libro upc- tecnologÍa elÉctrica

Prlogo e ndice

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TECNOLOGA ELCTRICA

Ramn M Mujal Rosas

Prlogo e ndice

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PRLOGOLa idea de crear un libro que abarque, aunque de forma general, la mayor parte de la electricidad, ha surgido ante la necesidad de disponer de un material de estudio apto para las nuevas carreras de Ingeniera Industrial de Segundo Ciclo, orientadas a estudiantes con poca disponibilidad de tiempo para el estudio, o con dificultades para la asistencia regular a las facultades. Por ello, el enfoque dado a esta obra ha sido muy autodidctica, con abundancia de explicaciones y ejemplos, que permitan una comprensin rpida, autnoma y eficaz de los temas, a veces complejos, que conforman esta disciplina. Aparte, con la inclusin de innumerables casos prcticos, se facilita el aprendizaje, la comprensin y la consolidacin de los temas tericos dados. Esta es pues, una obra eminentemente prctica, sin ms pretensiones que las de ofrecer, en un solo libro, los aspectos tericos y prcticos ms importantes que rigen, tanto la tcnica, como la economa, la seguridad, o las posibilidades futuras (ventajas e inconvenientes), que la electricidad lleva consigo. La obra est estructurada en bloques, con un total de quince captulos o temas bien diferenciados. El primer bloque (captulos del primero al quinto) es una globalizacin de la electricidad, siendo su comprensin de vital importancia para el seguimiento del resto de los temas del libro. Concretamente, el primer captulo es una introduccin al mundo de la electricidad. En l se exponen los principios histricos, as como los motivos que han permitido una evolucin tan rpida como la que ha experimentado. Seguidamente, y de forma muy superficial, se detallan todas las operaciones a efectuar desde la generacin de esta energa, hasta su consumo final, pasando por el transporte de la misma. El segundo captulo, ofrece una introduccin a las energas renovables ms utilizadas, con ms posibilidades de futuro; para cada tipo de energa, se detallan sus antecedentes, las tcnicas empleadas, su situacin actual, sus repercusiones medioambientales, as como las ventajas, inconvenientes y perspectivas de futuro que estas ofrecen. Los captulos tercero, cuarto y quinto; estn dedicados a la explicacin de los parmetros elctricos (resistencia e inductancia, en el captulo tercero; capacidad y conductancia, en el captulo cuarto; y mtodos de clculo para lneas de transporte de energa elctrica, en el captulo quinto); Estos tres ltimos captulos, son de suma importancia, ya que aprovechan estos parmetros para dar explicacin a los efectos elctricos ms importantes (intensidad, tensin, resistencia, potencia, efectos: corona, aislador, pelicular; filtros, rectificadores, limitadores, etc). El segundo bloque esta formado por los captulos sexto, sptimo y octavo. El primero de ellos trata de los riesgos elctricos que entraa la electricidad, detallndose las variables que ms influyen delante de un contacto elctrico. Una vez conocidos los riesgos elctricos, el captulo sptimo, nos propone los sistemas de proteccin ms empleados, as como los criterios que definen su correcta eleccin en cada caso. Finalmente, se dedica un captulo completo (el octavo), a la proteccin de los sistemas por el mtodo de la puesta a tierra, dada la importancia que ste ofrece tanto para la seguridad de las personas como de las instalaciones. El tercer bloque est formado por los captulos del noveno al decimosegundo. ste es quizs el bloque menos definido, ya que engloba temas diversos del mundo elctrico. Concretamente el captulo noveno versa sobre las mquinas elctricas. Se indican los principios de funcionamiento ms importantes, profundizndose en la ms tpica de ellas, el transformador, del cual se realiza un estudio muy detallado. El captulo dcimo, trata de la regulacin de la tensin y la prdida de potencia en las lneas de transporte de energa elctrica. Es un captulo muy completo donde las demostraciones tericas conviven con ejemplos totalmente resueltos que permiten una mejor asimilacin, dada la complejidad del tema. Las bases de la iluminacin, tanto de interiores como de exteriores, son tratadas en el captulo decimoprimero. En l se dan los principios bsicos ms importantes, para introducirnos en esta tcnica tan necesaria como moderna. Finalmente el bloque tercero se cierra con un captulo (el decimosegundo) dedicado a las centrales convencionales (trmicas, nucleares, e hidroelctricas). Hasta que las energas renovables puedan producir suficiente energa, seguiremos dependiendo de las centrales clsicas, a pesar de todos los inconvenientes que stas conllevan; En este captulo se realiza

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un estudio detallado de las mismas, incidiendo muy particularmente, tanto en su modo de funcionamiento, como en el de los problemas medioambientales a ellas asociados. El cuarto bloque, y ltimo de la teora, esta dedicado al estudio econmico de los sistemas de potencia, y lo forman los captulos decimotercero y decimocuarto. Concretamente el captulo decimotercero, versa sobre las tarifas elctricas: los tipos de tarifas, complementos y bonificaciones, eleccin del tipo de suministro para cada caso y situacin, sern tratados con extensin; unos problemas resueltos finales permitirn asimilar los conocimientos tericos obtenidos. El captulo decimocuarto, es un compendio del funcionamiento econmico de los sistemas de potencia, as: el despacho econmico, el control automtico de generacin, y la programacin a corto, medio y largo plazo de las infraestructuras, formarn parte de este largo y extenso captulo. El quinto bloque, lo forma el captulo decimoquinto, captulo dedicado exclusivamente a los enunciados, con sus respectivas soluciones, de los problemas propuestos. El captulo empieza con enunciados sencillos, aumentando progresivamente la dificultad de los mismos, hasta alcanzar cotas parecidas a los problemas que el lector pueda encontrar en la realidad, dando as un enfoque ms real de lo aprendido con la teora y ayudando a consolidar sus conocimientos. El clculo de parmetros elctricos, efectos corona aislador, regulacin de la tensin o prdidas de potencia en lneas de transmisin de energa, entre otros, conforman los enunciados propuestos. Finalmente unos anexos dedicados a las frmulas, tablas, grficos y esquemas necesarios, tanto para un conocimiento general, como para la correcta resolucin de los problemas, se adjuntan al final del libro. No quisiera terminar esta introduccin, sin agradecer a todos los que de alguna forma han ayudado a la confeccin de este libro, mediante sus observaciones, rectificaciones, o consejos, que han sido siempre de gran utilidad. A todos ellos mi ms sincera gratitud por su labor y por la paciencia mostrada en diversos momentos de su realizacin.

El autor.

Terrassa. Septiembre de 2000.

Prlogo e ndice

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NDICEPrlogo............................................................................................................................................. 3 ndice................................................................................................................................................ 5 Bibliografa ....................................................................................................................................... 8

CAPTULO I. LA ELECTRICIDAD .................................................................................................. 9 1.Historia de la electricidad.............................................................................................................. 2. Cronologa histrica de la electricidad......................................................................................... 3. Estructura de un sistema elctrico............................................................................................... 4. Suministros elctricos .................................................................................................................. 5. Parmetros elctricos caractersticos.......................................................................................... 6. Tensiones ms frecuentes utilizadas en Espaa ........................................................................ 7. Elementos constitutivos de los sistemas de potencia ................................................................. 8. Generacin de energa elctrica.................................................................................................. 9 12 12 15 17 22 23 25

CAPTULO II. ENERGAS RENOVABLES..................................................................................... 27 1. Introduccin ................................................................................................................................. 2. Energa elica .............................................................................................................................. 3. Energa solar................................................................................................................................ 4. Energa de la biomasa ................................................................................................................. 5. Energa geotrmica...................................................................................................................... 6. Energa del mar ........................................................................................................................... 7. Minicentrales hidroelctricas y centrales de bombeo.................................................................. 27 27 33 42 46 50 57

CAPTULO III. PARMETROS ELCTRICOS LONGITUDINALES: (RESISTENCIA E INDUCTANICA) ................................................................................................. 63 1. Aspectos generales ..................................................................................................................... 63 2. Resistencia R ()......................................................................................................................... 64 3. Inductancia L (H).......................................................................................................................... 78

CAPTULO IV. PARAMETROS ELCTRICOS TRANSVERSALES (CAPACIDAD Y CONDUCTANCIA) ............................................................................................... 85 1. Capacidad C (F)........................................................................................................................... 85 2. Conductancia G (S) ..................................................................................................................... 97 3. Problema resuelto del clculo de los efectos Aislador y Corona................................................. 102

CAPTULO V. CLCULO DE LNEAS ELCTRICAS ................................................................... 107 1. Introduccin ................................................................................................................................. 107 2. Conceptos previos ....................................................................................................................... 107 3. Diagramas.................................................................................................................................... 109 4. Tipos de parmetros .................................................................................................................... 111 5. Clculo de lneas ......................................................................................................................... 111 6. Problema resuelto de clculo de lneas elctricas por todos los mtodos.................................. 126

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CAPTULO VI. RIESGOS ELCTRICOS ....................................................................................... 139 1. Introduccin ................................................................................................................................. 139 2. Primeros auxilios delante de un accidente de origen elctrico.................................................... 139 3. Efectos de la corriente elctrica sobre el organismo humano..................................................... 144 4. La electricidad esttica ................................................................................................................ 151 5. Tipos de accidentes elctricos..................................................................................................... 157

CAPTULO VII. PROTECCIN DE SISTEMAS ELCTRICOS ..................................................... 161 1. Proteccin de sistemas elctricos ............................................................................................... 161 2. Coordinacin de sistemas de proteccin..................................................................................... 174 3. Tipos de contactos elctricos ...................................................................................................... 177 4. Tcnicas de seguridad contra contactos elctricos ..................................................................... 179

CAPTULO VIII. PUESTAS A TIERRAS......................................................................................... 189 1. Introduccin ................................................................................................................................. 189 2. Definicin de puesta a tierra ........................................................................................................ 190 3. Partes de que consta la puesta a tierras ..................................................................................... 190 4. Resistencia de paso a tierra ........................................................................................................ 204 5. Elementos a conectar a la puesta a tierra ................................................................................... 204 6. Tensin de paso y tensin de contacto ....................................................................................... 205 7. Clculo de la puesta a tierra ........................................................................................................ 206 8. Medicin de la puesta a tierra...................................................................................................... 209 9. Emplazamiento y mantenimiento de las puestas a tierra ............................................................ 211 10. Revisin de las tomas de tierra ................................................................................................. 213

CAPTULO IX. TRANSFORMADORES.......................................................................................... 215 1. Introduccin ................................................................................................................................. 215 2. Consideraciones generales ......................................................................................................... 215 3. Principio de funcionamiento del transformador ideal................................................................... 219

