23/04/2015

1

La Ingeniería Eléctrica- orígenes y contexto -

Noé Alejandro Mesa Quintero

noemesa@udea.edu.co

Oficina: 19-441 Departamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Antioquia

Introducción a la Ingeniería Eléctrica

Definiciones de Ingeniería

“Aplicación de la Ciencia a las necesidades humanas”.Conde Rumford, 1793.

“Arte de dirigir las fuentes de energía de la naturaleza para uso y conveniencia humana”Thomas Tredgold, 1828.

• Actividad antigua con raíces prehistóricas, en la que se mezclan el Arte y la Ciencia, pero no sólo ciencia aplicada.

• Anterior a la ciencia moderna, ésta la impulsó cuando el razonamiento abstracto del filósofo o físico se puso en contacto con la destreza del artesano.

1786

•Incluye procesos de

tanteo y error, de experimentación y

acumulación de

conocimientos que permiten un manejo

sistemático y la aplicación de

técnicas para

transformar paisaje y sociedades.

• Camino Tairona

Academia de Ingenieros

Militares; primera

escuela de ingeniería de

Colombia.

Discurso inicial de Caldas.

Semejanza entre

“Celo y Honor” y

“Trabajo y Rectitud”.

(Pág. 82)• Francisco José de Caldas

“La Ingeniería no sólo es ciencia

aplicada, incluye ingenio,

experiencia y arte”

Álvaro Gaviria Ortiz

23/04/2015

2

Apartes de la Historia de la Electricidad

Evolución de la Ingeniería Eléctrica (1)

1820:Marie Ampere

descubrió un núcleo

de alambre actúa

como magneto

cuando transporta

corriente.

1827: George Ohm

descubrió la

relación entre

voltaje, corriente y

resistencia.

1820: Hans Oerstead

descubrió el efecto

magnético en la brújula

de aguja.

1827: Joseph

Henry descubrió la

inductancia.

1792: Alessandro

Volta inventó la

batería.

1600: William

Gilbert inventó la

brújula.

1732: Stephen

Gray descubrió la

conducción.

1752: Ben Franklin

probó que los rayos

eran electricidad

1736: James Watt

inventó la máquina

de vapor.

1745

Musschenbroek

inventó la jarra

Leyden (capacitor)

1785: Charles

Coulomb. descubrió la

relación entre fuerza y

carga

1831: Michael

Faraday

descubrió la ley

de Faraday e

inventó el

generador.

1873: James Maxwell escribió ecuaciones que

describen los campos electromagnéticos, y

predijo la existencia de las ondas

electromagnéticas.

1845: Gustav

Kirchoff

desarrolló leyes

más eficientes

para el cálculo

de circuitos más

complejos.

1855: Wilhem

Weber definió

unidades para la

corriente y la

resistencia.

1835: Johann

Gauss relacionó

el flujo magnético

y la carga

eléctrica.1879: Edison inventó la

lámpara incandescente y

en 1882 energizó Pearl

St (NY) con luz de un

generador DC.

1895: George

Westinghouse

construyó la planta

de generación de las

Cataratas del

Niágara y

comercializó la

generación,

transmisión y

transformación en

AC

1888: Nikolai

Tesla patentó el

motor AC

polifásico.

1888: H. Hertz

experimentalme

nte verificó las

ecuaciones de

Maxwell.

1886: William Stanley

inventó el transformador.

“Westinghouseado”

Evolución de la Ingeniería Eléctrica (2)La Guerra de las Corrientes• Transmitir energía eléctrica a grandes distancias requiere

reducir el efecto Joule (I2*R)

• A inicios del siglo XX se da la guerra comercial entre Westinhouse y Edison (G.E.). Westinhouse A.C. pudo ofrecer el transformador para elevar la tensión (V) y reducir la corriente (I) y por ende reducir I2*R.

Westinhouse Tesla Edison

Ganador de la “Guerra”

Señal generada

Departamento de Ingeniería EléctricaJustificado con el transformador

Transformador

20

Φ

Lo que se piensa que es un transformador >>>

Lo que realmente es >>>

23/04/2015

3

Apartes del desarrollo del sector eléctrico en Colombia

Caso Colombia – Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en el País

1886 Alumbrado Público para Bogotá con Rafael Nieto. Bogotá Electric Light Company.

1890 Planta Chitotá en Santander. Primera planta hidroeléctrica del país.

1891-1916 Desarrollo de Varios proyectos de generación en diferentes municipios del país.

