Un sistema de energía eléctrica es una red de componentes eléctricos desplegados para suministrar, transferir y utilizar energía eléctrica. Un ejemplo de sistema de energía es la red eléctrica que proporciona energía a hogares e industrias dentro de un área extensa. La red eléctrica se puede dividir en términos generales en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que transporta la energía desde los centros de generación a los centros de carga y el sistema de distribución que alimenta la energía a los hogares e industrias cercanas.
Los sistemas de energía más pequeños también se encuentran en industrias, hospitales, edificios comerciales y hogares. Un diagrama unifilar ayuda a representar todo este sistema. La mayoría de estos sistemas dependen de energía CA trifásica , el estándar para la transmisión y distribución de energía a gran escala en todo el mundo moderno. Los sistemas de energía especializados que no siempre dependen de la energía CA trifásica se encuentran en aviones, sistemas ferroviarios eléctricos, transatlánticos, submarinos y automóviles.
En 1881, dos electricistas construyeron el primer sistema eléctrico del mundo en Godalming , Inglaterra. Estaba impulsado por dos ruedas hidráulicas y producía una corriente alterna que a su vez alimentaba siete lámparas de arco Siemens de 250 voltios y 34 lámparas incandescentes de 40 voltios. [1] Sin embargo, el suministro de las lámparas fue intermitente y en 1882 Thomas Edison y su compañía, Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera central eléctrica alimentada por vapor en Pearl Street en la ciudad de Nueva York. La estación Pearl Street inicialmente encendió alrededor de 3000 lámparas para 59 clientes. [2] [3] La central eléctrica generaba corriente continua y funcionaba con un solo voltaje. La energía de corriente continua no se podía transformar fácil o eficientemente a los voltajes más altos necesarios para minimizar la pérdida de energía durante la transmisión a larga distancia, por lo que la distancia económica máxima entre los generadores y la carga se limitó a alrededor de media milla (800 m). [4]
Ese mismo año en Londres, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs demostraron el "generador secundario", el primer transformador adecuado para su uso en un sistema de energía real. [5] El valor práctico del transformador de Gaulard y Gibbs quedó demostrado en 1884 en Turín, donde el transformador se utilizó para iluminar 40 kilómetros (25 millas) de vías férreas con un solo generador de corriente alterna . [6] A pesar del éxito del sistema, la pareja cometió algunos errores fundamentales. Quizás lo más serio fue conectar los primarios de los transformadores en serie para que las lámparas activas afectaran el brillo de otras lámparas más adelante en la línea.
En 1885, Ottó Titusz Bláthy, en colaboración con Károly Zipernowsky y Miksa Déri, perfeccionó el generador secundario de Gaulard y Gibbs, dotándolo de un núcleo de hierro cerrado y su nombre actual: " transformador ". [7] Los tres ingenieros presentaron un sistema de energía en la Exposición General Nacional de Budapest que implementó el sistema de distribución de CA en paralelo propuesto por un científico británico [a] en el que varios transformadores de potencia tienen sus devanados primarios alimentados en paralelo desde una alta -Línea de distribución de tensión. El sistema encendió más de 1.000 lámparas de filamento de carbono y funcionó con éxito desde mayo hasta noviembre de ese año. [8]
También en 1885, George Westinghouse , un empresario estadounidense, obtuvo los derechos de patente del transformador Gaulard-Gibbs e importó varios de ellos junto con un generador Siemens , y puso a sus ingenieros a experimentar con ellos con la esperanza de mejorarlos para su uso en una industria comercial. Sistema de poder. En 1886, uno de los ingenieros de Westinghouse, William Stanley , reconoció de forma independiente el problema de conectar transformadores en serie en lugar de en paralelo y también se dio cuenta de que convertir el núcleo de hierro de un transformador en un bucle completamente cerrado mejoraría la regulación de voltaje del devanado secundario. [9] Utilizando este conocimiento, construyó un sistema de energía de corriente alterna basado en transformadores de voltaje múltiple que daba servicio a múltiples hogares y negocios en Great Barrington, Massachusetts en 1886. [10] Sin embargo, el sistema no era confiable y tenía una vida corta, debido principalmente a cuestiones de generación. [11] Sin embargo, basándose en ese sistema, Westinghouse comenzaría a instalar sistemas de transformadores de CA en competencia con Edison Company más tarde ese año. En 1888, Westinghouse obtuvo la licencia de las patentes de Nikola Tesla para diseños de transformadores y motores de inducción de CA polifásicos . Tesla fue consultor durante un año en Westinghouse Electric & Manufacturing Company, pero los ingenieros de Westinghouse tardaron cuatro años más en desarrollar un motor polifásico y un sistema de transmisión viable. [12] [13]
