Buch lesen: «Montaje de redes eléctricas aéreas de alta tensión. ELEE0209»

Capítulo 1

Distribución de la energía eléctrica

1. Introducción

En el presente capítulo se estudiarán las diferentes formas de distribuir la energía eléctrica conociendo la tipología comúnmente empleada para la red eléctrica, así como la estructuración de la misma.

Además se detallarán los elementos de los que se compone el sistema de distribución de energía eléctrica atendiendo a las diferentes tensiones que pueden encontrarse en la red. Asimismo se describirán los diferentes tipos de subestaciones, centros de transformación y líneas de transporte eléctricas que conforman una red de distribución eléctrica.

Se abordarán los elementos que componen una línea aérea, así como los elementos auxiliares de protección, maniobra y sujeción necesarios y establecidos por normativas e instrucciones, tanto de las administraciones públicas encargadas como de las compañías distribuidoras.

Finalmente se presentará la simbología empleada en el ámbito de la distribución de la energía eléctrica además de incidir en la aplicación práctica para la interpretación de planos tanto de líneas eléctricas como de obra civil o topográficos.

2. Tipos de distribución

La energía puede presentarse en diversas formas: mecánica, térmica, química, nuclear, magnética, etc., sin embargo la forma elegida para el abastecimiento de núcleos poblacionales es la energía eléctrica, aunque en origen provenga de la transformación de alguna de las fuentes anteriores.

Bombillas

Por motivos técnicos y económicos tanto la generación como la transmisión y distribución de la energía eléctrica se realiza mediante sistemas eléctricos trifásicos. Un sistema trifásico no es más que la agrupación de tres líneas o conductores llamadas fases donde existe una tensión eléctrica desplazada en 120º. También existen sistemas formados por una sola fase que son denominados monofásicos. Ambos sistemas necesitan de un conductor sin carga llamado neutro cuya función es producir un diferencial de potencia que haga circular la electricidad.

Sabía que...

La energía eléctrica está formada por la tensión (voltaje) y la intensidad (amperaje).

La tensión es el trabajo necesario para desplazar una partícula cargada mediante un campo eléctrico.

La intensidad es el flujo de electrones que circulan por un conductor.

La fuerza que se opone al paso de la electricidad es la resistencia. En la naturaleza existen materiales que ofrecen baja resistencia al paso de los electrones (conductores) y materiales que apenas permiten el flujo de estos (aislantes).

Generalmente el tipo de corriente que se emplea para el transporte en las líneas de distribución es corriente alterna (CA) trifásica. También puede hacerse uso de la corriente continua (CC), pero se reserva para casos especiales donde la potencia a transportar por la línea entre subestaciones es muy elevada y las distancias que las separan entre sí muy amplias.

2.1. Ventajas de un sistema trifásico

El uso del sistema trifásico en lugar de uno monofásico presenta las siguientes ventajas:

1 Para transportar un determinado flujo eléctrico se necesita una sección de conductor mucho menor que en un sistema monofásico, con lo que resulta más económico establecer una red eléctrica trifásica.

2 La potencia que proporciona un motor trifásico es mayor que uno monofásico.

3 En un sistema monofásico se crea una sola onda eléctrica con lo que su potencial cae tres veces por ciclo, mientras que en un sistema trifásico el desfase de 120º de las ondas hace que la potencia nunca sea cero. En los siguientes gráficos se observa esta diferencia de potencial.

2.2. Distribución de un sistema trifásico

Para mantener la distribución de un sistema trifásico es necesario establecer un conexionado de las cargas que permita un desfase de 120º, a continuación pueden verse los esquemas de conexionado más habituales.

Triángulo

Para este tipo de conexión las tensiones de fase coinciden con las tensiones de línea, mientras que las corrientes de fase son distintas a las de línea. Esto se produce porque la conexión de las tres fuentes generadoras de electricidad se conectan entre sí, como se observa en la imagen siguiente.

Conexionado de las cargas en triángulo. Este sistema de conexión se designa con la letra D.

