Características Generales de las Redes de Distribución

Características Generales de las Redes de Distribución Campo al que pertenece Energética Principales exponentes Sergio de la Fé Dotres

Características Generales de las Redes de Distribución: El sistema electroenergético es aquel donde se realiza la transformación de diferentes tipos de energía en eléctrica y viceversa. En forma general se puede distinguir en el mismo cuatro partes fundamentales: Generación, transformación, transmisión y distribución. De estas partes componentes sólo será estudiada la distribución. Esta es la parte del sistema eléctrico, constituida por los conductores, estructuras, aisladores, equipos, etc., destinados a unir eléctricamente las fuentes de energía y los consumidores a través de las subestaciones de distribución, sin pasar a través de líneas de transmisión. Las fuentes de energía pueden ser: plantas propiamente dicho, subestaciones, etc.

Importancia de las redes de distribución

Las redes de distribución ocupan un lugar importante en el sistema electroenergético, siendo su función tomar la energía eléctrica de la fuente y distribuirlas o entregarlas a los consumidores. La afectividad conque las redes de distribución realizan esta función se mide en términos de regulación de voltaje, continuidad del servicio, flexibilidad, eficiencia y costo. El costo de las redes de distribución representa aproximadamente el 50% del costo del sistema eléctrico en su conjunto. Las tareas de la distribución son el diseño, construcción, operación y mantenimiento del sistema para poder brindar, al menor costo posible, un servicio eléctrico adecuado al área bajo consideración, en la actualidad y en un futuro próximo. Las redes de distribución toman diferentes formas dependiendo de las características de la carga a servir, existiendo, sin embargo, varios principios comunes que éstas deben cumplir. Así, las redes de distribución deben brindar servicio con un mínimo de variaciones del voltaje y un mínimo de interrupciones. Las interrupciones del servicio deben ser de corta duración y afectar al menor número posible de consumidores. El costo total, incluyendo construcción, operación y mantenimiento del sistema, debe ser lo más económico posible, en dependencia de la calidad del servicio requerido por la carga en cuestión. El sistema debe ser flexible para permitir exposiciones pequeñas y cambios en las condiciones de carga con un mínimo de modificaciones y gastos. Como se puede apreciar de lo anteriormente expuesto, el diseño, construcción, mantenimiento y operación de las redes de distribución son factores muy importantes a considerar para poder brindar un servicio eléctrico de calidad a un costo razonable.

Partes componentes de un sistema de distribución

Un sistema de distribución está compuesto fundamentalmente por: • Líneas de subtransmisión • Subestaciones de distribución • Alimentadores primarios • Transformadores de distribución • Alimentadores secundarios • Acometidas • Metros contadores. a) LINEAS DE SUBTRANSMISION. Son las líneas que partiendo de una fuente, planta o subestación van a alimentar subestaciones de distribución o industriales en las cuales el voltaje se reduce a los valores requeridos para el servicio de la industria o a los alimentadores de los circuitos de distribución. Sobre la base de esta definición pueden considerarse como de subtransmisión: - Las líneas que van desde las plantas a las subestaciones industriales. En este caso el voltaje de la línea puede ser desde 2,4 hasta 13,8 kv. - Las líneas que van desde las subestaciones de enlace hasta la subestación industrial. Nivel de voltaje 34,5kv. - Las líneas que van desde la subestación de salida de la planta hasta una subestación de distribución (S.D.). Nivel de voltaje 34,5 kv. En este análisis está considerando las líneas de subtransmisión por el servicio que prestan y no por el nivel de voltaje de las mismas. Normalmente el voltaje de las líneas de subtransmisión es de 34,5 kv y en muchos casos se toma este nivel de voltaje para definir estas líneas, aunque esto no es lo correcto. b) SUBESTACIONES DE DISTRIBUCION. Consideramos como de distribución las subestaciones que reciben las líneas de subtransmisión y reducen su voltaje a los valores normales en los circuitos de distribución desde 2,4 hasta 13,2 kv. c) ALIMENTADORES PRIMARIOS O DISTRIBUCION PRIMARIAS. Son las líneas que saliendo de una subestación de distribución van a alimentar a los transformadores de distribución. Su valor de voltaje varía desde 2,4 hasta 13,2 kv. d) TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION. Son los transformadores destinados a reducir el voltaje de los valores usados en los circuitos de distribución primaria de 2,4 a 13,2 kV, a los valores de utilización en las residencias, comercios e industrias de 120 a 480 v. e) ALIMENTADORES SECUNDARIOS O DISTRIBUCION SECUNDARIA. Son las líneas que partiendo de los transformadores de distribución van a dar servicio a los consumidores del área por medio de las acometidas. f) ACOMETIDAS. Son las líneas que partiendo de los alimentadores secundarios se extienden hasta los metros contadores de los consumidores. g) METROS CONTADORES. Son los instrumentos conectados a los consumidores, destinados a medir la potencia consumida por los mismos.