En 1889, la industria de la energía eléctrica estaba floreciendo y las compañías eléctricas habían construido miles de sistemas de energía (tanto de corriente continua como alterna) en Estados Unidos y Europa. Estas redes se dedicaban efectivamente a proporcionar iluminación eléctrica. Durante este tiempo la rivalidad entre las empresas de Thomas Edison y George Westinghouse había crecido hasta convertirse en una campaña de propaganda sobre qué forma de transmisión (corriente continua o alterna) era superior, una serie de acontecimientos conocidos como la " guerra de las corrientes ". [14] En 1891, Westinghouse instaló el primer sistema de energía importante diseñado para impulsar un motor eléctrico síncrono de 100 caballos de fuerza (75 kW), no solo para proporcionar iluminación eléctrica, en Telluride, Colorado . [15] Al otro lado del Atlántico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown construyeron la primera transmisión trifásica de larga distancia (175 kilómetros (109 millas)) de alto voltaje (15 kV, entonces un récord). línea de Lauffen am Neckar a Frankfurt am Main para la Exposición de Ingeniería Eléctrica en Frankfurt, donde se utilizó energía para encender lámparas y hacer funcionar una bomba de agua. [16] [9] En los Estados Unidos, la competencia AC/DC llegó a su fin cuando Edison General Electric fue adquirida por su principal rival de AC, Thomson-Houston Electric Company , formando General Electric . En 1895, después de un prolongado proceso de toma de decisiones, se eligió la corriente alterna como estándar de transmisión; Westinghouse construyó la estación generadora Adams No. 1 en las Cataratas del Niágara y General Electric construyó el sistema de energía de corriente alterna trifásico para suministrar a Buffalo a 11 kV. . [9]
Los avances en los sistemas energéticos continuaron más allá del siglo XIX. En 1936 se construyó la primera línea experimental de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que utilizaba válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York . [17] La HVDC se había logrado anteriormente mediante motores y generadores de corriente continua conectados en serie (el sistema Thury ), aunque esto sufría serios problemas de confiabilidad. [18] [17] El primer diodo metálico de estado sólido adecuado para usos energéticos generales fue desarrollado por Ernst Presser en TeKaDe en 1928. Consistía en una capa de selenio aplicada sobre una placa de aluminio. [19] En 1957, un grupo de investigación de General Electric desarrolló el primer tiristor adecuado para su uso en aplicaciones de energía, iniciando una revolución en la electrónica de potencia. Ese mismo año, Siemens demostró un rectificador de estado sólido , pero no fue hasta principios de la década de 1970 que los dispositivos de estado sólido se convirtieron en el estándar en HVDC, cuando GE surgió como uno de los principales proveedores de HVDC basado en tiristores. [20] En 1979, un consorcio europeo que incluía a Siemens, Brown Boveri & Cie y AEG realizó el enlace HVDC récord desde Cabora Bassa a Johannesburgo , extendiéndose más de 1.420 kilómetros (880 millas) y transportando 1,9 GW a 533 kV. [17]
En los últimos tiempos, muchos avances importantes han surgido de la extensión de las innovaciones en el campo de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) al campo de la ingeniería energética. Por ejemplo, el desarrollo de las computadoras significó que los estudios de flujo de carga pudieran ejecutarse de manera más eficiente, lo que permitió una planificación mucho mejor de los sistemas de energía. Los avances en la tecnología de la información y las telecomunicaciones también permitieron un control remoto eficaz de los interruptores y generadores de un sistema eléctrico.
La energía eléctrica es el producto de dos cantidades: corriente y voltaje . Estas dos cantidades pueden variar con respecto al tiempo ( alimentación CA ) o pueden mantenerse en niveles constantes ( alimentación CC ).
