Calidad y distribución de energía en la red eléctrica

Parte 1: Distribución de energía - El "sistema de autopistas" para la electricidad

La distribución eléctrica es la etapa final del suministro de electricidad desde la central generadora hasta el usuario final (hogares, empresas, industrias). Imagínela como la red de carreteras locales y regionales que transporta mercancías desde un almacén central hasta su puerta.

Componentes clave de un sistema de distribución:

1. Subestaciones de distribución: Reciben energía de alto voltaje de las líneas de transmisión y utilizan transformadores para "reducir" el voltaje a niveles más bajos (por ejemplo, de 138 kV a 13 kV o 4 kV).

2. Alimentadores primarios: Los circuitos principales (generalmente sobre postes de madera o subterráneos) que transportan esta energía de media tensión a través de un área de servicio.

3. Transformadores de distribución: Las conocidas cajas grises en los postes o las cajas verdes en el suelo. Estas reducen aún más el voltaje al nivel de utilización final (por ejemplo, 120/240 V para hogares, 480 V para fábricas).

4. Líneas de distribución secundarias: Las líneas de baja tensión que van desde el transformador de distribución hasta el contador del cliente.

5. Interruptores, fusibles y disyuntores: Dispositivos de protección que aíslan las secciones defectuosas para evitar apagones generalizados.

El objetivo de la distribución de energía: Suministrar energía eléctrica de forma fiable y eficiente a todos los clientes, con mínimas interrupciones y al nivel de tensión estándar.

Parte 2: Calidad de la energía: la "salud" de la electricidad

Calidad de la energía es una medida de la precisión con la que la fuente de alimentación eléctrica se ajusta a las características ideales. La fuente de alimentación ideal es una onda sinusoidal perfecta con una constante:

• Magnitud de voltaje (ej., 120 V)

• Frecuencia (60 Hz en Norteamérica, 50 Hz en muchos otros lugares)

• Forma de onda suave y sin distorsiones

Cuando el suministro en el mundo real se desvía de este ideal, tenemos un problema de "calidad de la energía".

Problemas comunes de calidad de la energía:

1. Caídas de tensión (Bajadas de tensión):

   • Qué es: Una reducción de voltaje a corto plazo (ciclos a un minuto).

   • Causas: Arranque de motores grandes (por ejemplo, ascensores, unidades de aire acondicionado), fallas en líneas adyacentes.

   • Efectos: Los equipos sensibles como ordenadores, PLC y variadores de velocidad pueden reiniciarse o funcionar mal.

2. Aumentos de tensión:

   • Qué es: Un aumento de voltaje a corto plazo.

   • Causas: Desconexión repentina de la carga, descargas eléctricas.

   • Efectos: Puede dañar el aislamiento y acortar la vida útil del equipo.

3. Armonía :

   • Qué es: Distorsiones de la onda sinusoidal fundamental, causadas por múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

   • Causas: Cargas no lineales que consumen corriente en pulsos en lugar de de forma continua (por ejemplo, ordenadores, luces LED, variadores de frecuencia, sistemas UPS).

   • Efectos: Sobrecalentamiento de transformadores y conductores neutros, mal funcionamiento de equipos electrónicos, fallos en bancos de condensadores.

4. Transitorios (Picos y Sobretensiones):

   • Qué es: Ráfagas de voltaje muy cortas y de alta energía.

   • Causas: Rayos, maniobras de conmutación de servicios públicos, descargas electrostáticas.

   • Efectos: Daños inmediatos y catastróficos a los componentes electrónicos.

5. Interrupciones (Cortes de servicio):

   • Qué es: Pérdida total de tensión.

   • Causas: Averías (por ejemplo, la caída de un árbol sobre una línea), fallos en los equipos.

   • Efectos: Parada del proceso, pérdida de datos, inconvenientes.

6. Parpadeo:

   • Qué es: Cambios rápidos y visibles en la intensidad de la luz.