Clasificación de las redes de distribución

I. Por su ubicación o tipo de construcción • aéreas • soterradas • mixtas

II. Por el servicio que prestan: • residenciales • industriales. • comerciales. • alumbrado • mixtas

III. Por la densidad de carga o tipo de área servida • rurales • urbanas • .mixtas

IV. Por su configuración. • radiales • lazo • red

V. Por su ubicación. • Redes de Distribución Aéreas. Se conocen como redes de distribución aéreas aquellas en las que los alimentadores primarios, los ramales, los transformadores, interruptores, seccionalizadores, etc., están soportados por estructuras que los mantienen separados de tierra a la altura establecida por las normas.

• Redes de Distribución Soterradas. Son aquellas en las cuales los alimentadores primarios, ramales, transformadores, etc., se hallan bajo tierra. Los conductores pueden hallarse situados en conductos soterrados directamente en la tierra y los transformadores, interruptores, seccionalizadores, etc., se hallan en cámaras que pueden encontrarse en los edificios o comercios existentes o bien bajo tierra.

• Redes de Distribución Mixtas. Son aquellas en que partes de la red se encuentran soterradas mientras que en otras partes de la misma la distribución se ejecuta por líneas aéreas.

Por el Servicio que Prestan

Atendiendo al servicio que prestan, las redes de distribución pueden clasificarse en residenciales, comerciales, industriales, de alumbrado y mixtas. Sus nombres respectivos indican el tipo de cargas a servir por dichas redes. Las características de estas cargas son diferentes y las mismas serán posteriormente consideradas en detalle. Las redes más comunes de las zonas urbanas son las tipos mixtas.

Por la Densidad de Carga

De acuerdo a la densidad de carga a servir las redes de distribución pueden clasificarse en urbanas, rurales y mixtas, ahora bien, no es posible establecer una definición que permita determinar, cuando un circuito deja de ser de distribución urbana y pasa a ser de distribución rural y viceversa. Para establecer cuando un circuito se considera de uno u otro tipo de distribución necesitamos utilizar el termino densidad de carga, esto es, los kilovoltamperes por kilómetros o los kilovoltamperes por kilometro cuadrado que solicita la carga a servir. Basado en esta disposición podemos establecer como distribución rural típica aquella que sirve una carga de 50 KVA o menos distribuida en una longitud de 2-3 Km. y una distribución urbana típica aquella que sirva una carga de 2 000 KVA/km. Ahora bien, las redes urbanas tienen lógicamente una densidad de carga mayor en el centro de la ciudad que en sus alrededores, donde en muchos casos el circuito se va extendiendo para servir solicitudes cada vez mas distintas unas de otras. En esta zona de densidad de carga es difícil establecer cuando el circuito deja de ser de distribución urbana y pasa a ser de distribución rural. En los circuitos de distribución urbana se necesita tener mejor regulación de voltaje, mayor seguridad de la continuidad en el servicio y un por ciento de perdidas menor que los circuitos rurales. En los circuitos de distribución rural normalmente el factor mecánico es el que determina el calibre del conductor, la regulación del voltaje y continuidad del servicio no son factores determinantes debido a que las características de las cargas permiten mas flexibilidad. Un factor característico de las líneas rurales es el uso de tramos mayores y postes más bajos debido a que la separación vertical permisible es menor y no existan circuitos de distribución secundarios, los cuales al estar separados 30 cm entre si, limitan el tramo permisible. En algunos casos, cuando es necesario extender circuitos de distribución secundarios en líneas rurales existentes, se instalan postes de menor altura para soportar circuitos secundarios solamente. Pueden instalarse también directamente en el poste si el número de conductores a instalar y la altura de los postes existentes lo permiten.

Por su Configuración

Atendiendo a su configuración las redes de distribución pueden ser de tipo radial, de lazo y malla, indicando sus nombres la configuración que toma la red con el fin de brindar el servicio solicitado. Las características de cada uno de estas redes son diferentes y las mismas serán consideradas en detalle posteriormente. Las redes mas comunes utilizadas en distribución son las del tipo radial.

Circuitos primarios y secundarios. Características

Como ya se dijo antes, los alimentadores primarios son circuitos trifásicos de 3 o 4 hilos, en dependencia de que el sistema sea aterrado o de neutro flotante, mediante los cuales se sirve la energía a una zona mas o menos extensa. Las derivaciones de la alimentación troncal (ramales), pueden ser trifásicas o monofásicas. Los voltajes entre líneas varían entre los valores de 2,4 kV hasta 34,5 kV. Los voltajes más bajos corresponden a las instalaciones más antiguas, mientras que en la actualidad la tendencia es a utilizar voltajes de 13,2 - 15 kV y superiores. Los circuitos secundarios son por lo general trifásicos, de cuatro hilos, con voltajes que dependen del tipo de conexión de los transformadores de distribución.