La mayoría de los refrigeradores, aires acondicionados, bombas y maquinaria industrial utilizan alimentación de CA, mientras que la mayoría de las computadoras y equipos digitales utilizan alimentación de CC (los dispositivos digitales conectados a la red eléctrica suelen tener un adaptador de alimentación interno o externo para convertir de CA a CC). La energía CA tiene la ventaja de ser fácil de transformar entre voltajes y puede generarse y utilizarse mediante maquinaria sin escobillas. La alimentación CC sigue siendo la única opción práctica en los sistemas digitales y puede resultar más económico transmitir a largas distancias con voltajes muy altos (consulte HVDC ). [21] [22]
La capacidad de transformar fácilmente el voltaje de la alimentación de CA es importante por dos razones: en primer lugar, la energía se puede transmitir a largas distancias con menos pérdidas a voltajes más altos. Entonces, en sistemas de energía donde la generación está distante de la carga, es deseable aumentar (aumentar) el voltaje de energía en el punto de generación y luego reducir (disminuir) el voltaje cerca de la carga. En segundo lugar, suele ser más económico instalar turbinas que produzcan voltajes más altos que los que utilizarían la mayoría de los aparatos, por lo que la capacidad de transformar voltajes fácilmente significa que este desajuste entre voltajes se puede gestionar fácilmente. [21]
Los dispositivos de estado sólido , que son productos de la revolución de los semiconductores , permiten transformar la energía CC a diferentes voltajes , construir máquinas de CC sin escobillas y convertir entre energía CA y CC . Sin embargo, los dispositivos que utilizan tecnología de estado sólido suelen ser más caros que sus homólogos tradicionales, por lo que la alimentación de CA sigue siendo de uso generalizado. [23]
Todos los sistemas de energía tienen una o más fuentes de energía. Para algunos sistemas de energía, la fuente de energía es externa al sistema, pero para otros, es parte del sistema mismo; son estas fuentes de energía internas las que se analizan en el resto de esta sección. La energía de corriente continua puede ser suministrada por baterías , pilas de combustible o células fotovoltaicas . La energía de corriente alterna generalmente es suministrada por un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador . Se ha utilizado una amplia gama de técnicas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor calentado con combustibles fósiles (incluido carbón, gas y petróleo) o energía nuclear hasta agua que cae ( energía hidroeléctrica ) y viento ( energía eólica ).
La velocidad a la que gira el rotor en combinación con el número de polos del generador determina la frecuencia de la corriente alterna producida por el generador. Todos los generadores de un único sistema síncrono, por ejemplo, la red nacional , giran a submúltiplos de la misma velocidad y, por tanto, generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si la carga en el sistema aumenta, los generadores necesitarán más torque para girar a esa velocidad y, en una central eléctrica de vapor, se deberá suministrar más vapor a las turbinas que los impulsan. Así, el vapor utilizado y el combustible gastado están directamente relacionados con la cantidad de energía eléctrica suministrada. Existe una excepción para los generadores que incorporan electrónica de potencia, como turbinas eólicas sin engranajes , o conectados a una red a través de un enlace asíncrono como un enlace HVDC : estos pueden operar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema de energía.
Dependiendo de cómo se alimenten los polos, los generadores de corriente alterna pueden producir un número variable de fases de energía. Un mayor número de fases conduce a una operación más eficiente del sistema eléctrico, pero también aumenta los requisitos de infraestructura del sistema. [24] Los sistemas de la red eléctrica conectan varios generadores que funcionan a la misma frecuencia: el más común es trifásico a 50 o 60 Hz.
