Andrés Usero Moreno-2014-

RED DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y SUBESTACIONES

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0 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 2

1 COMPONENETES DEL SISTEMA ELÉCTRICO .......................................................... 2

1.1 Instalaciones que forma parte de la Red de Transporte..................................... 4

2 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO ........................................... 5

3 ELEMENTOS DE LA ARQUITECTURA DE LA RED DE ALTA TENSIÓN ........ 8

3.1 Nudo ................................................................................................................................ 8

3.2 Nudo mallado ............................................................................................................... 8

3.3 Puente ............................................................................................................................. 8

3.4 Antena ........................................................................................................................... 9

3.5 Bucle ............................................................................................................................... 9

3.6 Derivación en T .......................................................................................................... 10

4 CRITERIOS DE SEGURIDAD EN LA RED DE ALTA TENSIÓN ........................ 10

4.1 Criterio de fallo N-1 .................................................................................................... 10

4.2 Potencia firme ............................................................................................................. 11

4.3 Contingencias .............................................................................................................. 12

5 ARQUITECTURA DE UNA RED DE MEDIA TENSIÓN ...................................... 13

5.1 Estructura en Pétalo .................................................................................................. 14

5.2 Estructura en Pétalo Apoyado ................................................................................ 14

5.3 Estructura en Huso ..................................................................................................... 15

5.4 Estructura en Espiga .................................................................................................. 15

5.5 Estructura en Espiga Aérea ..................................................................................... 16

5.6 Estructura en Huso apoyado ................................................................................... 16

5.7 Estructura en Espiga apoyada .................................................................................17

5.8 Consideraciones a las estructuras anteriores ........................................................17

5.9 Ejemplos de fallo y análisis en una estructura sencilla ...................................... 18

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0 INTRODUCCIÓN

El suministro de energía eléctrica, tanto a hogares como a industrias, requiere de una infraestructura que permita que esta energía llegue a sus destinatarios. Esta infraestructura, además de por los elementos generadores, está constituida, principalmente, por redes eléctricas y subestaciones. Veamos, a continuación, su estructura básica así como sus diferentes diseños.

1 COMPONENETES DEL SISTEMA ELÉCTRICO Con objeto de hacernos una idea de cómo esta estructura el sistema eléctrico, vamos a ver, de forma sucinta cada una de sus partes:

Generación: Las centrales generadoras, sean del tipo que sean, generan la electricidad a una tensión relativamente baja, por tanto, la tienen que preparar, en una primera fase, elevando esta tensión para que la energía pueda ser transportada en mejores condiciones. Esta fase de elevación la suele hacer una subestación que se encuentra, normalmente, en la propia central.

Red de Transporte a Muy Alta Tensión: Con objeto de minimizar las pérdidas en el transporte, conviene elevar la tensión todo lo que se pueda y reducir así al mínimo la intensidad, que es la que provoca las pérdidas. Esta muy alta tensión puede ser de 400 ó 220 kV.

Red de Distribución a Alta Tensión: Es una primera fase de aproximación al abonado final. Aquí se reduce la tensión, mediante una subestación reductora, a 132, 66 ó 45 kV.

Red de distribución a Media Tensión: Una nueva bajada de tensión, mediante la correspondiente subestación reductora, hasta los 20 ó 15 kV es el comienzo de esta red. Algunos abonados de tipo industrial reciben la energía ya a esta tensión y son ellos, en sus propias subestaciones, los que adecúan la tensión a sus necesidades.

Red de Distribución a Baja Tensión: Por último, en unas subestaciones que por su pequeño tamaño recibien el nombre de “Centros de Transformación” se produce la reducción de la tensión a los 400/230 V con los que la energía eléctrica llega a la mayoría de abonados domésticos.

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1.1 Instalaciones que forma parte de la Red de Transporte

A la vista de lo anterior, podemos hacer una primera clasificación de las instalaciones que forman parte de la Red de Transporte y Distribución de energía eléctrica:

Centrales de generación: Son todas aquellas instalaciones que, de una forma u otra, generan energía eléctrica. Aquí, por supuesto, se hayan también incluidas todas aquellas centrales que producen energía eléctrica por métodos renovables.

Subestaciones Elevadoras de Media a Muy Alta Tensión: Como hemos dicho están en las propias centrales.

