TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de Oaxaca
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA DEPARTAMENTO INGENIERIA ELECTRICA CENTRALES ELECTRICAS
TEMA 5.- CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
PRESENTA: NICIO GUERRERO JONATHAN IVAN RIOS CRUZ JOSE ADOLFO PINEDA JIMENEZ ERASMO CRUZ CRUZ LUIS FERNANDO LOPEZ HERNANDEZ OSCAR GONZALEZ CRUZ ROBERTO
ASESOR:
ING. CRUZ ROBLES CONCEPCION
OAXACA DE JUÁREZ, OAXACA
27/02/2017
5.1 GENERALIDADES DE DISEÑO DE INSTALACIONES HIDRÁULICAS EN VASOS Y REPRESAS. El agua dulce suministrada por la naturaleza, además de servir para otros fines, tales como limpieza, enfriamiento, consumo etc., se utiliza también para almacenar energía potencial y convertirla en energía cinética al controlar un caudal de esta misma. Al caer y ejercer fuerza sobre los alabes de maquinas giratorias llamadas turbinas, que a su vez mueven generadores que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. A dicha instalación se le llama una central hidroeléctrica generadora de energía eléctrica. Las plantas hidroeléctricas aprovechan los caudales y caídas de agua. Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua, de su evaporación se forman nubes y eventualmente lluvia fluye a través de caudalosos ríos. El agua en estos ríos tiene una enorme cantidad de energía mecá nica potencial, y para aprovechar esta energía se seleccionan cauces de ríos que tienen algunas características importantes que incluyen amplio caudal de agua y diferencias importantes de altura en corta distancia. El ciclo hidrológico continua con la formación de arroyuelos y ríos que descienden desde las montañas a las llanuras y mar, completándose comple tándose de esta manera el ciclo termodinámico (calderas, sol, condensador, atmósfera). En este recorrido de agua de los ríos es posible aprovechar parte de la energía que posee y obtener trabajo útil, que de otra manera se perdería en rozamientos. En efecto en un punto determinado del rio el agua posee energía cinética y energía potencial; la primera es pequeña comparada con la segunda, ya que raramente excede los 20 J/kg, mientras que la energía potencial puede superar los 3000 J/kg.
5.1 GENERALIDADES DE DISEÑO DE INSTALACIONES HIDRÁULICAS EN VASOS Y REPRESAS. El agua dulce suministrada por la naturaleza, además de servir para otros fines, tales como limpieza, enfriamiento, consumo etc., se utiliza también para almacenar energía potencial y convertirla en energía cinética al controlar un caudal de esta misma. Al caer y ejercer fuerza sobre los alabes de maquinas giratorias llamadas turbinas, que a su vez mueven generadores que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. A dicha instalación se le llama una central hidroeléctrica generadora de energía eléctrica. Las plantas hidroeléctricas aprovechan los caudales y caídas de agua. Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua, de su evaporación se forman nubes y eventualmente lluvia fluye a través de caudalosos ríos. El agua en estos ríos tiene una enorme cantidad de energía mecá nica potencial, y para aprovechar esta energía se seleccionan cauces de ríos que tienen algunas características importantes que incluyen amplio caudal de agua y diferencias importantes de altura en corta distancia. El ciclo hidrológico continua con la formación de arroyuelos y ríos que descienden desde las montañas a las llanuras y mar, completándose comple tándose de esta manera el ciclo termodinámico (calderas, sol, condensador, atmósfera). En este recorrido de agua de los ríos es posible aprovechar parte de la energía que posee y obtener trabajo útil, que de otra manera se perdería en rozamientos. En efecto en un punto determinado del rio el agua posee energía cinética y energía potencial; la primera es pequeña comparada con la segunda, ya que raramente excede los 20 J/kg, mientras que la energía potencial puede superar los 3000 J/kg.
Componentes principale principaless de una central hidroeléctrica La presa, que se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse. Rebosaderos, elementos elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida sin que pase por la sala de máquinas. Destructores de energía, que se utilizan para evitar que la energía que posee el agua que cae desde los salientes de una presa de gran altura produzcan, al chocar contra el suelo, grandes erosiones en el terreno. Básicamente encontramos dos tipos de destructores de energía: Los dientes o prismas de cemento, que provocan un aumento de la turbulencia y de los remolinos. Los deflectores de salto de esquí, que disipan la energía haciendo aumentar la fricción del agua con el aire y a través del choque con el colchón de agua que encuentra a su caída.
