La red eléctrica o energía eléctrica de red , energía de red , energía doméstica y energía de pared , o, en algunas partes de Canadá , energía hidroeléctrica , es un suministro de energía eléctrica de corriente alterna (CA) de uso general . Es la forma de energía eléctrica que se suministra a hogares y empresas a través de la red eléctrica en muchas partes del mundo. Las personas usan esta electricidad para alimentar artículos de uso diario (como electrodomésticos, televisores y lámparas) enchufándolos a un tomacorriente de pared.
El voltaje y la frecuencia de la energía eléctrica difieren entre regiones. En gran parte del mundo, se utiliza un voltaje (nominal) de 230 voltios y una frecuencia de 50 Hz. En América del Norte , la combinación más común es 120 V y una frecuencia de 60 Hz. Existen otras combinaciones, por ejemplo, 230 V a 60 Hz. Los aparatos portátiles de los viajeros pueden quedar inoperativos o dañados por suministros eléctricos extranjeros. Los enchufes y tomas de corriente no intercambiables en diferentes regiones brindan cierta protección contra el uso accidental de aparatos con requisitos de voltaje y frecuencia incompatibles.
En los EE. UU., la energía eléctrica de la red eléctrica se conoce con varios nombres, incluidos "energía de servicios públicos", "energía doméstica", "electricidad doméstica", "corriente doméstica", "línea eléctrica", "energía doméstica", "energía de pared", "energía de línea", "corriente de pared", "energía de CA", "energía de la ciudad", "energía de la calle" y "120 (uno veinte)".
En el Reino Unido, la energía eléctrica de la red se conoce generalmente como "the mains". Más de la mitad de la energía en Canadá es hidroelectricidad , y la electricidad de la red se conoce a menudo como "hydro" en algunas regiones del país. Esto también se refleja en los nombres de las empresas eléctricas actuales e históricas, como Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro , Hydro One (Ontario) y Newfoundland and Labrador Hydro .
En todo el mundo se encuentran muchos sistemas de suministro de energía eléctrica diferentes para el funcionamiento de electrodomésticos y aparatos de iluminación comerciales ligeros. Los diferentes sistemas se caracterizan principalmente por:
Todos estos parámetros varían entre regiones. Los voltajes están generalmente en el rango de 100-240 V (siempre expresados como voltaje cuadrático medio ). Las dos frecuencias comúnmente utilizadas son 50 Hz y 60 Hz. La energía monofásica o trifásica es la más comúnmente utilizada hoy en día, aunque los sistemas bifásicos se utilizaron a principios del siglo XX. Los enclaves extranjeros, como grandes plantas industriales o bases militares en el extranjero, pueden tener un voltaje o frecuencia estándar diferente al de las áreas circundantes. Algunas áreas de la ciudad pueden usar estándares diferentes a los del campo circundante (por ejemplo, en Libia ). Las regiones en un estado efectivo de anarquía pueden no tener una autoridad eléctrica central, con energía eléctrica suministrada por fuentes privadas incompatibles.
Anteriormente se utilizaban muchas otras combinaciones de voltaje y frecuencia de red, con frecuencias entre 25 Hz y 133 Hz y voltajes de 100 V a 250 V. La corriente continua (CC) ha sido reemplazada por la corriente alterna (CA) en los sistemas de energía pública, pero la CC se utilizó especialmente en algunas áreas de la ciudad hasta fines del siglo XX. Las combinaciones modernas de 230 V/50 Hz y 120 V/60 Hz, enumeradas en IEC 60038 , no se aplicaron en las primeras décadas del siglo XX y aún no son universales. Las plantas industriales con energía trifásica tendrán voltajes diferentes y más altos instalados para equipos grandes (y diferentes tomas y enchufes), pero los voltajes comunes enumerados aquí todavía se encontrarían para iluminación y equipos portátiles.
La electricidad se utiliza para iluminación, calefacción, refrigeración, motores eléctricos y equipos electrónicos. La Administración de Información Energética de Estados Unidos (EIA) ha publicado:
Consumo de electricidad del sector residencial de EE. UU. por principales usos finales en 2021 [2]
Los aparatos electrónicos, como ordenadores o televisores, suelen utilizar un convertidor de CA a CC o un adaptador de CA para alimentar el dispositivo. Este suele funcionar con una amplia gama de voltajes y con las dos frecuencias de alimentación habituales. Otras aplicaciones de CA suelen tener rangos de entrada mucho más restringidos.
