SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE ELECTRICIDAD: CONCEPTOS FUNDAMENTALES Prof. Jos Espina Alvarado (@profespina).

Las etapas industriales del sistema de potencia son: produccin, transporte, distribucin y

comercializacin de la energa elctrica. Desde el punto de vista tcnico existen dos procesos

obligatorios (generacin y transmisin), y otros que dependen de la distancia entre los bloques de

produccin y consumo as como de las caractersticas de la carga a ser servida: transformacin y

compensacin.

La red de transporte lleva la energa producida por las centrales de generacin a las reas de

distribucin. Se denomina subestacin(S/E) al nudo de interconexin de las redes elctricas y, en

general, subestaciones (SS/EE) de alta tensin (AT) a las del subsistema de transporte. En las SS/EE es

posible desacoplar lneas de la red mediante interruptores elctricos (que permiten abrir el circuito bajo

carga o cuando se presentan averas) y seccionadores (que, a afectos de seguridad, permiten visualizar la

apertura).

Figura 1. Diagramas unifilares geogrficos de parte de un sistema de distribucin primario de electricidad en el municipio San Francisco del Estado Zulia (Ao 2000). En el contexto de distribucin importa tanto ubicacin como

magnitud de la demanda. En la ilustracin se muestran los polgonos (reas) de influencia de una subestacin, original y propuesto(a) en un plan de expansin del sistema de distribucin.

La red de transporte es un monopolio natural, dado que no es socialmente razonable disponer de

redes paralelas de transporte de energa elctrica. Por tanto, persiguiendo el bien comn, la red de

transporte ha de ser ampliada y gestionada por un gestor regulado (Conejo, 2007).

1.1. INGENIERA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIN

Un sistema de distribucin de potencia, como su nombre lo indica, es el medio para distribuir la

energa elctrica desde los bloques de suministro hasta los puntos de utilizacin. Pueden variar desde

una simple lnea que conecte un generador con un solo consumidor, hasta una red automtica que

alimente la zona ms importante de la ciudad (Espinosa, 1990).

Tabla 1. Elementos y componentes del Sistema Elctrico de Distribucin de acuerdo a la funcin que desempean.

Sistema de Subtransmisin

Subestacin de Distribucin

Alimentador Primario

transformador de Distribucin

Secundaria y Acometidas

Circuitos que se inician en SS/EE de gran

potencia para alimentar subestaciones de

Distribucin.

Reciben potencia de los circuitos de

subtransmisin y transforman al nivel de tensin del alimentador

primario.

Circuitos que se inician en las SS/EE de Distribucin y

proporcionan la ruta de flujo de potencia a los transformadores de

Distribucin.

Transfieren la potencia reduciendo la tensin

primaria al nivel de utilizacin de los

clientes.

Distribuyen potencia en

el mbito secundario

desde el transformador

hasta su uso final.

Figura 2. Diagrama esquemtico unifilar de un sistema elctrico de distribucin de operacin radial (Espina, 2003).

Se acepta que un sistema elctrico de distribucin, propiamente, es el conjunto de instalaciones

desde 120 V hasta tensiones de 34.5 kV encargadas de entregar la energa elctrica a los usuarios

(Espinosa, 1990).

La subtransmisin rene caractersticas de transmisin y distribucin, pues como la primera,

mueve cantidades relativamente grandes de potencia elctrica de un punto a otro, y como la segunda,

proporciona cobertura de zona.

Los niveles de tensin de subtransmisin van de 12 hasta 245 kV, pero en la actualidad los ms

comunes son 69, 115 y 138 kV. El uso de tensiones ms elevadas est aumentando con rapidez, a medida

que se progresa con las tecnologas de aislamiento y crece la aplicacin de tensiones de distribucin

primaria ms altas (por ejemplo, 25 y 34.5 kV segn Beaty & Fink, 1997). La Historia de los sistemas de

servicio elctrico ha mostrado que la tensin que en principio fue de transmisin pas a ser de

subtransmisin, de la misma manera que la tensin de subtransmisin evolucion para convertirse en el

nivel actual de distribucin primaria.

Las inversiones que se realizan en los sistemas de distribucin dentro de cualquier empresa de

suministro de energa elctrica, comparadas con los que se efectan en otras reas como las de

generacin y transmisin, sorprenden muchas veces aun a los mismos ingenieros de potencia de las

empresas elctricas. En la Figura 3 se muestra el porcentaje, en forma aproximada, de la relacin de

inversiones de estos importantes rubros.

Figura 3. Inversiones en un sistema de energa elctrica (Espinosa, 1990).

Se debe recordar que las estadsticas de que se dispone no incluyen los sistemas de distribucin

privados existentes en los grandes predios comerciales o industriales. Por tanto, cualquier pas,

independientemente de que sea industrializado o en desarrollo, utiliza el 50% o ms de su consumo de

energa elctrica en su industria o en procesos productivos, los cuales tienen en s mismos sistemas de

distribucin de importancia considerable, como empresas petroqumicas, automovilsticas, etc.

