GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS
ELECTRICOS – PARTE 1
1
Docente: Kelly Berdugo Sarmiento
Ing. Electricista
Magister en Eficiencia Energética y Energía Renovable
Especialista en Gerencia Energética
Especialista en Energías Renovables
[email protected] 3145381083
Conceptos generales de un sistema eléctrico de potencia.
Parámetros de líneas y redes eléctricas.
Parámetros de transformadores.
Parámetros de motores eléctricos.
Parámetros de generadores y equivalentes de red.
Parámetros de compensadores.
Formas de conexión de las redes eléctricas.
Niveles de tensión y frecuencia.2
Contenido Unidad 1 – Parte 1
CONCEPTOS GENERALES DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA
3
¿Qué es un sistema eléctrico de potencia?
Conjunto de elementos conectados para generar, transmitir y
distribuir la energía eléctrica a los usuarios que demandan por el
servicio.
Compuesto por:
Elementos de potencia
Elementos de control
Objetivo del sistema eléctrico de potencia
Realizar una transferencia de la potencia
desde los centros de generación, hasta
los centros de consumo, de forma
económica y cumpliendo con las
exigencias de la regulación de cada país.
¿Quiénes consumen?Internacional
IEA, ELECTRICITY INFORMATION: OVERVIEW (2018 edition).(https://webstore.iea.org/download/direct/2261?fileName=Electricity_Information_%202018_Overview.pdf)
UPME, 2018, Boletín Estadístico de Minas y Energía 2016 – 2018. (http://www1.upme.gov.co/PromocionSector/SeccionesInteres/Documents/Boletines/Boletin_Estadistico_2018.pdf)
¿Quiénes consumen?Colombia
¿Quiénes consumen?
P. Waide, C. U. Brunner, 2011. Energy-efficiency policy opportunities for electric motor-driven systems. Int. Energy Agency, Paris, France.
Estructura tradicional
Sistemas eléctricos de potencia tradicional
Cambios en la generación
Cambio desde grandes unidades de generación bajo el control de un operador de reda unidades pequeñas conectadas a la red de distribución y/o a fuentes renovables cuyadisponibilidad y producción está controlado por el clima.
Cambios en el consumo
Nuevos tipos de consumo con autos eléctricos.
La transición del calentamiento de gas a la calefacción eléctrica (lo más probable enforma de bombas de calor).
Muchos motores alimentados directamente son reemplazados por variadores develocidad.
El reemplazo de lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes compactas yLED.
Un gran número de dispositivos pequeños, con dispositivos cargadores.
S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J. 29 (10) (2016) 49-61.
V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in Electrical Industrial Systems,” International Journal ofElectrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no. 6, pp. 3207-3216, 2017.
Cambios en la red
El reemplazo de líneas aéreas por cables soterrados.
A niveles de baja y media tensión, ya muchos países están cerca de 100% con la red
subterránea. Los ejemplos son Alemania y Países Bajos, con un 75% y un 90% de
redes de media tensión bajo tierra, respectivamente. Otros países, como Suecia,
están soterrando rápidamente incluso en sus redes rurales más remotas.
A niveles de tensión más alto, incluido en transmisión, hay una clara tendencia hacia
el uso de cables subterráneos.
El número de enlaces HVDC que se conectan al sistema de transmisión está
aumentando, con algunos países o áreas que tienen muchos de esos enlaces dentro de
una distancia relativamente corta.
S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J. 29 (10) (2016) 49-61.
V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in Electrical Industrial Systems,” International Journal ofElectrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no. 6, pp. 3207-3216, 2017.
Cambios en la red
Otros equipos de electrónica de potencia en la red también están mostrando un
aumento en su presencia. Por ejemplo, la red escandinava está conectada a la red de
Europa continental mediante 10 enlaces HVDC.
La comunicación con los medidores de energía se usa cada vez más por líneas de
alimentación.
Finalmente, hay todo un espectro de desarrollos bajo el nombre de "redes
inteligentes".