Nota

A la intensidad que circula por un cable también se le denomina corriente. En este caso existe una corriente o flujo de electrones circulando a través del hilo conductor o cable.

Estrella

En el caso del conexionado de las cargas en estrella las corrientes de fase y de línea son las mismas, sin embargo las tensiones son diferentes. Ello es debido a que cada fuente generadora se conecta directamente con la línea.

Conexionado de las cargas en estrella. Este sistema de conexión se designa con la letra Y.

Importante

Las cargas conectadas en serie mantienen la misma Intensidad mientras que sus tensiones se suman.

Las cargas conectadas en paralelo mantienen la misma tensión mientras que sus intensidades se suman.

Grupos de conexionado

En la práctica las conexiones se realizan mediante grupos de conexión, que consisten en emplear dos de los sistemas anteriormente estudiados. Mediante los grupos de conexión se pueden obtener una serie de ventajas que permiten diseñar una red eléctrica con unas condiciones técnicas favorables a la finalidad de su uso. A continuación se expondrán los esquemas más habituales:

1 Conexión estrella-estrella (Y-Y). Presenta la ventaja de disminuir la tensión por fase del transformador, cuando las cargas se encuentran equilibradas.

2 Conexión triángulo-triángulo (D-D). Presenta la ventaja de que ante la interrupción de una de sus fases por avería, el transformador puede seguir funcionando a una potencia reducida, manteniendo la tensión de línea a la que permite una sola fase. Este sistema se emplea en transformadores de pequeña potencia para alimentación de redes de baja tensión, con corrientes de línea muy elevadas.

3 Conexión estrella-triángulo (Y-D). Este tipo de conexión se emplea en centros de transformación para reducir la tensión entre la entrada al transformador de la línea de alta tensión procedente de una torreta de distribución a baja tensión para ser suministrada al consumidor.

4 Conexión estrella zig-zag (Y-Z). Dicha conexión se emplea para la reducción de la tensión en transformadores de distribución, con una potencia inferior a 400 kV.

Recuerde

Para establecer un conexionado en un sistema trifásico las cargas deben mantener un desfase de 120º.

3. Tipología y estructura de las redes

Se denomina red eléctrica al conjunto de líneas y elementos que tienen por misión transportar y acondicionar la energía eléctrica desde las diferentes centrales generadoras, hasta el punto de consumo, incluyendo las subestaciones y los centros de transformación. En definitiva, una red eléctrica es un sistema interconectado que permite abastecer de energía eléctrica a los usuarios.

3.1. Estructura de una red eléctrica

Los elementos que conforman una red eléctrica son:

1 Centrales generadoras.

2 Subestaciones.

3 Líneas de Alta Tensión.

4 Centros de Transformación.

5 Líneas de Baja Tensión.

6 Centros de reflexión.

7 Centros de reparto.

Las líneas eléctricas e instalaciones cuya tensión está por debajo de los 220 kV conforman la red de distribución.

3.2. Tipos de redes

Las redes se clasifican en varios grupos, dependiendo de las características y disposición de la misma, así como de los elementos necesarios para su constitución.

Así pueden encontrarse los siguientes tipos.

Red de anillo

Está formada por una Línea de Alta Tensión que puede albergar un número máximo de 10 Centros de Transformación cuyo enlace está cerrado en forma de círculo formando un anillo. En esta red también se incluye las Líneas de distribución de Baja Tensión que salen de los Centros de Transformación. Una red en anillo permite seguir abasteciendo a la red de distribución aún cuando se produzca un fallo en uno de los transformadores, el inconveniente es el coste que supone establecer este tipo de instalación.

Red de lineal

En el caso de la red lineal, esta no se encuentra cerrada, sino que los centros de transformación se distribuyen a lo largo de la línea de alta tensión, conectándose uno tras otro hasta un máximo de diez. En esta ocasión las líneas de distribución de baja tensión también forman parte de la red lineal. Cuando se produce un fallo en uno de los transformadores el resto que dependen de él pueden quedar desabastecidos.

