t e s i sexplosiÓn e incendio para transformadores de potencia tipo subestaciÓn” t e s i s que...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

ESIME ZACATENCO

“SISTEMA DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA

EXPLOSIÓN E INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE

POTENCIA TIPO SUBESTACIÓN”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN

MIGUEL ANGEL ROBLES GONZÁLEZ

EDGAR ALAN SALAS ARRIAGA

MÉXICO D.F., JUNIO 2011

DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS

“ASK , BELIEVE, RECEIVE” A Dios por darme una familia maravillosa y permitirme vivir en esta época. A mis padres: Yolanda González y Raúl Robles; que han sido la motivación más importante en mi carrera para poder conseguir este éxito, ya que su inmejorable ejemplo siempre ha sido una motivación para mí. También sobre todo por su incondicional apoyo y comprensión en todas las etapas de mi vida. Gracias a ustedes eh llegado a donde estoy. A mi hermano: Luis Raúl Robles; por ser mi único hermano y compartir su tiempo, su esfuerzo y su vida conmigo, sé que las metas obtenidas tanto de él cómo las mías son compartidas por ambos. Gracias por tu incondicional apoyo y motivación. A mi abuelita: María Medina (R.I.P.); que me enseño los valores de la vida y siempre estuvo ahí para darme su cariño y comprensión, sé que aunque ya no está con nosotros sigue celebrando mis triunfos desde un lugar superior. Gracias por las grandes enseñanzas y por todos los momentos que pasaste conmigo. A mi familia: Fam. Robles Álvarez y Fam. González Medina; agradeciendo a todos y cada uno de los miembros de estas, ya que siempre serán el apoyo más estable e importante que tengo en la vida, y aunque algunos ya no estén con nosotros, tengamos diferencias y existan momentos malos, siempre estaremos ahí para apoyarnos. Gracias por estar ahí siempre de manera incondicional. A mis amigos: A los grades amigos y compañeros que eh tenido a lo largo de mi vida, por compartir sus tiempos, experiencias y parte de su vida conmigo. Gracias por las experiencias del día a día. GRACIAS.

MIGUEL ANGEL ROBLES GONZÁLEZ

Después del camino recorrido y el tiempo de sus vidas que invirtieron en la cristalización

de lo que empezó en un sueño y ahora es una realidad, quiero agradecer infinitamente el

haberme apoyado en mi superación académica.

En primer lugar quiero agradecerle a Dios y a la vida que me han permitido llegar a esta

etapa donde me encuentro bendecido por todo lo que me han dado. Les dedico esta obra a

mis padres que por su apoyo, comprensión e impulso han hecho que logre una satisfacción

que anteriormente se había convertido en un reto y ahora es una forma de vivir.

A ti Papá, que me has brindado toda tu confianza a pesar de las adversidades que se me

han presentado a ti que siempre has tratado hacer de mí una persona de bien guiándome al

camino de la rectitud de la honradez y del bienestar de mi familia.

A ti Mamá, que día con día has estado al pendiente de mí dándome todo tu cariño y la

dulzura que han sido un ejemplo de amor, confianza y fe, y que debido a eso me has

demostrarme que eres la mejor madre que pude haber tenido.

A ti Oscar, que me has enseñado el verdadero valor de la hermandad demostrándome que

la confianza es un valor que hay que ganarse con hechos como me lo has demostrado.

A ti Betty, que me has ayudado y comprendido en cada situación a ti que has estado en

cada paso que he dado y me has apoyado en las situaciones de alegría y descontento.

Ustedes son las personas más importantes de mi vida y a quienes les dedico esta tesis. No

podría agradecerle con nada a la vida por haberme permitido formar parte de esta hermosa

familia.

También le agradezco a las personas que fueron parte fundamental en mi desarrollo

profesional y que fueron también una inspiración para la elaboración de esta tesis, Ing.

Jorge Francisco Arvizu Robledo por darme la oportunidad de aprender parte de todo el

conocimiento que posee, y también la dedico a con quien compartí más de 8 años de mi

vida y fue la mejor amiga que pude tener en la vida y que ya no está físicamente conmigo.

Y a mis amigos de toda la carrera que siempre estuvieron conmigo a lo largo del tiempo en

el instituto y que me demostraron que hay gente que vale la pena conservarlas toda la vida.

Muchísimas gracias por todo lo que han hecho por mí, estoy y estaré completamente

agradecido de por vida con ustedes.

Con cariño.

Edgar Alan Salas Arriaga

Sistema de Protección y Prevención Contra Explosión e Incendio Para Transformadores de Potencia Tipo Subestación

pág. i

ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................... viii

LISTA DE TABLAS........................................................................................................................... x

GLOSARIO DE TÉRMINOS ............................................................................................................ xi

CAPITULO I. "GENERALIDADES"

1.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 2

1.2 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 3

1.2.1 OBJETIVOS PARTICULARES ............................................................................................ 3

1.3 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................... 4

CAPITULO II. "SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA"

2.1 ENERGÍA ELÉCTRICA .............................................................................................................. 6

2.2 SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) ......................................................................... 8

2.3 GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ....................................................................... 9

2.3.1 CENTRALES, TURBINAS Y GENERADORES ............................................................... 10

2.3.2 TIPOS DE UNIDADES GENERADORAS ........................................................................ 10

2.3.3 FUENTES DE GENERACIÓN CONVENCIONALES ...................................................... 12

2.3.3.1 CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS ......................................... 12

2.3.3.2 CENTRALES TÉRMICAS O TERMOELÉCTRICAS ............................................... 12

2.3.3.3 CENTRALES NUCLEARES O NUCLEOELÉCTRICAS .......................................... 13

2.3.3.4 CENTRALES EÓLICAS .............................................................................................. 14

2.3.3.5 CENTRALES SOLARES ............................................................................................. 14

2.3.3.6 CENTRALES FOTOTÉRMICAS ................................................................................ 15

2.3.3.7 CENTRALES FOTOVOLTAICAS .............................................................................. 15

2.3.3.8 CENTRALES DE BIOMASA ...................................................................................... 16

2.4 TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA .......................................................... 17

2.4.1 EL TRANSFORMADOR DE ENTRADA .......................................................................... 17

2.4.2 RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN ............................................................................. 18


pág. ii

2.4.3 TRANSFORMADOR ELEVADOR .................................................................................... 18

2.4.4 TRANSFORMADOR REDUCTOR .................................................................................... 18

2.4.5 EFECTO SOBRE LA CORRIENTE ................................................................................... 19

2.5 TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................... 20

2.5.1 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ........................................................................................ 22