Sala de máquinas. Construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas, alternadores…) y elementos de regulación y control de la central.
Turbina. Elementos que transforman en energía mecánica la energía cinética de una corriente de agua. Alternador. Tipo de generador eléctrico destinado a transformar la energía mecánica en eléctrica. Conducciones. La alimentación del agua a las turbinas se hace a través de un sistema complejo de canalizaciones. En el caso de los canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial mediante estructuras de hormigón. Su construcción está siempre condicionada a las condiciones geográficas. Por eso, la mejor solución es construir un túnel de carga, aunque el coste de inversión sea más elevado. La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a través de una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para saltos de agua de hasta 2000m y hormigón para saltos de agua de 500m. Válvulas, dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las tuberías. Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar el llamado “ golpe de ariete”, que se produce cuando hay un cambio
repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas en una instalación hidráulica.
La presa La presa es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica. Se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse. Con la construcción de una presa se consigue un determinado desnivel de agua, que es aprovechado para conseguir energía. La presa es un elemento esencial y su forma depende principalmente de la orografía del terreno y del curso del agua donde se tiene que situar. Las presas se pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en presas de tierra y presas de hormigón. Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas. Hay tres tipos de presas de hormigón en función de su estructura:
Presas de gravedad. Son presas de hormigón triangulares con una base ancha que se va haciendo más estrecha en la parte superior. Son construcciones de larga duración y que no necesitan mantenimiento. La altura de este tipo de presas está limitada por la resistencia del terreno.
Presa de vuelta. En este tipo de presas la pared es curva. La presión provocada por el agua se transmite íntegramente hacia las paredes del valle por el efecto del arco. Cuando las condiciones son favorables, la estructura necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero es difícil encontrar lugares donde se puedan construir.
Presas de contrafuertes. Tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base.
En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas. La turbina hidráulica Las turbinas hidráulicas son el elemento fundamental para el aprovechamiento de la energía en las centrales hidráulicas. Transforman en energía mecánica la energía cinética (fruto del movimiento) de una corriente de agua. Su componente más importante es el rotor , que tiene una serie de palas que son impulsadas por la fuerza producida por el agua en movimiento, haciéndolo girar. Funcionamiento de una central hidroeléctrica La presa, situada en el curso de un río, acumula artificialmente un volumen de agua para formar un embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se transformará en electricidad. Para esto, la presa se sitúa aguas arriba, con una válvula que permite controlar la entrada de agua a la galería de presión; previa a una tubería forzada que conduce el agua hasta la turbina de la sala de máquinas de la central. El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética (es decir, va perdiendo fuerza y adquiere velocidad). Al llegar a la sala de máquinas el agua actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía rotatoria en corriente alterna de media tensión.
El agua, una vez ha cedido su energía, es restituida al río aguas abajo de la central a través de un canal de desagüe.
Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno donde se sitúa la central condicionan en gran parte su diseño. Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos:
Centrales de agua fluyente. En este caso no existe embalse, el terreno no tiene mucho desnivel y es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. Durante la temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En cambio, durante la época seca, la potencia
disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano.
Centrales de embalses. Mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales donde se almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas. El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el embalse puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque completamente durante algunos meses, cosa que sería imposible con una central de agua fluyente. Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de agua fluyente. Dentro de estos tipos existen dos variantes de centrales:
Centrales a pie de presa: en un tramo de río con un desnivel apreciable se construye una presa de una altura determinada. La sala de turbinas está situada después de la presa.
Centrales por derivación de las aguas: las aguas del río son desviadas mediante una pequeña presa y son conducidas mediante un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible, hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga o de presión. De esta sala arranca una tubería forzada que va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua es devuelta río abajo, mediante un canal de descarga. Se consiguen desniveles más grandes que en las centrales a pie de presa.
Centrales de bombeo o reversibles. Son un tipo especial de centrales que hacen posible un uso más racional de los recursos hidráulicos.
Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser:
Centrales hidráulicas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.
Minicentrales hidráulicas: entre 1MW y 10MW.
Microcentrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.
5.2 TURBINAS HIDRÁULICAS, CLASIFICACIÓN, CAPACIDADES Y CARACTERÍSTICAS GENERALES. Una turbina hidráulica es una máquina que transforma la energía de un fluido (energía cinética y potencial), normalmente agua, en energía mecánica de rotación. La energía del agua puede ser por la caída en un salto de agua o por la propia corriente de agua.
