La distribución de energía eléctrica es la etapa final en el suministro de electricidad . La electricidad se transporta desde el sistema de transmisión hasta los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y bajan el voltaje de transmisión a media tensión que oscila entre2 kV y33 kV con uso de transformadores . [1] Las líneas de distribución primaria transportan esta energía de media tensión hasta los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a reducir el voltaje al voltaje de utilización utilizado por la iluminación, los equipos industriales y los electrodomésticos. A menudo, varios clientes reciben suministro desde un transformador a través de líneas de distribución secundarias . Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundaria a través de caídas de servicio . Los clientes que demandan una cantidad mucho mayor de energía pueden conectarse directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión . [2]
La transición de transmisión a distribución ocurre en una subestación eléctrica , la cual tiene las siguientes funciones: [2]
La distribución urbana es principalmente subterránea, en ocasiones en conductos comunes de servicios públicos . La distribución rural es mayoritariamente aérea con postes de servicios públicos , y la distribución suburbana es mixta. [1] Más cerca del cliente, un transformador de distribución reduce la energía de distribución primaria a un circuito secundario de bajo voltaje, generalmente 120/240 V en los EE. UU. para clientes residenciales. La energía llega al cliente a través de una caída de servicio y un medidor de electricidad . El circuito final en un sistema urbano puede tener menos de 15 metros (50 pies), pero puede tener más de 91 metros (300 pies) para un cliente rural. [1]
La distribución de energía eléctrica no se hizo necesaria hasta la década de 1880, cuando se empezó a generar electricidad en las centrales eléctricas . Antes de eso, la electricidad normalmente se generaba en el lugar donde se utilizaba. Los primeros sistemas de distribución de energía instalados en ciudades europeas y estadounidenses se utilizaron para suministrar iluminación: iluminación de arco que funcionaba con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) de muy alto voltaje (alrededor de 3.000 V ), e iluminación incandescente que funcionaba con corriente baja. -voltaje (100 V) corriente continua. [3] Ambos estaban reemplazando a los sistemas de iluminación de gas , con la iluminación de arco asumiendo el control del alumbrado público y de áreas grandes, y la iluminación incandescente reemplazando las luces de gas para usuarios comerciales y residenciales.
Debido a los altos voltajes utilizados en la iluminación de arco, una sola estación generadora podría suministrar una larga cadena de luces, de hasta 11 km (7 millas) de largo. [4] Y cada duplicación del voltaje permitiría que un cable determinado transmitiera la misma cantidad de energía cuatro veces la distancia que con el voltaje más bajo (con la misma pérdida de energía). Por el contrario, los sistemas de iluminación incandescente de corriente continua para interiores, por ejemplo la primera central eléctrica de Edison , instalada en 1882, tenían dificultades para abastecer a los clientes a más de un kilómetro de distancia. Esto se debió al bajo voltaje (110 V) que utilizó en todo momento, desde la generación hasta el uso final. Este bajo voltaje se tradujo en una corriente más alta, lo que requirió cables de cobre gruesos para la transmisión. En la práctica, las plantas de generación de CC de Edison debían estar a aproximadamente 2,4 km (1,5 millas) del cliente más lejano para evitar conductores aún más gruesos y caros.
El problema de transmitir electricidad a distancias más largas se convirtió en un obstáculo de ingeniería reconocido para la distribución de energía eléctrica, con muchas soluciones poco satisfactorias probadas por las empresas de iluminación. Pero a mediados de la década de 1880 se produjo un gran avance con el desarrollo de transformadores funcionales que permitieron "aumentar" la energía de CA a un voltaje mucho más alto para la transmisión y luego reducirlo a un voltaje más bajo cerca del usuario final. En comparación con la corriente continua, la CA tenía costos de transmisión mucho más baratos y mayores economías de escala (con grandes plantas generadoras de CA capaces de abastecer a ciudades y regiones enteras), lo que llevó a que el uso de la CA se extendiera rápidamente.