Redes de Transporte: Se incluye aquí el transporte a Muy Alta Tensión. Son muy escasos los abonados que reciben energía a esta tensión.

Subestaciones Reductoras de Muy Alta Tensión a Alta Tensión.

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Redes de Reparto: Se realiza a Alta Tensión y son ya más los abonados

industriales que reciben energía en este nivel. Subestaciones Reductoras de Alta Tensión a Media Tensión. Redes de Distribución a Media Tensión: Se realiza, obviamente, a Media

Tensión y son ya muchos los abonados que reciben energía a esta tensión. Centros de Transformación: Hacen la misma función que una subestación,

pero son de poco tamaño y, normalmente, de estructura prefabricada. Redes de Distribución a Baja Tensión: Son aquellas que llevan la energía

eléctrica hasta el abonado doméstico a 400/230 V.

2 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO Vamos A ver, ahora, como se estructura la red de transporte y distribución, de tal forma que sea lo más eficiente y segura posible. La estructura propiamente dicha de la red, puede ser de dos formas:

Estructura mallada: Es un tipo de red en el que los flujos energéticos tienen varios caminos para llegar de un punto a otro.

Estructura radial: En este caso, la red se articula a partir de un centro que irradia caminos. En teoría no existe camino alternativo para hacia un punto de la periferiam

En el caso de las redes eléctricas, lo que se hace es combinar ambas. En la parte de Transporte y Distribución en Media Tensión, se mantiiene una red mallada que permita encontrar siempre caminos alternativos ante el fallo de un camino primario; en la Distribución en Baja Tensión, sin embargo, se opta por una red radial, pues un mallado total resultaría excesivamente caro.

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En el dibujo de la página siguiente nos encontramos un resumen de las diferentes estructuras que tiene el sistema eléctrico en sus diferentes tramos. No obstante, al final, la explotación, en la mayoría de los casos, se hace de las dos formas.

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3 ELEMENTOS DE LA ARQUITECTURA DE LA RED DE ALTA TENSIÓN

Veamos, ahora, algunos de los elementos que conforman la red, de tal forma que queden claros estos conceptos y su relación con las subestaciones eléctricas.

3.1 Nudo Se trata de un punto de la Red de Alta Tensión, Normalmente es una Subestación Eléctrica, donde confluyen dos líneas de alta tensión del mismo nivel de tensión. Estas Subestaciones suelen realizar transformaciones de Alta Tensión a Alta Tensión, o bien de Alta Tensión a Media Tensión.

3.2 Nudo mallado Si en un determinado nudo confluyen tres o más líneas de alimentación, entonces decimos que se trata de un nudo mallado. Por supuesto, normalmente, también se trata de una subestación.

3.3 Puente Se trata de un concepto en el que intervienen varios nudos, es decir, varias subestaciones unidas por una línea. Se trata de un circuito que tiene su origen en dos nudos mallados distintos que alimentan a varias subestaciones y que se une en un nudo central que es propiamente el puente.

Según las necesidades de la red, el nudo central podrá acoplar o no las dos líneas de los extremos. Lo normal, lógicamente, es que sí se produzca este acoplamiento de tal forma que aunque falle uno de los dos nudos mallados se pueda seguir dando servicio desde e lotro.

Por otro lado, también debe tenerse en cuenta que el acoplamiento de las dos líneas implica que su dimensionamiento a de ser tal que permite la alimentación total en cualquiera de las condiciones.

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3.4 Antena Es un circuito que une un nudo mallado con un nudo normal, o varios, a través de un único camino. Es decir, cada subestación normal está unida con la subestación mallada a través de un único camino. Este tipo de estructura sólo es admisible hasta niveles de tensión, como mucho, de 132 kV y siempre que la demanda sea inferior a ciertos valores.

3.5 Bucle Ahora, el nudo mallado es al mismo tiempo origen y final de un circuito que alimenta a varias subestaciones. Esto es tanto como decir que hay dos caminos para alimentar a todas las subestaciones.

Se debe tener es cuenta en este sistema que la línea debe estar dimensionada de tal forma que permita la alimentación de todas loas subestaciones desde cualquiera de los extremos.