El porcentaje de las inversiones que dentro de los sistemas de distribucin tiene una compaa de

energa elctrica, en forma muy general, ya que esto puede cambiar segn el pas, se ilustra en la Figura

4. Sin embargo, es importante apuntar que en todos los casos el rengln de baja tensin es el que

representa la inversin ms fuerte. Tambin es oportuno sealar que cualquier innovacin o mejora a

este nivel de tensin repercutir en forma considerable en las inversiones de todo el sistema.

Figura 4. Inversiones en los sistemas de distribucin (Espinosa, 1990).

LA CARGA Y LA DEMANDA

Para comprender con propiedad este subsistema es preciso diferenciar dos conceptos: carga y

demanda. La carga, segn la definicin clsica en el contexto de Distribucin, es la parte del sistema que

convierte la energa elctrica a otra forma de energa, como por ejemplo un motor elctrico, el cual

convierte la energa elctrica en energa mecnica. No obstante, debe quedar claro que este concepto

involucra a todos los artefactos que requieren de energa elctrica para trabajar.

Por otro lado, en un lapso de tiempo especfico, la demanda es la intensidad de corriente o

potencia elctrica que necesita la carga del sistema para funcionar. A este lapso se le conoce como

intervalo de demanda, y su indicacin es obligatoria a efecto de interpretar correctamente un

determinado valor de demanda.

CAMPOS DE DESARROLLO DE LA INGENIERA DE DISTRIBUCIN

Los sistemas de distribucin presentan diversas caractersticas en cuanto a densidad de carga,

nivel de tensin y fiabilidad, que determinan la estructura de la red necesaria. Dependiendo de los

mtodos de operacin, las estructuras de sus redes y el equipo involucrado, se diferencian cinco campos

de desarrollo (Espinosa, 1990):

(a) Sistemas de distribucin industriales.

Estos sistemas representan grandes consumidores de energa elctrica, como plantas

petroqumicas, de acero, de papel y otros procesos industriales similares.

Estos sistemas, aunque son de distribucin, deben ser alimentados a tensiones ms

elevadas que las usuales, por ejemplo, 69 kV o mayores. Con frecuencia el consumo de energa de

estas industrias equivale al de una pequea ciudad, generando ellas mismas, en algunas ocasiones,

parte de la energa que consumen por medio de sus procesos de vapor, gas o diesel, segn el caso.

La red de alimentacin y la estructura de la misma debern tomar en cuenta las

posibilidades o no de su interconexin con la red o sistema de potencia, ya que esto determinar

la fiabilidad del consumidor, que en este caso es muy importante debido al alto costo que significa

una interrupcin de energa.

Dentro de las diversas industrias existe una gran variedad de tipos de carga, cada una con

diferentes exigencias de fiabilidad; de modo que, es muy importante el papel de la ingeniera de

distribucin en este caso, ya que solamente sta podr ayudar a definir el tipo de alimentacin, la

estructura, la tensin y, en consecuencia, el grado de fiabilidad que este consumidor requiera.

(b) Sistemas de distribucin comerciales.

Estos sistemas son los que se desarrollan para grandes complejos comerciales o

municipales: rascacielos, bancos, supermercados, escuelas, aeropuertos, hospitales, puertos

martimos, etc. Este tipo de sistema posee sus caractersticas propias por el tipo de demanda que

tiene con respecto a la seguridad tanto de las personas como de los inmuebles. En estos casos se

cuenta con generacin local, en forma de plantas generadoras de emergencia, mismas que son

parte importante en el diseo del sistema de alimentacin en este tipo de servicios.

(c) Parques industriales.

Esta rea se refiere a la alimentacin en zonas definidas -denominadas parques industriales-

a pequeas o medianas industrias localizadas por lo general en las afueras de las ciudades o

centros urbanos. Las estructuras pueden ser similares a las anteriores; sin embargo, los requisitos

de continuidad varan, siendo en algunos casos no muy estrictos. Por lo general la tensin de

alimentacin en estas zonas es mediana, as que el desarrollo de las redes de baja tensin es

mnimo. La planeacin de estos sistemas se debe hacer con gran flexibilidad porque la expansin

en estas zonas industriales es grande, en especial cuando se trata de pases en desarrollo. En la

mayora de los casos estas estructuras son desarrolladas y operadas por las compaas de

distribucin estatales.

(d) Sistemas de distribucin urbanos y residenciales.

Estos sistemas por lo general son tambin responsabilidad directa de las compaas

suministradoras de energa elctrica, y consisten en la mayora de los casos en grandes redes de

cables subterrneos desarrolladas en zonas densamente pobladas. En grandes centros urbanos las

cargas con frecuencia son considerables, y aunque no son comparables con las cargas industriales

han dado ocasin para la aplicacin de generacin distribuida que se acopla con el sistema

pblico de la ciudad.

