INSTALACIONES ELÉCTRICAS

HANS JOAN TAFUR PEREDA

hans.tafur@unas.edu.pe

www.Tafurh.blogspot.com

FUNDAMENTO DE MÁQUINAS Y EQUIPOS AGROINDUSTRIALES

1. INTRODUCCIÓN

La electricidad es la forma de energía más utilizada por el hombre.

Pero, ¿qué es la electricidad?, ¿cómo se produce?, ¿cómo se transporta?, ¿De qué manera se controla?, ¿cómo de calcula?

A lo largo de este curso, se darán las respuestas adecuadas a estas y otras interrogantes relacionados con las aplicacones eléctricas.

La energía no se crea, está en la naturaleza y se puede transformar para sacar

un rendimiento útil.

El hombre ha evolucionado en bienestar conforme encontraba utilidades a la

energía; pero el gran salto se consiguió al transformar las distintas clases de

energías primarias en electricidad.

Centrales eléctricas

Las centrales eléctricas, son “fábricas” de producción de Energía eléctrica. Donde

se transforma una Energía primaria en Energía eléctrica

ENERGÍA PRIMARIA

CENTRAL ELÉCTRIC

A

ENERGÍA ELÉCTRIC

A

ENERGÍA PRIMARIA TIPO DE CENTRAL ELÉCTRICA

Salto de agua Central hidroeléctrica

Quema de carbón, petróleo, gas, etc. Central térmica

ENERGÍA PRIMARIA TIPO DE CENTRAL ELÉCTRICA

Reacción de fusión, fusión del núcleo atómico

Central nuclear

Movimiento del mar Central mareomotriz

Calor recogido de la tierra Central geotérmica

ENERGÍA PRIMARIA TIPO DE CENTRAL ELÉCTRICA

Producido por el vientoCentral eólica

Luz procedente del sol Central fotovoltaica

Calor procedente del solCentral solar

En la mayor parte de las Centrales eléctricas, el movimiento se logra con agua

(fría, caliente o vapor), para hacer girar las paletas de la turbina. En una Central

hidráulica, las paletas de la turbina giran cuando el agua fría pasa de una altura a

otra inferior. Cuando la central es térmica o nuclear las paletas son impulsadas por

agua caliente o el vapor de agua.

En el caso de las central Fotovoltaica, se consigue la

transformación de la Luz procedente del Sol, en Energía Eléctrica,

mediante elementos Semiconductores especiales. Esta energía,

generalmente se acumula en baterías para poder ser utilizada

cuando el Sol deje de incidir sobre las placas.

Los generadores eléctricos son “máquinas” que cuando se les

proporciona un movimiento, estas lo transforman en Energía

Eléctrica. Se basa en el “Efecto Faraday” que se resume así:

“Cuando se mueve un conductor metálico dentro de un campo

magnético, sea un imán o un electroimán, se engendra en dicho

conductor una corriente eléctrica y al contrario, si se mueve el

imán, o el electroimán, y se fija el conductor, también se produce

en el conductor dicha corriente”.

En un principio, cuando los generadores eran de corriente continua (dínamos),

existía el problema del transporte, por lo que, el generador debía de estar

próximo al lugar de consumo. Con el uso de los alternadores, y los

transformadores, ya no es necesaria esta proximidad al ser posible el

transporte a grandes distancias, empleando la técnica adecuada.

La electricidad tiene muchísimas aplicaciones, se puede transformar

cualquier clase de energía en corriente eléctrica; pero, durante siglos, nadie

ha sabido encontrar la respuesta a una pregunta básica: ¿Qué es la

electricidad?. Se sabía como crear corriente, como controlarla, calcular sus

efectos, pero no se sabía que era. La respuesta requiere explicar primero

como está constituida la materia.