   • Causas: Cargas cíclicas con variaciones rápidas (por ejemplo, hornos de arco eléctrico, soldadoras grandes).

   • Efectos: Fatiga ocular, molestias; puede ser problemático para procesos de fabricación sensibles.

El vínculo crítico: cómo interactúan la distribución de energía y la calidad de la energía

La relación es simbiótica y a menudo antagónica. El sistema de distribución es a la vez... fuente de y el solución Demasiados problemas de calidad de energía.

1. El sistema de distribución como fuente de problemas:

• Fallas en la red eléctrica: Un cortocircuito a kilómetros de distancia en un alimentador de distribución puede provocar una caída de tensión que afecta a todos los clientes conectados a ese alimentador.

• Operaciones de conmutación: Cuando la compañía eléctrica reconfigura la red para aislar una avería o realizar tareas de mantenimiento, puede provocar sobretensiones transitorias o interrupciones breves.

• Interacciones de carga: La actividad de un gran cliente industrial (como una fábrica con motores grandes) puede crear caídas de tensión y armónicos que se propagan a través del sistema de distribución y afectan a sus vecinos.

2. El sistema de distribución como víctima de los problemas:

• Armónicos generados por el cliente: La proliferación de cargas no lineales (como los aparatos electrónicos modernos) en hogares y negocios introduce armónicos en el sistema de distribución. Esto puede provocar sobrecalentamiento y fallos prematuros en equipos de la compañía eléctrica, como transformadores y condensadores.

• Factor de potencia deficiente: Las cargas industriales, como los motores de inducción, pueden provocar un factor de potencia en retraso, lo que obliga a la compañía eléctrica a generar y transmitir más corriente de la realmente útil, lo que conlleva ineficiencia y caídas de tensión en la red de distribución.

3. El sistema de distribución como solución:
Las empresas de servicios públicos y los ingenieros trabajan constantemente para mejorar el sistema de distribución y optimizar la calidad del suministro eléctrico.

• Reguladores de voltaje: Ajustar automáticamente el nivel de tensión a lo largo de los alimentadores para mantenerlo dentro de los límites aceptables.

• Bancos de condensadores: Se instalan en postes o en subestaciones para corregir el factor de potencia, lo que mejora la regulación de voltaje y reduce las pérdidas.

• Limitadores de corriente de falla y reconectadores avanzados: Dispositivos que pueden aislar rápidamente las averías con un impacto mínimo en el resto de la red.

• Monitoreo de la calidad de la energía: Instalar sensores en toda la red eléctrica para identificar, localizar y diagnosticar el origen de los problemas de calidad del suministro eléctrico.

El contexto moderno: una calle de doble sentido

Tradicionalmente, la energía fluía en una sola dirección: de la compañía eléctrica al consumidor. Hoy en día, con el auge de Recursos energéticos distribuidos (RED) Al igual que la energía solar fotovoltaica en los tejados, la energía eólica y el almacenamiento en baterías, el sistema de distribución se ha convertido en una compleja vía de doble sentido. Esto plantea nuevos retos en materia de calidad de la energía:

• Aumento de tensión: Cuando una vivienda con paneles solares genera más energía de la que consume, inyecta un voltaje de vuelta a la red eléctrica local, lo que puede provocar sobretensiones en las viviendas vecinas.

• Armónicos inducidos por el inversor: Los inversores utilizados por los paneles solares y las baterías pueden ser una fuente de armónicos si no están diseñados y filtrados adecuadamente.

Entonces,

• Distribución de energía es la infraestructura física diseñada para una entrega fiable.

• Calidad de la energía es la métrica que mide cuán "limpia" y estable es la energía suministrada.

No se puede tener un sistema eléctrico fiable sin considerar ambos aspectos. Un sistema de distribución robusto es fundamental para una buena calidad de la energía, mientras que una mala calidad de la energía puede sobrecargar y dañar la infraestructura de distribución. En nuestro mundo moderno, digital y basado en energías renovables, gestionar su interacción es más importante que nunca.