CAPTULO X. REGULACIN DE LA TENSIN EN LNEAS AREAS........................................ 241 1. Introduccin ................................................................................................................................. 241 2. Clculo de las condiciones elctricas en una lnea de energa elctrica .................................... 242 3. Clculo aproximado de la cada de tensin en una lnea corta................................................... 250 4. Flujo de potencia en una lnea elctrica area ............................................................................ 252 5. Regulacin de la tensin en lneas elctricas.............................................................................. 257 6. Clculo de la potencia reactiva de compensacin en paralelo.................................................... 263 7. Problema resuelto de regulacin de la tensin en las lneas elctricas ...................................... 267

CAPTULO XI. LUMINOTCNICA .................................................................................................. 277 1. Introduccin ................................................................................................................................. 277 2. La luz en el conjunto de los tipos de energa y su propagacin.................................................. 277 3. Parmetros caractersticos de la luz............................................................................................ 278 4. Ondas electromagnticas ............................................................................................................ 280 5. Espectro de frecuencias .............................................................................................................. 282

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6. Naturaleza dual de la luz ............................................................................................................. 284 7. El ojo humano como rgano receptor de la luz ........................................................................... 285 8. Principales magnitudes empleadas en luminotecnia................................................................... 289 9. El color ......................................................................................................................................... 293

CAPTULO XII. CENTRALES ELCTRICAS CONVENCIONALES.............................................. 299 1. Tipos de centrales elctricas ....................................................................................................... 299 2. Las centrales elctricas en Espaa ............................................................................................. 299 3. Las centrales hidroelctricas ....................................................................................................... 301 4. Las centrales termoelctricas clsicas ........................................................................................ 308 5. Las centrales nucleares ............................................................................................................... 312

CAPTULO XIII. TARIFAS ELCTRICAS ...................................................................................... 317 1. Introduccin ................................................................................................................................. 317 2. Tarifas elctricas. La factura elctrica (BOE 30/12/98) ............................................................... 317 3. Clasificacin de las tarifas ........................................................................................................... 318 4. Liberalizacin del sector elctrico................................................................................................ 329 5. Comercializacin de la energa elctrica ..................................................................................... 331 6. Impuesto sobre la electricidad ..................................................................................................... 331 7. Bajada de tarifas .......................................................................................................................... 332 8. Problemas resueltos sobre diversos tipos de tarifas ................................................................... 332

CAPTULO XIV. DESPACHO ECONMICO.................................................................................. 339 1. Introduccin al despacho econmico .......................................................................................... 339 2. Control de un sistema de potencia .............................................................................................. 340 3. Funcionamiento econmico de las centrales elctricas .............................................................. 342 4. Control automtico de generacin............................................................................................... 344 5. Funcionamiento econmico de los sistemas de potencia ........................................................... 349

CAPTULO XV. PROBLEMAS DE LNEAS DE TRANSPORTE DE ENERGA ELCTRICA ............................................................................................................. 373

ANEXOS .......................................................................................................................................... 423 Anexo 1: Constantes de magnitudes fsicas, terrestres y cunticas ............................................... 423 Anexo 2: Resistividad (), coeficiente de temperatura (), punto de fusin (C) y densidad () de diversos materiales y aleaciones ......................................................... 424 Anexo 3: Coeficientes de resistividad de los aislantes .................................................................... 425 Anexo 4: Magnitudes y unidades magnticas ................................................................................. 426 Anexo 5: Conductores elctricos ..................................................................................................... 427 Anexo 6: Conductancia, autoinduccin y susceptancia .................................................................. 428 Anexo 7: Mtodo de las constantes auxiliares ................................................................................ 430 Anexo 8: Frmulas para el clculo de lneas elctricas .................................................................. 431 Anexo 9: Resumen de frmulas para lneas elctricas ................................................................... 433

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BIBLIOGRAFA S S S S S S S S S S S S S S S S

Lneas y redes elctricas. Proteccin de sistemas de potencia. Coleccin de Problemas. Mujal Rosas, Ramn M. 2 edicin. UPC. ETSEIT (1998). Anlisis de sistemas elctricos de potencia. Stevenson, William D. 2 edicin. Mc.Graw-Hill. (1992). Tarifas elctricas. J Toledano. J Ortiz. McGraw-Hill. 1993. Proteccin de las instalaciones elctricas. Muntan, Paulino. 2 edicin. Marcombo. (1993). Lneas de transporte de energa elctrica. Checa, Lus M. 3 edicin. Marcombo. (1988). Energas renovables. Progensa (1995). Lneas y redes elctricas. Martnez Velasco J. 3 edicin. CPDA. ETSEIB. (1996). Sistemas polifsicos. Gonzlez B. Lpez E. Paraninfo. (1995). Centrales elctricas. UNESA. Ed. Marca. (1998). Tecnologa elctrica. A. Castejon. G. Santamaria. McGraw-Hill (1993). La puesta a tierra de las instalaciones elctricas. R. Garca Mrquez. PRODUCTICA. (1991). Reglamento electrotcnico para baja tensin. Ministerio de Industria y Energa. (1998). Sistemas elctricos de potencia. A. Nasar. McGraw-Hill. (1991). Arranque de motores mediante contactores. M. Lladonosa. Marcombo (1988). Instalaciones elctricas de enlace y centros de transformacin. A. Guerrero. McGraw-Hill. (1999). Teora de circuitos. E. Ras. 4 Edicin, Marcombo. (1988).

Anexos

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ANEXOSANEXO 1: Constantes de magnitudes fsicas, terrestres y cunticasAceleracin gravitacional a nivel de mar Masa de la Tierra Radio de la Tierra Presin atmosfrica a nivel del mar (760 mmHg)Tabla 1: Constantes terrestres.

9,80665 m/s (referencia estndar 2 9,807 m/s ) 2 9,7804 m/s (en el ecuador) 2 9,8322 m/s (en el polo) 24 5,9810 kg 6 6,3710 m (valor medio) 6.378,2 km (en el ecuador) 6.356,8 km (en el polo) 1,01310 N/m5

2

Constante de Boltzmann Constante de Faraday Constante de Rydberg Constante de la gravitacin universal (de Cavendish) Constante universal de los gases Electrn: Carga elctrica Masa Nmero de Avogadro Neutrn: Carga elctrica Masa Permitividad del vaco Permeabilidad del vaco Protn: Carga elctrica Masa Velocidad de la luz

K = R/N F = Ne R G R qe me NA qn mn 0 0 qp mp c

1,3810 J/K 4 9,648510 C 7 -1 1,09710 m -11 2 2 6,6710 Nm /kg 8..314 J/molK 1=1,9872 kcal/molk -19 1,60210 C -31 9,109110 kg 23 6,02310 partculas/mol Cero -27 1,675010 kg -12 2 2 8,854210 C /Nm = =

-23

1 2 2 C /Nm 4 9 109-7 2 -7

410 N/A = 410 Ns /C -19 1,60210 C -27 1,672510 kg 2,99792510 m/s8

2

2

Tabla 2: Constantes fsicas.

Constante de Planck Unidad atmica de momento angular Masas en reposo de algunas partculas fundamentales (uma): Neutrn Protn Electrn Partcula alfa Energa de un fotn Factores de conversin masa-energa Factor de conversin de la energa (electronvolt) Factor de conversin de la masa (unidad masa atmica)

h=6,623810 Js -34 h=1,05410 Js1 0 1 1 0 1

-34

n = 1,008982 uma

p = 1,007593 uma e = 5,487610-4 uma 4 2 He = 4,002603E = hf29

1 uma=931,162 MeV ; 1 kg=5,6099910 MeV -19 1 eV = 1,602189210 J -27 1 uma = 1,6605655 10 kg

Tabla 3: Constantes de fsica cuntica.

los autores, 2000; Edicions UPC, 2000.

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ANEXO 2: Resistividad (), coeficiente de temperatura (), punto de fusin (C) y densidad () de diversos materiales y aleacionesMetalesMaterialPlata recocida Plata martillada Cobre electroltico Cobre reducido patrn Cobre recocido industrial Oro recocido Oro martillado Aluminio puro Aluminio recocido Molibdeno Cinc Tungsteno Hierro fundido Hierro puro Hierro galvanizado duro Hierro galvanizado extraduro Nquel Platino Estao Plomo Antimonio Mercurio

Composicin

Resistividad a 20 C 2 ( mm /m)0,0146 0,0159 0,01754 0,0195 0,0207 0,0233 0,0236 0,0261 0,028 0,0557 0,057 0,06 0,098 0,13 0,196 0,205 0,11 0,12 0,13 0,205 0,36 0,95

Coeficiente de temp. -1 (C )0,0038 0,0038 0,00393 0,00393 0,00393 0,0034 0,0034 0,00446 0,00446 0,0033 0,0007 0,0045 0,0050 0,0050 0,0050 0,0050 0,0048 0,0037 0,0037 0,0039 0,0039 0,0007

Punto de fusin aprox. (C)960 960 1.083 1.083 1.083 1.063 1.063 660 660 2.625 419,4 3.41020 1.535 1.535 1.535 1.535 1.455 1.769 232 327,4 630,5 -38,87

Densidad 3 (kg/dm )10,5 10,5 8,97 8,97 8,97 19,3 19,3 2,7 2,7 10,2 7,15 19,3 7,86 7,86 7,86 7,86 8,9 21,45 7,29 11,342 6,618 13,6

AleacionesAleacin 875 (2) Aleacin 815 (2) Kanthal DR (3) Karma (1) Nikrothal (3) Aleacin 750n (2) Chromel AA (2) Nichrome (1) Chromel C (2) Nikrothal 6 (3) Nichrome V (1) Chromel A (2) Nikrothal 8 (3) Chromax (1) Chromel D (2) Nilvar (1) Inoxidable tipo 304 Aleacin 142 Advance (1) Copel (2) Cuprothal 294 (3) Therlo (1) Manganina Aleacin 146 Aleacin 152 Duranickel Midohm (1) Cuprothal 180 (3) Cr 22,5% + Al 5,5% + Fe Cr 22,5% + Al 4,6% + FeFe 75% + Cr 20% + Al 4,5% + Co 0,5%

Ni 73% + Cr 20n % + Al Fe Ni 75 % + Cr 17 % + Si + Mn Cr 15 % + Al 4% + Fe Ni 68% + Cr 20% + Fe 8% Ni 60 % + Cr 16 % + Fe Ni 60% + Cr 16% + Fe Ni 60% + Cr 16% + Fe Ni 80% + Cr 20% Ni 80% + Cr 20% Ni 80% + Cr 20% Ni 35% + Cr 20% + Fe Ni 35% + Cr 20% + Fe Ni 36% + Fe Cr 18% + Ni 8% + Fe Ni 42% + Fe Ni 43% + Cu Ni 43% + Cu Ni 45% + Cu Ni 29% + Co 17% + Fe Mn 13% + Cu Ni 46 % + Fe Ni 51 % + Fe Nquel + aditivos Ni 23% + Cu Ni 22% + Cu