Características de los sistemas aislados y aterrados

En los sistemas de distribución se puede encontrar el neutro del sistema aislado de tierra o conectado sólidamente a esta, en dependencia de los niveles de voltajes utilizados para servir los requerimientos del consumidor.

Sistemas aislados de tierra

Dentro de estos sistemas tenemos que considerar dos casos: • Sistema Estrella Este se presenta generalmente en los ramales o líneas rurales donde por razones económicas no se tiende el conductor de tierra o neutro del sistema. Es un sistema justificable sólo en contados casos y debe evitarse siempre que sea posible. Las cargas monofásicas pueden servirse por medio de transformadores especiales cuyo voltaje de trabajo del primario es igual al voltaje de línea del sistema; lo que constituye su principal desventaja técnica económica. • Sistema delta. Este es el caso más común en los sistemas aislados, siendo los voltajes normales en estos sistemas de distribución de 2400 V y 7620 V o valores aproximados. La ventaja fundamental de este sistema es que solo se requiere conductor neutro en las zonas donde existen alimentadores secundarios de 120/240 V, ya que como norma este servicio se da con tres conductores, un neutro anclado a tierra mediante barras de 3 m clavadas a tierra y a través del sistema de cañería del acueducto y los otros dos con un voltaje de 120 V. a este conductor neutro y 240 V entre sí. En caso de que sea necesaria la conversión al voltaje superior del sistema conectado en estrella, sólo será necesario instalar el neutro en las zonas donde no hay servicio secundario 120/240 volt. Las desventajas principales son: • No es posible la conexión de transformadores entre línea y tierra (neutro). • Las fallas a tierra pueden ocurrir sin conocerse; un pararrayo defectuoso puede mantener una fase anclada a tierra y el sistema permanecer inalterable. • Al estar el sistema en delta completamente aislado, el voltaje entre los conductores primarios y el neutro a tierra es de carácter capacitivo y dependerá del voltaje del sistema, su carga, su longitud, etc. En condiciones normales el valor de este voltaje es menor que el que existe entre líneas, pero cuando una fase se conecta a tierra, lógicamente el voltaje entre esta fase y tierra es cero, pero las otras dos toman el voltaje entre línea con respecto a esta. • Interferencia. Con este sistema rara vez se produce interferencia telefónica, pero durante fallos a tierra puede producirse radio interferencia.

Sistemas anclados a tierra

En estos sistemas el secundario del transformador de la subestación que les da servicio está conectado en estrella aterrada. De dicha subestación salen tres conductores primarios y un conductor neutro conectado directamente al transformador, y al sistema de tierra de aquella. Este conductor neutro corre paralelo a los primarios en el tronco y en los ramales, ya sean trifásicos o monofásicos, y se aterra en su recorrido en los postes o estructuras que soportan pararrayos, transformadores, interruptores, etc. Y tiene la doble función de neutro primario y secundario. En los bancos trifásicos de 3 unidades monofásicas, el punto común de la estrella del banco no se aterra, pero en caso de fallo de un alimentador primario puede mantenerse el servicio provisionalmente conectando el banco en Y abierta y reduciendo la carga conectada. Esto último no puede hacerse en los sistemas aislados, donde para dar servicio trifásico siempre es necesario tener tres alimentadores tanto en el caso de bancos con tres unidades como de dos unidades. En los sistemas aterrados, existe la ventaja de que se necesita un interruptor y un pararrayos menos que en los sistemas aislados para el caso de una y dos unidades. En el caso de tres transformadores los interruptores son los mismos para ambos sistemas. Es bueno señalar que en los circuitos de distribución estos últimos representan menos del 10% de los bancos instalados. Las fallas a tierra son detectadas y aisladas por los equipos protectores, lo que no sucede en los sistemas aislados. Puede darse servicio monofásico con un solo conductor primario y el neutro y servicio trifásico con dos conductores primarios y el neutro, por lo que las extensiones de líneas son menos costosas.