2.5.2 SISTEMAS TRIFÁSICOS ................................................................................................... 22

2.5.3 SISTEMAS MONOFÁSICOS ............................................................................................. 22

2.6 DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA................................................................... 23

2.6.1 TOPOLOGÍAS TÍPICAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ............................................. 24

2.6.2 RED RADIAL O REDES EN ANTENA............................................................................. 24

2.6.3 RED EN BUCLE ABIERTO ............................................................................................... 24

2.6.4 RED EN ANILLO O EN BUCLE CERRADO ................................................................... 24

2.6.5 CRITERIOS PARA DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN....................................... 25

2.6.5.1 REGULACIÓN ............................................................................................................. 25

2.6.6 SUBESTACIONES ELÉCTRICAS .................................................................................... 25

2.6.6.1 ARREGLOS DE SUBESTACIONES .......................................................................... 27

2.6.6.1.1 ARREGLO DE BARRA SENCILLA ........................................................................ 28

2.6.6.1.2 ARREGLO DE DOBLE BARRA E INTERRUPTOR AMARRE ........................... 29

2.6.6.1.3 ARREGLO DE DOBLE BARRA DOBLE INTERRUPTOR ................................... 30

2.6.6.1.4 ARREGLO DE INTERRUPTOR Y MEDIO ........................................................... 31

2.6.6.1.5 ARREGLO DE BARRA PRINCIPAL Y BARRA DE TRANSFERENCIA ............ 32

2.6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ............................. 32

2.6.7.1 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN .................................................................................. 33

2.6.7.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN .................................. 33

2.6.7.2.1 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN INDUSTRIAL .................................................... 33

2.6.7.2.2 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN COMERCIALES ................................................ 33

2.6.7.2.3 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN URBANA ........................................................... 33

2.6.7.2.4 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN RURAL ............................................................... 33

2.6.8 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN ........................................................................... 34

2.6.9 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES ................................................................................... 34


pág. iii

CAPITULO III. "CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES Y USOS"

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES .............................. 36

3.2 PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO ...................................................................... 37

3.3 FUERZA ELECTROMOTRIZ ................................................................................................... 38

3.4 MODELADO DE RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN ...................................................... 40

3.5 CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES ....................................................................... 42

3.5.1 NUMERO DE FASES ......................................................................................................... 43

3.5.1.1 MONOFÁSICOS .......................................................................................................... 43

3.5.1.2 TRIFÁSICOS O POLIFÁSICOS .................................................................................. 45

3.5.1.3 CIRCUITOS TRIFÁSICOS SIMPLES ......................................................................... 45

3.5.1.4 CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS ...................................... 47

3.5.2 OPERACIÓN ....................................................................................................................... 52

3.5.2.1 TRANSFORMADOR DE POTENCIA ........................................................................ 52

3.5.2.2 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN ........................................................... 52

3.5.2.3 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO O MEDICIÓN .................................. 53

3.5.3 POR APLICACIÓN ............................................................................................................. 55

3.5.3.1 TRANSFORMADOR ELEVADOR ............................................................................. 55

3.5.3.2 TRANSFORMADOR REDUCTOR ............................................................................. 55

3.5.4 MEDIO REFRIGERANTE .................................................................................................. 55

3.5.5 TIPO DE NÚCLEO ............................................................................................................. 57

3.5.6 TIPO DE TANQUE ............................................................................................................. 60

3.6 APLICACIÓN Y USOS DE LOS TRANSFORMADORES ..................................................... 61

3.6.1 LA IMPORTANCIA DEL TRANSFORMADOR EN LA VIDA MODERNA .................. 62

CAPITULO IV. "FALLAS EN LOS TRANSFORMADORES"

4.1 FALLAS EN TRANSFORMADORES ...................................................................................... 65

4.2 TIPOS DE FALLAS EN TRANSFORMADORES .................................................................... 66

4.2.1 FALLAS POR CONDICIONES EXTERNAS .................................................................... 67

4.2.1.1 SOBRECARGA ............................................................................................................ 67

4.2.1.2 CORTOCIRCUITO ...................................................................................................... 68

4.2.1.3 SOBRETENSIÓN ......................................................................................................... 68

4.2.1.4 CONDICIONES AMBIENTALES ADVERSAS ......................................................... 70


pág. iv

4.2.1.5 CICLOS DE TRABAJO ............................................................................................... 71

4.2.2 FALLAS INTERNAS .......................................................................................................... 72

4.2.2.1 FALLA ENTRE ESPIRAS (CORTOCIRCUITO) ....................................................... 72

4.2.2.2 FALLAS EN EL CONEXIONADO ............................................................................. 73

4.2.2.3 FALLA EN EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO....................................................... 74

4.2.2.4 DESCARGAS PARCIALES EN EL ACEITE Y/O EN EL AISLAMIENTO SOLIDO

................................................................................................................................................... 74

4.2.2.5 BAJO NIVEL DE ACEITE (FUGA) ............................................................................ 75

4.2.2.6 FALLA EN EL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR ............................................... 76

4.2.2.7 FALLAS EN EL CAMBIADOR DE DERIVACIONES ............................................. 76

4.2.3 OTRAS FALLAS ................................................................................................................. 76

4.2.3.1 EL ARCO BAJO ACEITE ............................................................................................ 76

4.2.3.2 FALLAS POR FORMACIÓN DE GASES .................................................................. 77

4.2.3.3 FERRORRESONANCIA EN TRANSFORMADORES .............................................. 77

4.3 FALLAS EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA CON SU ESQUEMA DE

PROTECCIÓN .................................................................................................................................. 79

4.4 FALLAS EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y SUS CONSECUENCIAS DE

ACUERDO AL INCENDIO Y EXPLOSIÓN DE LOS MISMOS .................................................. 81

CAPITULO V. "SISTEMA DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA

EXPLOSIÓN E INCENDIO"

5.1 RIESGOS DE FUEGO EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ............................................... 84

5.1.1 TIPOS DE FUEGO .............................................................................................................. 85

5.1.1.1 FUEGO CLASE A ........................................................................................................ 85

5.1.1.2 FUEGO CLASE B ........................................................................................................ 85

5.1.1.3 FUEGO CLASE C ........................................................................................................ 86

5.1.1.4 FUEGO CLASE D ........................................................................................................ 86