Red de baja tensión

Está formada por el conjunto de las líneas de baja tensión cuya misión es enlazar el centro de transformación con la línea privada.

Red de anillos múltiples

Una red de anillos múltiples se forma cuando se conectan a una misma subestación varias redes de anillos.

Red de huso normal

La red de huso normal está formada por un máximo de seis líneas de alta tensión donde uno de sus extremos está conectado a un centro de reflexión y por el otro a una subestación o centro de reparto, siempre manteniendo un máximo de diez centros de transformación por cada línea de alta tensión.

Red de huso múltiple

La red de huso múltiple se constituye por varias redes de huso normal conectadas a una misma subestación o centro de reparto.

Esquema de una red de huso múltiple

Red de huso apoyado

Esta red se emplea cuando existen dos líneas de capacidad y se prevé ampliaciones de la red o conexiones con otra. Está formada por seis líneas de alta tensión conectadas a dos subestaciones e interconectadas entre sí.

Ejemplo

Cuando se prevé el crecimiento en el consumo eléctrico de una zona o un territorio, bien por la extensión de una gran ciudad o por la construcción o ampliación de un polígono industrial donde existen dos líneas conectadas a dos subestaciones se establecen redes de huso apoyado.

Aplicación práctica

“Instalaciones Eléctricas”, que es la empresa donde trabaja, ha sido contratada por el consistorio local para desarrollar y construir la red eléctrica que abastecerá a la ampliación de una zona residencial en cuya parte oeste de la ampliación se tiene previsto la construcción de un hospital que no debe quedar desabastecido en caso de fallo de la red. Con plan de futuro se espera que la ciudad crezca en esa dirección, por lo que la instalación debe preverse de forma que permita ampliaciones futuras. Como ayudante de diseño técnico debe aportar sus ideas para el desarrollo del proyecto ajustándose a las condiciones previstas.

Indique el tipo o los tipos de redes más apropiadas para realizar la instalación y justifique los motivos que le han llevado a su elección. La red será abastecida por una subestación cercana destinada a tal fin.

SOLUCIÓN

La instalación que se va a realizar servirá de base para futuras ampliaciones, además de esto hay que tener en cuenta que está previsto la construcción de un hospital en la zona oeste de la ampliación y que no debe quedar desabastecido. Debido a esto último se descarta establecer una red de tipo lineal ya que un fallo en un centro de transformación podría dejarlo desprovisto de electricidad. En este caso lo mejor es proyectar una red de abastecimiento de tipo anillo, que además de mantener el abastecimiento de la red de distribución, servirá de base para las futuras instalaciones de ampliación que podrán instalarse formando un tipo de red de anillos múltiples. Además debe instalarse la red de baja tensión encargada de suministrar a los puntos de consumo la energía proveniente de los centros de transformación de la zona residencial.

4. Líneas de transporte y distribución. Tensiones

En la mayoría de los casos la centrales generadoras de electricidad se encuentran a grandes distancias de las zonas de consumo. Esto se debe en parte a que los recursos para generar esa electricidad se encuentran en determinadas zonas alejadas de los núcleos urbanos, es el caso de las centrales hidroeléctricas que deben ubicarse en zonas donde se produzcan grandes saltos de agua que puedan mover las turbinas y generar electricidad; por otra parte la normativa obliga a ciertas centrales a situarse a una determinada distancia del núcleo poblacional. Debido a esto existe la necesidad de transportar energía eléctrica a grandes distancias.

Para reducir las pérdidas de energía eléctrica durante el transporte a causa del Efecto Joule, se eleva la tensión para bajar al mínimo posible la intensidad de la corriente circulante por la línea, de esta forma no solo se consigue disminuir las pérdidas, sino que también se reduce el coste económico de la instalación al reducirse la sección de conductor necesaria.

Nota

Cuanto mayor es la potencia transportada y la distancia entre las centrales y el punto de consumo, mayor debe ser la tensión de la línea.