Hay una variedad de consideraciones de diseño para las fuentes de alimentación. Estos van desde lo obvio: ¿Cuánta energía debería poder suministrar el generador? ¿Cuál es el tiempo aceptable para arrancar el generador (algunos generadores pueden tardar horas en arrancar)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas energías renovables sólo están disponibles cuando brilla el sol o sopla el viento)? Para los más técnicos: ¿Cómo debería arrancar el generador (algunas turbinas actúan como un motor para acelerar, en cuyo caso necesitan un circuito de arranque adecuado)? ¿Cuál es la velocidad mecánica de operación de la turbina y, en consecuencia, cuál es el número de polos necesarios? ¿Qué tipo de generador es adecuado ( síncrono o asíncrono ) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor devanado, rotor de polos salientes o rotor cilíndrico)? [25]
Los sistemas de energía entregan energía a cargas que realizan una función. Estas cargas van desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial. La mayoría de las cargas esperan un voltaje determinado y, para los dispositivos de corriente alterna, una frecuencia y un número de fases determinados. Los electrodomésticos que se encuentran en entornos residenciales, por ejemplo, suelen ser monofásicos y funcionan a 50 o 60 Hz con un voltaje de entre 110 y 260 voltios (según las normas nacionales). Existe una excepción para los sistemas de aire acondicionado centralizados más grandes, ya que ahora suelen ser trifásicos porque esto les permite funcionar de manera más eficiente. Todos los aparatos eléctricos también tienen una potencia nominal, que especifica la cantidad de energía que consume el dispositivo. En cualquier momento, la cantidad neta de energía consumida por las cargas de un sistema de energía debe ser igual a la cantidad neta de energía producida por los suministros menos la energía perdida en la transmisión. [26] [27]
Asegurarse de que el voltaje, la frecuencia y la cantidad de energía suministrada a las cargas estén en línea con las expectativas es uno de los grandes desafíos de la ingeniería de sistemas eléctricos. Sin embargo, no es el único desafío, además de la energía utilizada por una carga para realizar un trabajo útil (denominada potencia real ), muchos dispositivos de corriente alterna también usan una cantidad adicional de energía porque hacen que el voltaje alterno y la corriente alterna se apaguen ligeramente. -de sincronización (denominada potencia reactiva ). La potencia reactiva como la potencia real debe equilibrarse (es decir, la potencia reactiva producida en un sistema debe ser igual a la potencia reactiva consumida) y puede ser suministrada desde los generadores, sin embargo, a menudo es más económico suministrar dicha potencia desde los condensadores (ver "Condensadores"). y reactores" a continuación para más detalles). [28]
Una última consideración con las cargas tiene que ver con la calidad de la energía. Además de las sobretensiones y subtensiones sostenidas (problemas de regulación de voltaje), así como las desviaciones sostenidas de la frecuencia del sistema (problemas de regulación de frecuencia), las cargas del sistema eléctrico pueden verse afectadas negativamente por una variedad de problemas temporales. Estos incluyen caídas, caídas y aumentos de voltaje, sobretensiones transitorias, parpadeos, ruido de alta frecuencia, desequilibrio de fase y factor de potencia deficiente. [29] Los problemas de calidad de la energía ocurren cuando el suministro de energía a una carga se desvía del ideal. Los problemas de calidad de la energía pueden ser especialmente importantes cuando se trata de maquinaria industrial especializada o equipos hospitalarios.
Los conductores transportan energía desde los generadores a la carga. En una red , los conductores pueden clasificarse como pertenecientes al sistema de transmisión , que transporta grandes cantidades de energía a altos voltajes (típicamente más de 69 kV) desde los centros de generación a los centros de carga, o al sistema de distribución , que alimenta cantidades más pequeñas de energía a voltajes más bajos (normalmente menos de 69 kV) desde los centros de carga hasta los hogares y la industria cercanos. [30]
La elección de los conductores se basa en consideraciones como el costo, las pérdidas de transmisión y otras características deseables del metal, como la resistencia a la tracción. El cobre , con menor resistividad que el aluminio , alguna vez fue el conductor elegido para la mayoría de los sistemas eléctricos. Sin embargo, el aluminio tiene un costo menor para la misma capacidad de carga de corriente y ahora suele ser el conductor elegido. Los conductores de líneas aéreas pueden reforzarse con acero o aleaciones de aluminio. [31]