5.2 MEDIDAS DE LA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS .................................................... 86

5.2.1 SEGURIDAD DE VIDA ..................................................................................................... 86

5.2.2 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS PASIVA ..................................................... 87

5.2.3 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS ACTIVA .................................................... 87

5.2.4 PROTECCIÓN CONTRA LOS INCENDIOS MANUAL .................................................. 88

5.3 CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE RIESGOS DE INCENDIOS EN

SUBESTACIONES ELÉCTRICAS DE POTENCIA ...................................................................... 89


pág. v

5.3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ÁREAS DE RIESGO ............................................................. 89

5.3.1.1 ÁREAS DE ALTO RIESGO ........................................................................................ 90

5.3.1.2 ÁREAS DE BAJO RIESGO ......................................................................................... 90

5.3.2 CRITERIOS Y CONDICIONES PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA ......... 90

5.3.2.1 MEDIDAS PREVENTIVAS ........................................................................................ 91

5.3.2.1.1 PARÁMETROS DE MANTENIMIENTO ................................................................ 91

5.3.2.1.2 FOSA DE CAPTACIÓN ........................................................................................... 91

5.3.2.1.3 TANQUE COLECTOR ............................................................................................. 92

5.3.2.1.4 MAMPARAS ............................................................................................................. 92

5.3.2.1.5 CABLES DE POTENCIA, CONTROL, Y SEÑALIZACIÓN .................................. 92

5.4 SISTEMA CONTRA INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA .............. 93

5.4.1 EXPLOSIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA .................................... 93

5.4.1.1 LIMITACIONES GENERALES DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS Y

MECÁNICAS DEL TRANSFORMADOR .............................................................................. 94

5.4.1.2 CRITERIOS PARA EL CUMPLIMIENTO DEL FENÓMENO DE EXPLOSIÓN EN

EL TRANSFORMADOR ......................................................................................................... 94

5.4.2 SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO

PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA ........................................................................ 95

5.4.2.1 SISTEMA CONTRA INCENDIOS CONVENCIONAL (SCI) ................................... 96

5.4.2.1.1. SISTEMAS CON BASE EN AGUA PULVERIZADA ........................................... 97

5.4.2.1.2 ASPECTOS PREVIOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ............. 97

5.4.2.1.3 FUNCIONAMIENTO ................................................................................................ 98

5.4.2.2 SISTEMA DE PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO (SPEI)

“SERGI” ................................................................................................................................. 103

5.4.2.2.1 PRINCIPIOS ............................................................................................................ 104

5.4.2.2.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA, FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN ........... 107

5.4.2.2.2.1 DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA SPEI .................................................. 107

5.4.2.2.2.2 PRINCIPIO DEL DISEÑO DEL TRANSFORMER PROTECTOR ................... 108

5.4.2.2.2.3 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E

INCENDIO - MTPA ............................................................................................................... 112

5.4.2.2.2.4 FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DEL TRANSFORMER PROTECTOR -

MTPA ...................................................................................................................................... 115

5.5 SISTEMA CONTRA INCENDIOS “CONVENCIONAL” VS SISTEMA DE PREVENCIÓN

CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO “SERGI” (SPEI) .............................................................. 124


pág. vi

CAPITULO VI. "COSTOS"

6.1 COSTO DEL SCI CONVENCIONAL ..................................................................................... 127

6.2 COSTO DEL SPEI “SERGI” .................................................................................................... 129

CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 134

REFERENCIAS .............................................................................................................................. 135

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 138


pág. vii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 “Sistema Eléctrico de Potencia (SEP)” ........................................................................ 8

FIGURA 2.2 “Capacidad efectiva instalada por tipo de generación” .............................................. 9

FIGURA 2.3 “Generación por fuente” ............................................................................................ 10

FIGURA 2.4 “Central Hidroeléctrica” ............................................................................................ 12

FIGURA 2.5 “Central Termoeléctrica” ........................................................................................... 12

FIGURA 2.6 “Central Nucleoeléctrica” .......................................................................................... 13

FIGURA 2.7 “Cental Eólica” .......................................................................................................... 14

FIGURA 2.8 “Central Fototérmicas” .............................................................................................. 15

FIGURA 2.9 “Central Fotovoltaica” ............................................................................................... 15

FIGURA 2.10 “Central de Biomasa” .............................................................................................. 16

FIGURA 2.11 “Núcleo del Transformador” .................................................................................... 17

FIGURA 2.12 “Transformador en carga” ....................................................................................... 19

FIGURA 2.13 “Torre para el transporte de energía eléctrica” ...................................................... 21

FIGURA 2.14 “Placa de características” ........................................................................................ 21

FIGURA 2.15 “Arreglo de barra sencilla” ...................................................................................... 28

FIGURA 2.16 “Arreglo de doble barra e interruptor de amarre” .................................................. 29

FIGURA 2.17 “Arreglo de doble barra doble interruptor” ............................................................. 30

FIGURA 2.18 “Interruptor y medio” ............................................................................................... 31

FIGURA 2.19 “Arreglo de barra principal y barra de transferencia” ............................................ 32

FIGURA 3.1 “Transformador teórico con secundario abierto” ...................................................... 36

FIGURA 3.2 “Transformador teórico con secundario abierto” ...................................................... 37

FIGURA 3.3 “Representación de la variación sinusoidal del flujo con el tiempo” ........................ 38

FIGURA 3.4 “Circuito Δ-Δ” ............................................................................................................ 45

FIGURA 3.5 “Circuito Δ-Y” ............................................................................................................ 45

FIGURA 3.6 “Circuito Y-Δ” ............................................................................................................ 46

FIGURA 3.7 “Circuito Y-Y” ............................................................................................................ 46

FIGURA 3.8 “Conexión Δ-Y” .......................................................................................................... 47

FIGURA 3.9 “Conexión Δ-Δ” .......................................................................................................... 48

FIGURA 3.10 “Conexión Y-Δ” ........................................................................................................ 49

FIGURA 3.11 “Conexión Y-Y” ........................................................................................................ 50


pág. viii

FIGURA 3.12 “Conexión Δ abierta” ............................................................................................... 51

FIGURA 3.13 “Diagrama Vectorial representativo a la conexión Δ abierta” ................................ 51

FIGURA 3.14 “Transformador de potencia tipo subestación”........................................................ 52

FIGURA 3.15 “Transformador de distribución” ............................................................................. 53

FIGURA 3.16 “Transformador de corriente” .................................................................................. 54