2. EL ÁTOMO

Cuando el número de protones y electrones

son iguales, se dice que el átomo tiene carga

eléctrica nula. Si el número de protones,

supera al de electrones el átomo tiene carga

positiva, y por el contrario, si el número de

protones es inferior al de electrones, el átomo

está cargado negativamente. En la figura está

representado un átomo de cobre en estado

neutro.

Por otro lado, un átomo con carga positiva o negativa, es susceptible de

intercambiar electrones con otros átomos de su alrededor, con el fin de

conseguir la estabilidad eléctrica, es decir, se iguala el número de protones y

electrones, para conseguir la carga nula.

Cargas eléctricas

Colocados una sustancia falta de electrones frente a otra, también falta de

electrones, se observa que ambas se alejan rápidamente. Por otro lado, si

se enfrentan dos sustancias sobrantes de electrones, también ocurriría lo

mismo. Es decir: dos cargas del mismo signo se repelen entre sí

Un protón enfrentado a un electrón se atrae rápidamente, conclusión:

Cargas del mismo signo se repelen, y cargas de distintos signos se atraen.

Electrización del átomoAl frotar un material, este puede ganar o perder electrones. Se puede experimentar frotando un bolígrafo, con un paño, se observará que el bolígrafo puede atraer “trocitos de papel”. Se dice entonces que tiene una carga de electricidad positiva respecto al papel. En realidad, un material tiene exceso de electrones y el otro está falto de ellos. El material con exceso de electrones se comporta coma Carga Negativa, y, por el contrario, el material con defecto de electrones, tiene Carga Positiva.

La corriente eléctrica es un movimiento de electrones

3. CUERPO CONDUCTOR Y AISLADO

Cuando se desarrolla la electricidad en un cuerpo y los efectos sólo se

manifiesta en el punto tratado, sin extenderse al resto, se dice que son malos

conductores, aislante o dieléctricos.

En cambio, si la electricidad desarrolla en el punto se esparce por toda la

superficie, se les llaman cuerpos buenos conductores de la electricidad o

simplemente conductor.

El concepto aislado, dependerá siempre

de la tensión de trabajo, cuando la tensión

de aislamiento se rebasa, el cuerpo deja

de estar aislado. El ejemplo se encuentra

en la naturaleza, el aire se considera como

un buen aislante, sin embargo cuando la

electricidad estática de las nubes se

acumula en grandes cantidades el rayo

atraviesa el aire, produciéndose el

desprendimiento de electrones sobrantes

y el equilibrio de las cargas.

4. CORRIENTE ELÉCTRICA

Cuando la electricidad se mueve a lo largo de los conductores, se producen fenómenos extraños, cuyo estudio ha dado lugar a conclusiones o leyes, que razonan los resultados de los experimentos.

El conocimiento de estas leyes es de gran importancia para la aplicación de la electricidad al bienestar de la humanidad.

Para simplificar el estudio se ha dado en admitir que de las dos clases de electricidad existentes, una sola es la que se mueve, como lo haría un líquido o un gas por una tubería.

Para empezar con el estudio de la corriente eléctrica, es mejor comparar la electricidad (circulación de electrones) con el movimiento del agua que fluye por una cañería.

Símil hidráulico

Las magnitudes que caracterizan esta instalación son:

-Diferencia de nivel, medido en metros-Cantidad de agua transportada, expresado en litros-Gasto de agua transportada en un segundo, evaluado en litros por segundo

• Diferencia de potencial o tensión, medido en Voltios.• Cantidad de electricidad, evaluado en Culombios.• Cantidad de electricidad transportada por segundo,

expresada en Amperios.

5. VOLTAJESegún se ha dicho, la diferencia de potencial existente entre los dos polos de un generador se mide en voltios, el aparato con que se efectúa la medición recibe el nombre de voltímetro.

Medir el voltaje es hallar la diferencia de potencial que existe entre dos puntos de una instalación eléctrica; en la figura se mide la tensión que existe entre los bornes del receptor.