1,42 1,32 1,32 1,23 1,23 1,22 1,14 1,1 1,1 1,1 1,06 1,06 1,06 0,974 0,974 0,786 0,711 0,65 0,477 0,477 0,477 0,477 0,471 0,447 0,422 0,422 0,2921 0,292

0,00002 0,00008 0,00007 _ 0,000003 0,00015 0,00011 0,00015 0,00015 0,00014 0,00011 0,00011 0,00008 0,00036 0,00036 0,00135 0,00094 0,0012 0,00002 0,00002 0,00002 0,0038 0,000015 0,0027 0,0029 0,001 0,00018 0,00018

1.520 1,505 1.400 1.410 1.520 1.390 1.350 1.350 1.350 1.400 1.400 1.400 1.380 1.380 1.425 1.399 1.425 1.210 1.210 _ 1.450 1.020 1.425 1.425 1.435 1.100 _

7,1 7,2 8,105 8,1 7,43 8,33 8,247 8,247 8,25 8,412 8,412 8,41 7,95 7,95 8,06 7,93 8,12 8,9 8,9 8,9 8,36 8,192 8,17 8,247 8,75 8,9 8,9


Anexos

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Aleacin R63 Hytemco (1) Permanickel Aleacin 90 Cuprothal 90 (3) Cuprothal 60 (3) Gr. A Nquel Lohm (1) Aleacin 99 Aleacin 30 Cuprothal 30 (3) Cu Ni 44 (Kostantan)

Mn 4% + Si 1% + Ni Ni 72% + Fe Nquel + aditivos Ni 11% + Cu Ni 11% + Cu Ni 6% + Cu Ni 99% Ni 6% + Cu Ni 99,8% Ni 2,25% + Cu Ni 2% + Cu Ni 44% + Mn 1,5% + Cu

0,211 0,195 0,162 0,146 0,146 0,0974 0,097 0,097 0,078 0,049 0,0487 0,49

0,003 0,0042 0,0033 0,00049 0,00045 0,0006 0,055 0,0008 0,006 0,0015 0,0014 0,00006

1.425 1.425 1.150 1.100 _ _ 1.450 1.100 _ 1.100 _ 1.200

8,72 8,46 8,75 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 _ 8,9 8,9 8,9

ANEXO 3: Coeficientes de resistividad de los aislantesS/cm Cobre Constantn Silicio 10 -2 10 -4 10 -6 10 10 -1 10 0 -12 10 -14 10 10 -18 10-16 -8

cm 10 4 10 2 106

Conductores

10 10-4 10-2 10 2 10 104 106 108 10 10 10 14 10 16 10 18 1012

-6

plata hierro Germanio

Selenio

Semiconductores

Cu2O

Porcelana Vidrio Papel Polietileno Poliestireno Cuarzo

aislantes

Esteatita PVC Guatepercha goma Parafina Mica

ConductividadResistividad (M cm)12

Resistividad(10 ) cm6

Tabla 1: Coeficientes de resistividad de semiconductores

Aislante

1 a 1010 1 a 1010 1 a 1010 Aceite de transformador Aire seco 6 2 Amianto 0,16 0,1610 0,110 6 2 Arcilla 20010 20010 200 12 18 14 210 210 Baquelita 210 3 9 5 110 110 110 Celulosa 10 16 12 Cera de abejas 510 510 510 12 18 14 510 510 510 Cuarzo fundido 12 18 14 110 110 110 Ebonita 10 16 12 Goma laca 110 110 110 8 14 10 10 a 10010 10 a 10010 10 a 10010 Madera parafinada 5 11 7 110 110 110 Mrmol 11 17 13 Mica 210 210 210 6 2 0,5 0,510 0,510 Micalex 6 12 8 110 110 110 Micanita 12 18 14 Papel barnizado 1 a 2010 1 a 2010 1 a 2010 13 19 15 110 110 110 Parafina 11 17 13 110 110 110 Pyrex 2 8 4 Pizarra 110 110 110 8 14 20 310 310 310 Porcelana 7 13 9 210 210 210 Vidrios comunes Tabla 2: Coeficientes de resistividad de lquidos y slidos aislantes ms utilizados

18

(10 ) 2 mm /m14

-4


F" $

TECNOLOGA ELCTRICA

AislanteAceite de alquitrn Aceite de camo Aceite de colza Aceite de parafina Aceite de resina Aceite de ricino Acido esterico Bencina Benzol Petrleo

Resistividad (M cm)1,67109 28,5103 95103 8106 3105 3,9105 35107 14106 1,32103 4104

(10 ) cm1,671015 28,5109 95109 81012 31011 3,91011 351013 141012 1,32109 41010

6

(10 ) 2 mm /m1,671011 28,5105 95105 8108 3107 3,9107 35109 14108 1,32105 4106

-4

Tabla 3: Resistividades de lquidos aislantes

ANEXO 4: Magnitudes y unidades magnticasTrmino Smbo lo Relacin Unidad en el sistema SI Unidad en el sistema prctico de medidas Unidad en el sistema de med. Electromagnticas

Transflujo Flujo magntico Induccin magntica

B

=I = Rm = BA = /Rm B = /A B = H Rm =

A (amperio) Wb (weber) Vs (voltiosegundo) T(tesla) 2 Wb/m 2 Vs/m

A AW(amperiovuelta) Vs Wb Vs/cm 2 Wb/cm2

A AW M (maxwell)2

M/cm G (gauss)

Reluctancia magntica

Rm

l A Rm = =

Permeabilidad

B H

1 H A Vs H m Vs Am A mA

Intensidad de campo magntico Tensin magntica

H= H

B H= l

A Vs 1 H Vs A cm A cm A cm AW cmA

A G cm 2

Gm A

Oe (oersted) Gb(gilbert)

V

V = Hl


Anexos

F" %

Trmino Flujo magntico Induccin magntica Reluctancia magntica

Conversiones1 Wb = 1 Vs = 10 M 2 2 4 2 4 1 T = 1 Wb/m = 1 Vs/m = 10 M/cm = 10 G 2 2 8 2 8 1 Vs/cm = 1 Wb/cm = 10 M/cm = 10 G8

1 A/Vs = 1 1/H = 10 8

A G cm 26

1H/m = 1 Permeabilidad 1 Intensidad de campo magntico Tensin magntica

Vs Gcm 2 = 10 Am A Vs H gcm =1 = 10 Acm cm A8

1 A/m = 10-2 A/cm = 1,25610-2 Oe 1/cm = 1,256 Oe 1 = 1,256 Gb

T 1.0. Los conductores ms utilizados para el transporte de energa elctrica son cuatro: (Denominaciones en Espaol e Ingls).Halcn Hawk Cndor Condor Gaviota Gull Cardenal CardinalTabla 1. Conductores de Aluminio-Acero.

ANEXO 5: CONDUCTORES ELCTRICOS

Composicin: Aluminio; mm. Acero; mm. Secciones: Aluminio; mm2. Acero; mm2. Total; mm2. Seccin equivalente de cu; mm2. Dimetro del alma de acero; mm. Dimetro de cable; mm. Pesos: Aluminio; Kg/Km. Acero; Kg/Km. Total; Kg/Km. Carga de rotura; Kg. Modulo de elasticidad; Kg/mm2. Coeficiente de dilatacin por grado de temperatura Resistencia elctrica a 20 C; /Km

Halcn 263,442 72,677 241,68 39,42 281,10 152,01 8,031 21,793 666,6 308 974,6 8.817,8 7.730 18,9910-h 0,119

Cndor 543,084 73,084 402,84 52,26 455,10 253,36 9,246 27,762 1.115 407 1.522 12.950 6.860 19,3510-h 0,0721

Gaviota 542,822 72,822 337,74 43,81 381,55 212,31 8,466 25,4 934,6 342,2 1.276,8 11.135,7 6.860 19,3510-h 0,0851

Cardenal 543,376 73,376 483,42 62,64 546,06 304,03 10,135 30,378 1.338 488 1.826 15,536 6.860 19,3510-h 0,0597

Tabla 2. Densidad mx. admisible y su intensidad correspondiente.


F" &

TECNOLOGA ELCTRICA

MAGNITUD Densidad mxima admisible; 2 A/mmIntensidad correspondiente; A

Halcn 2,043574,28

CONDUCTORES Cndor Gaviota 1,757 1,869799,61 713,116

Cardenal 1,628888,98

Tabla 3. Intensidad mx. admisible en A para fases simples, dplex, trplex y cudruplex.

LNEA CON Un circuito de fases simples Un circuito de fases dplex Un circuito de fases trplex Un circuito de fases cudruplex Dos circuitos de fases simples, acoplados en paralelo Dos circuitos de fases dplex, acoplados en paralelo

Halcn 574,28 1.148,56 1.722,84 2.297,12

CONDUCTORES Cndor Gaviota 799,61 1.599,22 2.398,83 3.198,44 713,116 1.426,23 2.139,34 2.852,46

Cardenal 888,98 1.777,96 2.666,94 3.555,92

Iguales valores que para una lnea con circuito dplex

Iguales valores que para una lnea con circuito cudruplex

ANEXO 6: CONDUCTANCIA. AUTOINDUCCIN. SUSCEPTANCIA1.0 Perditancia o Conductancia.

Donde:

p = potencia activa por fase y km (kW/km). V = tensin de fase (km).

T

1.1 Valor del radio equivalente req para n subconductores, por cada una de las fases


Anexos

F" '

T

1.2 Frmulas del coeficiente de autoinduccin con fases simples y mltiples. Reactancia inductiva (XLk = w Lk) /km

T

1.3 Frmulas de capacidad con fases simples y mltiples. Susceptancia (Bk = w Ck) S/km


F"!

TECNOLOGA ELCTRICA

ANNEXO 7: MTODO DE LAS CONSTANTES AUXILIARESTabla 4. Constantes auxiliares y D de las lneas.

Constante

Mdulo

Argumento

Parte real

Parte imaginaria

D=A

d=a

d=a

Comprobacin de las constantes auxiliares. 1. A- BC = (1+j 0) Siendo A, B y C vectores. 2 2 2. (a -a ) - (bc) + (bc) = 1 Siendo a, b, y c, las partes rectangulares de sus respectivos vectores. 3. 2aa - (bc) + (bc) = 0 Siendo a, b, y c, las partes rectangulares de sus respectivos vectores. Para que las constantes sean correctas se tienen que cumplir las tres condiciones a la vez.