Normalmente esta energía de rotación se utiliza para transformarla en energía eléctrica, mediante el acoplamiento de la turbina a un generador en las centrales hidráulicas. La caída del agua y/o el paso del agua por ella hace girar la turbina y el eje de la turbina, que está acoplado al generador, hace que este último gire produciendo energía eléctrica. Las turbinas hidráulicas tienen un rendimiento muy alto que incluso puede llegar al 90%.
Clasificación de las Turbinas Hidráulicas Según
la
colocación
de
su
eje:
El eje de
la
turbina
puede
colocarse horizontal o vertical. Según la dirección en que entra el agua las turbinas pueden ser: Turbinas radiales-axiales: El agua entra en el rodete de forma radial para posteriormente cambiar de dirección y salir paralela al eje de rotación de la turbina, es decir axial o en la dirección del eje. Fíjate en la imagen de abajo.
Turbinas axiales: el agua entra y sale paralela al eje de rotación de la turbina.
Turbinas Tangenciales: El agua golpea el rodete en su periferia. También hay otra clasificación, quizás la más importante, y es según el grado de reactividad, o lo que es lo mismo como mueve el eje de la turbina el agua. Hay dos tipo, de acción y de reacción. De acción: La incidencia del agua y el sentido del giro del rodete coincide en el punto en el que se produce el choque del agua sobre los álabes. Toda la energía cinética con la que llega el agua a la turbina es utilizada para su giro. La energía de presión que el agua posee a su entrada, al ser dirigida al rodete directamente, se convierte totalmente en energía cinética (movimiento) en el rodete. La presión del agua a la entrada y a la salida es la misma.
De reacción: El sentido de giro del rodete no coincide con la dirección de entrada y salida del agua. Estas turbinas utilizan energía cinética y de presión para mover el rodete y la presión del agua a la salida es inferior a la de entrada. Antes de llegar el agua al rodete parte de la energía de presión que trae el agua en su caída se transforma en energía cinética en el distribuidor, girando alrededor de él. El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la totalidad de la periferia de éste, siendo por tanto la admisión del agua total.
Turbina Pelton; También llamada "Rueda Pelton" es una turbina de acción o de chorro, tangencial y normalmente de eje horizontal. Se utiliza en saltos de agua de gran altura (superiores a 200m) y con pequeños caudales de agua (hasta 10 metros cúbicos por segundo). El distribuidor está formado por una o varias entradas de agua al rodete. Los álabes que están situados sobre la periferia del rodete tienen forma de cuchara. La fuerza del impulso del agua es la responsable del giro de la turbina.
Turbina Francis. Es una turbina de reacción, radial-axial, normalmente de eje vertical, aunque pueden ser horizontal como muestra la figura de más abajo. Se utiliza en saltos de altura intermedia (hasta los 200m) y con caudales muy variados de agua, entre 2 y 200 metros cúbicos por segundo. El distribuidor está compuesto de aletas móviles para regular el caudal de agua que conduce al rodete. El agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él.
Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto de denomina distribuidor. Se utiliza en sitios de muy diversas alturas de caída de agua y
caudales. Esta turbina se puede utilizar en un gran rango de saltos y caudales de agua, es la más versátil. Algunas pueden variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento.
Turbina Kaplan. La turbina Kaplan es de reacción pura, radial-axial, y normalmente de eje vertical. Las características técnicas y de construcción son muy parecidas en ambos tipos (Francis y Kaplan). Se utiliza en saltos de pequeña altura de agua (hasta 50m) y con caudales que suelen superar los 15 metros cúbicos por segundo. Para mucho caudal de agua a poca altura esta turbina es la mejor opción. Pueden variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento.
¿Cómo Elegir el Tipo de Turbina? Donde se muestra el tipo de turbina ideal en función del caudal y la altura de caída del agua.
5.3 ARREGLOS DE INSTALACIONES HIDROELÉCTRICAS, DATOS DE DISEÑO, EFICIENCIAS DE CONJUNTO Y PRODUCCIÓN ELÉCTRICA. ¿Qué rendimientos podemos evaluar en una instalación hidroeléctrica? El rendimiento o eficiencia en una central hidroeléctrica es el cociente entre la energía de salida y la energía de entrada del elemento en cuestión (circuito, alternador, turbina, grupo, etc.). La determinación de estos rendimientos requiere por tanto la medida y el cálculo de una serie de parámetros, tales como: potencia eléctrica, pérdidas, caudales, salto neto, salto bruto, salto estático, velocidades, aceleración de la gravedad, densidades, cotas, etc. En la figura de la derecha se presentan, para el caso concreto de una central con conducción forzada, algunos de estos parámetros.
