Conceptos de Redes Eléctricas

 

1.- Redes eléctricas

La energía eléctrica se produce al mismo tiempo que se consume, por eso, la producción se ha de adaptar permanentemente al consumo.

Es por este motivo que el conjunto producción, transporte y utilización constituye un sistema complejo, que se llama «red eléctrica» que debe ser estable.

Una red eléctrica puede ser de poca o mucha potencia, dependiendo del país donde esté. En todos los casos sus características se definen en términos de:

■ Magnitudes eléctricas,

■ Disposición espacial,

■ Datos referidos al tiempo.

 

1.1.- Magnitudes eléctricas

■ La frecuencia: 50 ó 60 Hz, según el país.

■ La tensión: de algunas centenas de voltios a algunas centenas de kV, según se trate de una u otra parte de la red.

La intensidad de la corriente que circula en las líneas y los cables influye sobre estas magnitudes básicas y está ligada a las potencias activa y reactiva que se generan, transportan y consumen.

■ Los alternadores producen la potencia activa a partir de la energía térmica o mecánica y los receptores la consumen también en forma térmica o mecánica.

■ La potencia reactiva se produce o consume en todos los elementos de la red.

Hay que señalar que, en régimen dinámico, las máquinas rotativas (con inercia) almacenan la energía activa, y que la energía reactiva se almacena o en forma magnética (por ejemplo, en los transformadores o máquinas rotativas) o en forma capacitiva (por ejemplo, en los cables).

 

1.2.- Disposición espacial

La estructura topológica varía con:

■ Los continentes,

■ Los países o regiones,

■ Los polígonos industriales (de cientos de metros a decenas de kilómetros),

■ Los edificios del sector servicios.

En los dos primeros casos, hay tres niveles de circulación de la energía:

■ El transporte,

■ El reparto,

■ La distribución.

 

1.3.- Datos temporales

Las variaciones del equilibrio entre la oferta y la demanda de energía producen variaciones en las magnitudes eléctricas básicas, frecuencia y tensión, que, a pesar de eso, se han de mantener dentro de límites aceptables.

 

2.- La calidad de la energía eléctrica

Una red eléctrica tiene, en general, una estabilidad global que se manifiesta en un equilibrio a gran escala en el tiempo y en el espacio del conjunto del sistema producción/transporte/consumo.

Pero un análisis más detallado revela que en realidad hay, de forma permanente y en cualquier lugar, situaciones que provocan fluctuaciones que se van compensando, salvo catástrofes.

Así, la noción de «calidad de la electricidad» se manifiesta en (figura 1):

■ La continuidad del suministro, que es la disponibilidad de la energía eléctrica en un lugar en concreto, que se puede interrumpir, originado cortes breves (< 1 min), o largos (> 1 min).

■ La forma de la onda de tensión (en frecuencia, amplitud y duración); en este caso las perturbaciones se clasifican generalmente según su gama de frecuencias:

□ Fenómenos en alta frecuencia (kHz → MHz): sobretensiones de frente rápido, debidas a rayos o a ciertas maniobras (por ejemplo, de seccionadores, interruptores o de ciertos tipos de interruptores automáticos),

□ Fenómenos en baja frecuencia (50 Hz → kHz): sobretensiones de maniobra, armónicos,

□ Fenómenos a frecuencia industrial (0 → 100 Hz): fluctuaciones rápidas (entre 20 ms y 1 s) o lentas (superiores a un segundo) como son el desequilibrio y las bajadas de tensión debidas a la conexión de grandes cargas o a cortocircuitos en la distribución.

Las variaciones de frecuencia pueden surgir de:

■ Un cortocircuito próximo a una fuente,

■ Una gran variación de la potencia de la fuente,

■ La conmutación de fuentes redundantes o de emergencia.

En este contexto, la estabilidad dinámica estudia los cambios de frecuencia, tensión y potencia que siguen a perturbaciones importantes.

Fig. 1: Perturbaciones de tensión en las redes.

 

3.- Estabilidad de las redes

La estabilidad de las redes se caracteriza por las fluctuaciones de las potencias que circulan por la red y se mide por las variaciones en el tiempo de su tensión y su frecuencia.

Hay que distinguir:

■ La estabilidad en régimen estático, que es la que corresponde a una red con un comportamiento estable, es decir, sometido a pequeñas fluctuaciones y que vuelve a su punto de funcionamiento inicial con oscilaciones transitorias amortiguadas hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio,

■ La estabilidad en régimen transitorio que es el que corresponde al paso de un estado estable estático a otro como resultado de una perturbación prolongada, intencionada o no; este cambio de equilibrio va acompañado de un régimen variable oscilatorio amortiguado que se considera aceptable según unos límites predeterminados de ΔU, Δf, Δt,

■ Se tiene inestabilidad en régimen transitorio cuando, después de una perturbación importante, el régimen oscilatorio es divergente. Éste lleva a un fallo del suministro o un nuevo estado, estable pero inaceptable (por ejemplo, un motor que «es arrastrado» por el generador),

■ Hay estabilidad en régimen dinámico cuando una red está en condiciones de evitar cualquier régimen oscilatorio divergente y es capaz de volver a un estado estable aceptable.

Esto implica la intervención eventual de diversas protecciones y automatismos según las perturbaciones previstas.

Los estudios de estabilidad dinámica consisten en:

■ Prever las principales situaciones críticas, como pueden ser cortocircuitos, fallo de la máquina de energía mecánica, fallo del generador eléctrico, variaciones de carga, sobrecargas de producción...,

■ Prever el comportamiento de la red ante estas perturbaciones,

■ Recomendar las medidas que se deben tomar en la explotación: tipos de protección, ajuste de los relés, desconexión de cargas, configuraciones… para evitar modos de funcionamiento indeseables.

Por tanto, este estudio permite mantener bajo control el comportamiento de la red en cuestión, sea pública o privada, de AT o de BT.

 

4.- Las redes industriales

A continuación se citan algunas de las características determinantes de las redes eléctricas industriales:

■ Extensión geográfica del lugar de hasta varias decenas de hectáreas,

■ Longitud de las conexiones, líneas y cables, que pueden llegar a varios kilómetros para cada uno de los valores de tensión,

■ Fuentes de energía: de distribuidores exteriores, de producción propia (red aislada) y soluciones mixtas,

■ Tensiones: varios valores en una gama que va de 380 V a 90 kV o más,

■ Potencias: de 250 kVA a 100 MVA o más,

■ Cargas: gran abundancia de motores asíncronos; también de cargas especiales relacionadas con la producción (por ejemplo electrólisis, hornos…),

■ Complejidad de la arquitectura de la red que ha de poder alimentar a los consumidores prioritarios, tener redundacias de alimentación y ser reconfigurable,

■ Constantes de tiempo de estabilidad: normalmente de uno a diez segundos.