Los conductores de los sistemas eléctricos exteriores pueden colocarse aéreos o subterráneos. Los conductores aéreos suelen estar aislados del aire y soportados sobre aisladores de porcelana, vidrio o polímero. Los cables utilizados para transmisión subterránea o cableado de edificios están aislados con polietileno reticulado u otro aislamiento flexible. Los conductores suelen estar trenzados para hacerlos más flexibles y, por tanto, más fáciles de instalar. [32]
Los conductores generalmente están clasificados para la corriente máxima que pueden transportar a un aumento de temperatura determinado con respecto a las condiciones ambientales. A medida que aumenta el flujo de corriente a través de un conductor, este se calienta. Para conductores aislados, la clasificación está determinada por el aislamiento. [33] Para conductores desnudos, la clasificación se determina por el punto en el que la flexión de los conductores se volvería inaceptable. [34]
La mayor parte de la carga en un sistema de alimentación de CA típico es inductiva; la corriente va por detrás del voltaje. Dado que el voltaje y la corriente están desfasados, esto conduce al surgimiento de una forma "imaginaria" de potencia conocida como potencia reactiva . La potencia reactiva no realiza ningún trabajo medible, pero se transmite de un lado a otro entre la fuente de energía reactiva y la carga en cada ciclo. Esta potencia reactiva puede ser proporcionada por los propios generadores, pero a menudo es más barato proporcionarla a través de capacitores, por lo que los capacitores a menudo se colocan cerca de cargas inductivas (es decir, si no en el sitio de la subestación más cercana) para reducir la demanda de corriente en el sistema de energía ( es decir, aumentar el factor de potencia ).
Los reactores consumen energía reactiva y se utilizan para regular el voltaje en líneas de transmisión largas. En condiciones de carga ligera, donde la carga en las líneas de transmisión está muy por debajo de la carga de impedancia de sobretensión , la eficiencia del sistema de energía puede mejorarse mediante la conmutación de reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema de energía también limitan los flujos de corriente; por lo tanto, los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con capacitores para limitar los flujos de corriente asociados con la conmutación en un capacitor. Los reactores en serie también se pueden utilizar para limitar las corrientes de falla.
Los condensadores y reactores se conmutan mediante disyuntores, lo que da lugar a cambios considerables en la potencia reactiva. Una solución a esto viene en forma de condensadores síncronos , compensadores estáticos VAR y compensadores estáticos síncronos . Brevemente, los condensadores síncronos son motores síncronos que giran libremente para generar o absorber potencia reactiva. [35] Los compensadores estáticos VAR funcionan conectando condensadores utilizando tiristores en lugar de disyuntores, lo que permite que los condensadores se enciendan y apaguen en un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más refinada que los condensadores conmutados por disyuntor. Los compensadores estáticos síncronos van un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando únicamente electrónica de potencia .
La electrónica de potencia son dispositivos basados en semiconductores que pueden conmutar cantidades de energía que van desde unos pocos cientos de vatios hasta varios cientos de megavatios. A pesar de su función relativamente simple, su velocidad de operación (normalmente del orden de nanosegundos [36] ) significa que son capaces de realizar una amplia gama de tareas que serían difíciles o imposibles con la tecnología convencional. La función clásica de la electrónica de potencia es la rectificación , o la conversión de energía de CA a CC, por lo que la electrónica de potencia se encuentra en casi todos los dispositivos digitales que se alimentan de una fuente de CA o como un adaptador que se conecta a la pared (ver foto). o como componente interno del dispositivo. La electrónica de potencia de alta potencia también se puede utilizar para convertir energía de CA en energía de CC para transmisión a larga distancia en un sistema conocido como HVDC . Se utiliza HVDC porque resulta más económico que sistemas similares de CA de alto voltaje para distancias muy largas (de cientos a miles de kilómetros). HVDC también es deseable para las interconexiones porque permite la independencia de la frecuencia, mejorando así la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de energía que deba producir una salida de CA pero que, por su naturaleza, produzca una salida de CC. Por tanto, son utilizados por instalaciones fotovoltaicas.