4.1. Tipos de líneas

Las líneas que sirven tanto para el transporte de la energía como para su distribución a fábricas, industrias y ciudades, en función de su instalación pueden clasificarse de la siguiente manera.

1 Líneas aéreas. Son aquellas donde el conductor está al aire libre, colocado a una cierta altura mediante apoyos. La altura de dichos apoyos y sus características vienen recogidas en el Reglamento de Líneas Aéreas de Alta Tensión (RLAT) en su artículo 25, donde además se especifican las características que deben reunir los apoyos dependiendo del material empleado (madera, hormigón o metal). El vano es el nombre que recibe la distancia que separan dos apoyos contiguos, mientras que su distancia expresada en metros se conoce por luz.Las líneas aéreas presentan la ventaja de que, tanto en el coste del montaje como los gastos de mantenimiento, son inferiores a las instalaciones enterradas. Sin embargo, existe mayor riesgo de electrocución, así como la captación de descargas eléctricas provenientes de fenómenos atmosféricos sobre los conductores desnudos. Además no hay que olvidar el impacto visual y medioambiental que causa este tipo de instalaciones.

2 Líneas subterráneas. En este caso la línea discurre bajo el nivel del suelo, disminuyendo los peligros de electrocución y eliminado el impacto visual, por el contrario, presenta la desventaja de un coste mayor, al ser necesario la apertura de zanjas, y en ocasiones, la utilización de equipos tecnológicamente más sofisticados. Este tipo de instalaciones se emplean para la distribución de energía en núcleos urbanos.

3 Líneas mixtas. Se le denomina con este nombre a las instalaciones donde parte de la línea va enterrada y parte por trazado aéreo.

4.2. Líneas de transporte

Las líneas de transporte en su mayoría son líneas aéreas de tensiones nominales superiores a 220 kV. El objeto principal de dichas líneas es transportar la energía generada en las centrales eléctricas hasta los diferentes puntos de consumo, tales como grandes ciudades, polígonos industriales, etc.

El conductor está soportado por grandes torretas metálicas provisto de varias crucetas, estas líneas suelen estar constituidas por varios circuitos eléctricos independientes, la cantidad de crucetas instaladas en la torreta será igual al número de circuitos existente en la línea.

Torreta metálica para línea de transporte

Para proteger las líneas de posibles descargas eléctricas procedentes de rayos, se dotan a estas estructuras de un conductor enterrado bajo tierra.

Nota

Actualmente todas las redes españolas de transporte están gestionadas por la empresa Red Eléctrica de España (REE).

4.3. Líneas de distribución

Son todas aquellas líneas cuya tensión está por debajo de los 220 kV, estas líneas sirven para abastecer a los usuarios sirviendo de enlace entre el punto de consumo y la subestación pasando por los centros de transformación.

Los tramos en los que se pueden diferenciar una línea de distribución son:

1 La red de reparto. Sirve de enlace entre la subestación transformadora y la estación de distribución.

2 La red de distribución de media tensión. Enlaza la estación de distribución con el centro de transformación.

3 Las líneas de distribución. Parten desde el centro de transformación hasta la acometida del usuario.

4.4. Tensiones

El Reglamento de Líneas Aéreas de Alta Tensión (RLAT) establece tres categorías para la clasificación tanto de las líneas de alta como baja tensión, en función de las tensiones nominales que soportan:

1 Líneas de 1ª categoría. Son todas aquellas líneas cuya tensión es superior a los 66 kV.

2 Líneas de 2ª categoría. Las líneas de esta categoría soportan una tensión nominal comprendida entre los 30 y los 66 kV.

3 Líneas de 3ª categoría. Son todas las líneas cuya tensión es inferior a 30 kV.

Sabía que...

En el ámbito profesional a las instalaciones con tensiones nominales entre 1 y 36 kV se le denomina media tensión. Este tipo de instalaciones son comunes en las líneas de distribución que finalizan en los centros de transformación.

5. Subestaciones y centros de transformación. Tipos

En una red eléctrica es necesaria la disposición de varias instalaciones que permitan salvar los obstáculos técnicos producidos al situar el centro de generación de energía en un lugar distinto al punto de consumo.