Circuito primario radial

Un circuito primario radial (red radial) es aquel que partiendo de un punto de alimentación (planta, subestación, etc.), recorre una determinada región; cubriendo la demanda eléctrica de esta. La red radial está constituida por la línea propiamente dicha, los ramales y subramales. En distribución a la línea o circuito principal se le llama tronco. Su característica eléctrica fundamental es la presencia de sólo un punto de alimentación y la ausencia de caminos cerrados. En oportunidades, cuando el circuito radial sirve a una zona densamente poblada, con varios alimentadores vecinos que parten de la misma subestación u otra cercana, es posible prever ramales de interconexión para en caso de avería transferir carga de un circuito a otro. El cálculo eléctrico de estos circuitos es sencillo; sus inversiones capitales son menores que otras redes; pero presentan mayores pérdidas de potencia y caídas de voltajes; así cómo menor fiabilidad. Para el estudio del flujo de potencia se dividen en 2 grupos; dependiendo de la información que se tenga sobre las cargas. 1. Circuitos donde se conoce la magnitud de la carga en potencia activa y reactiva (P y Q). Es decir, cuando la carga es una subestación debidamente instrumentada. 2. Circuito donde sólo se conoce la magnitud de la carga aparente entregada (KVA). Esto es el caso más común en los circuitos primarios de distribución, que estudiaremos más adelante con el método de Ardvinson.

Circuito o red en Lazo

Este tipo de circuito de distribución, tiene la característica de que se cierra sobre si mismo, poseyendo sólo un punto de alimentación; pero estableciendo 2 caminos para la alimentación de las cargas, lo que permite menores caídas de voltaje, pérdidas de potencia que en la red radial, además, ante un fallo en una de las ramas, es posible alimentar a las cargas como si fuesen dos redes radiales; es por eso que su sistema de protecciones debe reaccionar no sólo a la magnitud de la corriente de falla, sino también a la dirección de la misma con respecto a la barra para poder eliminar las fallas desconectando el menor número de consumidores. Puede suceder que en un nodo del lazo haya una generación que sea menor que la potencia total demandada por la carga (Si) del nodo, entonces se puede calcular como red en lazo determinando la potencia neta demandada del sistema por el nodo. Estas redes presentan las desventajas ante las radiales en sus mayores inversiones iniciales y en la mayor complejidad de su sistema de protecciones.

==Circuitos o redes en malla==. En estos circuitos, como su nombre lo indica, se forma una malla o red altamente interconectada. Su mayor aplicación es en las zonas densamente pobladas de las grandes ciudades y su carácter de malla se manifiesta mayormente en las interconexiones por secundario. La red o malla secundaria se forma interconectando todos los transformadores usados en la distribución de forma tal que prácticamente cada transformador contribuye a todas las cargas en alguna medida; en este caso, los transformadores son trifásicos conectados en estrella sólidamente aterrada con voltajes de 120/208 V. Esta red ofrece una alta confiabilidad en el servicio, ya que la avería de un transformador no interrumpe el servicio, puesto que la carga entregada por él se redistribuye entre los demás; otra de sus ventajas es su excelente regulación de voltaje, muy superior a la de los circuitos antes mencionados y sus mucho menores pérdidas de potencia. Son estas condiciones las que las hacen ideales para su utilización en aquellos lugares donde se requiere alta confiabilidad del servicio como los perímetros urbanos densamente poblados. La alimentación de los transformadores de distribución primaria puede realizarse incluso por el sistema en malla; pero en la mayoría de los casos se utilizan alimentadores radiales que parten de una misma subestación. La eliminación de las fallas en este tipo de red se realiza de una manera distinta que en las otras; esto es debido en primer término al gran valor de la corriente de cortocircuito en el secundario, debido a la gran contribución de todos los transformadores. Una avería de este tipo, por regla general se elimina mediante la fusión de los conductores secundarios en el punto de la falla, es por eso que la selección de la sección del conductor requiere gran atención. Igualmente se colocan elementos limitadores en el secundario, para eliminar secciones falladas. Los cortocircuitos en los alimentadores primarios reciben las contribuciones de la red secundaria, invirtiéndose la fase de la corriente. Por tanto, para eliminar la falla no basta pues con la apertura del interruptor del alimentador primario colocado en la subestación, es necesario también la desconexión por secundario de todos los transformadores conectados a este alimentador. Esto se logra mediante la operación de un interruptor que reacciona al cambio de dirección de la corriente en el transformador, y que es tan sensible que puede operar sólo con la corriente de magnetización del transformador.

Esquema de una red de distribución en malla

Las ventajas principales de esta red son: • Mejor distribución de las cargas en los alimentadores secundarios. • Mejor balance de las cargas en los transformadores. • Elimina prácticamente el parpadeo de las luces. • Mejor regulación y fácil balanceo de las cargas. • Facilidad para asimilar el incremento de las cargas. • Eliminación de las fallas de servicio por fallas en transformadores. • Menor cantidad de transformadores. Su principal desventaja es su alto costo de instalación, que limita su uso a zonas densamente pobladas consumidores que requieren un alto grado de fiabilidad del suministro.

Fuentes

De la Fé Dotres, Sergio. Ajuste de las derivaciones de los transformadores. Departamento energético. Facultad de ingeniería. Universiad de Oriente. Santiago de Cuba, 2004.