Frmulas a aplicar con el mtodo de las constantes

S

Conocidos los valores al principio de lnea. (Todos los parmetros son vectores). Carga: V2 = V1 D - I1 B I2 = I1 A - V1 C Vaco: V2 = V1 D I2 = I1 A

S

Conocidos los valores al final de lnea. (Todos los parmetros son vectores). Carga: V1 = V2 A + I2 B I1 = V2 C + I2 D Vaco: V2 = V2 A I1 = V2 C


Anexos

F"!

ANEXO 8: FORMULAS PARA EL CLCULO DE LINEAS ELECTRICAS

T

Tensin critica disruptiva Uc = 84 rm m lgc t

D r

Con: mc = Coeficiente de rugosidad del conductor con: mc = 1 para hilos de superficie lisa mc = de 0,93 a 0,98 para hilos oxidados o rugosos mc = de 0,83 a 0,87 para cable mt = Coeficiente de la humedad relativa del aire, que provoca una disminucin en la Uc (lluvia, niebla, escarcha, nieve) con: mt = 1 para tiempo seco mt = 0,8 para tiempo hmedo r= Radio del conductor en centmetros. D= Distancia media geomtrica entre fases, en centmetros. Factor de correccin de la densidad del aire, en funcin de la altura sobre el nivel del mar. =

=

3.921h 273 +

T

Frmula de Halley

lg h = lg 76 Donde: y es la altura topogrfica en (m)

y 18.336

Si Uc < Ume si se produce, efecto corona. Si Uc > Ume no se produce, efecto corona

T

Prdida de potencia por efecto corona (formula de Peek)2

241 p= ( f + 25) r Umax Uc 10 5 KW / km D 3 3 Con: Uc = Tensin eficaz compuesta crtica disruptiva, capaz de producir el efecto corona, en kilovoltios. Factor de correccin de la densidad del aire. = r= Radio del conductor en centmetros. Frecuencia en perodos por segundo, en general 50 Hz. f= D= distancia media geomtrica entre fases, en centmetros. Umax = Tensin compuesta ms elevada, definida en l articulo 2 del Reglamento de Lneas, en kilovoltios.


F"!

TECNOLOGA ELCTRICA

T

Momento elctrico

M = PL =

u U2 100 RK + X K tg

Las unidades son: L= Longitud de la lnea en kilmetros u= Cada de tensin en porcentaje, generalmente (siempre menor del 10%) u = 5% u = 6% u = 7% P= Potencia en MW U= Tensin nominal de la lnea en kilovoltios, U = 132kV U = 220kV U = 380kV M= MW km. RK = Resistencia elctrica, en /km. XK = Reactancia de autoinduccin, en /km. Y como que: M = PL Entonces:

L=

M P

Distancia a la que podr transportar una energa determinada.

T

Prdida de potencia en el transporte de energa

P100 km % 3%

Pk % =

100 Rk P U 2 cos 2

Las unidades son: P= MW U= KV Ru = /km Como mximo se admite perdidas de potencia < = 3% por cada 100km de lnea.

T

Prdida de potencia por efecto trmico

Pmax = Imax =

3U 2 Cos 2 I max N conductor N circutos max S conuductor max = max = Factor de correccin que depende de la composicin del cable. = 0,902 para 30 Aluminio + 7 Acero = 0,926 para 6 Aluminio + 7 Acero y 26 Aluminio + 7 Acero = 0,941 para 54 Aluminio + 7 Acero max = Densidad mxima admisible del (Aluminio) en tablas.

(

)


Anexos

F"!!

ANEXO 9: RESUMEN FRMULAS PARA LNEAS ELCTRICAS

Magnitud

Modulo y = arc tgB G

Argumento G = Y cos Y R = Z cos Z = Cosh =2

Parte real

Parte imaginaria B = Y sen Y X = Z sen Z = Senh =

Y = G + jB

Y = G2 + B2

Z = R + jX

Z = R2 + X 2

Z = arc tg1 = ( Z + Y ) 2= 1 2

B G

= ZY

Z = = Y

R2 + X 2 G2 + B2

[ (R=

+ X 2 )(G 2 + B 2 ) + RG XB

]

=

1 2

[ (R=

2

+ X 2 )(G 2 + B 2 ) RG + XB

]

]Z e = Z e sen Z = 1 R 2 + X 2 RG + XB 2 G + B2 2 G2 + B2

Ze =


Z Y

Ze =

Z = Y

R2 + X 2

G2 + B2e

Z cosh == arctg(Tangh tg )

1 = ( Z + Y ) 2

2 p cos = (Cos ) (Senh ) = Cosh = 2 2 = Cosh( + j ) = (Senh ) + (Cosh )

(=

)

Z e = Z e cos Z R 2 + X 2 RG + XB 1 + 2 G2 + B2 G2 + B2

(Cosh ) = Cosh cos (Senh ) = Senh cos

(Cosh ) = Senh sen (Senh ) = Cosh sen

Senh =2 2

p Senh =

(Senh = tg = arctg Tangh

) (Cos ) (Cosh )

2

= Senh( + j )

=

(Senh ) + (Senh )

2

Captulo I. La electricidad

F'

CAPTULO I: LA ELECTRICIDAD1. HISTORIA DE LA ELECTRICIDADLas propiedades elctricas o electroestticas de ciertos materiales eran ya conocidas por las civilizaciones antiguas. Hacia el ao 600 AC, el filsofo y cientfico Tales de Mileto, haba comprobado que si se frotaba el mbar, ste atraa hacia s objetos ms livianos. Se crea que la electricidad resida en el objeto frotado. De ah que el trmino "electricidad" provenga del vocablo griego "elecktron", que significa mbar. En los dominios de la antigua Roma ya se explotaba un mineral que tambin posea la propiedad de atraer a ciertos materiales (los metlicos), este mineral reciba el nombre de magnetita, mineral muy apreciado en la antigedad precisamente por sus particulares caractersticas. Pero no fue hasta la poca del renacimiento cuando comenzaron los primeros estudios metodolgicos, en los cuales la electricidad estuvo ntimamente relacionada con el magnetismo. Antes del ao 1800, el estudio de los fenmenos elctricos y magnticos slo interes a unos cuantos cientficos, como W. Gilbert, C.A. de Coulomb, L. Galvani, Otto Von Guericke, Benjamn Franklin, o Alessandro Volta. Algunos otros hicieron importantes contribuciones al an insuficiente y fragmentado conocimiento de la electricidad, pero en ese tiempo no se conocan todava sus aplicaciones y los estudios slo fueron motivados por una simple curiosidad intelectual. La poblacin iluminaba sus hogares con velas, lmparas alimentadas con aceite de ballena y petrleo, y la potencia motriz era suministrada generalmente por personas o animales de traccin. El ingls William Gilbert comprob que algunas sustancias se comportaban como el mbar, y cuando eran frotadas atraan objetos livianos, mientras que otras no ejercan ninguna atraccin. A las primeras, entre las que ubic al vidrio, al azufre y la resina, las llam "elctricas", mientras que a las segundas, como el cobre o la plata, "anelctricas". A principios del siglo XIX, el conde Alessandro Volta construy una pila galvnica. Coloc capas de cinc, papel y cobre, y descubri que si se una la base de cinc con la ltima capa de cobre, el resultado era una corriente elctrica que flua por el hilo de unin. Este sencillo aparato fue el prototipo de las pilas elctricas, de los acumuladores y de toda corriente elctrica producida hasta la aparicin de la dnamo. Mientras tanto, Georg Simon Ohm sent las bases del estudio de la circulacin de las cargas elctricas en el interior de materias conductoras, postulando su ley, en la cual se relacionaba la resistencia con la intensidad y la tensin, es decir, tres de las cuatro magnitudes ms importantes de la electricidad. En 1819, Hans Oersted descubri que una aguja magntica colgada de un hilo se apartaba de su posicin inicial cuando pasaba prxima a ella una corriente elctrica, y postul que las corrientes elctricas producan un efecto magntico. De esta simple observacin sali la tecnologa del telgrafo elctrico. Sobre esta base, Andr Ampre dedujo que las corrientes elctricas deban comportarse del mismo modo que los imanes. El descubrimiento de Ampre llev a Michael Faraday a suponer que una corriente que circulara cerca de un circuito inducira otra corriente en l. El resultado de su experimento fue que esto slo suceda al comenzar y cesar de fluir la corriente en el primer circuito. Sustituy la corriente por un imn y encontr que su movimiento en la proximidad del circuito, induca en ste una corriente. De este modo pudo comprobar que el trabajo mecnico empleado en mover un imn poda transformarse en corriente elctrica. Hacia mediados del siglo XIX se estableci la distincin entre materiales aislantes y conductores. Los aislantes eran aquellos a los que Gilbert haba considerado "elctricos", en tanto que los