S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J.29 (10) (2016) 49-61.
V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in ElectricalIndustrial Systems,” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no.6, pp. 3207-3216, 2017.
Nuevos sistemas eléctricos de potencia
Nuevos sistemas eléctricos de potencia
Rodriguez-Diaz, E., Vasquez, J. C., & Guerrero, J. M. (2016). Intelligent DC homes in future sustainable energy systems: When efficiency and intelligence work together. IEEE Consumer Electronics Magazine, 5(1), 74-80.
Nuevos sistemas eléctricos de potencia
Rodriguez-Diaz, E., Vasquez, J. C., & Guerrero, J. M. (2016). Intelligent DC homes in future sustainable energy systems: When efficiency and intelligence work together. IEEE Consumer Electronics Magazine, 5(1), 74-80.
Situación de la generación de energía eléctrica en
Colombia
UPME: http://www.siel.gov.co/
XM: http://www.xm.com.co/Paginas/Home.aspx
XM: http://paratec.xm.com.co/paratec/SitePages/generacion.aspx?q=capacidad
PARÁMETROS DE LÍNEAS Y REDES ELÉCTRICAS
18
Líneas de transmisión
Redes y Líneas
En el modelo de operación del SEP Colombiano, ¿En donde se ubican las redes y líneas?
DISTRIBUCIÓN
Los comercializadores trasladan suscostos a los clientes
COMERCIALIZACIÓN
❑Monopolio del Servicio
❑ Libre acceso a las redes
❑ Cargos regulados
➢ Competencia
➢ Precios libremente acordados
➢ Competencia en las ofertas de cortoplazo➢ Importaciones de otros países (NoTIE)
GENERACIÓN
❑ Regulados
❑ No regulados
❑ Alumbrado Público
❑ Exportaciones a otros países (No TIE)
CLIENTES
Centro
Nacional de
Despacho
OPERACIÓN
ADMINISTRACIÓN❑ Monopolio del Servicio
❑ Competencia a partir de 1999 en la expansión del STN
❑ Libre acceso a las redes y cargos regulados
TRANSMISIÓN
❑ Compra y venta de energía
❑ Competencia
❑ Margen de Comercialización aprobado por la CREG para el mercado regulado
Mercados de Otros Países
TIE
San MarcosMeta
Tasajera
Guatapé
AncónEPM
Esmeralda
Purnio
La Miel
Virginia
Yumbo
SAN CARLOS
ANTIOQUIA/ CHOCÓ
SUROCCIDENTAL
NORTE
CQR
Sierra
Sochagota
Comuneros
Primavera Guatiguará
Termocentro
Malena MAGDALENA
MEDIO
OCCIDENTAL
Valle
CaucaNariño
Huila
Mesa
Hermosa
SUR
Ancón
Sur ISA
Paez Jamondino
(Pasto)
Norte Sant.
El Corozo
Cuatricentenario VENEZUELA
Panamericana
(Ipiales)
Oriente
Envigado
Miraflores
Barbosa
TunalReforma
Guavio
Chivor
Jaguas
Cerromatoso
Chinú
GCM
Atlántico
Bolívar
Cerromatoso
CARIBE
CARIBE 2
San Felipe
Betania
ORIENTAL
TorcaNoroeste
Circo
Cúcuta
OcañaS/Mateo
Tasajero
Palos Caño Limón
Paraíso
S.Mateo
Balsillas
Bogotá
Gdpe IVSalto
Occidente
Bello
Córdoba
Sucre
Ternera
Candelaria
Cartagena
Flores
N/BquillaTebsa
CopeyV/dupar.