FIGURA 3.17 “Transformador de Potencial clásico” ..................................................................... 54

FIGURA 3.18 “Tipos de núcleos de los transformadores” .............................................................. 58

FIGURA 3.19 “Núcleo de sección escalonado” .............................................................................. 59

FIGURA 3.20 “Núcleo de sección escalonado, acotado por diámetro, ancho y largo en escalón

principal” .......................................................................................................................................... 59

FIGURA 3.21 “Ejemplo de un sistema de generación, transmisión y distribución” ....................... 63

FIGURA 4.1 “Estadísticas de fallas en transformadores de potencia, en base a la red de CFE” .. 65

FIGURA 4.2 “Ejemplo práctico de saturación y por ende sobrecarga en un sistema habitacional”

........................................................................................................................................................... 68

FIGURA 4.3 “Sistema de enfriamiento de un transformador de potencia” .................................... 71

FIGURA 4.4 “Defecto provocado por un cortocircuito entre espiras” ........................................... 72

FIGURA 4.5 “Termografia infrarroja de un transformador de potencia para la deteccion de puntos

calientes” .......................................................................................................................................... 73

FIGURA 4.6 “Indicador de nivel de aceite. Contactos de alarma para conexión a un circuito

dando una indicación inmediata del bajo nivel de aceite” ............................................................... 75

FIGURA 4.7 “Ferrorresonancia en un transformador de 12.47 kV, 500 kVA Núcleo de 5 piernas y

con un voltaje de operación de 10 kV” ............................................................................................. 78

FIGURA 5.1 “Presencia del fuego en una Subestación” ................................................................. 85

FIGURA 5.2 “Tipos de extintores” .................................................................................................. 88

FIGURA 5.3 “Incendio en una Subestación Eléctrica de Potencia” ............................................... 89

FIGURA 5.4 “Fosa de captación” ................................................................................................... 91

FIGURA 5.5 “Muro contra incendio (mampara protectora)” ......................................................... 92

FIGURA 5.6 “Incendio en un Transformador de Potencia” ........................................................... 93

FIGURA 5.7 “Explosión del Transformador de Potencia” .............................................................. 95

FIGURA 5.8 “SPEI SERGI (izquierda) y SCI (derecha)” ............................................................... 96

FIGURA 5.9 “Diagrama de Fuerza del SCI” ................................................................................ 100

FIGURA 5.10 “Diagrama de Control del SCI” ............................................................................. 101

FIGURA 5.11 “SCI convencional” ................................................................................................ 102


pág. ix

FIGURA 5.12 “Transformador después de una falla interna” ...................................................... 103

FIGURA 5.13 “Curva gasificación de un litro de aceite” ............................................................. 105

FIGURA 5.14 “Disco de ruptura del transformer protector (TP)” ............................................... 105

FIGURA 5.15 “Curva Evaporación de un litro de aceite dieléctrico en gas inflamable” ............. 106

FIGURA 5.16 “Curva Despresurizacion y no despresurización del tanque” ................................ 106

FIGURA 5.17 “Transformer protector instalado en un TR de potencia (color verde)” ................ 111

FIGURA 5.18 “Transformer Protector Tipo MTPA” .................................................................... 112

FIGURA 5.19 “Caja de control del TP” ........................................................................................ 115

FIGURA 5.20 “Gabinete” .............................................................................................................. 116

FIGURA 5.21 “Válvula de cierre del conservador” ...................................................................... 117

FIGURA 5.22 “Detector de fuego” ................................................................................................ 117

FIGURA 5.23 “Conjunto de despresurización”............................................................................. 118

FIGURA 5.24 “Diagrama lógico de activación del SPEI” ............................................................ 119

FIGURA 5.25 “Inicio de la activación del SPEI” .......................................................................... 122

FIGURA 5.26 “El SPEI en operación” .......................................................................................... 123

FIGURA 5.27 “Fin del proceso de operación del SPEI” .............................................................. 123


pág. x

LISTA DE TABLAS

TABLA 2.1 “Capacidad efectiva instalada por tipo de generación” ................................................ 9

TABLA 2.2 “Niveles de tensión normalizados en México” ............................................................. 34

TABLA 3.1 “Descripción de los tipos de enfriamiento en los Transformadores” .......................... 56

TABLA 3.2 “Niveles de tensión normalizados para transmisión y distribución en México” ......... 62

TABLA 4.1 “Tipos de fallas y esquemas de protección de los transformadores de potencia” ....... 79

TABLA 4.2 “Clasificación de los niveles de gas en relación a una posible relación de falla” ...... 81

TABLA 5.1 “Sistema contra incendio para transformadores de potencia” .................................... 97

TABLA 5.2 “Componentes Transformer Protector – MTPA” ...................................................... 113

TABLA 5.3 “Comparación entre el CSI Convencional y el SPEI SERGI” ................................... 124

TABLA 6.1 “Costos por unidad y totales del SCI” ....................................................................... 128

TABLA 6.2 “Costos por unidad” .................................................................................................. 130

TABLA 6.3 “Precio total del SPEI” .............................................................................................. 132

TABLA 6.4 “Precio del supervisor calificado por SERGI” .......................................................... 132


pág. xi

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Voltaje- La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a

los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el

flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el

trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada,

para moverla de un lugar a otro.

Corriente.- La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que

recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material.

En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C·s-1

(culombios sobre segundo),

unidad que se denomina amperio.

Potencia.- La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un

elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de

Unidades es el Vatio (Watt).

Interruptor.- Un interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito.

Átomo.-En química y física, átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que

mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos

químicos.

SEP.- Sistema Eléctrico de Potencia.

Inducción electromagnética.- La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la

producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a

un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético

estático.

Central eléctrica.- Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas

centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen

el primer escalón del sistema de suministro eléctrico.

Astronáutica.- La Astronáutica es la rama de la ingeniería dedicada a diseñar y construir

ingenios que operen fuera de la atmósfera de la Tierra, ya sean tripulados o no. Abarca

tanto la construcción de los propios vehículos como el diseño de los lanzadores que habrán

de ponerlos en órbita.

Efecto Joule.- Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor

circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en

calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que

circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el

físico británico James Prescott Joule.

Aisladores de disco.- Los aisladores de disco son un tipo de aislador empleado en líneas

eléctricas de transmisión y distribución. Sus características están normalizadas según el

peso o fuerza soportable, nivel de contaminación admisible y diámetro.