F

TECNOLOGA ELCTRICA

conductores eran los "anelctricos". Esto permiti que se construyera el primer almacenador rudimentario: estaba formado por dos placas conductoras que tenan una lmina aislante entre ellas. Fue conocido como botella de Leyden, en honor a la ciudad donde se invent. Durante este mismo periodo ocurrieron impresionantes avances en la compresin de los fenmenos elctricos y magnticos. Humphrey Davy, Andr Ampere, G. Ohm y Karl Gauss realizaron importantes descubrimientos, pero el descubrimiento que lleg a ser fundamental para elevar el concepto de la electricidad como un fenmeno cientfico interesante a una gran tecnologa con implicaciones sociales de grandes alcances, se logr en forma independiente por los investigadores Michael Faraday y Joseph Henry. Ampere y otros ya haban observado que los campos magnticos eran generados por corrientes elctricas; sin embargo, ninguno haba descubierto cmo se podan obtener corrientes elctricas a partir de campos magnticos. Faraday trabaj en ello de 1821 a 1831, logrando el xito al formular la ley que lleva su nombre. Posteriormente construy una mquina generadora de voltaje, en base, a los principios de induccin magntica. Se tena ahora una fuente de electricidad que rivalizaba (y exceda en mucho) las posibilidades de la pila voltaica y las botellas de Leyden. James Prescott Joule, descubri a que eran debidas las prdidas de energa. Mediante la ley de Joule, enunciada en 1841, segn la cual la cantidad de calor desprendido por un conductor al paso de una corriente elctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia de dicho conductor y al tiempo durante el cual circula dicha corriente, segn la 2 expresin: Q= kI Rt, donde k es una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades utilizado. Varios investigadores, incluyendo Carl Siemens, Wheatstone, Varley, Gramme, aplicaron los principios de induccin en la construccin de primitivos generadores elctricos en el periodo comprendido entre 1840 a 1870. Casi al mismo tiempo, un fenmeno descubierto algunos aos atrs, atrajo especial atencin como una prctica fuente luminosa. Se observ que cuando dos electrodos conducan corriente se mantenan separados, se formaba entre ellos un arco elctrico de intenso brillo. Los experimentos de Faraday fueron expresados matemticamente por James Maxwell, quien en 1873 present sus ecuaciones, que unificaban la descripcin de los comportamientos elctricos y magnticos, y su desplazamiento a travs del espacio en forma de ondas. En 1878 Thomas Alva Edison comenz los experimentos que terminaran, un ao ms tarde, con la invencin de la lmpara elctrica, que universalizara el uso de la electricidad. Desde que en 1880 entr en funcionamiento en Londres la primera central elctrica destinada a iluminar la ciudad, las aplicaciones de esta forma de energa se han extendido progresivamente. En Buenos Aires, el sistema elctrico comenz con la aparicin de la Compaa General Elctrica Ciudad de Buenos Aires, en 1887. En 1882 se instal el primer sistema para la venta de energa elctrica para el alumbrado incandescente en EE.UU. El sistema era de corriente continua (DC), de tres cables, 220/110 V, y aliment una carga de lmparas de Edison que tenan un requerimiento total de 30 Kilowatts de potencia. Este y otros sistemas avanzados fueron el principio de lo que se convertira en una de las industrias ms grandes del mundo. Entre 1800 y 1810 se fundaron compaas comerciales de alumbrado con gas, primero en Europa y poco despus en Estados unidos. Hubo oposicin al alumbrado de gas por su potencia explosiva. Sin embargo, la ventaja bsica de ms luz a menor precio no poda seguir ocultndose, por lo que se acab desarrollando la industria durante el siglo XIX, teniendo su punto culminante alrededor de 1885. Las antiguas compaas elctricas se autonombraban compaas de iluminacin, ya que el alumbrado constitua su nico servicio. Sin embargo, muy pronto se encontr un problema tcnico que an prevalece: la carga que la compaa tenia que satisfacer comenzaba al anochecer, se mantena casi constante en las primeras horas de la noche, y despus caa de forma precipitada a



F

las 11 p.m., aproximadamente, a un 50% o menos. Era evidente que se tena un complicado sistema, que permaneca ocioso o al menos subutilizado la mayor parte del tiempo. En este caso, se podran encontrar otras aplicaciones que ocuparan las etapas de inactividad? Ya se conoca el motor elctrico, y la existencia de un substituto elctrico era un incentivo para su mejoramiento y aceptacin comercial. El uso de potencia elctrica motora lleg a ser popular con rapidez y se le dieron muchas aplicaciones. Debido a sus funciones cada vez ms extensas, las compaas comenzaron a nombrarse compaas de luz y fuerza. Surgi otro problema tcnico: Los incrementos de carga se tradujeron en incremento de corriente, lo que caus cadas de tensin que eran inaceptables si las plantas generadoras estaban ubicadas a grandes distancias de las cargas. El hecho de mantener a los generadores cerca de las cargas lleg a ser cada vez ms difcil, ya que los lugares adecuados para la generacin frecuentemente no estaban disponibles. Se saba que la potencia elctrica era proporcional al producto del voltaje y la corriente. Es decir, se obtendra menor corriente a mayor voltaje. Desgraciadamente, no era deseable un voltaje ms alto desde cualquiera de los dos puntos de vista. El tecnolgico y la seguridad del cliente. Lo que se requera era transmitir la potencia a un voltaje ms alto a travs de grandes distancias, y despus cambiarlo a valore menores en los sitios de carga. La clave era disear un dispositivo que pudiese transformar niveles de corriente y voltaje de forma fiable y eficiente. En la dcada de 1890, la compaa Westinghouse, recin constituida, experiment una nueva forma de electricidad, denominada corriente alterna (AC), inspirada en el hecho de que la corriente invierte alternativamente el sentido del flujo en sincronismo con el generador rotatorio. Esta novedad tena muchas ventajas inherentes; por ejemplo, se eliminaron los problemas de conmutacin, propios de los generadores de DC, lo que dio lugar a controversias entre Edison, de la nueva compaa General Electric, y la Westinghouse, para definir si la industria debiese establecer normas sobre AC o DC. Finalmente triunf la corriente alterna, por las siguientes razones:

S S S

El transformador de AC poda satisfacer el requerimiento necesario de cambiar fcilmente los niveles de voltaje y corriente. El generador de AC era ms sencillo. Los motores de AC, sin ser verstiles, eran ms sencillos y ms baratos.

Una vez que se estandariz la AC, apareci prcticamente el concepto de estacin central y desaparecieron los problemas de las cargas lejanas. Este tipo de compaas, tuvieron cada vez mayor nmero de clientes, ya que la mayor parte del incremento de carga se poda manejar sin que hubiera necesidad de incrementar la inversin del capital; se abarat el costo por unidad de energa, lo que atrajo an ms clientes. Las empresas elctricas locales se extendieron en tal forma que compartieron sus lmites. Esta ventaja operativa fue aparente; como las cargas en sistemas adyacentes no necesariamente alcanzaban su mximo al mismo tiempo, por qu no interconectar los sistemas y satisfacer las condiciones de carga pico con la generacin de potencia combinada? Ya se conocan estas ventajas de interconectar diferentes lugares generadores y cargas; por tanto, este paso sera una extensin lgica del principio y una mejor utilizacin del equipo correspondiente. Inmediatamente surgi un problema tcnico; en ese tiempo, estaban en uso muchas frecuencias diferentes incluyendo DC, y AC de 25, 50, 60 125 y 133 Hz (en 1900). Como los sistemas interconectados deban operar a la misma frecuencia, se requeran equipos de conversin de frecuencia de alto coste. Fue evidente el incentivo para estandarizar las frecuencias. En ese tiempo, las unidades generadoras, de las cataratas del Nigara, y otras instalaciones hidroelctricas, usaban 25 Hz, ya que las hidroturbinas se podan disear para operar con mayor rendimiento a estas velocidades mecnicas; este fue un fuerte apoyo para usar esa frecuencia. El problema con 25 Hz radicaba en el hecho de que produca un parpadeo perceptible en las lmparas incandescentes. Eventualmente se adopt una frecuencia mayor, de 60 Hz, como norma en Estados Unidos, ya que posea caractersticas elctricas aceptables y porque las turbinas de vapor trabajaban satisfactoriamente a las correspondientes velocidades mecnicas de 3600 y 1800 rev / min.


F

TECNOLOGA ELCTRICA

El progreso tecnolgico en el diseo de aparatos de potencia continu: cuando una empresa extenda sus sistemas, los nuevos generadores y transformadores comprados eran invariablemente de mayor capacidad y rendimiento. Se desarrollaron mejores lmparas elctricas, proporcionando al cliente ms luz por unidad de energa. Con la constante baja en el coste de la energa, la seleccin de motores elctricos como propulsores mecnicos lleg a ser muy popular para toda clase de aplicaciones. Por todo lo expuesto la electricidad constituye, hoy por hoy, una de las manifestaciones energticas ms difundidas, tanto por su facilidad de generacin, transporte y consumo, como por sus numerosas aplicaciones y conversin en otras formas de energa (mecnica y trmica, principalmente). No obstante no esta todo solucionado, en el campo elctrico. Actualmente el gran problema que se plantea es la imposibilidad de almacenar energa elctrica en su forma alterna. No existiendo mtodos realmente eficaces para conseguirlo de forma definitiva y en grandes cantidades. Un sistema elctrico, es un sistema capaz de generar, transportar y consumir energa elctrica. Por ejemplo una linterna: con su batera (generador), sus hilos (transporte), y su bombilla (carga), constituye un ejemplo sencillo de sistema elctrico. Un sistema elctrico de potencia es un sistema con generacin, transporte y consumo de energa elctrica, pero en grandes cantidades (millones de vatios), a grandes distancias (cientos de km), y con grandes consumos (millones de vatios). Actualmente los grandes sistemas elctricos son las redes de interconexin ms importantes que se conocen, ya que llegan prcticamente a todos los confines del mundo.

2. CRONOLOGA HISTRICA DE LA ELECTRICIDADA continuacin se exponen algunas fechas y nombres relevantes, que han contribuido al desarrollo y evolucin de la electricidad a lo largo de la historia.

S S S S S S S S S S S

600 AC: Tales de Mileto (624-548 AC) descubre que si se frota el mbar, ste atrae a los objetos ms livianos. 1800: Alessandro Volta (1745-1827) descubre la pila elctrica. 1819: Hans Oersted (1777-1851) descubre el efecto magntico de la corriente elctrica, probando que la electricidad puede producir magnetismo. 1821: Michael Faraday (1791-1867) describe el principio de la dnamo. 1827: Andr Marie Ampre (1775-1836) descubre las leyes que relacionan la fuerza magntica con la corriente elctrica. 1827: George Ohm (1789-1854) establece la ley de la resistencia elctrica. 1831: Michael Faraday descubre la induccin electromagntica, confirmando as que el magnetismo puede producir electricidad. 1879: Thomas Alva Edison inventa la lmpara elctrica. 1880: En Londres comienza a funcionar la primera central elctrica destinada a iluminar una ciudad. 1887: Se inicia el sistema de iluminacin elctrico en la Ciudad de Buenos Aires. 1908: Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) descubre el principio de la superconduccin.

3. ESTRUCTURA DEL SISTEMA ELCTRICOSon todos los componentes, mquinas y sistemas necesarios para garantizar un suministro de energa elctrica, en un rea concreta, con seguridad y calidad.



F!

Dependiendo de la energa que se quiera transformar en electricidad, ser necesario aplicar una determinada accin. Se podr disponer de electricidad por los siguientes procedimientos: ENERGIA Mecnica Mecnica Qumica Magntica Luminosa Calrica ACCION Frotamiento Presin Qumica Magnetismo Luz Calor

Tabla n.1. Forma de obtencin de diversos tipos de energa.

De todos las energas enunciadas anteriormente, la ms empleada para producir electricidad en grandes cantidades es la magntica. Su produccin se basa en el hecho de que, al mover un conductor (material con gran movilidad de electrones) en presencia de un imn (campo magntico), en el conductor se produce un movimiento ordenado de electrones, como consecuencia de las fuerzas de atraccin y repulsin originadas por el campo magntico. En esta forma de produccin de electricidad se basa el funcionamiento de los alternadores, motores y dinamos.