Rendimiento de la turbina (ηt): se define, en función de potencias (P), por la
expresión:
Potencia de entrada a la turbina (Pe):
Donde ρ = densidad del agua
g = aceleración local de la gravedad Qt = caudal turbinado Hn = salto neto Potencia de salida de la turbina (Pt):
Donde Pt = potencia en el eje de la turbina Pa = potencia en barras del alternador δa = pérdidas del alternador δv = pérdidas en volantes de inercia δc = pérdidas en cojinetes δg = pérdidas en engranajes
Con lo cual la expresión del rendimiento de la turbina, expresado en %, queda como :
Rendimiento del circuito hidráulico (ηh): el circuito hidráulico es el elemento de
transporte del fluido, su eficacia se mide en términos de pérdida de carga y se define como:
Donde Phn = potencia hidráulica neta Pht = potencia hidráulica total disponible Hn = salto neto
HT = salto total Rendimiento del alternador (ηa): es la relación entre la potencia eléctrica
desarrollada por el alternador (Pa) y la potencia mecánica absorbida por el mismo (Pma).
Rendimiento del grupo (ηg): es el rendimiento del conjunto turbina -alternador.
Rendimiento total de la instalación (ηI): se define como la relación entre la potencia
eléctrica desarrollada por los alternadores (Pa) y la potencia hidráulica total disponible (Pht).
¿Por qué interesa conocer los rendimientos de una central hidroeléctrica? El conocimiento de los diferentes rendimientos de una central hidroeléctrica, dotada de uno o varios grupos turbina-alternador, se traduce en una mejor explotación de la misma mediante la optimización del aprovechamiento del agua disponible. Adicionalmente, sirve para realizar un seguimiento del estado de la unidad, cuyo desgaste y deterioro, en cada momento, se traduce en una pérdida de rendimiento de la instalación. Se enumeran a continuación algunos de los b eneficios que permite el conocimiento de los rendimientos:
Maximizar la energía producida por la planta.
Determinar el grado de cumplimiento de las garantías contractuales ofertadas por el fabricante.
Determinar, en máquinas de doble regulación, la correlación óptima de aperturas (leva) entre palas del rodete y álabes del distribuidor.
Determinar en turbinas Pelton la secuencia óptima de funcionamiento de inyectores. Evaluar la posibilidad de una mejora energética mediante la sustitución de alguno de los elementos de la turbina, por ejemplo, mediante el cambio del rodete.
Evaluar la importancia del sistema de aireación de la turbina, en las prestaciones de la máquina.
Controlar el grado de deterioro de las conducciones con el paso del tiempo. Verificar el cumplimiento de las garantías de diseño y construcción del circuito.
Conocer las pérdidas de carga que se producen en los diferentes elementos de la instalación.
Valorar las alteraciones producidas en el rendimiento como consecuencia de reparaciones o modificaciones realizadas.
Determinar el caudal turbinado por cada uno de los grupos de la instalación.
Potencia de una central hidroeléctrica La potencia
de
una
central
hidroeléctrica se
mide
generalmente
en megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:
donde:
Pe = potencia en vatios (W)
ρ = densidad del fluido en kg/m³
ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0.75 y 0.94)
ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0.92 y 0.97)
ηm =
rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador
(0.95/0.99)
Q = caudal turbinable en m³/s
H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros
En una central hidroeléctrica se define:
Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible.
Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.
5.4 EQUIPOS ELECTROMECÁNICOS COMPLEMENTARIOS. La Casa de Máquinas concentra los equipos electromecánicos directamente responsables por la producción de la energía de una central hidroeléctrica. En ella están la caja espiral, la turbina, el generador, el sistema de excitación y el regulador de velocidad.
Relevador de control
Transformador
Generador eléctrico
Regulador de velocidad
5.5 EQUIPOS ELÉCTRICOS, BARRAS DE GENERADORES, TABLEROS DE CONTROL Y SUBESTACIÓN ELÉCTRICA.
Tableros de control para centrales hidroeléctricas La empresa diseño y programó el tablero de control para diversas centrales hidroeléctricas. El mismo sirve para monitorear y regular la frecuencia en función del caudal de agua y el consumo energético, entre otras.