AmperioLa intensidad de una corriente eléctrica, es la cantidad de electricidad transportada en un segundo. Que es lo mismo que si se dijera: Amperio es la unidad de intensidad, que en un segundo transporta un Culombio. El amperio, se designa por la letra mayúscula A y también por la letra I.

EL SERVICIO ELÉCTRICO EN EL PERÚ

De acuerdo a lo que establece Ley de Concesiones Eléctricas (Ley 25844) las actividades eléctricas que se realizan en el Perú son tres: generación, transmisión y distribución.

a) La actividad de generación, Comprende la construcción, operación y mantenimiento de las instalaciones de las centrales eléctricas (Hidráulica ó Térmica) y la comercialización en bloque de la energía. El punto de entrega de la energía eléctrica está a disposición en las barras de salida de la subestación elevadora que también se denominan «subestaciones base» ó «barras base».

b) La actividad de transmisión, comprende la construcción, operación y mantenimiento del sistema de transmisión, que se subdivide en transmisión principal y transmisión secundaria. El sistema principal de transmisión (SPT) está

conformado únicamente por las líneas de transmisión que unen subestaciones ó barras base y permiten el libre tránsito de la electricidad sin asignar responsabilidad particular a ningún generador por dicho tránsito. El sistema secundario de transmisión (SST) está conformado por las subestaciones líneas y barras de transmisión en las cuales es posible identificar al usuario (generador, distribuidor ó cliente final) responsable por el uso de dichas instalaciones.

c) La actividad de distribución, Está conformada por las redes de media (MT) y baja (BT) tensión para distribuir a los consumidores finales, la energía comprada a los generadores.

Centrales HidráulicasLas centrales hidráulicas utilizan la energía potencial del agua para convertirla en energía mecánica y luego en eléctrica.

La captación del agua provoca un desnivel que origina energía potencial acumulada, el agua al impactar en las paletas de la turbina hace que esta obtenga un movimiento giratorio que acciona al generador produciendo la corriente eléctrica.

Tipos de Centrales HidráulicasCentral hidráulica de pasada, no existe una acumulación de agua «aguas arriba» de la captación; por lo tanto hacen uso del agua disponible en el río. Dependiendo de la estación se puede llegar a perder agua por el vertedero o en su defecto no tener agua para generar la máxima capacidad en la central.

Central hidráulica con embalse, se embalsa un volumen determinado de agua, mediante la construcción de una o varias presas, las que forman lagos artificiales.

Central hidráulica en cascada

para aprovechar al máximo el recurso hídrico de un río, para la generación de energía eléctrica, se puede construir en su recorrido varias centrales.

En nuestro país tenemos varios ejemplos de este tipo de centrales hidráulicas en cascada, tales como las centrales de :

- ELECTROPERÚ; que hacen uso de las aguas del río Mantaro.

- EDEGEL; que hacen uso de las aguas del río Santa Eulalia y del río Rimac

- EGASA; que hacen uso de las aguas del río Chili

- EGESUR; que hacen uso de las aguas del río Aricota.

Componentes de una Central Hidroeléctrica

Presa, se ubica en el río para detener el agua y formar un embalse, el cual tiene un nivel determinado, el desnivel entre el nivel del embalse y el de la turbina se aprovecha para generar energía eléctrica.

Toma, capta el agua para llevarla a través de un canal o túnel a presión a la turbina del grupo generador ubicado en la casa de máquinas.

Siempre, al ingreso de la toma se instala una reja para detener el material flotante, troncos, ramas, plásticos, etc., evitando que puedan llegar a la turbina y causar desperfectos.

Desarenador, para decantar los sólidos que transporta el agua, se instala en el canal un desarenador, en el cual la velocidad de agua disminuye y por gravedad se depositan en el fondo los sólidos en suspensión (limo). De esta manera se previene el desgaste innecesario en los rodetes de la turbina.