Por otra parte, en zonas residenciales las cargas son ligeras y sus curvas de carga muy

diferentes a las de las zonas urbanas comerciales o mixtas; por tanto, las estructuras de

alimentacin para estas zonas son distintas y los criterios con los que se debe disearla red son

exclusivos de cada tipo de cargas.

(e) Distribucin rural.

Esta rea de distribucin es la que tiene la densidad de carga ms baja entre las

mencionadas y por ello requiere soluciones especiales que incluyan tanto las estructuras como los

equipos. Las grandes distancias y las cargas tan pequeas representan un costo por kWh muy

elevado, por lo que en muchas zonas es preferible generar la energa localmente cuando menos al

inicio de las redes. En este caso est plenamente justificada la aplicacin de energas alternativas:

biomasa, solar, elica, etc.

Estas cinco categoras de desarrollo presentan un panorama general de la ingeniera de

distribucin. Sin embargo, es conveniente subrayar que las dos primeras, los sistemas de distribucin

industrial y comercial, por lo general las disean y operan las propias empresas a las que pertenecen, y

las ltimas tres son responsabilidad de las empresas de distribucin pblica en la mayora de los pases.

En otro orden de ideas, para el diseo de los sistemas de distribucin hay tres tipos de ingeniera:

elctrica, mecnica y econmica. Es muy difcil encasillar un problema especfico en uno de estos tres

tipos solamente, ya que siempre se encontrar interrelacionado con los otros dos, debiendo considerar

la contribucin de cada uno para el resultado ptimo del diseo final.

(a) Diseo elctrico

Se refiere al comportamiento elctrico satisfactorio del sistema y todos los aparatos que

intervienen en el mismo. Enfocado desde este nico punto de vista, cualquier sistema que ofrezca

resultados satisfactorios ser adecuado, es decir, un sistema de distribucin que transmita la

energa necesaria a un consumidor con una continuidad aceptable ser un sistema satisfactorio,

sin importar el costo. Sin embargo, es evidente que la consideracin econmica desempea un

papel importante en el diseo.

(b) Diseo mecnico

Lo constituye el estudio de las obras civiles y elementos metlicos, de concreto, madera o

material sinttico en las que se instalan los sistemas, incluyendo la seleccin de materiales

adecuados que renan los requisitos indispensables de resistencia mecnica, seguridad,

apariencia, durabilidad y mantenimiento, por mencionar algunos factores.

(c) Diseo econmico

Debe comprender la investigacin de los costos relativos; es decir, donde sea posible

escoger ms de un diseo que satisfaga al sistema desde el punto de vista elctrico y mecnico, la

decisin final debe fundamentarse en un cuidadoso estudio econmico que optimice el resultado

final.

Se debe entender que no necesariamente la mnima inversin inicial en un proyecto de

distribucin es la ptima, debido a que en el estudio econmico deben intervenir los costos de

operacin que usualmente sern mayores que el costo inicial, dado que una red de distribucin

promedio se debe disear para una vida til de al menos 30 aos (Espinosa, 1990).

Otro aspecto que debe considerarse en el estudio econmico y que cada vez adquiere

mayor importancia es la calidad del servicio, en la cual est implcita la fiabilidad del sistema.

1.2. OPERACIN Y ESTRUCTURAS

Segn su disposicin en cuanto a su tendido, las redes de distribucin pueden ser areas o

subterrneas. La vulnerabilidad de una red area a los agentes de su entorno (vecindad con otras

estructuras, agentes atmosfricos, etc.) implica un mayor coste de mantenimiento y menor vida til. Una

red subterrnea tiene mayor coste de inversin inicial y menor accesibilidad (que representa un

problema para la rpida deteccin de averas), pero tambin tiene menores impactos ambientales y

estticos. El uso de lneas areas es preferido cuando la densidad de carga de la zona a ser servida es de

hasta 5 MVA/km2. Las lneas subterrneas son preferidas para densidades de carga superiores a 15

MVA/km2 (ncleos urbanos y zonas industriales). Evidentemente, entre los lmites indicados la red de

distribucin suele ser de tipo mixto: areo-subterrnea.

En cuanto a su operacin, hay slo dos tipos fundamentales de redes de distribucin: radial y

paralelo. Por definicin, un sistema de operacin radial es aquel en que el flujo de energa tiene una sola

trayectoria de la fuente a la carga, de tal manera que una falla en esta trayectoria produce la

interrupcin del servicio. Este tipo de operacin es probablemente el ms antiguo y comnmente usado

en la distribucin de energa elctrica. Debido a su bajo costo y sencillez, las redes de operacin radial se

seguirn usando, pero tratando de mejorar progresivamente sus caractersticas en pro de hacerlas ms

confiables.

En un sistema de operacin en paralelo el flujo de energa se divide entre varios elementos,

teniendo ms de una trayectoria de suministro. Este tipo de operacin se utiliza sobre todo en redes de

baja tensin. Las protecciones slo existen en la salida de los alimentadores de red y a la salida de los

transformadores. La eliminacin de las fallas en los cables de la red de baja tensin se hace por

autoextincin o bien con fusibles limitadores colocados en los extremos de los cables.