Fundación Cuestecitas
S/MartaGuajira
Sabana
A.Anchicayá
Salvajina
Pance
Juanchito
OCCIDENTALPorce
Barranca
B/manga
Enea
Playas
LaMiel
Cartago
NORORIENTALTolimaFlandes/Prado
Cajamarca
Regivit
Colegio/
Mirolindo
(Ibague)
ECUADORPomasqui(Ecuador)
Protecciones eléctricas - ConTcuelcpántosbásicos(Ecuador)
SanBernardino
Guaca
Pagua
500 kV
220 kV
115kV
Indisponible
115kV
138kV
Tol Sam Banad
NORDESTE
Paipa
Sistema Interconectado
Nacional
Conformado por:
❑ Líneas deTransmisión.
❑ Redes de Distribución.
En Colombia las líneas y redes
son en AC operando a 60 Hz.
Esto se conoce también como
HVAC: High Voltage Altern
Current.
En el mundo también existen:
HVDC, UHVDC, UHVAC
Fuente: https://www.wikiwand.com/en/List_of_HVDC_projects
Lecturas informativas IEEE
L. Michi et al., "New HVDC technology in Pan-European power
system planning," 2019 AEIT HVDC International Conference (AEIT
HVDC), Florence, Italy, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/AEIT-
HVDC.2019.8740544.
G. Lagrotteria, D. Pietribiasi and M. Marelli, "HVDC Cables - The
technology boost," 2019 AEIT HVDC International Conference (AEIT
HVDC), Florence, Italy, 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/AEIT-
HVDC.2019.8740645
Existentes
Construcción
Proyección
1. Shetland HVDC Connection
2. Caithness Moray HVDC
3. Western Isles HVDC
4. NorthConnect
5. NSN Norway Kvilldal – UK Blyth, 1.4 GW
under construction
6. Eastern HVDC Link
7.Moyle: Auchencrosh, UK – Ballycronan
More, Northern Ireland, UK
8-46: Vease wikiwand enlace
PROYECTOS HVDC - EUROPA
EIA (2018). Assessing HVDC Transmission for Impacts of Non‐DispatchableGeneration.
https://www.eia.gov/analysis/studies/electricity/hvdctransmission/Lecturas informativas
PROYECTOS HVDC – ESTADOS UNIDOS
Líneas deTransmisión
Es el medio físico mediante el cual se transporta la
energía eléctrica. Está constituida por conductores,
estructuras de soporte, aisladores, cable de guarda.
La literatura técnica suele hacer mención a la sección
o parte del sistema de suministro eléctrico
responsable de la compañía de transmisión de energía
eléctrica.
Redes de Distribución
Conjunto de conductores (aéreos o subterráneos) ycentros de distribución que permiten el suministrode energía hasta el usuario final. La literatura técnicasuele hacer mención a la sección o parte del sistemade suministro eléctrico responsable de la compañía dedistribución de energía eléctrica.
IEC 60038
Transmisión
Distribución
Distribución primaria: 23kV ≥ U > 115 kV
Distribución secundaria: U < 23 kV
Transmisión:
Subtransmisión:
U ≥ 230 kV
115 kV ≥ U > 230 kV
UAT:
EAT: :
AT:
U ≥ 800 kV*
230 kV ≥ U ≥ 550 kV
57,5 kV ≥ U ≥ 230kV
NTC 1340
MT: 1 kV > U ≥ 57,5kV
BT: 25 V ≥ U ≥ 1 kV
MBT: U < 25 VUso Final
*No incluido en NTC 1340, pero se considera a nivel internacional
¿Qué se consideraTransmisión en Colombia?
Según RETIE (Capitulo 5: Requisitos para el proceso de Transmisión), se considera
transmisión al transporte de energía eléctrica en altas y extra altas tensiones iguales o
superiores a 57,5 kV. No se debe confundir con los nombres y niveles de tensión
establecidos en las regulaciones para aspectos de tipo comercial o de calidad de servicio
Zona de Servidumbre
La servidumbre de paso se define como un derecho real sin posesión sobre la
propiedad de otra persona. ... La tierra afectada por la servidumbre de paso se
llamará “predio sirviente”, mientras que el terreno o la persona que se beneficie de la
servidumbre es conocida como “predio dominante”.