Túnel a presión, conduce el agua a presión hasta la cámara de carga donde se encuentra la chimenea de equilibrio que absorbe la sobrepresión llamada comúnmente «golpe de ariete».

Casa de máquinas, En la casa de máquinas se ubican los grupos generadores, con sus elementos de control, mando, señalización y protección así como los servicios auxiliares.

Turbinas hidráulicas, Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas:

- Pelton; para grandes alturas

- Francis; para alturas medianas

- Kaplan o hélice; para pequeñas alturas

TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La transmisión de la energía eléctrica se realiza generalmente entre puntos muy distantes y/o en grandes bloques de energía. Para lograr ello, esta transmisión se realiza a través de líneas en alta o muy alta tensión y subestaciones de transformación elevadoras o reductoras del nivel de voltaje.

Una subestación elevadora de voltaje en la mayoría de los casos está asociada a una central generadora de energía eléctrica, mientras que una subestación reductora de voltaje está asociada a los centros de consumo de la energía eléctrica.

1. SUBESTACIÓN

Una subestación de transformación está conformada fundamentalmente por un transformador de potencia; equipo de maniobra, de protección y de control, cada uno de los cuales se ubican en ambientes y espacios especiales de acuerdo a su función y al nivel de tensión.

2. LÍNEA DE TRANSMISIÓNLas líneas de transmisión están constituidas por conductores apropiadamente seleccionados en función a la magnitud de la energía a transportar y a la zona geográfica que atravesarán, los mismos que son instalados sobre estructuras metálicas, de madera o mixtas, a través de aisladores adecuadamente diseñados. Además las estructuras deben ser debidamente conectadas a tierra como protección ante cualquier falla técnica o sobretensiones por descargas atmosféricas que pueda sufrir la línea de transmisión.

DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICASon las instalaciones eléctricas que van desde las Subestaciones de Transmisión (AT/MT) hasta los puntos de entrega a los usuarios finales distribuidos dentro de una determinada zona de concesión.

Comprende lo siguiente:

1. LÍNEAS Y REDES PRIMARIAS EN MEDIA TENSIÓN

Son los conductores instalados en sistema aéreo o subterráneo con tensiones de servicio que van desde la tensión de 2 300 V hasta 30 000 V. Las instalaciones subterráneas se instalan a un (1) metro de profundidad por debajo de las veredas de las vías públicas, mientras que las instalaciones aéreas van instaladas en postes de concreto, fierro o madera y recorren las vías publicas cumpliendo con las distancias mínimas de seguridad especificadas en las normas vigentes.

2. SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIÓNSon las instalaciones encargadas de la transformación de la tensión de media a baja tensión. Las subestaciones se ubican en los centros de carga y alimentan a las redes secundarias a las tensiones de distribución en 220 V, 380 V y 440 V.

Una subestación puede ser del tipo aérea, de superficie en caseta o subterránea.

3. REDES DE DISTRIBUCIÓN SECUNDARIASon instalaciones eléctricas realizadas en sistema aéreo o subterráneo a las tensiones

de servicio de 220 V, 380 V y 440 V. Las instalaciones subterráneas se instalan a 60 cm de profundidad por debajo de las veredas de las vías públicas , mientras que las instalaciones aéreas se instalan en postes de concreto, fierro o de madera y recorren las vías públicas cumpliendo con las distancias mínimas de seguridad especificadas en las normas vigentes.

Conectadas a estas instalaciones se encuentran los equipos de medición de energía y potencia eléctrica para los diferentes usuarios de vivienda, comercio, industria y otros.

EL MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS (MINEM)

Es el principal organismo en asuntos de electricidad, a través de la Dirección General de Electricidad.

Dentro del marco de la Ley de Concesiones Eléctricas, el Ministerio de Energía y Minas

tiene las siguientes funciones:

1. Otorga las concesiones y autorizaciones.

2. Efectúa la planificación referencial.

3. Realiza la normalización del sector.

4. Realiza la Promoción para el desarrollo del sector.