Los aparatos portátiles utilizan energía eléctrica monofásica, con dos o tres contactos cableados en cada toma de corriente. Dos cables (neutro y vivo/activo/caliente) transportan la corriente para hacer funcionar el dispositivo. [3] [4] Un tercer cable, que no siempre está presente, conecta las partes conductoras de la carcasa del aparato a tierra. Esto protege a los usuarios de descargas eléctricas si las partes internas activas entran en contacto accidentalmente con la carcasa.
En Europa central y septentrional, el suministro eléctrico residencial suele ser de corriente trifásica de 400 V, que proporciona 230 V entre cualquier fase y neutro; el cableado doméstico puede ser una combinación de circuitos trifásicos y monofásicos, pero el uso residencial trifásico es poco frecuente en el Reino Unido. Los electrodomésticos de alta potencia, como las cocinas , los calentadores de agua y las herramientas domésticas de gran potencia, como las cortadoras de leña , pueden alimentarse con una fuente de alimentación trifásica de 400 V.
Los equipos eléctricos portátiles pequeños se conectan a la fuente de alimentación a través de cables flexibles que terminan en un enchufe, que se inserta en un receptáculo fijo (toma de corriente). Los equipos eléctricos domésticos y los equipos industriales más grandes pueden estar conectados permanentemente al cableado fijo del edificio. Por ejemplo, en los hogares norteamericanos, un aparato de aire acondicionado autónomo montado en una ventana se conectaría a un enchufe de pared, mientras que el aire acondicionado central de toda la casa estaría cableado permanentemente. Las combinaciones de enchufe y toma de corriente más grandes se utilizan para equipos industriales que transportan corrientes más grandes, voltajes más altos o energía eléctrica trifásica.
Los disyuntores y fusibles se utilizan para detectar cortocircuitos entre los cables de línea y neutro o de tierra, o el consumo de más corriente de la que los cables pueden soportar (protección contra sobrecarga) para evitar el sobrecalentamiento y un posible incendio. Estos dispositivos de protección suelen estar montados en un panel central (normalmente un cuadro de distribución o una unidad de consumo) en un edificio, pero algunos sistemas de cableado también proporcionan un dispositivo de protección en el enchufe o en el interior del mismo. Los dispositivos de corriente residual , también conocidos como interruptores de circuito por falla a tierra e interruptores de corriente de fuga de electrodomésticos, se utilizan para detectar fallas a tierra (flujo de corriente en otros cables que no sean el neutro y la línea (como el cable de tierra o una persona). Cuando se detecta una falla a tierra, el dispositivo corta rápidamente el circuito.
La mayor parte de la población mundial ( Europa , África , Asia , Australia , Nueva Zelanda y gran parte de Sudamérica ) utiliza una fuente de alimentación que está dentro del 6% de 230 V. En el Reino Unido [5] la tensión de alimentación nominal es de 230 V +10%/−6% para adaptarse al hecho de que la mayoría de los transformadores todavía están configurados a 240 V. El estándar de 230 V se ha generalizado, de modo que los equipos de 230 V se pueden utilizar en la mayor parte del mundo con la ayuda de un adaptador o un cambio en el enchufe del equipo al estándar del país específico.
Estados Unidos y Canadá utilizan un voltaje de suministro de 120 voltios ± 6%. Japón , Taiwán , Arabia Saudita , América del Norte , América Central y algunas partes del norte de América del Sur utilizan un voltaje entre 100 V y 127 V. Sin embargo, la mayoría de los hogares en Japón equipan energía eléctrica de fase dividida como los Estados Unidos, que pueden suministrar 200 V utilizando fase inversa al mismo tiempo. Brasil es inusual en tener sistemas de 127 V y 220 V a 60 Hz y también permite enchufes y tomas de corriente intercambiables. [6] Arabia Saudita y México tienen sistemas de voltaje mixto; en edificios residenciales y comerciales ligeros ambos países usan 127 voltios, con 220 voltios a 60 Hz en aplicaciones comerciales e industriales. El gobierno saudí aprobó planes en agosto de 2010 para la transición del país a un sistema totalmente de 230/400 voltios 50/60 Hz. [7]
Se debe hacer una distinción entre el voltaje en el punto de suministro (voltaje nominal en el punto de interconexión entre la empresa eléctrica y el usuario) y el voltaje nominal del equipo (voltaje de utilización o de carga). Normalmente, el voltaje de utilización es entre un 3% y un 5% inferior al voltaje nominal del sistema; por ejemplo, un sistema de suministro nominal de 208 V se conectará a motores con "200 V" en sus placas de identificación. Esto permite la caída de voltaje entre el equipo y el suministro. [ cita requerida ] Los voltajes en este artículo son los voltajes de suministro nominales y el equipo utilizado en estos sistemas tendrá voltajes de placa de identificación ligeramente inferiores. El voltaje del sistema de distribución de energía es de naturaleza casi sinusoidal. Los voltajes se expresan como voltaje de raíz cuadrada media (RMS). Las tolerancias de voltaje son para operación en estado estable. Las cargas pesadas momentáneas o las operaciones de conmutación en la red de distribución de energía pueden causar desviaciones a corto plazo fuera de la banda de tolerancia y las tormentas y otras condiciones inusuales pueden causar variaciones transitorias aún mayores. En general, los suministros de energía derivados de grandes redes con muchas fuentes son más estables que aquellos suministrados a una comunidad aislada con quizás un solo generador.