1918 Nace la Empresa de Energía Eléctrica de Medellín.

1938 Ley 126 “El suministro de energía eléctrica es un servicio público fundamental”.

1945 Autorización Nación para la construcción de pequeñas plantas:

Insula (1951, 18 MW)

Lebrija (1950, 18 MW)

Bajo Anchicayá (64 MW, 1955)

Interconexión Nacional

1967 Creación de ISA con los siguientes objetivos:• Interconexión de Sistemas aislados.

• Planeación conjunta del Sector.

• Centrales de servicio común.

• Planeación y ejecución de la operación a mínimo costo.

1977 Racionamiento de Energía (2.9%), por atrasos en Chivor y Guatapé II e intenso verano.

Crisis de Suministro1978 Plan de Emergencia1981 Racionamiento de Energía (4.9%)

1992-1993 Racionamiento de Energía (15.1%).

1992 Decreto 700 de Emergencia Económica.Comienzo de Inversión privada.

1994 Nueva Estructura del Sector Eléctrico.Ley de Servicios Públicos (Ley 142) y ley Eléctrica (Ley 143).

Conformación CREG.

Creación de la Unidad de Planeamiento Minero Energética UPME.

Crisis de Suministro

• 1995 Escisión de ISA•ISA: Transporte de Energía

Operación de mercados de Energía

•ISAGEN: Generación de energíaComercialización de energía

•Mercado de Energía Mayorista

•Nueva actividad: Comercialización de Energía

• 1997-1998: Fenómeno del Pacífico – Prueba de fuego al nuevo esquema

Ley 142-SPD

Ley 143-Eléctrica

Monopolio Estatal

8:14 AM 29

Evolución del sector eléctrico Colombiano

1967 1991 1992 1994 1997 1998 1999 2000 2003

Incremento en

Restricciones

Decisión CAN

536

El Niño 1997 - 1998

No racionamiento

Ataques contra

el SIN

Cargo por

Confiabilidad

Interconexión

Nacional

Reforma

Constitución

El Niño 1991-1992

Racionamiento

Creación y consolidación de CND, CREG, UPME, CNO y CAC

Competencia

Participación privadaComportamiento de la carteraBalance hidráulico - térmico

Disponibilidad de generaciónReserva de Potencia

Operaciones de cubrimientoPérdidas de energía

Cubrimiento del servicio

Evolución de las TarifasAtención de la DemandaSubsidios del Servicio

Clientes No Regulados

Subastas Energía Firme

2008 2009

El Niño

2009

2010

Fenómeno de

la NIÑA

DERIVEXCRCC

2006 20071995

Entrada Bolsa

de Energía

2011

Redes

Inteligentes

Mercado eléctrico

Desarrollo Institucional

Clientes Mercado

G G

G

G

G

G

G

G

Operador dela Transmisión

Operador

Independiente

del Sistema

Operador de la Transmisión

Operador de la Transmisión

Hoy

G G G

G

G

G

G G

Operación y Transmisión

de Potencia

Empresas Integradas Verticalmente

1900-199?

8:14 AM 30

Organización del Mercado

23/04/2015

4

Periodo Temas Dominantes Profesión Dominante

1890’s – 1900’s Técnico (DC vs AC) Ingenieros

1900’s – 1930’sTecnología AC

Economía

Ingenieros

(Entendimiento de la tecnología y relacionamientos con costos)

1930’s – 1960’s Interconexión de redes regionalesIngenieros (Entendimiento de beneficios económicos)

1960’s – 1980’sInterconexión de redes regionales, grandes generadores, líneas de transmisión

Ingenieros

1980’s – 1990’sEscasez de capital, gastos crecientes, el problema del petróleo, aspectos ambientales

Políticos, ingenieros, banqueros, ambientalistas

1990’s al presente

Reestructuración de la industria, fusiones empresariales, venta de activos, resultados financieros, aspectos ambientales

Abogados, economistas, banqueros, ambientalistas e INGENIEROS 8:14 AM 31

El Sistema Eléctrico

Como se produce la electricidad

Hidrogenerador Generador de Vapor Hidrogenerator

23/04/2015

5

Departamento de Ingeniería Eléctrica

La transmisión

consiste de 3

conductores que

transportan la

energía eléctrica

entre un punto y

otro.

