividad y menor ductilidad). 2.- Fundas; están constituidas por delgadas laminas de separación cuya finalidad principal es la de evitar la reacción de unos componentes con otros. 3.- Aislamiento; su misión es impedir la circulación de corriente entre conductores y entre estos y tierra. Los materiales empleados para su
construcción pueden ser: policloruro de vinilo o PVC(poco utilizado a bordo), polietileno reticulado o XLPE, caucho butílico o goma butílico (obsoleto), polipropinelo o neopreno (en desuso), etileno-propileno o PER, polietileno clorosulfonado CSP o Hypalon, principalmente! mismo material que el aislante o la 4.- Relleno; Generalmente de PVC o del mismo cubierta, utilizado para darle forma circular al conjunto. 5.- Fundas; descritas anteriormente. 6.- Armadura; es una envoltura metálica que tiene una doble misión: proteger el cable de acciones mecánicas externas y actuar como pantalla para las radiaciones electromagnéticas, tanto entrantes como salientes. 7.- Cubierta; cuya finalidad es proteger el conjunto de agresiones de tipo mecánico ante líquidos y ante el fuego. Para la designación de los cables se utilizan diferentes normas. Una muy utilizada, consiste en una clave de 5 letras cuyo significado es el siguiente: 1) Aplicación especifica: M Marina 2) Aislamiento: G Goma EPR V PVC X XLPE Si Silicona 3) Cubierta interior: P Plomo G Goma neopreno V PVC Si Silicona T Trenzado de fibra de vidrio I Hypalon 4) Armadura: F Fleje de hierro
M Corona de hilos de hierro T Trenza metálica de hierro Ta Trenza metálica metálica de aldrey Tc Trenza metálica de cobre 5) Cubierta: V PVC Elección de Conductores A la hora de elegir un conductor, tenemos que tener en cuenta las siguientes características: a) La tensión máxima que es capaz de soportar b) La sección mínima para que la caída de tensión en la línea no perjudique el funcionamiento de los conductores conectados al final de la misma. c) La sección mínima para que no se caliente y se produzcan pérdidas de potencia por efecto Joule. Para ello se procede de la siguiente forma: 1) Se elige un cable capaz de soportar la tensión de la red en la que se va a utilizar. 2) Se calcula la intensidad que va a soportar el conductor 3) Se determina la caída de tensión admisible según la normativa aplicable. En la siguiente tabla se pueden ver los límites establecidos por una determinada sociedad de clasificación para distintos tipos de red.
4) Se calcula la sección del conductor según la caída de tensión admisible empleando para ello las formulas de la siguiente tabla según el tipo de línea que se trate.
5) En las tablas suministradas por el fabricante, elegimos la sección comercial inmediatamente superior a la calculada. Por ejemplo, si en el paso anterior se obtiene una sección de 13,83 mm2, inexistente en el mercado, redondearemos hasta 16 mm2.
CONCLUSIÓN
La generación de la energía eléctrica ya sea en tierra o dentro de una embarcación es un tema muy importante y a la vez delicado, ya que el simple hecho de generar la energía no garantiza su utilización efectiva, así como su distribución hacia los demás equipos y maquinarias que la necesiten. Con la realización del presente trabajo se puede concluir que es importante conocer los elementos que integran el sistema eléctrico de un buque así como aquellos que garantizan la distribución de la energía eléctrica a lo largo de toda la embarcación y sus equipamientos. Dicho conocimiento provee al ingeniero que se encuentra encargado de los sistemas del buque, sobre todo lo necesario para lograr el funcionamiento operacional del sistema y ante cualquier eventualidad, poder actuar de manera rápida y efectiva para solucionar el problema. Finalmente se puede concluir que el diseño del sistema eléctrico que garantice una correcta distribución de la electricidad a bordo, depende de varios factores, ya sea de los equipos y maquinarias que se encuentran a bordo, de los cuadros eléctricos y mecanismos de protección presentes, así como de los conductores a utilizar para llevar la corriente desde un punto a otro. Por ello es importante realizar el balance eléctrico de la embarcación y realizar los cálculos para la elección correcta de los generadores y cableado eléctrico, todo con el fin de garantizar la operacionalidad del buque.
BIBLIOGRAFÍA
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