La electrónica de potencia también se presenta en una amplia gama de usos más exóticos. Están en el corazón de todos los vehículos eléctricos e híbridos modernos, donde se utilizan tanto para el control del motor como como parte del motor de CC sin escobillas . La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos que funcionan con gasolina, esto se debe a que la energía proporcionada por las baterías del automóvil por sí sola es insuficiente para proporcionar encendido, aire acondicionado, iluminación interna, radio y pantallas en el tablero durante toda la vida útil del automóvil. Por lo tanto, las baterías deben recargarse mientras se conduce, una hazaña que normalmente se logra utilizando dispositivos electrónicos de potencia. [37]
Algunos sistemas ferroviarios eléctricos también utilizan energía CC y, por lo tanto, utilizan electrónica de potencia para alimentar las locomotoras con energía de la red y, a menudo, para controlar la velocidad del motor de la locomotora. A mediados del siglo XX, las locomotoras rectificadoras eran populares; utilizaban electrónica de potencia para convertir la energía de CA de la red ferroviaria para su uso en un motor de CC. [38] Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas reciben alimentación de CA y funcionan con motores de CA, pero todavía utilizan electrónica de potencia para proporcionar un control adecuado del motor. El uso de electrónica de potencia para ayudar con el control del motor y con los circuitos de arranque, además de la rectificación, es responsable de que la electrónica de potencia aparezca en una amplia gama de maquinaria industrial. La electrónica de potencia aparece incluso en los aparatos de aire acondicionado residenciales modernos y está en el corazón de la turbina eólica de velocidad variable .
Los sistemas de energía contienen dispositivos de protección para evitar lesiones o daños durante fallas. El dispositivo de protección por excelencia es el fusible. Cuando la corriente a través de un fusible excede un cierto umbral, el elemento fusible se funde, produciendo un arco a través del espacio resultante que luego se extingue, interrumpiendo el circuito. Dado que los fusibles pueden construirse como el punto débil de un sistema, los fusibles son ideales para proteger los circuitos contra daños. Sin embargo, los fusibles tienen dos problemas: en primer lugar, una vez que han funcionado, deben sustituirse, ya que no se pueden restablecer. Esto puede resultar inconveniente si el fusible está en un sitio remoto o no hay un fusible de repuesto disponible. Y en segundo lugar, los fusibles suelen ser inadecuados como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, ya que permiten flujos de corriente muy superiores a los que resultarían letales para un ser humano o un animal.
El primer problema se resuelve mediante el uso de disyuntores , dispositivos que se pueden restablecer después de haber interrumpido el flujo de corriente. En los sistemas modernos que utilizan menos de unos 10 kW, normalmente se utilizan disyuntores en miniatura. Estos dispositivos combinan el mecanismo que inicia el disparo (al detectar el exceso de corriente) así como el mecanismo que interrumpe el flujo de corriente en una sola unidad. Algunos disyuntores en miniatura funcionan únicamente sobre la base del electromagnetismo. En estos disyuntores en miniatura, la corriente pasa a través de un solenoide y, en caso de un exceso de flujo de corriente, la atracción magnética del solenoide es suficiente para forzar la apertura de los contactos del disyuntor (a menudo indirectamente a través de un mecanismo de disparo).
En aplicaciones de mayor potencia, los relés de protección que detectan una falla e inician un disparo están separados del disyuntor. Los primeros relés funcionaban según principios electromagnéticos similares a los mencionados en el párrafo anterior; los relés modernos son computadoras para aplicaciones específicas que determinan si se activan o no en función de las lecturas del sistema de energía. Diferentes relés iniciarán disparos dependiendo de diferentes esquemas de protección . Por ejemplo, un relé de sobrecorriente podría iniciar un disparo si la corriente en cualquier fase excede un cierto umbral, mientras que un conjunto de relés diferenciales podría iniciar un disparo si la suma de corrientes entre ellos indica que puede haber una fuga de corriente a tierra. Los disyuntores en aplicaciones de mayor potencia también son diferentes. Por lo general, el aire ya no es suficiente para apagar el arco que se forma cuando se fuerza la apertura de los contactos, por lo que se utilizan diversas técnicas. Una de las técnicas más populares es mantener la cámara que encierra los contactos inundada con hexafluoruro de azufre (SF 6 ), un gas no tóxico con buenas propiedades de extinción de arcos. Otras técnicas se analizan en la referencia. [39]
El segundo problema, la inadecuación de los fusibles para actuar como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas eléctricos, probablemente se resuelva mejor mediante el uso de dispositivos de corriente residual (RCD). En cualquier aparato eléctrico que funcione correctamente, la corriente que fluye hacia el aparato en la línea activa debe ser igual a la corriente que fluye fuera del aparato por la línea neutra. Un dispositivo de corriente residual funciona monitoreando las líneas activa y neutral y disparando la línea activa si nota una diferencia. [40] Los dispositivos de corriente residual requieren una línea neutra separada para cada fase y poder dispararse dentro de un período de tiempo antes de que ocurra algún daño. Por lo general, esto no es un problema en la mayoría de las aplicaciones residenciales donde el cableado estándar proporciona una línea activa y neutral para cada electrodoméstico (es por eso que los enchufes siempre tienen al menos dos pinzas) y los voltajes son relativamente bajos; sin embargo, estos problemas limitan la efectividad de los RCD. en otras aplicaciones como la industria. Incluso con la instalación de un RCD, la exposición a la electricidad puede resultar mortal.