ESTRUCTURA RADIAL

Como se mencion en prrafos anteriores la estructura radial es la que ms se emplea, aun

cuando su continuidad est limitada a una sola fuente. Su sencillez de operacin y bajo costo la hacen

muy popular. Por definicin, esta estructura no debera tener seccionamientos de enlace.

Los elementos principales en esta red (transformadores, seccionadores, cables, etc.) se instalan en

postes o estructuras de distintos materiales. La configuracin ms sencilla que se emplea para los

alimentadores primarios es del tipo arbolar; consiste en conductores de calibre grueso en la troncal y de

menor calibre en las derivaciones laterales o ramales. En el caso de la ciudad de Maracaibo los

alimentadores de distribucin usan conductores de aluminio con calibres 336.4 kcmil para la troncal y

# 1/0 AWG para los ramales.

En este tipo de red est muy generalizado el empleo reconectadores y fusibles como proteccin

del alimentador, para evitar la salida de todo el circuito cuando hayan fallas de carcter temporal, las

cuales representan el grueso del total de fallas. Las cuchillas solamente estarn en la troncal para

seccionar la carga del sector averiado, mientras que los fusibles deben estar al inicio de cada ramal.

En el caso de un sistema radial particular o privado, es posible encontrar una troncal telescpica o

de calibre escalonado con el fin de abaratar los costos de construccin.

ESTRUCTURAS EN ANILLO

(a) Estructuras en anillo abierto.

Este tipo de esquema se constituye de bucles de igual seccin, derivados de las subestaciones

fuente. Las redes en anillo normalmente operan abiertas en un punto que por lo general es un punto

medio, razn por la cual se les conoce como redes en anillo abierto. Al ocurrir una falla dentro de un

anillo se secciona el tramo daado para proceder a la reparacin, siguiendo una serie de maniobras con

los elementos de desconexin instalados a lo largo de la troncal.

Esta estructura es recomendable en zonas con densidades de carga entre 5 y 15 MVA/km2 donde

el aumento de la carga sea nulo o muy pequeo, de tal manera que se pueda absorber fcilmente con la

estructura inicial sin que sea necesario realizar trabajos para modificar la configuracin de la red. Como

ejemplo de estos casos se tienen las electrificaciones a conjuntos residenciales. La estructura

fundamental se presenta en las figuras siguientes.

Figura 5. Red en anillo con una fuente de alimentacin (Espinosa, 1990).

Figura 6. Red en anillo con dos fuentes de alimentacin (Espinosa, 1990).

(b) Estructuras en anillo cerrado.

El esquema de esta estructura es semejante al de la anterior, y vara nicamente en que no existe

un punto normalmente abierto. Se desarrolla en cable subterrneo por la facilidad que se tiene de

incrementar la capacidad instalada paulatinamente sin afectar la estructura fundamental de la red. La

operacin de una red de este tipo es un poco ms complicada que la anterior por el tipo de proteccin

que debe emplearse, pero es indudable que la fiabilidad del sistema aumenta en forma considerable

cuando se compara con las anteriores. Esta estructura debe aprovechar al menos el 60% de su capacidad

instalada.

Figura 7. Alimentador primario de anillo abierto operando en forma radial (Gnen, 1986).

ESTRUCTURA EN MALLAS

En esta estructura las subestaciones de distribucin estn potencialmente conectadas por sec-

cionamientos de enlace formando anillos de igual seccin. Estos anillos operan en forma radial. Existen

ligas entre los anillos para asegurar una alimentacin de emergencia. En caso de un incidente interno en

el anillo, se resuelve con los propios recursos haciendo maniobras entre grupos de subestaciones, por lo

cual la capacidad de la malla corresponde a la del cable. Esta estructura es recomendable en zonas de

crecimiento acelerado y de cargas no puntuales, debido a sus caractersticas de posibilidad de expansin

y reparto de carga. Su aplicacin se recomienda en zonas comerciales importantes con densidades

superiores a 20 MVA/km2. La Figura 8 muestra este tipo de estructura.

Figura 8. Esquema bsico de una estructura en mallas de mediana tensin (Espinosa, 1990).

ESTRUCTURA EN DOBLE DERIVACIN

La disposicin de los cables en el caso de esta estructura se hace por pares, siendo las secciones

uniformes para los cables troncales y menores para las derivaciones a la subestacin y servicios, los

cuales quedan alimentados en derivacin. Es una estructura que resulta conveniente en zonas de carga

concentrada y con densidades del orden entre 5 y 15 MVA/km2.

La aplicacin ms especfica puede ser en zonas industriales, comerciales o tursticas amplias, en

las que se tiene necesidad de doble alimentacin para asegurar una elevada continuidad y con

caractersticas de carga y geometra concentradas.

La operacin de este tipo de estructura se hace con un esquema de alimentadores preferentes y

emergentes con transferencias manuales o automticas, siguiendo el principio de cambio de

alimentacin. Por definicin, el alimentador emergente permanece energizado pero sin carga dispuesto

as para operaciones de respaldo (emergencia, o mantenimiento).