S S S S

Alternador: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce Corriente Alterna). Motor: Dispositivo capaz de transformar la electricidad en movimiento rotatorio. Dinamo: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce Corriente Continua) Turbina: Dispositivo mecnico que transforma, la energa cintica de un fluido, en movimiento rotativo y viceversa.

Cualquier central elctrica, basa su produccin de electricidad en el giro de turbinas unidas a ejes de alternadores. Este giro se producir por la cada de agua (central hidroelctrica). O por el empuje de vapor de agua a presin. En funcin del origen del calor utilizado para producir vapor, podemos clasificar las centrales como:

S S S S S

Trmicas: Queman combustibles fsiles (slidos, lquidos o gases). Nucleares: Emplea combustibles atmicos (fisin nuclear). Geotrmicas: Utilizan el calor del interior de la Tierra. Solares: Utilizan el calor del Sol. Otras: Cualquier forma de produccin de calor.

Cabe mencionar, el aumento de los parques elicos y de las restantes energas renovables. En los parques elicos, se emplean gran cantidad de aerogeneradores. Estos son pequeos alternadores cuyo giro se consigue mediante aspas movidas por la fuerza del viento.

3.1 Obtencin de energa elctrica mediante el aprovechamiento del aguaPara exponer los componentes y mquinas que intervienen en la generacin de la energa elctrica realizaremos una hipottica instalacin elctrica aprovechando la energa potencial de un lago de montaa. El aprovechamiento de los lagos de montaa es uno de los sistemas menos utilizados, tanto por su escaso potencial energtico como por la dificultad de su aprovechamiento racional, ya que para poder ser utilizados como almacenes de agua, los lagos tienen que disponer de un aporte del lquido elemento que los mantenga a un nivel aceptable sin demasiadas variaciones anuales. Este aporte puede provenir de la fusin de las nieves, corrientes subterrneas, ros, etc, pero en cualquier caso


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TECNOLOGA ELCTRICA

deber garantizar que el nivel de las aguas permanezca prcticamente constante, an con el aprovechamiento hidroelctrico que de l se quiera realizar. Supongamos que disponemos de esta reserva natural de agua, y que la intervencin hidroelctrica a que se le someter no interfiera en sus condiciones medioambientales, si se cumplen estos requisitos estaremos en condiciones de iniciar su aprovechamiento. El proceso pasara por transformar la energa potencial de que las aguas disponen (debido a la altura topogrfica en la que estn situadas respecto al valle), en energa cintica (agua con velocidad), til para generar un giro en los alabes de las turbinas. Para ello se canalizan las aguas del lago mediante tuberas adecuadas, las cuales aprovechando el desnivel geogrfico entre el lago y el valle, impulsarn agua a velocidad y presin adecuadas para accionar las paletas de las turbinas que se encontrarn en el fondo del valle. Los componentes y mquinas sern por tanto:

Tubera:

El agua obtenida del lago la canalizamos mediante una tubera en pendiente. La energa potencial, Ep = m*g*h, que tenamos al inicio, la transformamos mediante su velocidad en energa cintica, Ec =

1 2 * g *v . 2Turbina:

En la turbina la energa se transforma en energa mecnica mediante el giro de su eje central. Es necesario disponer de agua a una presin y velocidad determinadas para poder girar el eje de la turbina. Estas condiciones de presin y velocidad dependern del tipo de turbina utilizada (Pelton, Francis, Kaplan).

Alternador:

El alternador, al estar conectado con el eje de la turbina consigue el giro de su rotor, que unido a la influencia de las bobinas del esttor nos genera energa elctrica. Un alternador es un generador asncrono capaz de transformar la energa mecnica en corriente elctrica alterna. Los alternadores basan su funcionamiento en el fenmeno de induccin magntica: una dinamo excitatriz suministra corriente al devanado inductor del rotor, el cual crea un campo magntico; el esttor forma el circuito inducido, en donde se crea la corriente alterna, proporcional a la velocidad angular del rotor. La energa mecnica que provoca el movimiento del rotor puede proceder de una turbina hidrulica o de vapor, de un motor de explosin o de cualquier otra fuente externa. Los alternadores se denominan monofsicos o polifsicos (generalmente son trifsicos) segn el nmero de fases de la corriente alterna producida.

Transformador:

El transformador es un elemento elctrico basado en el fenmeno de induccin mutua y destinado para transformar la tensin de una corriente alterna, pero conservando la potencia y la frecuencia. Para existir transporte de energa elctrica es necesario disponer de una intensidad muy baja. Hay dos tipos de transformadores. El transformador elevador, el cual aumenta la tensin y baja la intensidad con potencia constante (al inicio de las lneas elctricas); y el transformador reductor, el cual reduce la tensin y aumenta la intensidad con potencia constante (al final de las lneas).



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n

Motor:

Finalmente esta energa deber ser aprovechada por medio de motores u otras mquinas que nos permitan transformar la energa elctrica en movimiento u otra forma determinada de energa. A modo de esquema vemos los componentes representados en la siguiente figura:

Lago Salto de agua rbina Tu

TR1

TR2

Transformador 1

Transformador 2

Figura n 1: Distribucin de componentes en un sistema de potencia convencional.

4. SUMINISTROS ELCTRICOSYa hemos visto con un ejemplo sencillo, como generar y transformar la energa elctrica. Pero para su correcta utilizacin es necesario realizar un transporte, ya que los centros de produccin suelen estar alejados de los centros de consumo. Este transporte puede realizarse de dos grandes formas: mediante la utilizacin de la energa elctrica en su forma de continua (DC), o mediante la utilizacin de la energa elctrica en su forma de alterna (AC).

Corriente continua: En cada instante los electrones circulan en la misma cantidad y sentido. Es el tipo de corriente generada por un pila o una batera. Se utiliza para suministros a grandes distancias y grandes potencias, pero resulta ms costoso que la alterna ya que estos suministros debern reunir unos requisitos para poder ser efectivos. La energa en continua se puede almacenar. Corriente alterna: Dependiendo del instante, los electrones circularn en un sentido o en otro, siendo tambin variable su cantidad. Es el tipo de corriente ms empleada, siendo la que se dispone en cualquier enchufe elctrico de una vivienda. Es la corriente que ms utilizamos llegando su uso al 99% del total de energa actual. Existen dos variantes, la corriente alterna monofsica, (para bajas potencias), y la corriente alterna trifsica, que es la mas utilizada.

4.1 Ventajas e inconvenientes de los suministros en alterna o continuaActualmente, como se ha indicado ms del 99% de los suministros se realizan mediante el empleo de la corriente elctrica en su modalidad alterna trifsica, an teniendo el grave problema de su imposibilidad de almacenamiento, mayor peligrosidad en caso de accidente, peor control y regulacin de las mquinas elctricas y dificultad de clculo. Pero la gran ventaja que representa su


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facilidad de transformacin mediante el empleo de transformadores, la aventaja enormemente a la hora del transporte respecto a su rival la energa continua. La siguiente tabla resume, de forma ms clara, estas diferencias entre los suministros en continua y en alterna, dndose de esta ltima sus dos versiones, monofsica y trifsica. SISTEMA VENTAJAS 1. Distribucin con dos o un solo conductor, utilizando la tierra como conductor de retorno. 2. Mejor utilizacin de los aparatos, que pueden soportar una tensin ms elevada. 3. Control simple y flexible de las mquinas elctricas. 4. Clculo mucho ms simples, al no depender del tiempo. 5. Posibilidad de almacenamiento de esta energa en grandes cantidades. 6. Resulta cuatro veces menos peligrosa que la corriente alterna. 1. Distribucin con dos o un solo conductor. 2. Facilidad de interrupcin de la corriente. 3. Facilidad de transformacin, para adaptar el nivel de tensin DESVENTAJAS 1. Imposibilidad de empleo de transformadores, lo que dificulta el cambio de nivel de tensin. 2. La interrupcin de corriente continua presenta ms problemas que la de corriente alterna. 3. La circulacin de corriente continua por tierra provoca corrosin galvnica en objetos enterrados.

CORRIENTE CONTINUA

CORRIENTE ALTERNA MONOFSICA

CORRIENTE ALTERNA TRIFSICA

1. Permite crear un campo magntico giratorio. 2. La potencia elctrica generada o transportada en rgimen permanente es constante. 3. Permite el empleo de la tensin fase-fase o de la tensin faseneutro. 4. La potencia transportada representa el triple de la transportada en monofsico. 5. El uso de transformadores permite elevar la tensin para realizar el transporte a grandes distancias.

1. Una corriente monofsica no permite crear un campo magntico giratorio. 2. La potencia generada o transportada en rgimen permanente no es constante. 3. El par de una mquina rotativa no es unidireccional. 4. La regulacin de mquinas rotativas es difcil. 5. La potencia AC monofsica es 1/3 potencia AC trifsica. 1. Distribucin con tres o ms conductores. 2. La interrupcin de corriente requiere tres interruptores (uno en cada fase). 3. La regulacin de velocidad de mquinas rotativas no es tan simple como en las de corriente continua. 4. Ms peligrosa que la corriente continua. 5. Ms dificultad a la hora de realizar clculos.

Tabla n 2. Ventajas e inconvenientes de los diversos tipos de suministro de energa elctrica.



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5. PARMETROS ELCTRICOS CARACTERSTICOSUna vez se ha definido qu el suministro mayoritario se realiza en la actualidad mediante el empleo de la corriente alterna, es necesario conocer algunos de sus parmetros o caractersticas que lo definen. Las ms importantes son: frecuencia, periodo, energa o potencia, tensiones ms usuales, transformacin y formas de conexin. Veamos una sntesis bsica de las ms importantes.

5.1. Frecuencia y periodoPor tensin alterna se entiende en general, una tensin elctrica cuya magnitud y sentido estn sometidos a variaciones que dependen del tiempo. En la mayora de los casos prcticos, estas variaciones se producen de forma peridica, es decir, se repiten para cada espacio igual de tiempo, las mismas magnitudes y los mismos sentidos. Estos espacios de tiempos iguales reciben el nombre de periodos, T. La tensin generada transcurre en el tiempo segn una funcin seno. T= periodo (sg) F= frecuencia (Hz)

f=

Energa

1 1 = = Hz (herzios) T sg E = f k

Siendo k = constante de Planck. Esto nos indica que las ondas con mayor frecuencia darn ms energa que las que tengan periodos ms largos (frecuencias menores). Longitud de onda

=

c f

Siendo C = la constante de la velocidad de la luz; (300 000 km/s).