La elección de la tensión de alimentación se debe más a razones históricas que a la optimización del sistema de distribución de energía eléctrica: una vez que se utiliza una tensión y se generalizan los equipos que la utilizan, cambiar la tensión es una medida drástica y costosa. Un sistema de distribución de 230 V utilizará menos material conductor que un sistema de 120 V para suministrar una cantidad determinada de energía porque la corriente y, en consecuencia, la pérdida resistiva son menores. Si bien los aparatos de calefacción de gran tamaño pueden utilizar conductores más pequeños a 230 V para la misma potencia nominal, pocos electrodomésticos utilizan ni siquiera la capacidad total de la toma de corriente a la que están conectados. El tamaño mínimo de los cables para equipos portátiles suele estar limitado por la resistencia mecánica de los conductores.
Muchas áreas, como los EE. UU., que utilizan (nominalmente) 120 V, utilizan sistemas de 240 V de tres cables y fase dividida para suministrar energía a electrodomésticos grandes. En este sistema, una fuente de alimentación de 240 V tiene un neutro con toma central para proporcionar dos fuentes de alimentación de 120 V que también pueden suministrar 240 V a cargas conectadas entre los dos cables de línea. Los sistemas trifásicos se pueden conectar para proporcionar varias combinaciones de voltaje, adecuadas para su uso por diferentes clases de equipos. Cuando un sistema eléctrico suministra cargas monofásicas y trifásicas, el sistema se puede etiquetar con ambos voltajes, como 120/208 o 230/400 V, para mostrar el voltaje de línea a neutro y el voltaje de línea a línea. Las cargas grandes se conectan para el voltaje más alto. Ocasionalmente, se utilizan otros voltajes trifásicos, de hasta 830 voltios, para sistemas de propósito especial, como bombas de pozos petrolíferos. Los motores industriales de gran tamaño (por ejemplo, de más de 250 CV o 150 kW) pueden funcionar con media tensión. En los sistemas de 60 Hz, el estándar para equipos de media tensión es 2400/4160 V, mientras que 3300 V es el estándar común para los sistemas de 50 Hz.
Hasta 1987, la tensión de red en grandes partes de Europa, incluidas Alemania, Austria y Suiza, era220 ± 22 V mientras que en el Reino Unido se utilizaba240 ± 14,4 V. La norma ISO IEC 60038:1983 definió el nuevo voltaje estándar europeo como230 ± 23 V. A partir de 1987, se produjo un cambio gradual hacia230+13,8
−23 Se implementó la V. A partir de 2009, se permite que el voltaje sea230 ± 23 V. [ 8] [9] No se requirió ningún cambio de voltaje ni en el sistema de Europa Central ni en el del Reino Unido, ya que tanto 220 V como 240 V caen dentro de las bandas de tolerancia inferiores de 230 V (230 V ±6%). Por lo general, se mantiene el voltaje de 230 V ±3%. Algunas áreas del Reino Unido todavía tienen 250 voltios por razones heredadas, pero también caen dentro de la banda de tolerancia del 10% de 230 voltios. En la práctica, esto permitió a los países haber suministrado el mismo voltaje (220 o 240 V), al menos hasta que se reemplacen los transformadores de suministro existentes. El equipo (con la excepción de las bombillas de filamento ) utilizado en estos países está diseñado para aceptar cualquier voltaje dentro del rango especificado.