Corriente alterna.- Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en

inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección

varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es

la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la

energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas,

tales como la triangular o la cuadrada.

Corriente directa.- La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current)

es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto

potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente

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pág. xii

continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los

terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente

se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada

por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

Desbroce.- Su significado es limpiar, despejar, descombrar, desembarazar

Seccionadores.- Las cuchillas desconectadoras (llamados también Seccionadores) son

interruptores de una subestación o circuitos eléctricos que protegen a una subestación de

cargas eléctricas demasiado elevadas. Son muy utilizadas en las centrales de transformación

de energía eléctrica de cada ciudad

Topología.-La Topología es el estudio de aquellas propiedades de los cuerpos geométricos

que permanecen inalteradas por transformaciones continuas. Es una disciplina matemática

que estudia las propiedades de los espacios topológicos y las funciones continuas

Fusibles.- En electricidad, se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte

adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se

intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto

Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga,

un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la

instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

Frecuencia.- Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para indicar el número

de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo.

Vector.- El vector es magnitud física con longitud y dirección;

Amperímetro.- Un amperímetro (Ampérmetro) es un instrumento que sirve para medir la

intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico.

Voltímetro.- Un voltímetro (Vóltmetro) es un instrumento que sirve para medir la

diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.

CFE.- Empresa mexicana de generación de electricidad y sus siglas significan Comisión

Federal de Electricidad

Dieléctrico.- Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por

lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos.

Sobrecarga.- Se dice que en un circuito o instalación hay sobrecarga o está sobrecargada,

cuando la suma de la potencia de los aparatos que están a él conectados, es superior a la

potencia para la cual está diseñado el circuito de la instalación

Cortocircuito.- Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual

la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en

sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para

sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua.

Impedancias.- La impedancia es una magnitud que establece la relación entre la tensión y

la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en

cuyo caso, ésta, la tensión y la propia impedancia se describen con números complejos o

funciones del análisis armónico.

Reactancia.- En electrónica se usan además de transistores tres tipos básicos de

componentes: resistencias, condensadores y bobinas. Estas dos últimas son las que tienen

que ver con la reactancia.

Aislante.- Aislante hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la

energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía.

Termografía.- La termografía es una técnica que permite medir temperaturas exactas a

distancia y sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar. Mediante la captación

http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Polaridadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Interruptorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Subestaci%C3%B3n_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Espacio_topol%C3%B3gicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Continuidad_(matem%C3%A1tica)http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Metalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_fusi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cortocircuitohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vector_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_(electricidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_el%C3%A9ctricohttp://energia.glosario.net/energia-domestica/sobrecarga-6225.htmlhttp://lengua-y-literatura.glosario.net/terminos-filosoficos/potencia-5983.htmlhttp://lengua-y-literatura.glosario.net/terminos-filosoficos/potencia-5983.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fasehttp://es.wikipedia.org/wiki/Neutrohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tierrahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_monof%C3%A1sicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_polif%C3%A1sicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Polaridad_(electricidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Bobinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturas


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de la radiación infrarroja del espectro electromagnético, utilizando cámaras termográficas o

de termovisión, se puede convertir la energía radiada en información sobre temperatura.

Volumen.- El volumen es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo.

Es una función derivada ya que se halla multiplicando las tres dimensiones.

Capacitor.- En electricidad y electrónica, un condensador (capacitor en inglés) es un

dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un

par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas

de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de

tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un

condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío,

que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga

eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total

almacenada).

Explosión.- Una explosión es la liberación de energía en un intervalo temporal ínfimo. De

esta forma, la potencia de la explosión es proporcional al tiempo requerido. Los órdenes de

magnitud rondan los gigawatts. Los orígenes de las explosiones se suelen dividir en dos

clases:

Físicos: mecánicos (choques de móviles), electromagnéticos (relámpagos) o neumáticos

(presiones y gases).

Químicos: de reacciones de cinética rápida.

Incendio.- Un incendio es una ocurrencia de fuego no controlada que puede abrasar algo

que no está destinado a quemarse. Puede afectar a estructuras y a seres vivos. La exposición

a un incendio puede producir la muerte, generalmente por inhalación de humo o por

desvanecimiento producido por la intoxicación y posteriormente quemaduras graves. Para

que se inicie un fuego es necesario que se den conjuntamente estos tres factores:

combustible, oxigeno y calor o energía de activación.

Incipiente.- Que se está iniciando

Homologo.- Se aplica a la cosa que se corresponde con otra o se considera semejante o

igual a esta por tener una característica común o ejercer la misma función.

Gases.- Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni

volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca

fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que

este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a

los gases, las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas, resultan insignificantes.

Trincheras.- En el ámbito militar, se denomina trinchera a las excavaciones en las cuales

los sitiadores se ponen al abrigo de los fuegos de la plaza.

Extinción.- La extinción es la desaparición de todos los miembros de una especie o un

grupo de taxones. Se considera extinta a una especie a partir del instante en que muere el

último individuo de ésta. Debido a que su rango de distribución potencial puede ser muy

grande, determinar ese momento puede ser dificultoso, por lo que usualmente se hace en

retrospectiva.

Relevador Buchholz.- Es un dispositivo de seguridad montado sobre algunos

transformadores y reactores que tengan una refrigeración mediante aceite, equipado con

una reserva superior llamada "conservador". El relé de Buchholz es usado como un

dispositivo de protección sensible al efecto de fallas dieléctricas dentro del equipo.

Pulverización- Transformación en polvo de una cosa, también se puede definir como

esparcimiento de un líquido en gotas muy pequeñas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_infrarrojahttp://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1maras_termogr%C3%A1ficashttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Termovisi%C3%B3n&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Energ%C3%ADa_radiada&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9shttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Componente_pasivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Influencia_totalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vac%C3%ADo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vatiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuegohttp://es.wikipedia.org/wiki/Estructurahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ser_vivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Inhalaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Humohttp://es.wikipedia.org/wiki/Intoxicaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Quemadurahttp://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_agregaci%C3%B3n_de_la_materiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culahttp://es.wikipedia.org/wiki/Volumen_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Especiehttp://es.wikipedia.org/wiki/Taxoneshttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Rango_de_distribuci%C3%B3n&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Transformadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reactorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico


pág. xiv

Presión.- En física y disciplinas afines, la presión es una magnitud física que mide la fuerza

por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza

resultante sobre una superficie.