Figura 9. Estructura en doble derivacin (Espinosa, 1990).

Dentro de las normas de diseo que caracterizan a este tipo de redes se tienen las dos siguientes, que

son muy importantes:

1. El equipo de transferencias debe tener un mecanismo que impida la operacin en paralelo de los

dos alimentadores.

2. Para obtener mayor fiabilidad de servicio es conveniente instalar los circuitos en rutas

diferentes.

La desventaja de esta estructura es que uno de los alimentadores est al mnimo mientras el otro est al mximo. Una variante, conocida como doble alimentacin consiste en cargar a media capacidad ambos alimentadores balanceando la carga total entre ellos, razn por la cual los trminos emergente y preferente cambian del mbito del suministro al del consumo: visto desde cada alimentador se tendr una carga preferente y otra emergente.

Figura 10. Diagrama de bloques de operacin de un interruptor de transferencia (Espinosa, 1990).

Figura 11. Aparamenta de red de distribucin subterrnea. Observ la proximidad a usos finales de tipo comercial (http://pdf.directindustry.com/pdf/s-c-electric-company/vista-underground-distribution-switchgear/70443-182539-_2.html).

ESTRUCTURA DE ALIMENTADORES SELECTIVOS

Esta red se constituye por cables troncales que salen preferentemente de subestaciones

diferentes y llegan hasta la zona por alimentar; de estas troncales se derivan cables ramales de menor

seccin que van de una troncal a otra enlazndoles, siguiendo el principio de la doble alimentacin. Los

centros de transformacin se reparten entre parejas de alimentadores troncales que quedan conectadas

en seccionamiento (Figura 12).

La proteccin de esta red consiste en interruptores que se instalan en la subestacin de potencia a

la salida de cada alimentador troncal y fusibles tipo limitador para proteger al transformador y dar mayor

flexibilidad a la operacin de la estructura. Es posible dotar de interruptores a los puntos de derivacin

de las troncales, aun cuando su aplicacin se debe apoyar en un estudio tcnico-econmico que lo

justifique. En condiciones normales de operacin los centros de transformacin se alimentan de las

troncales con un punto normalmente abierto que permita balancear la carga en cada una de ellas.

Cuando ocurre una falla en la troncal los dispositivos de seccionamiento permiten efectuar estos

movimientos de carga, transfiriendo el centro de transformacin al alimentador troncal adyacente.

Figura 12. Estructura de alimentadores selectivos en MT (Espinosa, 1990).

Es recomendable la implementacin de esta estructura para zonas donde las construcciones

existentes estn siendo sustituidas por edificaciones que representan grandes concentraciones de carga

y requieren un alto grado de fiabilidad, siendo conveniente entonces pensar en implantar esta estructura

en zonas de rpido crecimiento y densidades mayores a 15 MVA/km2.

SUMARIO DE ESTRUCTURAS NORMALIZADAS

La aplicacin de un diseo en particular se determinar por el tipo de carga que se alimentar y la

zona en que se encuentre localizada sta. Los diagramas esquemticos de este tipo de suministros de la

compaa distribuidora se ilustran en la Figura 13.

Cada uno de estos sistemas presenta caractersticas definidas que a continuacin se describen:

Figura 13. Estructuras de alimentacin normalizadas (Espinosa, 1990).

Radial: La alimentacin radial area o subterrnea a un servicio de este tipo es naturalmente la menos

compleja y su aplicacin es limitada a servicios que no requieren gran continuidad, debido a que una

falla en cualquier componente del sistema de alimentacin primaria afectar a todos los consumidores

conectados hasta que se localice y se repare. En algunas ocasiones este diseo se emplea para alimentar

consumidores aislados con transformadores tipo pedestal o sumergible.

Anillo abierto: Este diseo ha sido empleado extensamente para alimentar cargas comerciales y

pequeas cargas industriales importantes. Consta de dos alimentadores radiales que se unen en un

interruptor normalmente abierto dentro del centro de transformacin del consumidor. Una falla en un

componente de la red primaria puede ser seccionada o aislada de manera manual. El interruptor en el

punto normalmente abierto se puede cerrar para reenergizar el servicio interrumpido.

Primario selectivo: En este diseo dos circuitos independientes se llevan al centro de carga y se conectan

al transformador por medio de un dispositivo automtico denominado interruptor de transferencia. Uno

de estos circuitos se denomina preferente y el otro emergente.

Secundario selectivo: Este sistema se emplea principalmente en sistemas de distribucin industrial y su

uso es poco frecuente en redes de distribucin urbana. Son indispensables dos transformadores con un

interruptor en el lado de baja tensin. La duplicidad de transformadores, as como el resto del equipo,

reduce considerablemente el tiempo de interrupcin, ya que es factible hacer la transferencia de carga

de manera automtica cuando se detecta prdida de potencial en uno de los extremos receptores del

alimentador, que por lo regular opera a media carga.