23/04/2015

6

Las subestaciones: lugar donde las líneas de transmisión, transformadores, generadores, equipos de maniobra y protección están localizados

Subestaciones

230 kV, 800 MVA

Fuente: Tom Ernst, Minnesota Power

Cuesta 7 millones de

dolares y pesa 600 mil

Kilogramos.

Transformadores de potenciaCarga de un transformador

en una barcaza

¡ups!

Departamento de Ingeniería Eléctrica

53

Antioquia-San Carlos

Suroccidental

Oriental

Nordeste

Caribe 2

Cerro

Malas Prácticas

CORTOCIRCUITO

Unión de muy baja resistencia entre dos o más puntos de diferente potencial del mismo circuito

Definiciones Básicas

ARCO ELECTRICO (ARC FLASH)

Haz luminoso producido por el flujo de corriente eléctrica a través de un medio aislante, que produce radiación y gases calientes

Definiciones Básicas Definiciones Básicas

PELIGRO

Condición no controlada que tiene el potencial de causar lesiones a personas, daños a instalaciones o afectaciones al medio ambiente

23/04/2015

7

Definiciones Básicas

RIESGO

Condición ambiental o humana cuya presencia o modificación puede producir un accidente o una enfermedad profesional.

Tipos de contacto eléctrico

Contacto Indirecto

Se produce con masas puestas accidentalmente en tensión. Tan sólo una parte de la corriente de defecto circula por el cuerpo humano, el resto de la corriente circula por los contactos con tierra de las masas

Contacto Directo

Se produce con las partes activas de la instalación o equipos. Esto implica el paso de cantidades de corriente importantes, lo que agrava las consecuencias del choque

Factores para tener en cuenta en los accidentes eléctricos

• Intensidad de la corriente que pasa por el cuerpo

• Tiempo de exposición al riesgo

• Trayectoria de la corriente eléctrica por el cuerpo

• Naturaleza de la corriente (alterna o continua)

• Resistencia eléctrica del cuerpo

• Tensión aplicada.

• Edad

• Género

• Enfermedades

• Estado emocional

• Profesión habitual

• Experiencia

FACTORES

TÉCNICOS

FACTORES

HUMANOS

Peligrosa a partir de 0,01 Amperios y puede matar con 0,1 Amperios

Miliamperios Efectos de la Electricidad0-1 Umbral de la percepción

1--8 Sorpresa fuerte, sin perder control muscular

9--15 Reacción violenta , separándose del objeto

16-50 Paralización muscular , fuerte contracciones y dificultad para respirar

51-100 Puede causar fibrilación ventricular

1001-2000 Fatal, siempre con fibrilación ventricular

2001 o másFuertes contracciones que oprimen el corazón evitando la fibrilación.Quemaduras y bloqueo nervioso.

Todo material puede conducir

Conductores

• Materiales con baja resistividad al paso de la corriente.• Ej.:

• Cobre

• Aluminios

• Plata

• Oro

No Conductores

• Aislantes• Alta resistividad al paso de la corriente

• Ej.:• Plástico

• Vidrio

• Porcelana

• Aire

• Papel

No realice bromas con la electricidad

CONFIANZA EXCESIVA:

No se tiene respeto por la electricidad

PRECIPITUD:

No se toman las medidas de seguridad por el afán de terminar los trabajos

NEGLIGENCIA:

No se usan los implementos de seguridad

Factores humanos que ocasionan situaciones de riesgo

Factores humanos que ocasionan situaciones de riesgo

IGNORANCIA:

Desconocimiento de los riesgos

IMPRUDENCIA:

No se toman las medidas de precaución necesarias por creerse expertos en el tema

INDISCIPLINA:

No se aplican los procedimientos de seguridad