Presurización.- Mantener la presión atmosférica de un recinto a niveles normales para los

humanos, independientemente de la presión exterior.

Inflamable.- La inflamación (del latín inflammatio: encender, hacer fuego) es la forma de

manifestarse de muchas enfermedades. Se trata de una respuesta inespecífica frente a las

agresiones del medio, y está generada por los agentes inflamatorios. La respuesta

inflamatoria ocurre sólo en tejidos conectivos vascularizados y surge con el fin defensivo

de aislar y destruir al agente dañino, así como reparar el tejido u órgano dañado.

http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%ADn


pág. 1

CAPÍTULO

I “GENERALIDADES”

Las personas suelen hacer uso de la energía eléctrica en aparatos electrodomésticos o

maquinas a diario, esto sin tener en cuenta el proceso y trabajo que lleva el generar,

transmitir, distribuir y hasta consumir esa energía.

Es importante conocer que el transformador de potencia es uno de los equipos mas caros y

fundamentales instalados dentro del SEP, ya que nos permite llevar acabo la acción

transformadora para hacer uso de la energía eléctrica en diferentes puntos. Por lo cual la

importancia de contar con diversos sistemas de protección para este, cada vez va cobrando

mayor valor e importancia.


pág. 2

1.1 INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica se ha vuelto primordial en nuestra sociedad actual, ya que en las

actividades diarias de las personas, estas implican la electricidad para su uso en cualquier

aparato o lugar. Por estos motivos si deben tener muy en cuenta que los elementos que

conforman el Sistema Eléctrico de Potencia Nacional (SEP) deben ser cada vez de mayor

calidad y veracidad, para de esta forma poder evitar los percances.

Las personas suelen hacer uso de la energía eléctrica en aparatos electrodomésticos o

maquinas a diario, esto sin tener en cuenta el proceso y trabajo que lleva el generar,

transmitir, distribuir y hasta consumir esa energía.

En los últimos años los avances tecnológicos han sido sobresalientes, sin embargo en el

campo de la energía eléctrica no se han logrado y no se contemplan cambios tecnológicos

sustanciales en el corto plazo.

La implementación de una red eléctrica en cualquier zona conlleva a hablar de uno de los

equipos más importantes en el ámbito de la ingeniería eléctrica “el transformador” que es

necesario su uso para poder lograr la acción transformadora que permita la transmisión y

distribución de la energía eléctrica hasta el punto de utilización.

Los transformadores de potencia se encuentran entre los equipos más caros instalados en el

sistema eléctrico de potencia, en específico más aun en subestaciones y plantas de

generación de energía eléctrica.

Es conocido que los transformadores presentan una gran cantidad de materiales eléctricos,

mecánicos y químicos; los cuales en su combinación pueden denotar fallas importantes que

se presentan en este. Las fallas en los transformadores son cada vez más serias y más

tomadas en cuenta, debido a que se presentaría la suspensión del servicio de energía

eléctrica en el sistema, lo cual debe solucionarse lo antes posible para impedir pérdidas

económicas debidas a estas fallas latentes (internas o externas).

Si bien es cierto que en un sistema eléctrico de potencia existen diferentes esquemas de

protección que nos permiten limitar y proteger de forma eficiente al transformador, debido

a las fallas presentes en él y a la cada vez mayor sobredemanda que existe, cada vez se

presentan más problemas referentes a la explosión de los transformadores de potencia, por

lo cual es importante tener presente que se necesita tener una protección (sistema) que nos

permita extinguir algún tipo de llama o fuego que se pudiera presentar en el transformador.

El conocer y establecer un buen sistema contra incendios nos permitirá impedir que el

transformador explote y que el fuego se propague a otros equipos e instalación y de esta

forma poner en riesgo al personal y al capital de la empresa.


pág. 3

1.2 OBJETIVO GENERAL

Demostrar la importancia de contar con un buen sistema de protección y prevención contra

explosión e incendio en los transformadores de potencia, siendo este uno de los equipos

más caros y fundamentales dentro del Sistema Eléctrico de Potencia, proporcionando con

ello seguridad al transformador, a los demás equipos dentro de la instalación y al personal.

1.2.1 OBJETIVOS PARTICULARES

Conocer la importancia del transformador dentro del Sistema Eléctrico de Potencia.

Conocer las diferentes fallas que se pueden presentar u ocurrir en el transformador,

debido a diferentes factores (internos, externos).

Demostrar las ventajas y desventajas que presenta un Sistema Contra Incendios

Convencional contra un Sistema de Prevención contra Explosión e Incendio (SPEI)

“SERGI”.


pág. 4

1.3 JUSTIFICACIÓN

La importancia de contar con una investigación que nos permita conocer el tipo de riesgos

que son latentes en cada elemento del SEP, más aun en el Transformador de potencia que

es el equipo más importante y uno de los más caros instalados dentro del SEP, así como las

precauciones para proteger y prever a los demás equipos y al personal, es algo que en

cualquier sistema eléctrico de potencia debe tomarse en cuenta.

Es por ello que este trabajo se enfoca precisamente en dar un panorama del lugar que ocupa

el Transformador de potencia tipo subestación dentro del Sistema Eléctrico de Potencia

(SEP), de cuáles son sus posibles fallas procurando evitarlas, tomando en cuenta que este

tipo de transformador por ser el más utilizado en todo el SEP es aquel tipo que presenta una

mayor cantidad de fallas y problemas.

Y considerando que se diera el desafortunado caso de llegar a la máxima consecuencia de

la falla de un transformador que es la explosión e incendio, conocer los medios de cómo

evitar que esta problemática afecte a más equipos a las demás instalaciones e incluso al

personal de la subestación, siendo estos los “Sistemas de Protección y Prevención contra

Explosión e Incendios”, exponiendo los tipos más comunes de estos y cuáles son las

similitudes y diferencias entre ellos, mostrando con ello sus ventajas y desventajas entre

cada tipo de sistema.


pág. 5

CAPÍTULO

II “SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA”

La utilización de la energía eléctrica se ha vuelto primordial en la sociedad puesto que en

las actividades diarias de cualquier persona está involucrada la electricidad en aparatos,

lugares. Por tal motivo se debe tener en cuenta que los elementos que conforman el sistema

eléctrico nacional deben ser de la mejor calidad de tal manera que no se tenga ningún tipo

de percance. Cuando se utiliza cualquier aparato electrodoméstico o equipo industrial no se

tiene conciencia del proceso y labor que representa de generar hasta consumir esa energía.