En grandes sistemas de energía eléctrica, el control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) se utiliza para tareas como encender generadores, controlar la salida del generador y encender o apagar elementos del sistema para mantenimiento. Los primeros sistemas de control de supervisión implementados consistieron en un panel de lámparas e interruptores en una consola central cerca de la planta controlada. Las lámparas proporcionaban retroalimentación sobre el estado de la planta (la función de adquisición de datos) y los interruptores permitían realizar ajustes en la planta (la función de control de supervisión). Hoy en día, los sistemas SCADA son mucho más sofisticados y, debido a los avances en los sistemas de comunicación, las consolas que controlan la planta ya no necesitan estar cerca de la propia planta. En cambio, ahora es común que las plantas se controlen con equipos similares (si no idénticos) a una computadora de escritorio. La capacidad de controlar dichas plantas a través de computadoras ha aumentado la necesidad de seguridad; ya ha habido informes de ataques cibernéticos a dichos sistemas que causaron interrupciones significativas en los sistemas de energía. [41]
A pesar de sus componentes comunes, los sistemas de energía varían ampliamente tanto con respecto a su diseño como a su funcionamiento. Esta sección presenta algunos tipos de sistemas de energía comunes y explica brevemente su funcionamiento.
Las viviendas residenciales casi siempre se alimentan de las líneas o cables de distribución de baja tensión que pasan por la vivienda. Estos operan a voltajes de entre 110 y 260 voltios (fase a tierra) dependiendo de los estándares nacionales. Hace unas décadas, las viviendas pequeñas se alimentaban con una sola fase mediante un cable de servicio exclusivo de dos núcleos (un núcleo para la fase activa y un núcleo para el retorno neutro). Luego, la línea activa pasaría a través de un interruptor de aislamiento principal en la caja de fusibles y luego se dividiría en uno o más circuitos para alimentar la iluminación y los electrodomésticos dentro de la casa. Por convención, los circuitos de iluminación y de electrodomésticos se mantienen separados para que la falla de un electrodoméstico no deje a los ocupantes de la vivienda en la oscuridad. Todos los circuitos estarían protegidos con un fusible apropiado según el tamaño del cable utilizado para ese circuito. Los circuitos tendrían un cable activo y neutro con las tomas de corriente y de iluminación conectadas en paralelo. Los enchufes también estarían provistos de una tierra de protección. Este se pondría a disposición de los electrodomésticos para conectarse a cualquier carcasa metálica. Si esta carcasa entrara en tensión, la teoría es que la conexión a tierra provocaría que se disparara un RCD o un fusible, evitando así la electrocución futura de un ocupante que manipule el aparato. Los sistemas de puesta a tierra varían entre regiones, pero en países como el Reino Unido y Australia, tanto la tierra de protección como la línea neutra se conectarían a tierra juntas cerca de la caja de fusibles antes del interruptor de aislamiento principal y el neutro se conectaría a tierra nuevamente en el transformador de distribución. [42]
Ha habido una serie de cambios menores a lo largo de los años en la práctica del cableado residencial. Algunas de las formas más significativas en que los sistemas eléctricos residenciales modernos en los países desarrollados tienden a diferir de los más antiguos incluyen:
Los sistemas de energía comerciales, como los centros comerciales o los edificios de gran altura, son de mayor escala que los sistemas residenciales. Los diseños eléctricos para sistemas comerciales más grandes generalmente se estudian en función del flujo de carga, los niveles de falla de cortocircuito y la caída de voltaje. Los objetivos de los estudios son garantizar el tamaño adecuado del equipo y del conductor, y coordinar los dispositivos de protección para que se produzca una interrupción mínima cuando se solucione una falla. Las grandes instalaciones comerciales tendrán un sistema ordenado de subpaneles, separados del tablero de distribución principal para permitir una mejor protección del sistema y una instalación eléctrica más eficiente.