En los EE. UU., la competencia entre la corriente continua y la corriente alterna tomó un giro personal a finales de la década de 1880 en forma de una " guerra de corrientes ", cuando Thomas Edison comenzó a atacar a George Westinghouse y su desarrollo de los primeros sistemas de transformadores de CA en los EE. UU., destacando las muertes. causado por sistemas de CA de alto voltaje a lo largo de los años y afirmando que cualquier sistema de CA era intrínsecamente peligroso. [5] La campaña de propaganda de Edison duró poco, y su empresa cambió a AC en 1892.
La CA se convirtió en la forma dominante de transmisión de energía con innovaciones en Europa y EE. UU. en diseños de motores eléctricos y el desarrollo de sistemas universales diseñados que permitieron conectar una gran cantidad de sistemas heredados a grandes redes de CA. [6] [7]
En la primera mitad del siglo XX, en muchos lugares la industria de la energía eléctrica estaba integrada verticalmente , lo que significa que una sola empresa se encargaba de la generación, transmisión, distribución, medición y facturación. A partir de las décadas de 1970 y 1980, las naciones iniciaron el proceso de desregulación y privatización , dando lugar a los mercados eléctricos . El sistema de distribución seguiría regulado, pero los sistemas de generación, venta minorista y, a veces, de transmisión se transformaron en mercados competitivos.
La energía eléctrica comienza en una estación generadora, donde la diferencia de potencial puede llegar a 33.000 voltios. Generalmente se utiliza aire acondicionado. Los usuarios de grandes cantidades de energía CC, como algunos sistemas de electrificación ferroviaria , centrales telefónicas y procesos industriales como la fundición de aluminio , utilizan rectificadores para derivar CC del suministro público de CA, o pueden tener sus propios sistemas de generación. La CC de alto voltaje puede resultar ventajosa para aislar sistemas de corriente alterna o controlar la cantidad de electricidad transmitida. Por ejemplo, Hydro-Québec dispone de una línea de corriente continua que va desde la región de James Bay hasta Boston . [8]
Desde la estación generadora pasa al patio de maniobras de la estación generadora donde un transformador elevador aumenta el voltaje a un nivel adecuado para la transmisión, de 44 kV a 765 kV. Una vez en el sistema de transmisión, la electricidad de cada estación generadora se combina con la electricidad producida en otros lugares. La electricidad se consume tan pronto como se produce. Se transmite a una velocidad muy alta, cercana a la velocidad de la luz .
Los voltajes de distribución primaria varían de 4 kV a 35 kV fase a fase (2,4 kV a 20 kV fase a neutro) [9] Sólo los grandes consumidores se alimentan directamente de los voltajes de distribución; la mayoría de los clientes de servicios públicos están conectados a un transformador, que reduce el voltaje de distribución al "voltaje de utilización", "voltaje de suministro" o "voltaje de red" de bajo voltaje utilizado por los sistemas de iluminación y cableado interior.
Las redes de distribución se dividen en dos tipos, radiales o en red. [10] Un sistema radial está dispuesto como un árbol donde cada cliente tiene una fuente de suministro. Un sistema de red tiene múltiples fuentes de suministro que operan en paralelo. Las redes puntuales se utilizan para cargas concentradas. Los sistemas radiales se utilizan comúnmente en áreas rurales o suburbanas.
Los sistemas radiales suelen incluir conexiones de emergencia donde el sistema se puede reconfigurar en caso de problemas, como una falla o un mantenimiento planificado. Esto se puede hacer abriendo y cerrando interruptores para aislar una determinada sección de la red.
Los alimentadores largos experimentan una caída de voltaje ( distorsión del factor de potencia ) que requiere la instalación de capacitores o reguladores de voltaje .