En el interior del tablero se observa a grandes rasgos las placas driver y MCU. Las protecciones termicas y los relé de seguridad de voltaje y frecuencia, en el exterior de del tablero se encuentra el analizador de fases y la llave térmica para el consumo. La turbina se puede fabricar para presiones de trabajo en acuerdo a la altura del salto de agua en donde va a trabajar. Se diseñan desde 1 kg/cm2 hasta 20 kg/cm2. Para capacidades mayores de generación, hay modelos de hasta 2000 KVA, pero está en proyecto actualmente una unidad de 6000 KVA. Estas unidades funcionan en embalses de ríos, o pequeños lagos.
Poseen control de compuerta, y control de flujo de cañería de alimentación. La caja multiplicadora de velocidades se coloca para adaptar la velocidad de trabajo de la turbina, a la velocidad del generador (normalmente de 1500 rpm). También se realizó un trabajo para otro de nuestros clientes en el cual se realizó también un tablero, el cual posee amperímetros y voltímetros; analizador de fase; sin cronoscopio y llave termo-magnética. En el interior del tablero se observa por un lado la parte de potencia en donde se puede apreciar la parte trasera de dicha llave con barras colocadas con sus respectivos trasformadores de medición. Por otro lado se ve la parte de comando conformado en su mayor parte por un PLC.
Red de energía eléctrica. En una central hidroeléctrica, el agua que cae de una presa hace girar turbinas que impulsan generadores eléctricos. La electricidad se transporta a una estación de transmisión, donde un transformador convierte la corriente de baja tensión en una corriente de alta tensión. La electricidad se transporta por cables de alta tensión a las estaciones de distribución, donde se reduce la tensión mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las líneas primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000 voltios o más. Las líneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de 220 o 110 voltios.
El desarrollo actual de los rectificadores de estado sólido para alta tensión hace posible una conversión económica de alta tensión de corriente alterna a alta tensión de corriente continua para la distribución de electricidad. Esto evita las pérdidas inductivas y capacitivas que se producen en la transmisión de corriente alterna. La estación central de una instalación eléctrica consta de una máquina motriz, como una turbina de combustión, que mueve un generador eléctrico. La mayor parte de la energía eléctrica del mundo se genera en centrales térmicas alimentadas con carbón, aceite, energía nuclear o gas; una pequeña parte se genera en centrales hidroeléctricas, diesel o provistas de otros sistemas de combustión interna. Las líneas de conducción se pueden diferenciar según su función secundaria en líneas de transporte (altos voltajes) y líneas de distribución (bajos voltajes). Las primeras se identifican a primera vista por el tamaño de las torres o apoyos, la distancia entre conductores, las largas series de platillos de que constan los aisladores y la existencia de una línea superior de cable más fino que es la línea de tierra. Las líneas de distribución, también denominadas terciarias, son las últimas existentes antes de llegar la electricidad al usuario, y reciben aquella denominación por tratarse de las que distribuyen la electricidad al último eslabón de la cadena. Las líneas de conducción de alta tensión suelen estar formadas por cables de cobre, aluminio o acero recubierto de aluminio o cobre. Estos cables están suspendidos de postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesión de aislantes de porcelana. Gracias a la utilización de cables de acero recubierto y altas torres, la distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido de las líneas de conducción; las más modernas, con tendido en línea recta, se construyen con menos de cuatro
torres por kilómetro. En algunas zonas, las líneas de alta tensión se cuelgan de postes de madera; para las líneas de distribución, a menor tensión, suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres de acero. En las ciudades y otras áreas donde los cables aéreos son peligrosos se utilizan cables aislados subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circule aceite a baja presión. El aceite proporciona una protección temporal contra el agua, que podría producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos con muchos cables y aceite a alta presión (unas 15 atmósferas) para la transmisión de tensiones de hasta 345 kilovoltios Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación
contra
cortocircuitos
y
sobrecargas
y
para
realizar
las operaciones de conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales. Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger los generadores y las secciones de las líneas de conducción primarias, están sumergidos en un líquido aislante, por lo general aceite. También se utilizan campos magnéticos para romper el arco.