Red de puntos: Este sistema es uno de los ms flexibles y confiables que existen. Su empleo se restringe

a zonas en que ya se tiene una red subterrnea implantada y en que la zona tiene una elevada densidad

de carga. Requiere la utilizacin de dos alimentadores con un mnimo de dos transformadores y sus

respectivos protectores de red que alimentan un bus secundario comn energizado permanentemente.

El protector previene que uno de los alimentadores primarios retroalimente corriente de falla al otro en

el caso de cortocircuito de un transformador o en cualquier otro elemento de la red primaria. La

importancia que tiene esta estructura en los pases desarrollados requiere un tratamiento especial, por

lo que se trata con ms detalle a continuacin.

RED DE PUNTOS, MALIADA O AUTOMTICA EN BAJA TENSIN

Tiene la caracterstica principal de que los alimentadores secundarios forman una slida malla en

la que el flujo de potencia no es radial, es decir, el sentido de la potencia cambia en funcin de la tensin

y la magnitud de la carga. Este sistema de distribucin en baja tensin se utiliza en zonas importantes de

ciudades donde existe gran concentracin de cargas uniformemente repartidas a lo largo de las calles.

Este sistema garantiza un servicio prcticamente continuo, ya que las fallas en alta tensin y en los

secundarios no afectan a los usuarios.

Los componentes bsicos de una red automtica en B. T. se indican en el diagrama de la Figura 14.

Una fuente de potencia, normalmente una subestacin de distribucin, es el punto de origen de dos o

ms alimentadores radiales con o sin enlace entre ellos. Estos alimentadores van hasta los centros de

carga en el rea de la red, en donde son seccionados por medio de cajas de desconexin o interruptores

para llevar los ramales que alimentarn directamente a los transformadores de la red.

Figura 14. Red de puntos (Espinosa, 1990).

Cada uno de estos alimentadores est conectado a una serie de subestaciones de distribucin, que

no se encuentran elctricamente adyacentes; esto es con el objeto de que al existir una falla en uno de

esos alimentadores, no queden fuera de servicio todos los transformadores de una misma zona. Todos

los alimentadores primarios deben conducir un cierto porcentaje de su capacidad nominal, de tal manera

que cuando uno de ellos quede fuera de servicio, los dems conduzcan la carga del alimentador

averiado. El porcentaje de carga de la capacidad nominal de un alimentador primario se calcula

basndose en la siguiente ecuacin:

1

% 100NN

CN

(1)

En donde:

%CN = Porcentaje de la capacidad nominal del alimentador.

N = Nmero de alimentadores de la red primaria.

Si se disea para falla de dos alimentadores primarios, se dice que la red est diseada para prever la

segunda contingencia, y entonces la carga de los alimentadores se calcula con la ecuacin:

2

% 100NN

CN

(2)

Figura 15. Porcentaje de carga de alimentadores primarios vs. nmero de alimentadores (Yebra, 2009).

Los transformadores de red estn conectados a los cables primarios de tal manera que

transformadores adyacentes queden energizados por alimentadores diferentes. La finalidad de este

arreglo es que al existir una falla en uno de los alimentadores de alta tensin o primera contingencia

no disminuya el nivel de tensin en la red y la carga del alimentador daado sea absorbida a travs de la

red secundaria por los transformadores de los otros alimentadores. Por esta razn el diseo de los

alimentadores en alta tensin debe ser adecuada para que permita absorber el aumento de carga

cuando uno de ellos falle.

El protector (P), dispositivo de corte y conexin instalado en el lado secundario de cada

transformador, tiene como finalidad evitar un retorno de potencia desde la red de baja tensin a un

punto de falla en alta tensin, dado que cuando un alimentador primario falla el protector

inmediatamente desconecta el transformador de la red de baja tensin. Las cargas L y L' estn

conectadas a los cables secundarios enterrados que van por las calles, o bien a las terminales del

protector o a los buses de baja tensin instalados en las bvedas o subestaciones de edificios.

Figura 16. Transformador con disposicin para el protector, es decir, para lograr la unidad de red (http://www.howard-ind.com/howardtransformers/Literature/NetworkTransformer.pdf).

Cuando ocurre una falla en la red de baja tensin el cortocircuito es alimentado por todos los

transformadores, provocndose una corriente de cortocircuito suficiente para evaporar en ese lugar el

material de cobre de los conductores, interrumpindose el cable en una reducida longitud y en poco

tiempo, quedando as aislada la falla sin provocar interrupciones, a menos que dicha falla sea

directamente en la acometida de un servicio.

1.3. REGISTRO DE LA DEMANDA.

La demanda es una cantidad cuya medida depende del caso de estudio: amperios para la seleccin

o reemplazo de conductores, fusibles, o de interruptores, ajuste de protecciones y balanceo de carga;

kilovatios para la planeacin del sistema, estudios de energa consumida, energa no vendida, y energa

prdida; kilovoltioamperios para la seleccin de la capacidad de transformadores y alivio de carga. Para

estudios de compensacin reactiva puede convenir el registro de la demanda en kilovares.