Tal motivo la ingeniería eléctrica ha tenido objetivos definidos como crear fuentes de

generación alternas a las convencionales, sin restarle importancia a las existentes tomando

en cuenta los factores que ayudan a que la generación no impacte negativamente con el

medio ambiente y del mismo modo evite provocar daños sociales.


pág. 6

2.1 ENERGÍA ELÉCTRICA

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una

diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica

entre ambos cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico para

obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de

energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

La posibilidad de explotar distintos tipos de fuentes de energía como corrientes de ríos,

combustóleo, gas, Uranio, carbón, la fuerza de los mares y vientos, géiser, etc. de sitios

alejados de los centros de consumo, hace posible que la energía eléctrica se transmita a

grandes distancias, lo que resulta relativamente económico, ya que es necesaria en la gran

mayoría de procesos de producción de la sociedad actual.

Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad.

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento

de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como

consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus

extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el

movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman

parte de los átomos de que se desea utilizar, mediante las correspondientes

transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se

convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor

eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.

Tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy

singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina, resultando un cambio

normalmente desagradable e incluso peligroso, según las circunstancias. Sin embargo es

una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa

naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se le genera,

transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay

que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados

acumuladores.

La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las

que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un

movimiento rotatorio para generar corriente continua en un dinamo o corriente alterna en

un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía mecánica

directa, como puede ser la corriente de un salto de agua, la producida por el viento, o a

través de un ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace

recorrer un circuito en el que mueve un motor o una turbina. El calor de este proceso se

obtiene mediante la quema de combustibles fósiles, reacciones nucleares y otros procesos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medicinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Acumulador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Dinamohttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Alternadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3licahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Motorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_f%C3%B3silhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_nuclear


pág. 7

La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está

directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de

utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas

o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos

modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.

La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento

sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se

escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un

campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.).Estos aparatos construidos con el

fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas

de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.

La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica.

Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializas. Si miras a tu

alrededor, verás multitud de objetos que usan la energía eléctrica para su funcionamiento.

Esto se debe a estas características:

Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica:

bombillas; calorífica: estufas).

Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento

relativamente alto (no se pierde excesiva energía).

Se denominan centros o centrales de generación a las instalaciones donde se transforma la

energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es

eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica.

Una vez generada, esta energía de consumo debe ser trasportada hasta los puntos donde se

necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etc.

Las bases de la energía eléctrica fueron cimentadas a mediados del siglo XIX, cuando el

científico inglés, Michael Faraday, en el año de 1831, descubrió el fenómeno de la

inducción electromagnética. Las posteriores investigaciones de la interacción de los

conductores de corriente eléctrica con el campo electromagnético posibilitaron la creación

de generadores eléctricos, que transforman la energía mecánica del movimiento giratorio en

energía eléctrica, lo que formo la base de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP).

http://es.wikipedia.org/wiki/Ambiente


pág. 8

2.2 SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP)

Un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), es el conjunto de centrales generadoras, de líneas

de transmisión interconectadas entre sí y de sistemas de distribución esenciales para el

consumo de energía eléctrica.

El Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) está formado por tres partes principales:

Generación.

Transmisión.

Distribución.

En la siguiente figura se muestra el diseño detallado de un Sistema Eléctrico de Potencia

mostrando los elementos que lo conforman.

Figura 2.1 Sistema Eléctrico de Potencia (SEP)


pág. 9

2.3 GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La generación de energía eléctrica de CFE requerida para cubrir la demanda poblacional, de

la industria, la agricultura, el comercio y los servicios, se realiza en diferentes tipos de

centrales, dependiendo del tipo de generación de la que se trate, tal como se muestra en la

siguiente tabla.[1]

Tabla 2.1 Capacidad efectiva instalada por tipo de generación[1]

Tipo de Generación Capacidad efectiva en MW

Termoeléctrica 22,404.69

Hidroeléctrica 11,054.90

Carboeléctrica 2,600.00

Geotermoeléctrica 964.50

Eolo eléctrica 85.48

Nucleoeléctrica 1,364.88

Termoeléctrica

(Productores independientes) 11,456.90

Total 49,931.34

Figura 2.2 Capacidad efectiva instalada por tipo de generación[1]


pág. 10

Figura 2.3 Generación por fuente[2]

2.3.1 CENTRALES, TURBINAS Y GENERADORES

La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a través de una red de cables,

se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía eléctrica. Para ello, se

utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son enormes engranajes que rotan sobre sí

mismos una y otra vez, impulsados por una energía externa. Los generadores son aparatos

que transforman la energía cinética “de movimiento” de una turbina, en energía eléctrica.

Los consumidores esperan que la electricidad esté siempre a su disposición cuando

conectan un aparato electrodoméstico, encienden una luz, o abren un refrigerador. Para

satisfacer estas demandas instantáneas se necesita de un flujo interrumpido de electricidad.

Para cumplir con estas necesidades, los generadores de energía eléctrica para servicios

públicos y de otra clase operan varios tipos de unidades generadoras de electricidad, que se

alimentan de una amplia gama de fuentes de combustible. Entre estas se incluyen

combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo), uranio y combustibles renovables

(agua, energía geotérmica, aire y otras fuentes de energía renovables).

A la combinación de las fuentes de energía que se utilizan, se les conoce como mezcla de

combustible o generación.[2]

2.3.2 TIPOS DE UNIDADES GENERADORAS

Las unidades termoeléctricas queman combustibles fósiles tales como el carbón, gas natural

petróleo. El vapor hace girar una turbina que genera electricidad a través de un generador

eléctrico. También se quema tanto el gas natural, como el petróleo en generadores de

turbinas de gas donde los gases calientes que produce la combustión se utilizan para hacer

girar la turbina, que a su vez gira el generador para producir la electricidad. Además, el


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petróleo se quema en unidades de producción con motores de combustión interna. La

combustión ocurre dentro de los cilindros del motor, el cual está conectado al eje del

generador. La energía mecánica que genera el motor impulsa al generador para producir

energía.

En las unidades que operan con energía nuclear, la caldera se sustituye con reactor en el

cual la fisión de uranio se utiliza para generar vapor e impulsar la turbina.

Las unidades de energía hidroeléctrica utilizan corrientes de agua para hacer girar una

turbina conectada a un generador. En un sistema de cascadas, el agua se acumula en

depósitos de agua creados por las presas, después se libera a través de conductos para

aplicar presión contra los impulsores de la turbina e impulsar al generador. En un sistema

de corrientes ribereñas, la fuerza de la corriente ribereña ejerce presión en los impulsores de

la turbina para generar electricidad.