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3.6 Derivación en T Es parecida la “antena” pero, ahora, la alimentación de uno de los nudos se hace desde un punto intermedio de una línea que une otros dos nudos.

Se trata de una disposición muy poco usual que, además, sólo es admisible en instalaciones provisionales o en proceso de ampliación. La red deberá tener el mínimo posible de subestaciones en esta disposición.

4 CRITERIOS DE SEGURIDAD EN LA RED DE ALTA TENSIÓN Vamos A ver algunos conceptos relacionados con la seguridad del servicio proporcionado por la red. Debemos tener siempre presente que el servicio de energía eléctrica debe estar garantizado al máximo.

4.1 Criterio de fallo N-1 Sin entrar en demasiados detalles, este criterio nos viene a decir que si de todos los elementos N que constituyen una red, o parte de la misma, falla uno, la red debe seguir dando servicio con las siguientes condiciones:

No deben existir cortes de suministro. Las líneas no deben sobrecargarse más allá de un límite prefijado. Las sobrecargas en los transformadores deben estar, también, entre límites

prefijados. No debe haber variaciones significativas de tensión.

Entre los elementos que se incluyen en esta valoración están los generadores, las líneas, simples o de doble circuito, y los transformadores.

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4.2 Potencia firme Supongamos que en una determinada zona o subestación se pierde la potencia entregada por el transformador de mayor potencia, la potencia de los transformadores restante incrementada en un 10% para redes de más 220 kV y de un 20 % para las inferiores nos da una idea de lo “firme” que es la potencia en esa zona o subestación.

En el caso de la figura, vemos que la indisponibilidd del transformador de mayor potencia deja a la zona en una situación bastante vulnerable. Sin embargo, en este otro ejemplo no quedaría tan afectado el sistema ante un fallo del mayor transforamdor.

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4.3 Contingencias Otro aspecto a tener en cuenta en la planificación de la red, es su comportamiento ante una contingencia, que es la pérdida de un elemento cualquiera, línea o transformador

Ante el fallo N-1 de la red, el estado del resto de los elementos de la misma se ve afectado:

Cambia el flujo que circula por las líneas (magnitud y/o sentido). Cambia el reparto de cargas de los transformadores. Cambia la tensión de los diferentes nudos.

Teniendo en cuenta esto, el estudio del comportamiento de la red ante la contingencia más desfavorable, es complejo, debido a que no es obvio determinar cuál es esta contingencia. Para ello se utilizan programas de análisis de redes eléctricas.

Los programas de análisis de redes son una aplicaciones informáticas que, a partir de un modelo de red, entre otras cosas, simulan todos los fallos N-1 que se pueden producir en la red y determina cuál o cuales de esos fallos producirían un funcionamiento anómalo de la propia red.

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5 ARQUITECTURA DE UNA RED DE MEDIA TENSIÓN Cuando de lo que se trata es de una red de Media Tensión, la arquitectura que suelen tener difiere un tanto de las vista para Alta Tensión. Antes de ver alguno de estos tipos, vamos a dejar claro algunos conceptos:

Punto de alimentación: Es la subestación o centro de transformación que suministra la energía a la red. Por convención se considera el punto inicial del tramo de red que estamos analizando.

Circuito Activo: Está formado por todos los tramos de línea y centros de transformación desde el Punto de Alimentación hasta el llamado punto frontera o punto de reflexión en el que se apoya. Después se da la definición de este punto.

Cable Cero: Es un circuito, normalmente sin carga, cuya misión es proporcional una vía de alimentación alternativa en caso de fallo del circuito principal al que apoya.

Punto de reflexión o punto frontera: Es el punto de maniobra en el que podemos interactuar entre el cable cero y el, o los, circuitos activos. Es la “frontera” entre los diferentes circuitos activos y el cable cero, de existir. Puede ser, también, un centro de transformación con aporte de energía o no.

Estado n-1: Como ya sabemos, se trata de aquel estado en el que se hallan operativos todos los elementos del sistema menos uno.

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5.1 Estructura en Pétalo

Se trata de una configuración en la que, desde el punto de alimentación, arrancan dos circuito activos, uno en rojo y otro en negro, que confluyen en el punto de reflexión o frontera. En caso de fallo de uno de los tramos de línea, o de una subestación, de uno de los circuitos activos, siempre se pueda dar suministro a través del punto frontera. En cualquier caso, toda la energía es aportada por un único punto de alimentación.