Fuente: Abogados (2021). Servidumbre de paso. Conceptos
básicos. https://www.abogado.com/recursos/propiedades-
inmobiliarias/servidumbres/servidumbres-infomacion-basica.html)
Zona de Servidumbre
El siguiente ancho de zona de servidumbre de líneas de transmisión debe cumplirse
según Tabla 22.1 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE 2013
(Vigente).
Tabla 22.1. Ancho de la zona de servidumbre de líneas de transmisión
Líneas de transmisión
Líneas de transmisión
Líneas de transmisión
Líneas de transmisión
Líneas de transmisiónClasificación Longitud
Modelo línea corta L < 80 km
Modelo de línea media 80 km < L < 240 km
Modelo de línea larga L > 240 km
CORTA
MEDIA
LARGA
PARÁMETROS DE TRANSFORMADORES
33
Transformadores
Transformadores
Transformadores
1 Núcleo
1’ Prensaculatas
2 Devanados
3 Cuba
4 Aletas refrigeración
5 Aceite
6 Depósito expansión
7 Aisladores (BT y AT)
8 Junta
9 Conexiones
10 Nivel aceite
11 - 12 Termómetro
13 - 14 Grifo de vaciado
15 Cambio tensión
16 Relé Buchholz
17 Cáncamos transporte
18 Desecador aire
19 Tapón llenado
20 Puesta a tierra
© Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva
Transformadores
Aspectos constructivos: trifásicos
Seco
Pérdidas en un transformador
En los transformadores se tienen dos tipos de pérdidas:
Pérdidas en el cobre: Son pérdidas que se deben al efecto Joule, es decir debido a la corriente que circula en los devanados del transformador. Estas pérdidas dependen del nivel de carga que tenga el transformador en su operación. Se simbolizan por Pcu.
39
En los transformadores se tienen dos tipos de pérdidas:
Pérdidas en el hierro: Son pérdidas histerésicas y parásitas que se deben a las
características de diseño y a la calidad de los materiales empleados en su
fabricación. Estas pérdidas son constantes y tienen lugar mientras el transformador
esta conectado a la red. Su magnitud varía con el tamaño o potencia del
transformador. Se simbolizan por Po.
Pérdidas en un transformador
Histéresis Corrientes parásitas
PARÁMETROS DE MOTORES ELÉCTRICOS
41
Diagrama del flujo de potencia
B. Lu, T. G. Habetler and R. G. Harley, “A nonintrusive and in-service motor-efficiencyestimation method using air-gap torque with considerations of condition monitoring”,IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 44, no. 6, pp. 1666–1674, Nov/Dec. 2008.
Distribución de las pérdidas
R. Saidur, “A review of
electrical motors energy use
and energy savings,” Renewable
and Sustainable Energy Reviews,
vol. 14, no. 3, pp. 877-898,
2010.
43
Circuito equivalente del motor de inducción
V. Sakthivel, R. Bhuvaneswari, S. Subramanian, An accurate and economical approach for inductionmotor field efficiency estimation using bacterial foraging algorithm, Measurement 44 (2011) 674– 684.
PARÁMETROS DE GENERADORES Y EQUIVALENTES DE RED
45
¿Con qué se genera?
Mundial Colombia
UPME, 2018, Boletín Estadístico de Minas y Energía 2016 –2018. (http://www1.upme.gov.co/PromocionSector/SeccionesInteres/Documents/Boletines/Boletin_Estadistico_2018.pdf)
IEA, ELECTRICITY INFORMATION: OVERVIEW (2018 edition).(https://webstore.iea.org/download/direct/2261?fileName=Electricity_Information_%202018_Overview.pdf)
Modelos para el análisis de los sistemas
Se consideran como fuentes de potencia fija. La potencia es suministrada al nodo de manera constante de acuerdo al tipo de generador.
PARÁMETROS DE COMPENSADORES
48
Compensadores
Las líneas eléctricas generalmente tienen conectadas cargas inductivas como
motores, lámparas de descarga y otros que demandan energía reactiva.