Normalmente, uno de los aparatos más grandes conectados a un sistema de energía comercial en climas cálidos es la unidad HVAC, y garantizar que esta unidad reciba el suministro adecuado es una consideración importante en los sistemas de energía comerciales. Las regulaciones para establecimientos comerciales imponen otros requisitos a los sistemas comerciales que no se imponen a los sistemas residenciales. Por ejemplo, en Australia, los sistemas comerciales deben cumplir con AS 2293, la norma para iluminación de emergencia, que exige que la iluminación de emergencia se mantenga durante al menos 90 minutos en caso de pérdida del suministro principal. [43] En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional exige que los sistemas comerciales se construyan con al menos una salida de señalización de 20 A para iluminar la señalización exterior. [44] Las regulaciones del código de construcción pueden imponer requisitos especiales al sistema eléctrico para iluminación de emergencia, evacuación, energía de emergencia, control de humo y protección contra incendios.
La gestión del sistema de energía varía según el sistema de energía. Los sistemas de energía residenciales e incluso los sistemas eléctricos de automóviles a menudo llegan a fallar. En la aviación, el sistema de energía utiliza la redundancia para garantizar la disponibilidad. En el Boeing 747-400, cualquiera de los cuatro motores puede proporcionar energía y los disyuntores se verifican como parte del encendido (un disyuntor disparado indica una falla). [45] Los sistemas de energía más grandes requieren una gestión activa. En plantas industriales o sitios mineros, un solo equipo puede ser responsable de la gestión, el aumento y el mantenimiento de fallas. Mientras que en el caso de la red eléctrica , la gestión se divide entre varios equipos especializados.
La gestión de fallas implica monitorear el comportamiento del sistema de energía para identificar y corregir problemas que afectan la confiabilidad del sistema. [46] La gestión de fallas puede ser específica y reactiva: por ejemplo, enviar un equipo para sujetar un conductor que ha sido derribado durante una tormenta. O, alternativamente, puede centrarse en mejoras sistémicas: como la instalación de reconectadores en secciones del sistema que están sujetas a interrupciones temporales frecuentes (como las que pueden ser causadas por la vegetación, los rayos o la vida silvestre). [47]
Además de la gestión de fallas, los sistemas de energía pueden requerir mantenimiento o aumento. Como a menudo no resulta económico ni práctico que grandes partes del sistema estén fuera de línea durante este trabajo, los sistemas de energía se construyen con muchos interruptores. Estos interruptores permiten aislar la parte del sistema en la que se está trabajando mientras el resto del sistema permanece activo. En altos voltajes, hay dos interruptores destacados: aisladores y disyuntores . Los disyuntores son interruptores de carga en los que operar aisladores bajo carga provocaría arcos inaceptables y peligrosos . En una interrupción planificada típica, se disparan varios disyuntores para permitir que los aisladores se cambien antes de que los disyuntores se cierren nuevamente para redirigir la energía alrededor del área aislada. Esto permite completar el trabajo en el área aislada. [48]
Más allá de la gestión de fallos y el mantenimiento, una de las principales dificultades de los sistemas eléctricos es que la potencia activa consumida más las pérdidas deben ser iguales a la potencia activa producida. Si la carga se reduce mientras las entradas de generación permanecen constantes, los generadores síncronos girarán más rápido y la frecuencia del sistema aumentará. Lo contrario ocurre si se aumenta la carga. Como tal, la frecuencia del sistema debe gestionarse activamente principalmente mediante el encendido y apagado de cargas y generación despachables . Asegurarse de que la frecuencia sea constante suele ser tarea de un operador del sistema . [49] Incluso manteniendo la frecuencia, el operador del sistema puede mantenerse ocupado asegurando:
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