FALLOS DEL SISTEMA En muchas zonas del mundo las instalaciones locales o nacionales están conectadas formando una red. Esta red de conexiones permite que la electricidad generada en un área se comparta con otras zonas. Cada empresa aumenta su capacidad de reserva y comparte el riesgo de apagones. Estas redes son enormes y complejos sistemas compuestos y operados por grupos diversos. Representan una ventaja económica pero aumentan el riesgo de un apagón generalizado, ya que si un pequeño cortocircuito se
produce en una zona, por sobrecarga en las zonas cercanas se puede transmitir en cadena a todo el país. Muchos hospitales, edificios públicos, centros comerciales y otras instalaciones que dependen de la energía eléctrica tienen sus propios generadores para eliminar el riesgo de apagones.
REGULACIÓN DEL VOLTAJE Las largas líneas de conducción
presentan
inductancia,
capacitancia
y resistencia al paso de la corriente eléctrica. El efecto de la inductancia y de la capacitancia de la línea es la variación de la tensión si varía la corriente, por lo que la tensión suministrada varía con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de dispositivos para regular esta variación no deseada. La regulación
de
la
tensión
la inducción y motores síncronos
se
consigue de
tres
con
reguladores fases,
de
también
llamados condensadores síncronos. Ambos varían los valores eficaces de la inductancia y la capacitancia en el circuito de transmisión. Ya que la inductancia y la capacitancia tienden a anularse entre sí, cuando la carga del circuito tiene mayor reactancia inductiva que capacitiva (lo que suele ocurrir en las grandes instalaciones) la potencia suministrada para una tensión y corriente determinadas es menor que si las dos son iguales. La relación entre esas dos cantidades de potencia se llama factor de potencia. Como las pérdidas en las líneas de conducción son proporcionales a la intensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el factor de potencia tenga un valor lo más cercano posible. PERDIDA DURANTE EL TRANSPORTE La energía se va perdiendo desde la central eléctrica hasta cada hogar de la ciudad por: RESISTIVIDAD: Que provoca que la corriente eléctrica no llegue con la misma intensidad debido a la oposición que presenta el conductor al paso de la corriente.
CAPACITANCIA: Porque a medida que se transfiera más carga al conductor, el potencial del conductor se vuelve más alto, lo que hace más difícil transferirle más carga. El conductor tiene una capacitancia determinad a para almacenar carga que depende del tamaño y forma del conductor, así como de su medio circundante. La fuerza eléctrica que "empuja" los electrones es medida en Voltios. (La primera pila eléctrica fue inventada por el científico italiano Alejandro Volta, y en su honor se le denominó "Voltio" a esta medida eléctrica). En México utilizamos energía eléctrica de 110 voltios en nuestros hogares, pero en la industria y otras actividades se emplean, en ciertos casos, 220 voltios e incluso voltajes superiores para mover maquinaria y grandes equipos. En países europeos lo normal es el uso de 220 voltios para todos los aparatos eléctricos del hogar. subestación eléctrica Una subestación eléctrica es una instalación destinada a establecer los niveles de tensión adecuados para la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Su equipo principal es el transformador. Normalmente está dividida en secciones, por lo general tres principales (medición, cuchillas de paso e interruptor), y las demás son derivadas. Las secciones derivadas normalmente llevan interruptores de varios tipos hacia los transformadores. Como norma general, se puede hablar de subestaciones eléctricas «elevadoras», situadas en las inmediaciones de las centrales generadoras de energía eléctrica, cuya función es elevar el nivel de tensión, hasta 132, 220 o incluso 400 kV, antes de entregar la energía a la red de transporte; y subestaciones eléctricas «reductoras», que reducen el nivel de tensión hasta valores que oscilan, habitualmente, entre 10 y los 66 kV y entregan la energía a
la red
de
distribución.
Posteriormente,
los centros
de
transformación reducen los niveles de tensión hasta valores comerciales (baja tensión) aptos para el consumo doméstico e industrial, típicamente 400 V.
Transformador de alta tensión usado en las subestaciones de electricidad. Existen dos razones técnicas que explican por qué el transporte y la distribución en energía eléctrica se realizan a tensiones elevadas, y en consecuencia, por qué son necesarias las subestaciones eléctricas:
Las pérdidas de potencia que se producen en un conductor por el que circula una corriente eléctrica, debido al efecto Joule, son directamente proporcionales al valor de esta (
).
La potencia eléctrica transportada en una red es directamente proporcional al valor de su tensión y al de su intensidad (
).