Los intervalos de demanda, son tpicamente de 15, 30 o 60 minutos. Los lapsos de 15 o 30 minutos

se aplican comnmente en facturacin, seleccin de la capacidad de equipos, estudios de balanceo y

transferencia de carga. El intervalo de 60 minutos, permite construir Perfiles de Carga Diarios para el

anlisis de consumo de energa, determinar el rendimiento de dispositivos, y tambin para elaborar un

completo plan de expansin del Sistema Elctrico de Distribucin. No obstante, la seleccin de fusibles y

el ajuste de protecciones pueden exigir la medicin de demandas instantneas.

La relevancia de la relacin entre la magnitud de la demanda y el intervalo de medicin

correspondiente, puede entenderse mejor examinando la siguiente figura.

Figura 17. Representacin grfica de una Curva de Demanda Diaria hipottica, con acercamiento al entorno del valor de

demanda mxima (Espina, 2003). Aqu 24

124 0

( ) 0.241prom d .

Aqu, la curva que representa el comportamiento de esta demanda hipottica durante todo el da

tiene una forma continua, y est asociada a un grupo de cargas. En este sentido el valor de demanda

mxima ocurre poco despus de la hora 18, pero antes de las 18:15. Si se hubiera dispuesto un

instrumento con intervalos de medicin de 15 minutos, se registrara como mximo el 97% del valor real,

a las 18:15. Por otra parte, en el caso que el instrumento midiera cada 30 minutos, el mximo registrado

sera el 90% del valor real, a las 18:30. Finalmente, si el intervalo de medicin hubiera sido de 1 hora, el

valor registrado sera el 87% del mximo real, a la hora 18.

La sucesin de valores de demanda como funcin del tiempo se denomina Curva de Carga, y su

representacin grfica, Perfil de Carga; cuando tal sucesin corresponde a un da entero se tendrn,

respectivamente, una Curva de Carga Diaria (CCD) y un Perfil de Carga Diario (PCD) como el de la Figura

17. Cabe destacar que el perfil de la curva de carga depende del procedimiento de medicin.

La frecuencia y el mtodo de muestreo pueden tener un impacto significativo. Con este fin existen

dos formas bsicas de muestreo en la medicin: discreto si el registro es de carga instantnea, o por

integracin si se registra la energa usada durante cada intervalo.

En el caso discutido previamente, el mtodo de muestreo que usa el instrumento hipottico es de

tipo discreto puesto que el censo se realiza al final del intervalo propuesto en cada caso. Esto

comnmente conduce a un muestreo errtico de datos que tergiversa dramticamente el

comportamiento de la carga. Por contraste, la mayora de los equipos miden la energa usada durante

cada intervalo t , esto es, haciendo un muestreo por integracin.

( )t

t tEnerga D d

(3)

Una curva de carga resultante de un muestreo discreto difcilmente es representativa de un

comportamiento individual o, l de un pequeo grupo. Sin embargo, segn Willis (2002), el problema

sobre el mtodo de muestreo no es tan serio cuando la carga que est siendo medida es la de un

alimentador o subestacin.

Note que el rea bajo un perfil diario continuo, corresponde a la energa total consumida por la

carga ese da. En adelante, la informacin de demanda dada en forma tabular o discreta corresponder a

una asignacin resultado de un muestreo por integracin, donde el par tiempo|demanda en la tabla, por

ejemplo ,t d , indica que la demanda promedio es 1

d Energat

durante el intervalo de demanda

de tamao t que finaliza en t. As, el rea bajo la curva diaria escalonada resultante ser efectivamente

la energa consumida durante el da en consideracin.

La mayora de las Compaas de Electricidad distinguen el comportamiento de la demanda sobre

una base de clases, caracterizando cada clase con un PCD tpico, el cual representa el patrn de uso

esperado o promedio de la carga para un cliente de esa clase el da de la demanda mxima del sistema,

esto es, el da pico. Tales perfiles describen los aspectos ms importantes desde el punto de vista del

planificador de distribucin: la magnitud de la demanda mxima o pico de carga por cliente, la duracin

del pico, y la energa total consumida. Para propsitos de planeacin, es una prctica comn suponer

que el comportamiento de un perfil tpico es cclico.

Con al menos dos cargas diferenciadas, se define la Demanda Diversificada (Ddiv) en el intervalo

que termina en t a la suma de las demandas individuales en ese intervalo, dividida por el nmero de

cargas del conjunto. Algebraicamente,

1

n

ii

div

d t

D tn

(4)

donde n indica la cantidad de cargas alimentadas en las que se mide la diversificacin de la demanda.

Considere cien casas servidas desde el mismo segmento de un alimentador de Distribucin.

Suponga que cada residencia tiene un PCD picado, errtico, cada uno ligeramente diferente debido a

los distintos artefactos, horarios y preferencias de uso. Cuando se superponen dos o ms de estos

perfiles, la resultante es otro con menos hendiduras; cuantos ms perfiles se superpongan, se obtendr

una apariencia cada vez ms suave como puede observarse en la Figura 18.