En 2000, Australia adoptó el estándar nominal de 230 V con una tolerancia de +10 %/−6 %, [10] lo que sustituyó al antiguo estándar de 240 V, AS 2926-1987. La tolerancia se incrementó en 2022 a ± 10 % con la publicación de AS IEC 60038:2022. [11] El voltaje de utilización disponible en un aparato puede estar por debajo de este rango, debido a caídas de voltaje dentro de la instalación del cliente. Al igual que en el Reino Unido, 240 V se encuentra dentro de los límites permitidos y "240 voltios" es un sinónimo de red eléctrica en inglés australiano y británico .
En Estados Unidos [12] [13] y Canadá [14] , las normas nacionales especifican que el voltaje nominal en la fuente debe ser de 120 V y permiten un rango de 114 V a 126 V ( RMS ) (−5 % a +5 %). Históricamente, se han utilizado 110 V, 115 V y 117 V en diferentes momentos y lugares de América del Norte. [ cita requerida ] A veces se habla de la red eléctrica como de 110 V; sin embargo, 120 V es el voltaje nominal.
En Japón , el suministro de energía eléctrica a los hogares es de 100 y 200 V. Las partes oriental y norte de Honshū (incluido Tokio ) y Hokkaidō tienen una frecuencia de 50 Hz, mientras que Honshū occidental (incluidos Nagoya, Osaka e Hiroshima), Shikoku , Kyūshū y Okinawa funcionan a 60 Hz. El límite entre las dos regiones contiene cuatro subestaciones de corriente continua de alto voltaje (HVDC) consecutivas que interconectan la energía entre los dos sistemas de red; estas son Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu y el convertidor de frecuencia Higashi-Shimizu . Para adaptarse a la diferencia, los electrodomésticos sensibles a la frecuencia comercializados en Japón a menudo se pueden cambiar entre las dos frecuencias.
El primer sistema público de suministro de electricidad del mundo fue un sistema impulsado por una rueda hidráulica construido en la pequeña ciudad inglesa de Godalming en 1881. Era un sistema de corriente alterna (CA) que utilizaba un alternador Siemens que suministraba energía tanto para el alumbrado público como para los consumidores a dos voltajes, 250 V para lámparas de arco y 40 V para lámparas incandescentes. [15]
La primera planta central a gran escala del mundo, la central de vapor de Thomas Edison en el viaducto de Holborn en Londres, comenzó a funcionar en enero de 1882 y suministraba corriente continua (CC) a 110 V. [16] La estación del viaducto de Holborn se utilizó como prueba de concepto para la construcción de la estación Pearl Street de Nueva York , mucho más grande, la primera central eléctrica comercial permanente del mundo. La estación Pearl Street también suministraba CC a 110 V, considerada una tensión "segura" para los consumidores, a partir del 4 de septiembre de 1882. [17]
Los sistemas de CA comenzaron a aparecer en los EE. UU. a mediados de la década de 1880, utilizando un voltaje de distribución más alto reducido a través de transformadores al mismo voltaje de utilización del cliente de 110 V que Edison usó. En 1883, Edison patentó un sistema de distribución de tres cables para permitir que las plantas de generación de CC atendieran a un radio más amplio de clientes para ahorrar en costos de cobre. Al conectar dos grupos de lámparas de 110 V en serie, se podía atender más carga con los conductores del mismo tamaño con 220 V entre ellos; un conductor neutro transportaba cualquier desequilibrio de corriente entre los dos subcircuitos. Los circuitos de CA adoptaron la misma forma durante la guerra de las corrientes , lo que permitió que las lámparas funcionaran a alrededor de 110 V y que los electrodomésticos principales se conectaran a 220 V. Los voltajes nominales aumentaron gradualmente hasta 112 V y 115 V, o incluso 117 V. [ cita requerida ] Después de la Segunda Guerra Mundial, el voltaje estándar en los EE. UU. pasó a ser de 117 V, pero muchas áreas se quedaron atrás incluso en la década de 1960. [ cita requerida ] En 1954, el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) publicó C84.1 "Estándar Nacional Estadounidense para Sistemas y Equipos de Energía Eléctrica - Valores de Voltaje (60 Hertz)". Este estándar estableció un sistema nominal de 120 voltios y dos rangos para las variaciones de voltaje de servicio y de uso. [18] Hoy, prácticamente todos los hogares y negocios estadounidenses tienen acceso a 120 y 240 V a 60 Hz. Ambos voltajes están disponibles en los tres cables (dos patas "calientes" de fase opuesta y una pata "neutra").