5.2 Estructura en Pétalo Apoyado

En este caso, los dos circuitos activos reciben alimentación reciben energía de puntos de alimentación diferentes y ambos se encuentran en el punto frontera. En caso de rotura de línea quedan alimentadas por el punto inicial que queda al lado intacto del circuito. Tan sólo en el caso de rotura de la primera línea. En ambos circuitos activos, quedaría toda la alimentación encomendada a un único punto, en cualquier otro caso, la energía parte de dos puntos de alimentación.

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5.3 Estructura en Huso

En este caso, existe un cable cero no tiene centros de transformación y se haya directamente conectado al centro de reflexión. En este punto, cualquiera de los circuitos principales puede ser conectado al cable cero y recibir energía, desde el punto de alimentación, a través de él.

5.4 Estructura en Espiga

Se trata de varias estructuras en pétalo superpuestas, en las que los diferentes centros de reflexión se encuentran sobre el mismo cable cero a diferentes distancias. La conmutación en los centros de reflexión depende de los circuitos y tramos del cable cero que le lleguen.

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5.5 Estructura en Espiga Aérea

Es una variante del anterior. Cuando las redes son totalmente aéreas, se sustituyen los puntos de reflexión por interruptores, en los últimos apoyos de las líneas, que las conectan con el cable cero.

5.6 Estructura en Huso apoyado

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Caso en el que se combinan dos estructuras tipo huso, cada una con su punto de alimentación, en un único punto de reflexión. Cada estructura huso tiene, también, su respectivo cable cero. Como podemos ver en el esquema de conmutación, el centro de reflexión tiene capacidad de conectar el cable cero a cualquier otro circuito, de cualquiera de los dos husos y, también, de utilizar la alimentación de cualquiera de los dos puntos de alimentación.

5.7 Estructura en Espiga apoyada

Caso parecido al anterior pero que, ahora, surge de varias estructuras espiga acopladas a través de varios centros de reflexión. La estructura también dispone de dos o más puntos de alimentación. También suele haber dos cables cero que pueden recibir alimentación desde los puntos de alimentación o desde los centros de reflexión.

5.8 Consideraciones a las estructuras anteriores La elección de una estructura u otra depende de muchos factores, aunque, en especial, los que van a decidir el sistema utilizado tienen que ver con la fiabilidad y seguridad del servicio y con su coste. Debe tenerse también presente, que en cualquiera de los casos, el dimensionamiento de las líneas está sujeto a las posibles contingencias que puedan surgir y no sólo a la demanda energética nominal.

Estas contingencias, cuando las redes son extensas, pueden requerir un estudio bastante complejo. No vamos a ver aquí este estudio, pero es importante que se tenga presente este hecho.

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5.9 Ejemplos de fallo y análisis en una estructura sencilla

Supongamos la explotación normal de una estructura en pétalo simétrica. En este, caso, la potencia total puesta en juego por el punto de alimentación es transportada, a partes igual, por los dos circuitos activos. En esta situación no es necesaria la intervención del punto frontera.

Si por cualquier circunstancia un tramo de línea deja de estar operativo, la parte del circuito activo que queda del lado del centro de reflexión recibirá, ahora, la energía desde éste, mientras que el otro tramo la seguirá recibiendo desde el punto de alimentación.

Sin embargo, debemos tener en cuenta que, en el peor de los casos, cuando el tramo que se avería es el primero de cualquiera de los dos circuitos activos, toda la energía debe pasar por el circuito activo que tiene todos sus tramos operativos. Esto nos obliga a un diseño que no puede limitarse a la mitad de la energía por circuito activo.

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Si, ahora, la estructura de la que disponemos es en huso, y dado que esta disposición sí tiene cable cero, en caso de rotura de línea es él que aporta la alimentación, a través del punto de reflexión, al tramo de línea que queda tras el tramo roto.

Se puede llegar fácilmente a la conclusión de que esta disposición no requiere dimensionamiento adicional más allá del funcionamiento nominal para los circuitos activos, pues en caso de rotura es el cable cero el que aporta la alimentación necesaria.