La reconfiguración, al intercambiar los enlaces funcionales entre los elementos del sistema, representa una de las medidas más importantes que pueden mejorar el rendimiento operativo de un sistema de distribución. El problema de optimización a través de la reconfiguración de un sistema de distribución de energía, en términos de su definición, es un problema histórico de objetivo único con restricciones. Desde 1975, cuando Merlin y Back [11] introdujeron la idea de la reconfiguración del sistema de distribución para la reducción activa de pérdidas de potencia, hasta la actualidad, muchos investigadores han propuesto diversos métodos y algoritmos para resolver el problema de reconfiguración como un problema de único objetivo. Algunos autores han propuesto enfoques basados en la optimización de Pareto (incluyendo pérdidas de potencia activa e índices de confiabilidad como objetivos). Para ello se han utilizado diferentes métodos basados en inteligencia artificial: microgenético, [12] intercambio de ramas, [13] optimización de enjambre de partículas [14] y algoritmo genético de clasificación no dominado . [15]
Los sistemas de electrificación rural tienden a utilizar voltajes de distribución más altos debido a las distancias más largas que cubren las líneas de distribución (consulte Administración de Electrificación Rural ). La distribución de 7,2, 12,47, 25 y 34,5 kV es común en los Estados Unidos; 11 kV y 33 kV son comunes en el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda; 11 kV y 22 kV son comunes en Sudáfrica; En China son habituales las de 10, 20 y 35 kV. [16] Ocasionalmente se utilizan otros voltajes.
Los servicios rurales normalmente intentan minimizar el número de postes y cables. Utiliza voltajes más altos (que la distribución urbana), lo que a su vez permite el uso de alambre de acero galvanizado. El fuerte alambre de acero permite un espaciado ancho de postes menos costoso. En las zonas rurales, un transformador montado en poste puede servir a un solo cliente. En Nueva Zelanda , Australia , Saskatchewan, Canadá y Sudáfrica , los sistemas de retorno a tierra de un solo cable (SWER) se utilizan para electrificar áreas rurales remotas.
El servicio trifásico proporciona energía para grandes instalaciones agrícolas, instalaciones de bombeo de petróleo, plantas de agua u otros clientes que tienen grandes cargas (equipos trifásicos). En América del Norte, los sistemas de distribución aérea pueden ser trifásicos, de cuatro hilos y con un conductor neutro. El sistema de distribución rural puede tener tramos largos de un conductor de fase y un neutro. [17] En otros países o en zonas rurales extremas el cable neutro se conecta a tierra para usarlo como retorno (retorno a tierra de un solo cable).
La electricidad se suministra a una frecuencia de 50 o 60 Hz, según la región. Se entrega a clientes domésticos como energía eléctrica monofásica . En algunos países, como en Europa, se puede disponer de un suministro trifásico para propiedades más grandes. Visto con un osciloscopio , el suministro de energía doméstico en América del Norte se vería como una onda sinusoidal , que oscilaría entre −170 voltios y 170 voltios, dando un voltaje efectivo de 120 voltios RMS. [18] La energía eléctrica trifásica es más eficiente en términos de potencia entregada por cable utilizado y es más adecuada para hacer funcionar motores eléctricos grandes. Algunos electrodomésticos europeos grandes pueden funcionar con energía trifásica, como estufas eléctricas y secadoras de ropa.
Normalmente se proporciona una conexión a tierra para el sistema del cliente, así como para el equipo propiedad de la empresa de servicios públicos. El propósito de conectar el sistema del cliente a tierra es limitar el voltaje que puede desarrollarse si los conductores de alto voltaje caen sobre conductores de bajo voltaje que generalmente están montados más abajo del suelo, o si ocurre una falla dentro de un transformador de distribución. Los sistemas de puesta a tierra pueden ser TT, TN-S, TN-CS o TN-C.
La mayor parte del mundo utiliza 50 Hz 220 o 230 V monofásico, o 400 V trifásico para servicios residenciales e industriales ligeros. En este sistema, la red de distribución primaria suministra unas pocas subestaciones por área, y la energía de 230 V/400 V de cada subestación se distribuye directamente a los usuarios finales en una región que normalmente tiene un radio de menos de 1 km. Tres cables vivos (calientes) y el neutro están conectados al edificio para un servicio trifásico. La distribución monofásica, con un hilo vivo y el neutro, se utiliza en el ámbito doméstico donde las cargas totales son ligeras. En Europa, la electricidad se distribuye normalmente para uso industrial y doméstico mediante un sistema trifásico de cuatro hilos. Esto da un voltaje fase a fase de 400 voltios en servicio en estrella y un voltaje monofásico de 230 voltios entre cualquier fase y neutro. En el Reino Unido, una típica subestación urbana o suburbana de baja tensión normalmente tendría una potencia nominal de entre 150 kVA y 1 MVA y abastecería a todo un barrio de unos pocos cientos de casas. Los transformadores suelen tener un tamaño para una carga promedio de 1 a 2 kW por hogar, y los fusibles y el cable de servicio están dimensionados para permitir que cualquier propiedad absorba una carga máxima de quizás diez veces mayor. Para clientes industriales, también está disponible trifásico de 690/400 voltios , o puede generarse localmente. [19] Los grandes clientes industriales tienen su(s) propio(s) transformador(es) con una entrada de 11 kV a 220 kV.