En 1899, la Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW), una empresa eléctrica de Berlín , decidió aumentar considerablemente su capacidad de distribución al cambiar a una distribución nominal de 220 V, aprovechando la capacidad de mayor voltaje de las lámparas de filamento metálico recientemente desarrolladas. La empresa pudo compensar el costo de conversión del equipo del cliente con el ahorro resultante en el costo de los conductores de distribución. Este se convirtió en el modelo para la distribución eléctrica en Alemania y el resto de Europa y el sistema de 220 V se volvió común. La práctica norteamericana se mantuvo con voltajes cercanos a los 110 V para las lámparas. [19]
En la primera década posterior a la introducción de la corriente alterna en los EE. UU. (desde principios de la década de 1880 hasta aproximadamente 1893), se utilizaron distintas frecuencias y cada proveedor de electricidad establecía las suyas propias, de modo que no prevalecía ninguna. La frecuencia más común era la 133+1 ⁄ 3 Hz. [ cita requerida ] La velocidad de rotación de los generadores y motores de inducción, la eficiencia de los transformadores y el parpadeo de las lámparas de arco de carbón jugaron un papel en el ajuste de la frecuencia. Alrededor de 1893, la Westinghouse Electric Company en los Estados Unidos y AEG en Alemania decidieron estandarizar su equipo de generación en 60 Hz y 50 Hz respectivamente, lo que eventualmente llevó a que la mayor parte del mundo fuera abastecido en una de estas dos frecuencias. Hoy, la mayoría de los sistemas de 60 Hz entregan 120/240 V nominales, y la mayoría de 50 Hz nominalmente 230 V. Las excepciones significativas están en Brasil, que tiene una red sincronizada de 60 Hz con 127 V y 220 V como voltajes estándar en diferentes regiones, [20] y Japón, que tiene dos frecuencias : 50 Hz para el este de Japón y 60 Hz para el oeste de Japón.
Para mantener la tensión en el servicio del cliente dentro del rango aceptable, las empresas de distribución eléctrica utilizan equipos de regulación en subestaciones eléctricas o a lo largo de la línea de distribución. En una subestación, el transformador reductor tendrá un cambiador de tomas en carga automático, lo que permite ajustar la relación entre la tensión de transmisión y la tensión de distribución en pasos. Para circuitos de distribución rurales largos (varios kilómetros), se pueden montar reguladores de tensión automáticos en postes de la línea de distribución. Estos son autotransformadores , nuevamente, con cambiadores de tomas en carga para ajustar la relación dependiendo de los cambios de tensión observados. En el servicio de cada cliente, el transformador reductor tiene hasta cinco tomas para permitir un cierto rango de ajuste, generalmente ± 5% de la tensión nominal. Dado que estas tomas no se controlan automáticamente, se utilizan solo para ajustar la tensión promedio a largo plazo en el servicio y no para regular la tensión vista por el cliente de la empresa de servicios públicos.
La estabilidad del voltaje y la frecuencia suministrados a los clientes varía según los países y las regiones. La "calidad de la energía" es un término que describe el grado de desviación del voltaje y la frecuencia nominales de suministro. Las subidas y bajadas de tensión a corto plazo afectan a los equipos electrónicos sensibles, como las computadoras y las pantallas planas . Los cortes de energía a largo plazo, las caídas de tensión y los apagones y la baja confiabilidad del suministro generalmente aumentan los costos para los clientes, quienes pueden tener que invertir en sistemas de suministro de energía ininterrumpida o grupos electrógenos de reserva para proporcionar energía cuando el suministro de la red pública no está disponible o no se puede utilizar. El suministro de energía errático puede ser una desventaja económica grave para las empresas y los servicios públicos que dependen de maquinaria eléctrica, iluminación, control de clima y computadoras. Incluso el sistema de energía de mejor calidad puede tener averías o requerir mantenimiento. Por eso, las empresas, los gobiernos y otras organizaciones a veces tienen generadores de respaldo en instalaciones sensibles, para garantizar que la energía esté disponible incluso en caso de un corte de energía o un apagón.
La calidad de la energía también puede verse afectada por distorsiones de la forma de onda de la corriente o del voltaje en forma de armónicos de la frecuencia fundamental (de suministro) o distorsión de (inter)modulación no armónica , como la causada por interferencias electromagnéticas . Por el contrario, la distorsión armónica suele estar causada por las condiciones de la carga o del generador. En la energía multifásica, pueden producirse distorsiones por cambio de fase causadas por cargas desequilibradas.
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