En las centrales eléctricas se produce energía eléctrica mediante un generador de corriente solidario a un motor que transforma la energía proveniente de los recursos de la naturaleza (viento, carbón, agua, etc.) en energía eléctrica.

Dependiendo del tipo de central, el tamaño de la misma, la materia prima que utilice, etc., las tensiones que generan las centrales pueden ser muy dispares e incluso distintas a lo largo de un día.

Parque eólico

En ocasiones las tensiones que se generan pueden ser inferiores a las necesarias para realizar el transporte de la energía a través de las líneas de transporte, es por ello que se instalan subestaciones elevadoras de tensión cuya misión es aportar la tensión necesaria a la red de transporte.

Por otra parte el usuario final de la energía requiere de tensiones mucho menores para su utilización doméstica o industrial, por lo que es necesario instalar centros de transformación que disminuyan la tensión y acondicione la energía al usuario según sus necesidades.

5.1. Subestación eléctrica

Las subestaciones eléctricas son instalaciones encargadas de modificar las tensiones, establecer el número de fases, regular la frecuencia, compensar el factor de potencia, rectificar anomalías eléctricas y conectar varios circuitos.

Tipos

Aunque existen múltiples criterios de clasificación de las subestaciones eléctricas, se van a distinguir a continuación según su función y su emplazamiento.

Según su función

Dependiendo de la finalidad para la que sean construidas, las subestaciones eléctricas pueden ser:

1 Subestaciones de maniobra. Este tipo de subestaciones tiene por misión principal la interconexión de varios circuitos por lo que tanto las líneas de entrada como de salida deben poseer la misma tensión. La subestación de maniobra permite la creación de una red mallada mediante la formación de nudos, aumenta la fiabilidad de la red.

2 Subestación reductora. Este tipo de subestación necesita de uno o varios transformadores que efectúen una reducción de la tensión. Se emplean para modificar la tensión de transporte en tensión de reparto o la tensión de reparto en tensión de distribución.

3 Subestación de maniobra. Esta subestación permite la conexión entre varios circuitos de un mismo nivel además de la transformación de la tensión.

4 Subestación de fases. Tiene por objeto alimentar a la red con distinto número de fases a la entrada y la salida. Los más comunes son modificar una línea trifásica en dos líneas de tres fases y una línea trifásica en monofásica.

5 Subestación de rectificación. Encargada de alimentar una red de corriente continua.

6 Subestación central o elevadora. Se disponen junto a las centrales generadoras y su misión es la de elevar la tensión para su transporte.

Nota

Al cambio en la tensión de la línea fruto de una subestación o centro de transformación, se le denomina nivel.

Según su emplazamiento

Dependiendo de la ubicación de la subestación pueden diferenciarse los siguientes tipos:

1 Subestación de intemperie. Generalmente estas subestaciones se sitúan en zonas alejadas de los núcleos urbanos y se encuentran sin ningún tipo de protección atmosférica.

2 Subestación de interior. Son todas aquellas subestaciones que se hallan en el interior de un edificio, normalmente para su abastecimiento dentro de una ciudad.

Subestación eléctrica de intemperie

5.2. Centro de transformación

El centro de transformación es el elemento que permite acondicionar en última instancia la tensión que va a ser suministrada al usuario. Es por tanto uno de los elementos esenciales en una instalación de alta tensión, ya que permite reducir las caídas de tensión que sufre la red en baja tensión. Su ubicación debe ser lo más cercana posible al punto de utilización.

Transformador de intemperie

El componente principal del centro de transformación, es el transformador, es esta máquina la que ejecuta las tareas de aumento o disminución de la tensión.

Nota

A la línea de mayor tensión del transformador se le denomina “lado de alta”, y al de menor tensión “lado de baja”.

Tipos de centros de transformación (CT)

En función de la instalación requerida, el tipo de alimentación, las características técnicas, etc., se pueden encontrar varias clases de centros de transformación.

Según su constitución