Por tanto, cuanto mayor sea el valor de la tensión, menor deberá ser el de intensidad para transmitir la misma potencia y, en consecuencia, menores serán las pérdidas por efecto Joule. Además de transformadores, las subestaciones eléctricas están dotadas de elementos de maniobra (interruptores, seccionadores, etc.) y protección (fusibles, interruptores automáticos, etc.) que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y operación de las redes de distribución y transporte.
¿Qué es una subestación? Las subestaciones eléctricas son las instalaciones
encargadas
de
realizar transformaciones de la tensión, de la frecuencia, del número de fases o la conexión de dos o más circuitos. Pueden
encontrarse
junto
a
las centrales generadoras y en la periferia de las zonas de consumo, en el exterior o interior de los edificios. Actualmente en las ciudades las
subestaciones están en el interior de los edificios para ahorrar espacio y contaminación. En cambio, las instalaciones al aire libre están situadas en las afueras de la ciudad. Las subestaciones pueden ser de dos tipos:
Subestaciones de transformación : son las encargadas de transformar la energía eléctrica mediante uno o más transformadores. Estas subestaciones pueden ser elevadoras o reductoras de tensión.
Subestaciones de maniobra : son las encargadas de conectar dos o más circuitos y realizar sus maniobras. Por lo tanto, en este tipo de subestaciones no se transforma la tensión.
2. Subestaciones transformadoras elevadoras
Elevan la tensión generada de media a alta o muy alta para poderla transportar. Se encuentran al aire libre y están situadas al lado de las centrales generadoras de electricidad. La tensión primaria de los transformadores suele estar entre 3 y 36kV. Mientras que la tensión secundaria de los transformadores está condicionada
por la tensión de la línea de transporte o de interconexión (66, 110, 220 ó 380 kV). 3. Subestaciones transformadoras reductoras Son subestaciones con la función de reducir la tensión de alta o muy alta
a tensión media para su posterior distribución. La tensión primaria de los transformadores depende de la tensión de la línea de transporte (66, 110, 220 ó 380 kV). Mientras que la tensión secundaria de los transformadores está condicionada por la tensión de las líneas de distribución (entre 6 y 30kV). 4. Principales tipos de averías y sus sitemas de protección Las averías más frecuentes que se producen en los circuitos eléctricos son:
Cortocircuito: es la conexión voluntaria o accidental de dos puntos de un circuito entre los que hay unadiferencia de potencial. Estas averías se tienen que eliminar en un tiempo inferior a los 5 segundos.
Los sistemas de protección utilizados son: o
Fusibles.
o
Seccionadores.
o Interruptores electromagnéticos.
Sobreintensidad: es una intensidad superior a la nominal y puede producir a su tiempo una sobrecarga o un cortocircuito. Se entiende por sobrecarga un aumento de corriente que sobrepasa la corriente nominal.
Los sistemas de protección utilizados son: o
Fusibles
o Interruptores electromagnéticos y magnetotérmicos.
Contacto directo: es el contacto entre personas y partes activas de la instalación. Los sistemas de protección utilizados son:
o Aislar las partes activas de la instalación. o Habilitar una distancia de seguridad mediante obstáculos.
Contacto indirecto: contacto de personas con masas que se encuentran accidentalmente en tensión, como por ejemplo suele pasar con las carcasas de las máquinas eléctricas.
La protección contra contactos indirectos más utilizada es la que combina el interruptor diferencial con las masas de tierra.
Perturbaciones:
o Sobretensiones: tensiones superiores al valor máximo que pueden existir entre dos puntos de una instalación eléctrica. Para evitar las sobretensiones se utilizan relés de protección contra sobretensiones. o Subtensiones: tensión inferior a la tensión nominal de funcionamiento del
circuito.
Para
evitar
las
subtensiones
se
instalan relés
de
protección contra subtensiones. 5. Definición de los sistemas de protección Es necesario tener sistemas de protección a las diferentes instalaciones eléctricas, como son: Cortacircuitos fusible Son
dispositivos
destinados
a
cortar
automáticamente el
circuito
eléctrico cuando la corriente eléctrica que los atraviesa es muy alta. El fusible es la parte de un circuito que se funde si pasa de una intensidad superior para la que se construyó.