Figura n 2. Forma caracterstica de la evolucin temporal de una magnitud elctrica alterna.

Resumiendo, la frecuencia es la inversa del periodo; la longitud de onda es proporcional al periodo e inversamente proporcional a la frecuencia, y la energa es proporcional a la frecuencia. La mayora de los pases utilizan una frecuencia de 50 Hz, es decir el periodo se realiza 50 veces por segundo. Pases como Canad, EEUU, Japn, o Brasil, utilizan una frecuencia de 60 Hz. A 60 Hz con el mismo componente o mquina, se obtienen valores de potencia superiores debido a su mayor frecuencia. Entonces: por qu no todos los pases adoptan los 60 Hz, o an mejor 100 Hz, 1000 Hz, o 100 000 Hz, si a ms frecuencia ms energa?. La respuesta es simple; al aumentar la frecuencia tambin aumenta su reactancia inductiva (XL=w*L) y por tanto aumenta el consumo,


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bajando el rendimiento. El rendimiento optimo se obtiene alrededor de los 50 Hz, siendo a esta frecuencia donde las mquinas trabajan en condiciones econmicas. Frecuencias mayores se aplican cuando con poco peso se deben conseguir potencias elevadas, sin importar mucho el consumo, un ejemplo lo constituyen los aparatos destinados al transporte areo, donde priva el peso sobre el consumo.

Figura n 3. Relacin entre el rendimiento y la variacin de la frecuencia en corriente alterna.

5.2. AmplitudRepresenta el valor mximo de la funcin seno. Como es independiente del tiempo, se le designa con una letra mayscula. Es por otra parte la mitad del valor pico a pico o extremo.

5.3. ngulo de fase .Es el formado entre un punto 0 (t=0) fijado arbitrariamente y el pase por cero hacia el sentido positivo de la funcin seno. Equivale al desplazamiento entre fases o desfase de la funcin seno considerada respecto a otra con origen en el punto 0 y tomada como curva de referencia.

5.4. Valores de las magnitudes alternasJunto a estas tres magnitudes caractersticas, amplitud, frecuencia y ngulo de fase, hay que tener en cuenta los siguientes valores:

S

Valor eficaz de una magnitud alterna: La mayora de los instrumentos de medida que se utilizan, no pueden captar un valor especial instantneo, como es el mximo, sino un valor medio, llamado eficaz. Su magnitud se deduce considerando la potencia de la corriente alterna, y comparndola con la de la corriente continua. Valor medio aritmtico: Si se mide una magnitud alterna con un instrumento de medida dotado de rectificador de corriente, la lectura obtenida corresponde a la media aritmtica de todos los valores instantneos.

S

Las tres magnitudes: valor mximo, valor eficaz y valor medio aritmtico, no guardan una relacin fija entre s, sino que est depende de la forma de la curva de que se trate. Los instrumentos de medida que se contrastan para una forma de curva determinada, indican valores errneos si la magnitud de medida se aparta de dicha curva.



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5.5. Conexin de bobinasEntendemos por bobina al conjunto de espiras de hilo conductor arrolladas al aire o sobre un ncleo de material ferromagntico, empleado para obtener campos magnticos o para intercalar una induccin en un circuito. La bobina de induccin es un aparato elctrico que permite obtener corrientes de alto voltaje a partir de una corriente continua de baja tensin. Si tratamos de corrientes alternas trifsicas, como su nombre indica, sern necesarias tres bobinas, una para cada fase. Como cada bobina dispone de dos terminales, en total significarn seis terminales o puntos de conexin. La unin de estos terminales se puede realizar de varias formas, siendo dos las ms empleadas en la actualidad: la conexin en estrella y la conexin en tringulo.

Conexin en estrella

Si los devanados de fase de un generador o consumidor se conectan, de modo que los finales de los devanados se unan en un punto comn, y los comienzos de stos sean conectados a los conductores de la lnea, tal conexin se llama conexin en estrella y se designa con el smbolo Y. Los puntos en los cuales estn unidos los terminales de los devanados de fase del generador o del consumidor, se denominan correspondientemente puntos neutros del generador (0) y del consumidor (0). Ambos puntos 0 y 0 estn unidos con un conductor que se denomina conductor neutro o hilo central. Los otros tres conductores del sistema trifsico que van del generador al consumidor se denominan conductores de la lnea. De este modo, el generador est unido con el consumidor mediante cuatro conductores. Por eso, dicho sistema se denomina sistema tetrafilar de corriente trifsica. En un sistema de corriente trifsica equilibrado, el papel de conductor de vuelta lo ejecutan tres conductores del sistema, ya que al estar desfasados entre ellos 120 se anulan mutuamente; mientras que en un sistema trifsico desequilibrado de cuatro conductores el retorno se producir a travs del conductor neutro. Durante el servicio, por el conductor neutro pasa una corriente igual a la suma geomtrica de tres corrientes: IA, IB e IC, es decir, I 0 = I A + I B + I C , que es cero en un sistema equilibrado. Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases del generador o consumidor y el punto neutro o conductor neutro se llaman tensiones de fase y se designan con VA, VB, VC o en forma general con Vf. A menudo se establecen de antemano magnitudes de las f.e.m. de los devanados de fase del generador, designndose stas con EA, EB, EC, o Ef,. s despreciamos las resistencias de los devanados del generador, se puede escribir: EA = VA ; EB =VB ; EC = VC ; Ef = Vf; Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases A y B, B y C, C y A del generador o consumidor se llaman tensiones compuestas y se designan con UAB, UBC, UCA o en forma general, con UComp. El valor instantneo de la tensin compuesta es igual a la diferencia entre los valores instantneos de las tensiones de fase correspondientes. En la conexin en estrella la tensin compuesta es Ul =

3 veces mayor que la de fase. Es decir:

3 Uf .

La corriente que pasa por un devanado de fase del generador o consumidor se llama corriente de fase y se designa en forma general con If. La corriente que pasa por un conductor de la lnea se llama corriente de la lnea y se designa en forma general con Il. En el caso de la conexin en estrella, la corriente de la lnea es igual a la de la fase, o sea, Il = If.


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TECNOLOGA ELCTRICA

El punto neutro de la estrella del consumidor puede estar en el interior del tringulo de tensiones compuestas, coincidir con uno de sus vrtices, encontrarse en uno de sus lados y en algunos casos estar fuera del tringulo.

Conexin en tringulo

Los generadores o consumidores de corriente trifsica pueden conectarse no slo en estrella, sino tambin en tringulo. Reuniendo por pares los conductores de un sistema independiente hexafilar y uniendo las fases, pasamos a un sistema trifsico trifilar conectado en tringulo. La conexin en tringulo se ejecuta de modo que al comienzo de la fase A se conecta el extremo final de la fase B. El comienzo de esta fase B, se conecta al final de la fase C, unindose finalmente en inicio de la fase C, con el inicio de las fase A. Los puntos de unin de las fases sirven para conectar los conductores de la lnea. Si los devanados del generador estn conectados en tringulo, cada devanado de fase crea tensin compuesta. El consumidor conectado en tringulo tiene la tensin compuesta conectada a los bornes de la resistencia de fase. Por consiguiente, en caso de conexin en tringulo la tensin de fase es igual a la compuesta: UComp = Vf. La dependencia entre las corrientes de fase y de la lnea, en el caso de conexin en tringulo es: Il = 2 If cos 30.Puesto que:cos 30 = Il = 2 If

3 , entonces: 2

3 = 2

3 If

Por consiguiente, en el caso de carga equilibrada y conectada en tringulo la corriente de la lnea es

3 veces mayor que la de fase.A modo simplificado de un dibujo de los tipos de conexiones de bobinas son:Conexin en estrella Conexin en tringulo

Figura n 4. Diversos tipos de conexionado. Estrella y tringulo.

Las ventajas y los inconvenientes de las conexiones en estrella o en tringulo quedan reflejadas en la siguiente tabla, siempre considerando bobinas alimentadas con tensin y recorridas por intensidades de igual valor, tanto en la conexin estrella como en la conexin tringulo, y por tanto en los dos tipos de conexionado se obtendrn las mismas potencias:



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TIPO DE CONEXIN

Conexin en estrella

VENTAJAS 1. Intensidad ms pequea. 2. Dimetro de los hilos menor. 3. Peso menor. 4. Prdidas por efecto joule menores. 5. Coste menor de las lneas al presentar menor dimetro. 6. Con una sola lnea obtenemos dos tensiones, la de lnea y la de fase. 1. Los aislantes son ms pequeos. 2. Ahorro econmico. 3. Basta con tres hilos. Ahorro de un hilo. 4. Menos tensin de lnea.

INCONVENIENTES 1. Aisladores ms grandes 2. Ms tensin de lnea. 3. Tres fases ms neutro (ms hilos).

Conexin en tringulo

1. Intensidad mayor en la lnea. 2. Dimetro de los hilos mayor (debido a la mayor intensidad). 3. Peso mayor (al tener que pasar ms intensidad). 4. Ms caras las lneas por presentar pesos mayores los cables. 5. Prdidas por efecto joule mayores

Tabla n 3. Ventajas e inconvenientes de las conexiones elctricas en estrella y en tringulo.

Resulta interesante en la distribucin de baja o media tensin la conexin estrella, mientras que para los suministros a grandes distancias la conexin tringulo se impone.

5.6. TransformadorEl transporte de corriente elctrica desde donde se produce hasta donde se utiliza conlleva unas prdidas energticas originadas por efecto Joule en los cables conductores. En concreto, la potencia disipada en un conductor de resistencia R por el que circula una corriente alterna de intensidad Ie, es: 2 P = Ie * R Si se quieren reducir las prdidas energticas puede elegirse entre dos opciones: disminuir la resistencia del conductor que transporta la corriente o disminuir la intensidad que circula por el mismo. La primera opcin se consigue o bien cambiando el material constructivo de las lneas (solucin difcil ya que esto representa utilizar materiales ms conductores y por tanto aumento de los costes), o aumentar la seccin del conductor, lo que implica tambin un aumento del coste de la instalacin, al aumentar la cantidad de metal a utilizar y ser mayor el peso que tendran que soportar las torres metlicas o postes de suspensin. La segunda opcin, disminuir la intensidad que circula por el mismo, puede conseguirse aumentando la diferencia de potencial en las lneas de conduccin, ya que la potencia que transporta una corriente elctrica es: P = V * I , de modo que para cierto valor de potencia, cuanto mayor sea la tensin V, ms pequea ser la intensidad, consiguindose una disminucin de la potencia disipada. El hecho de disminuir la intensidad obliga a realizar el transporte de corriente a un potencial muy elevado. Una vez en el lugar de consumo, se reduce la tensin, hasta alcanzar valores normales que no resulten peligrosos.