Esta energía reactiva es perjudicial para las líneas eléctricas ya que producen
un incremento de la intensidad que no pueden consumir las
máquinas eléctricas, y se sobrecalienta el cable. Para las centrales
de generación es un inconveniente por el mismo motivo, tienen
que proporcionar una intensidad eléctrica que no genera potencia útil.
Un compensador de reactiva estático de VAR, es una máquina compuesta por
varios grupos de condensadores capaces de compensar la energía reactiva que
se produce en una línea eléctrica.
FORMAS DE CONEXIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS
Formas de conexión de las redes eléctricas
Las redes eléctricas se pueden conectar en forma:
Radial
Enmallada
Interconectada
51
Red radial: Este tipo de red es muy utilizada en los sistemas de potencia por su facilidad de construcción y por ser más económica.
Corriente con circulación
en una sola dirección
No es muy confinable en
los sistemas
52
Red enmallado: Este tipo de red es utilizada en los sistemas de potencia
porque mejora la confiabilidad del sistema.
53
• Esta conexión es más costosa que la de arreglo radial, debido a que requiere más equipo.
• Ventaja: cualquier punto sobre la línea tiene servicio desde dos direcciones.
Redes inteligentes: Integración dinámica de la generación, transmisión,
distribución, almacenamiento y comercialización, incluyendo las energías
alternativas, que permite que la coordinación de protecciones, control,
instrumentación, medida, calidad y administración de energía, etc., sean
concatenadas en un solo sistema de gestión, con el objetivo primordial
de realizar un uso eficiente y racional de la energía eléctrica .
54
Red interconectada: Este tipo de red se utiliza para la transferencia entre
conexiones de áreas y sistemas de potencias entre países.
NIVELES DE TENSIÓN Y FRECUENCIA
55
Niveles de tensión
De acuerdo a la norma NTC 1340
Extra alta tensión (EAT):Tensiones superiores a 230 kV.
Alta tensión (AT): Tensiones mayores o iguales a 57,5 kV y
menores o iguales a 230 kV.
Media tensión (MT): Tensión nominal superior a 1000 V e
inferior a 57,5 kV.
Baja tensión (BT): Tensión nominal mayor o igual a 25 V y menor o
igual a 1000V
Muy baja tensión (MBT):Tensiones menores de 25V.
56
Niveles de tensión regulados
RESOLUCIÓN No.082 – 2002
Los sistemas de Transmisión Regional y/o distribución local se
clasifican por niveles, en función de la tensión nominal de
operación, según la siguiente definición:
Nivel Tensión
1 < 1 kV
2 ≥1 kV y <30 kV
3 ≥ 30 kV y < 57.5 kV
4 ≥ 57.5 kV y < 220 kV
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Niveles de frecuencia y tensión
• El 62% de la demanda global de electricidad opera a 50hz, mientras queel 38 % opera al 60hz.58
Frecuencia en Colombia
NTC 1340 - CREG 070 DE 1998
Forma y Frecuencia estándar. Forma en el tiempo de una onda
sinodal pura de amplitud constante, igual a la tensión nominal, y a
una frecuencia de 60 Hz.
Frecuencia de Operación del SIN es 60 HZ
59
Bibliografía
60
J.J. Grainger, W.D. Stevenson, “Análisis de los sistemas de potencia”, Mc. Graw-Hill. 1996.
Nagrath, Análisis de sistemas de potencia.
A.M. Sandoval, “Monografía del sector de electricidad y gas colombiano: Condiciones actuales y retos futuros”, https://pwh.dnp.gov.co/Portals/0/archivos/documentos/DEE/Archivos_Economia/272.pdf.
“IEEE Recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power systems”, IEEE Std 519-1992, 1993.
“IEEE Recommended practice for monitoring electric power quality”, IEEE Std 1159-1995, 1995.
“Classification of electromagnetic environments”, IEC Technical Committee, 1991.
Artículos base de datos IEEE.