La mayor parte de América utiliza CA de 60 Hz, el sistema de fase dividida de 120/240 voltios a nivel doméstico y trifásico para instalaciones más grandes. Los transformadores norteamericanos suelen alimentar las casas a 240 voltios, similar a los 230 voltios de Europa. Es la fase dividida la que permite el uso de 120 voltios en el hogar.
En el sector eléctrico de Japón , el voltaje estándar es de 100 V, utilizándose frecuencias de CA de 50 y 60 Hz. Algunas partes del país utilizan 50 Hz, mientras que otras partes utilizan 60 Hz. [20] Esta es una reliquia de la década de 1890. Algunos proveedores locales de Tokio importaron equipos alemanes de 50 Hz, mientras que los proveedores de energía locales de Osaka trajeron generadores de 60 Hz de Estados Unidos. Las redes crecieron hasta que finalmente todo el país quedó cableado. Hoy en día, la frecuencia es de 50 Hz en el este de Japón (incluidos Tokio, Yokohama , Tohoku y Hokkaido ) y de 60 Hz en el oeste de Japón (incluidos Nagoya , Osaka , Kioto , Hiroshima , Shikoku y Kyushu ). [21]
La mayoría de los electrodomésticos están diseñados para funcionar en cualquier frecuencia. El problema de la incompatibilidad salió a la luz pública cuando el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 destruyeron aproximadamente un tercio de la capacidad del este, y el poder en el oeste no pudo compartirse completamente con el este, ya que el país no tiene una frecuencia común. [20]
Hay cuatro estaciones convertidoras de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que transportan energía a través de la frontera de frecuencia de CA de Japón. Shin Shinano es una instalación HVDC consecutiva en Japón que forma una de las cuatro estaciones cambiadoras de frecuencia que conectan las redes eléctricas occidentales y orientales de Japón. Los otros tres están en Higashi-Shimizu , Minami-Fukumitsu y Sakuma Dam . Juntos pueden trasladar hasta 1,2 GW de energía hacia el este o el oeste. [22]
La mayoría de los hogares norteamericanos modernos están cableados para recibir 240 voltios del transformador y, mediante el uso de energía eléctrica de fase dividida , pueden tener receptáculos de 120 voltios y de 240 voltios. Los 120 voltios se utilizan normalmente para iluminación y para la mayoría de los enchufes de pared . Los circuitos de 240 voltios se utilizan normalmente para aparatos que requieren una alta producción de calor en vatios, como hornos y calentadores. También se pueden utilizar para alimentar un cargador de coche eléctrico .
Tradicionalmente, los sistemas de distribución sólo funcionarían como líneas de distribución simples donde la electricidad de las redes de transmisión se compartiría entre los clientes. Los sistemas de distribución actuales están fuertemente integrados con generaciones de energía renovable en el nivel de distribución de los sistemas de energía mediante recursos de generación distribuida , como la energía solar y la energía eólica . [23] Como resultado, los sistemas de distribución se están volviendo cada día más independientes de las redes de transmisión. Equilibrar la relación oferta-demanda en estas redes de distribución modernas (a veces denominadas microrredes ) es extremadamente desafiante y requiere el uso de diversos medios tecnológicos y operativos para operar. Dichas herramientas incluyen centrales eléctricas de almacenamiento de baterías , análisis de datos , herramientas de optimización, etc.