El fusible es solo la lámina o hilo conductor destinado a fundirse y, por lo tanto, a cortar el circuito, mientras que el cortacircuitos fusible comprende, además, la carcasa, los materiales de soportes, etc. Relé térmico Dispositivo de protección que tiene la capacidad de detectar las
intensidades no admisibles . Por sí solo no puede eliminar la avería y necesita otro elemento que realice la desconexión de los receptores. Se suele utilizar una lámpara de señalización al cerrar el circuito para indicar que el relé térmico ha actuado debido a unasobreintensidad no admisible . Interruptor magnetotérmico Dispositivo electromecánico con capacidad para cortar, por sí mismo, las sobreintensidades no admisibles y los cortocircuitos que se puedan producir.
Desconexión por cortocircuito: actúa por principio de funcionamiento magnético. Una bobina magnética crea una fuerza que por medio de un sistema de palancas se encarga de abrir el contacto móvil (entrada de corriente).
Si la corriente eléctrica que atraviesa el interruptor automático supera la intensidad nominal de distintas veces, su apertura tiene lugar a un tiempo inferior a 5 ms.
Desconexión por sobrecarga: en este caso actúa por principio de funcionamiento térmico.
Un bimetal se curva cuando es atravesado por una sobreintensidad no admisible y origina una fuerza que se transmite por medio de palancas y desconecta el contacto móvil.
El tiempo de actuación lo determina la intensidad que lo atraviesa: a más intensidad menos tiempo tarda en actuar. Interruptor diferencial Dispositivo de protección que detecta y elimina los defectos de aislamiento. Este dispositivo tiene mucha importancia en las instalaciones eléctricas y necesita estar protegido de las sobreintensidades y cortocircuitos, colocando un interruptor magnetotérmico antes del mismo. Durante el funcionamiento de este dispositivo en situaciones de normalidad, la corriente que entra en un receptor tiene el mismo valor que el que sale de este. Sin embargo, en caso de que haya un defecto de aislamiento, se producirá un desequilibrio entre la corriente de entrada y la de salida; la variación de corriente no será nula. El interruptor diferencial actúa abriendo el circuito cuando detecta que esta variación de corriente no es nula . Interruptor o relé electromagnético Protegen las instalaciones eléctricas sometidas a picos de corriente fuertes (por ejemplo, cuando se arrancan motores en aparatos de elevación), contra las sobrecargas importantes. Seccionadores Dispositivo mecánico de conexión y desconexión que permite cambiar las conexiones del circuito para aislar un elemento de la red eléctrica o una parte de la misma del resto de la red. Antes de poder utilizar el seccionador se debe cortar la corriente eléctrica
del circuito.
¿Qué es una estación transformadora?: al igual que la subestación, la estación transformadora es una instalación formada por elementos de mando, corte, medida, regulación, transformación y protección; y cuya misión es la de reducir los valores de alta tensión procedentes de las subestaciones transformadoras en valores de media tensión.
¿Cuáles son los valores de alta y media tensión?: en la siguiente tabla se resume esta cuestión.
TIPOS
DE
SUBESTACIONES
TRANSFORMADORAS
SEGÚN
SU
FUNCIÓN Atendiendo a la función que desempeñan dentro de la red de transporte de energía eléctrica se distinguen los siguientes tipos de subestaciones transformadoras:
– De interconexión: en este caso no existe transformación de la energía
eléctrica, ya que su única labor es la de disponer de la aparamenta necesaria para realizar la interconexión de varias líneas correctamente. Esto ocurre cuando el trazado de varias líneas confluyen en un mismo lugar, disponiendo de este tipo de subestaciones evitaremos que puedan existir problemas en dichas líneas debidos a la proximidad de ambas entre sí. – De transformación pura: básicamente su labor es la descirta anteriormente: “es aquella instalación compuesta por los adecuados elementos de mando,
corte, medida, regulación, transformación y protección; y cuya misión es la de reducir los valores de muy alta tensión a valores aptos para la distribución eléctrica”. Su disposición más normal es la de recibir dos líneas en muy alta
tensión y derivar en una en alta tensión. – Interconexión con transformación: misma función que las de interconexión
simple, con la función añadida de la transformación de la corriente eléctrica. Su uso es muy extendido. – De central: este tipo de subestaciones se disponen a pie de las centrales
generadoras de energía eléctrica. Su uso viene dado por la imposibilidad de construir estaciones elevadoras en la proximidad de algunas centrales. De esta manera realizamos la elevación de la tensión en la misma central sin la necesidad de disponer de una segunda estación elevadora, se podría decir que las subestaciones transformadoras de central son en realidad estaciones elevadoras con distinto nombre ya que realizan la misma función.