La generación de electricidad de fuentes renovables sin agua contribuye en pequeñas

cantidades a la generación total de energía. En estas fuentes se incluyen la energía

geotérmica, desperdicios, merma de calor, merma de vapor, energía solar, viento y madera.

Entre los diversos tipos de centrales eléctricas que vienen determinados por la fuente de

energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales

hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas,

solares, mare motrices y de biomasa).

Dentro de las energías no convencionales, las energías solares y eólicas son las que mayor

implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías

renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente

de energía.

Enseguida se muestra con más detalle y de manera gráfica los aspectos y elementos que

integran las centrales generadoras.[2]


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2.3.3 FUENTES DE GENERACIÓN CONVENCIONALES

2.3.3.1 CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS

Figura 2.4 Central Hidroeléctrica[3]

En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para,

haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas

curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un

generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser

bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos

encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en

zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua

al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.

2.3.3.2 CENTRALES TÉRMICAS O TERMOELÉCTRICAS

Figura 2.5 Central Termoeléctrica[4]

En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están

conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de


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moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en

una gran caldera.

El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central

térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.

El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados

para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión

para que alcance una temperatura de 600 º C. Acto seguido, entra en una turbina a través de

un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se

transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.

2.3.3.3 CENTRALES NUCLEARES O NUCLEOELÉCTRICAS

Figura 2.6 Central Nucleoeléctrica[5]

Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear.

Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear,

generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario

para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.

La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de

energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de

los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conlleva los posibles

accidentes nucleares.


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2.3.3.4 CENTRALES EÓLICAS

Figura 2.7 Central Eólica[6]

En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para

mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador).

La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del

parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que

dispone.

Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45Km/h

de velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 Km/h, y la máxima,

por razones de seguridad, de 100Km/h.

Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de

reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones

agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

2.3.3.5 CENTRALES SOLARES

Son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del sol. Existen dos clases

principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales

fototérmicas y centrales fotovoltaicas.


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2.3.3.6 CENTRALES FOTOTÉRMICAS

Figura 2.8 Central Fototérmicas[7]

En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores

solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con helióstatos, que

reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto

para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea

para mover el rotor de un generador.

2.3.3.7 CENTRALES FOTOVOLTAICAS

Figura 2.9 Central Fotovoltaica[8]

En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica mediante paneles de

células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.

Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas.

Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde alimentación de pequeñas

calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y astronáutica.


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2.3.3.8 CENTRALES DE BIOMASA

2.10 Central de Biomasa[9]

La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos

naturales.

La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales

y agrícolas (restos de poda, pajas, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la

remolacha (cultivos energéticos).

La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual

mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad.


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2.4 TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

2.4.1 EL TRANSFORMADOR DE ENTRADA

La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos

empleados o utilizados en servicios domésticos o industrias, por ello generalmente se usa

un transformador en casi todos los equipos domésticos o industriales. Este transformador

reduce la tensión a niveles inferiores, más adecuados para su uso en dispositivos

compactos, motores, o circuitos con componentes electrónicos.

Un transformador es un conjunto de chapas de hierro muy juntas que tienen dos

arrollamientos, uno a cada lado del conglomerado de chapas de hierro.[12]

Figura 2.11 Núcleo del Transformador

Para efectos de nuestro análisis haremos uso de esta simbología:

La bobina izquierda se llama "Arrollamiento Primario" y la derecha se llama "arrollamiento

secundario". El número de vueltas en el arrollamiento primario es N1 y el del arrollamiento

secundario N2.Las rayas verticales entre los arrollamientos primario y secundario indican

que el conductor está enrollado alrededor de un núcleo de hierro.


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2.4.2 RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

La relación existente entre el número de espiras del primario y del secundario de un

transformador, determinará el valor de la f.e.m. inducida sobre su circuito secundario. Un

transformador que posea en su secundario mayor número de espiras que las del primario,

inducirá sobre aquel una tensión mayor que la aplicada. A la inversa, un secundario con

menor número de espiras que las del primario generará una tensión menor que la del

primario.[12]

La relación entre el número de vueltas y la tensión es:

2.4.3 TRANSFORMADOR ELEVADOR

Cuando el arrollamiento secundario tiene más vueltas que el arrollamiento primario (N2 >

N1), la tensión del secundario es superior a la del primario (V2>V1), es decir, N2 : N1 es

mayor que 1 (N2 : N1 > 1). Por lo tanto si N2 tiene el triple de vueltas que N1, la tensión en

el secundario será el triple que la tensión en el primario.

Si N2 > N1 V2 < V1

A la vez que elevador de tensión este transformador es "Reductor de Corriente".

Si N2 > N1 I2 < I1

2.4.4 TRANSFORMADOR REDUCTOR

Cuando el arrollamiento secundario tiene menos vueltas que el arrollamiento primario (N2

< N1), se induce una tensión menor en el secundario de la que hay en el primario. En este

caso N2 : N1 sería menor que 1 (N2 : N1 < 1).

EJEMPLO:


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Por cada 9 espiras en N1 hay 1 espira en N2.

Esta fórmula se cumple para V1 y V2 eficaces. Como se ha visto, ha habido una reducción

muy grande.

A este tipo de transformador se le llama "Transformador Reductor" (de tensión se

entiende). A la vez que reductor es elevador de corriente también.

2.4.5 EFECTO SOBRE LA CORRIENTE

En la figura siguiente se puede ver una resistencia de carga conectada al arrollamiento

secundario, esto es, el transformador en carga.[12]

Figura 2.12 Transformador en carga


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A causa de la tensión inducida en el arrollamiento secundario, a través de la carga circula

una corriente. Si el transformador es ideal (K = 1 y no hay pérdidas de potencia en el

arrollamiento y en el núcleo), la potencia de entrada es igual a la potencia de salida:

Si aplicamos esta ecuación:

Por lo tanto nos quedaría:

Y al final tenemos esta ecuación:

2.5 TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico

constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través

de grandes distancias la energía eléctrica generada en las centrales eléctricas.

Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados,

elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de

potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la corriente que circu

t e s i sexplosiÓn e incendio para transformadores de potencia tipo subestaciÓn” t e s i s que...

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