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La facilidad con que se puede modificar la tensin de una corriente alterna, sin sufrir apenas prdidas, frente a las dificultades de hacer lo propio con corrientes continuas, fue una de las razones que impuso el uso de la corriente alterna. El dispositivo que permite modificar la tensin de una corriente alterna se conoce con el nombre de transformador. El transformador es una mquina elctrica basada en el fenmeno de induccin mutua y destinado para transformar la tensin de una corriente alterna, pero conservando la misma frecuencia. El transformador ms simple consta de un ncleo de acero y de dos devanados aislados, tanto del ncleo, como uno del otro. Los generadores de corriente alterna de las centrales elctricas suelen producir tensiones de algunos miles de voltios (25kV a lo sumo). Esta tensin no es lo suficientemente elevada para el transporte de grandes potencias (ya que con solo 25kV, para el transporte de grandes potencias seran necesarias grandes intensidades que originaran grandes prdidas), por lo que se eleva, mediante transformadores, la tensin hasta alcanzar valores de cientos de miles de voltios, con lo que es posible el transporte de grandes potencias con pequeas intensidades, es decir, pequeas prdidas. Una vez en el lugar del consumo, se reduce la tensin, utilizando nuevamente transformadores, hasta que alcanza los valores de tensin que se utilizan habitualmente. Existen tres aplicaciones bsicas para la utilizacin de los transformadores:

S

Transporte de energa elctrica: gracias a su capacidad de transformar los parmetros de tensin e intensidad, con la consiguiente reduccin de las prdidas Joule. Existirn dos transformadores, uno al principio de lnea para la elevacin del potencial (transformador elevador), y uno al final de lnea para la reduccin del mismo (transformador reductor). Interconexin de lneas elctricas a diferentes niveles de tensin: por su capacidad de transformar los niveles de tensin, los transformadores son ideales para interconectar lneas a diferente nivel de tensin dando para todas ellas una salida comn.

S

Algunas de las designaciones ms comunes para diferentes tipos de transformadores son:

S S S S S S S

Monofsico. Trifsico. Con refrigeracin por aire (seco). De aceite con refrigeracin natural por aire. De aceite con refrigeracin artificial por aire (ventilacin). De tres devanados (un devanado primario y dos secundarios por fase). De pararrayos (dispone de proteccin del aislamiento contra carga disruptiva ).

6. TENSIONES MS FRECUENTES UTILIZADAS EN ESPAALas tensiones utilizables en Espaa que marca el Reglamento de Lneas de Alta Tensin, estn divididas en tres grandes grupos: Alta Tensin, Media Tensin, y Baja Tensin. En cada uno de estos grupos existen adems tensiones que no incluye el reglamento pero son de uso muy comn. A continuacin se indica un resumen de estas tensiones:

S S

ALTA TENSIN (AT) Con tensiones de valores: 500 KW, 420 KW, 380 KW, 220 KW, 132 KW y 66 KW. Existen tambin lneas de 110 KW. Aunque no figura en el RAT, es ampliamente utilizada.



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S S

MEDIA TENSIN (MT). Con tensiones de valores: 45 KW, 30 KW, 20 KW, 15 KW, 10 KW, 6 KW, 5 KW y 3KW. Existen tambin lneas de 25 KW. Aunque no figura en el RAT, es ampliamente utilizado.

S S S

BAJA TENSIN (BT). Con tensiones inferiores al lmite de 1 KW (= 1000 V), siendo sus valores ms usuales: 380 V, 220 V y 127 V. En corriente continua el lmite de la baja tensin se establece en los 1500V, siendo los valores ms normales los de 220V y 110V.

7. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LOS SISTEMAS DE POTENCIAEs el conjunto de todas las instalaciones electrotcnicas, redes elctricas incluidas, y todas las instalaciones adicionales para la generacin, transporte y utilizacin de la energa elctrica dentro de una determinada unidad territorial. Veamos primeramente una breve descripcin de cada una de las partes.

Central elctrica

Instalacin de produccin de energa elctrica que comprende los grupos generadores, la aparamenta asociada y la parte de las obras en las que estn instaladas. En el MIE-RAT 01 se define como: Lugar y conjunto de instalaciones, incluidas las construcciones de obra civil i edificios necesarios, utilizados directa o indirectamente para la produccin de energa elctrica .

Subestacin

Conjunto situado en un mismo lugar, de la aparamenta elctrica y de los edificios necesarios para realizar alguna de las funciones siguientes: Transformacin de la tensin, de la frecuencia, del nmero de fases, rectificacin, compensacin del factor de potencia y conexin de uno o ms circuitos. Quedan excluidos de esta definicin los centros de transformacin.

Subestacin de maniobra

Esta destinada a la conexin de dos o ms circuitos elctricos y a su maniobra. Subestacin de transformacin

Es la destinada a la transformacin de la energa elctrica mediante uno o ms transformadores cuyos secundarios se emplean en la alimentacin de otras subestaciones o centros de transformacin.

Centro de transformacin

Instalacin provista de uno o varios transformadores reductores de Alta a Baja tensin con la aparamenta y obra complementaria precisa.


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TECNOLOGA ELCTRICA

Figura n 5. Estructura de un sistema elctrico de potencia.

En un sistema de energa elctrica, siguiendo el grfico que se anexa, cada tramo de lnea de transporte, generacin o consumo dispone de unas caractersticas peculiares, encontrndonos con las siguientes unidades estructurales, tal como se representa en el dibujo correspondiente.

S S S

Zona de generacin de energa elctrica

Estar formada por los siguientes componentes: Central generadora elctrica (trmica, nuclear o hidroelctrica). Generador elctrico (generador asncrono trifsico normalmente), con una tensin de salida mxima de unos 25kV. Estacin transformadora elevadora (Subestacin de transformacin). Zona de transporte.

S

Estar formada por los siguientes componentes: Lnea primaria de transporte de energa elctrica. Este tramo de instalacin se identificar por: grandes tensiones (U>132kV normalmente). Grandes distancias (L>100km normalmente). Sistema de interconexin en malla (todas las lneas estn unidas entre s, hacindose esta unin extensible tambin entre las centrales generadoras). Y utilizacin de lneas areas. Subestacin transformadora. Donde las tensiones y las potencias comienzan a decrecer. Suele estar formada por un conjunto de transformadores, correspondiendo a las derivaciones de la lnea principal de potencia. Los transformadores pasan de alta a media tensin.

S



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S

Lnea secundaria de transporte de energa elctrica. Este tramo se identifica por: tensiones medias (U Uc(800) = 268.07 KV Uc(1000) = 263.17 KV c(700) = 270.5 KV

Y para tiempo hmedo: Tiempo hmedo => Uc(800) = 214.5 KV Uc(1000) = 210.53 KV Uc(700) = 217.43 KV

Nos falta solamente encontrar la tensin ms elevada, que consideraremos un 15% ms alta que la nominal: Ume = U lnea x 1.15 = 200 x 1.15 = 230 KV Con estos datos podemos concluir afirmando:

S S

Para tiempo hmedo si se producir efecto corona ( Ume > Uc ) Para tiempo seco no se producir efecto corona ( Ume < Uc )

Es innecesario el clculo del efecto corona para tiempo seco, pero en cambio es necesario para tiempo hmedo. Para este rgimen tendremos: Para hallar las prdidas por efecto corona se aplica la frmula de Peek:

r Ume Uc 241 5 Potencia. prdida. por. fase. y. por.km = ( f + 25) 10 D 3 3De esta frmula son conocidos todos los trminos. Ntese que tanto la densidad relativa del aire (), como la tensin crtica disruptiva (Uc), tendrn valores distintos segn la zona de estudio. Por tanto se obtendrn tres potencias de prdidas: P (800) = 0.571 KW/km.fase P (1000) = 0.9136 KW/km.fase P (700) = 0.431 KW/km.fase. Siendo la potencia total: Potencia total perdida por efecto Corona => 0.571 x 30 x 3 + 0.9136 x 80 x 3 + 0.431 x 50 x 3 = 335.24 KW

2


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S calculamos ahora, las prdidas por conductancia obtendremos sustituyendo en la frmula siguiente, para cada valor de potencia por fase y km, con su correspondiente Uc:

G=

PFase / km Uc 32

10 3

G (800) = 3.78E-6 Siemens/km.fase G (1000) = 6.18E-8 Siemens/km.fase G (700) = 2.76E-8 Siemens/km.fase Valor que nos dar un total de: G aislador = 3.78E-6 x 3 x 30 + 6.18E-8 x 80 x 3 + 2.76E-8 x 50 x 3 = 2.23E-5 Siemens Resumiendo los valores totales tanto de las prdidas por efecto corona como por efecto aislador son: P total = P corona + P aislador = 706.7 KW G total = G corona + G aislador = 4.5317E-5 Siemens Estos valores representan sobre el total de la potencia suministrada por la lnea:

P =

Pprdidas PLnea

100 =

706.7 100 = 0.47% 150000

Valor del todo despreciable frente al total suministrado. Es por este motivo, unido a la dificultad de hallar unas valores fiables, por lo que en muchas ocasiones se desprecia el valor de la conductancia, en los clculos industriales de redes de suministro de energa elctrica.


Captulo V. Clculo de lneas elctricas

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CAPTULO V. CLCULO DE LNEAS ELCTRICAS1. INTRODUCCINUna operacin muy importante, dentro del diseo y operacin de un sistema de potencia, lo constituye la conservacin del nivel de la tensin dentro de unos lmites especificados. En este captulo se desarrollarn ecuaciones que permitirn calcular las magnitudes elctricas de un punto determinado de una lnea de transmisin de energa elctrica, siempre que estos valores sean conocidos en otro punto de la propia lnea, que en general correspondern al origen o final de la misma. No solamente se darn las ecuaciones que permitan este clculo, sino que mediante la explicacin de sus efectos, se comprender de forma clara y prctica, como influye cada parmetro en el diseo final de una lnea de transmisin. En los sistemas modernos informatizados, constantemente se recogen datos de varias magnitudes elctricas (flujos de potencia, intensidades, tensiones, frecuencia, etc.), que permiten en cada momento tomar decisiones como: s conectar o desconectar lneas en servicio; sobre el reparto de cargas a suministrar por las centrales; o los cambios a efectuar en los parmetros de las lneas. Sin embargo, an con los progresos del campo de la informtica, siempre sern necesarias estas ecuaciones que nos permitan un entendimiento global de lo que ocurre en el sistema, permitiendo una mejor eficiencia

libro upc- tecnologÍa elÉctrica

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