Figura 18. PDDs para grupos de dos, cinco, veinte y cien residencias en un rea suburbana de gran extensin. La escala vertical es la misma en todos los casos; note que mide la demanda diversificada. El pico de carga se reduce en la medida que

el nmero de clientes aumenta (Espina, 2003).

Tradicionalmente la bibliografa refiere esto como una demanda promedio, lo cual resulta ambiguo considerando que el trmino est reservado para otra caracterstica. En cambio, como se ver ms adelante, esta definicin obedece a la acepcin prctica del trmino diversificada.

El pico de carga por cliente, o demanda mxima diversificada, cae a medida que agregan nuevos

clientes al grupo. Cada residencia tiene un breve, pero pronunciado pico que rara vez es coincidente con

otro dentro del mismo grupo, especialmente si es numeroso. En fin, el pico del grupo ocurre cuando de

la combinacin de las Curvas de Carga individuales se obtiene un mximo que es sustancialmente menor

que la suma de los picos individuales como puede verificarse en la ilustracin anterior.

1.4. CARGA CONECTADA Y CAPACIDAD NOMINAL.

La suma de las intensidades o potencias de placa de todos los artefactos de consumo

dependientes del Sistema Elctrico de Distribucin, o de una parte de l, se define como carga

conectada (CC) y representa la mxima demanda posible de una instalacin. De modo que la relacin

demanda mxima diversificada a carga conectada, conocida como factor de demanda (FD), es en general

fraccin de la unidad y mide la proporcin de carga total que es a lo sumo alimentada. Algebraicamente,

mdvn D

FDCC

(5)

donde 1,2, ,

maxmdv div jj m

D D t

, m indica la cantidad total de mediciones de la demanda en el

perodo de estudio T (en consecuencia el intervalo de demanda es T

tm

), y n es la cantidad de cargas

que forman el grupo alimentado.

Aunque el factor de demanda puede aplicarse a un sistema completo, usualmente es aplicable a la

acometida de un cliente que puede ser industrial, comercial o residencial.

En una acepcin ms amplia (Espina, 2003), la proporcin de carga alimentada en un momento

dado se mide por un factor de asignacin (FA); en particular, el factor de demanda corresponde al factor

de asignacin del pico de carga.

Por otra parte, la intensidad o potencia nominal del medio de suministro al cual se ha conectado

carga, se denomina capacidad nominal (CN) de tal medio.

La capacidad de carga de la mayora de las partes del equipamiento elctrico tiene base en el

lmite de operacin segura por elevacin de temperatura, y dado que la temperatura no cambia

instantneamente con la carga sino tambin con el tiempo, partes como alambres, cables,

transformadores, etc., tienen un retardo considerable en la elevacin de temperatura y una apreciable

capacidad de almacenamiento de calor (Espina, 2003). As, la capacidad de los equipos de suministro

est determinada por una carga continua, la elevacin de temperatura se traduce en calor y en

consecuencia, las sobrecargas de muy corta duracin no tendrn una influencia significativa en el

deterioro de sus partes. No obstante, cuando la capacidad del sistema o parte de l ha sido determinada

por su lmite trmico, la restriccin de cada de tensin puede ser violada por una carga inferior a tal

capacidad.

El factor de utilizacin (FU) de un sistema, o parte de l, es el anlogo del factor de demanda en el

mbito del suministro porque determina la proporcin de capacidad nominal que es a lo sumo utilizada.

Algebraicamente,

mdvn D

FUCN

(6)

Note que en general FU 1. El Factor de Utilizacin puede indicar el grado en el cual un sistema

est siendo cargado durante el pico de carga con relacin a su capacidad; un FU > 1 indica que el sistema

est sobrecargado.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

BEATY, H. W. and FINK, D. G.: Manual de Ingeniera Elctrica. Decimotercera Edicin. McGraw-Hill

Interamericana de Mxico, S. A. de C. V. Colombia, 1997.

CONEJO, A. J. y Ot. Instalaciones Elctricas. McGraw-Hill Inc/Interamericana. Espaa, 2007.

ESPINA, J. Caracterizacin de la Carga en Sistemas Elctricos de Distribucin. Trabajo de Ascenso.

Universidad del Zulia, Venezuela, 2003.

ESPINOSA, R. Sistemas de Distribucin. Noriega Editores. Mxico, 1990.

GNEN, T. Electric Power Distribution System Engineering. McGraw-Hill Inc. New York, USA, 1986.

WILLIS, H. L. Spatial Electric Load Forecasting. Second Edition, Revised and Expanded. Marcel Dekker,

Inc. New York, USA, 2002.

YEBRA, J. A. Sistemas Elctricos de Distribucin. Editorial Revert. Espaa, 2009.

1.1. INGENIERA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIN1.2. OPERACIN Y ESTRUCTURAS1.3. REGISTRO DE LA DEMANDA.1.4. CARGA CONECTADA Y CAPACIDAD NOMINAL.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS