La red eléctrica o la energía de servicios públicos , la energía de la red , la energía doméstica y la energía de la pared , o, en algunas partes de Canadá, hidroeléctrica , es un suministro de energía eléctrica de corriente alterna (CA) de uso general . Es la forma de energía eléctrica que se entrega a hogares y empresas a través de la red eléctrica en muchas partes del mundo. La gente usa esta electricidad para alimentar artículos cotidianos (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 Norteamérica, 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 no funcionar o dañarse debido a 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 red eléctrica recibe varios nombres, incluidos "energía pública", "energía doméstica", "electricidad doméstica", "corriente doméstica", "línea eléctrica", "energía doméstica", "corriente de pared", "línea eléctrica". "potencia", "corriente de pared", "alimentación de CA", "energía de la ciudad", "energía de la calle" y "120 (uno veinte)".
En el Reino Unido, la red eléctrica generalmente se denomina "la red eléctrica". Más de la mitad de la energía en Canadá es hidroeléctrica , y la electricidad de red a menudo se denomina "hidroeléctrica" en algunas regiones del país. Esto también se refleja en los nombres de empresas eléctricas actuales e históricas como Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro , Hydro One (Ontario) y Newfoundland and Labrador Hydro .
En todo el mundo existen muchos sistemas de alimentación de red diferentes para el funcionamiento de aparatos eléctricos e iluminación domésticos y comerciales ligeros. Los diferentes sistemas se caracterizan principalmente por:
Todos estos parámetros varían entre regiones. Los voltajes generalmente están en el rango de 100 a 240 V (siempre expresados como voltaje cuadrático medio ). Las dos frecuencias comúnmente utilizadas son 50 Hz y 60 Hz. En la actualidad, la energía monofásica o trifásica se utiliza con mayor frecuencia, aunque a principios del siglo XX se utilizaban sistemas bifásicos. 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 utilizar estándares diferentes a los del campo circundante (por ejemplo, en Libia ). Es posible que las regiones en un estado efectivo de anarquía no tengan una autoridad eléctrica central y que la energía eléctrica sea proporcionada por fuentes privadas incompatibles.
Antiguamente se utilizaban muchas otras combinaciones de voltaje y frecuencia de servicio público , con frecuencias entre 25 Hz y 133 Hz y voltajes de 100 V a 250 V. La corriente continua (CC) ha sido desplazada por la corriente alterna (CA) en los sistemas de energía públicos, pero la CC Se utilizó especialmente en algunas zonas de la ciudad hasta finales 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 enchufes y tomas de corriente), pero los voltajes comunes enumerados aquí aún 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 (EIA) de EE. UU. ha publicado:
Consumo de electricidad del sector residencial de EE. UU. por principales usos finales en 2021 [2]
Los aparatos electrónicos, como computadoras o televisores, suelen utilizar un convertidor de CA a CC o un adaptador de CA para alimentar el dispositivo. Suele ser capaz de funcionar con una amplia gama de voltajes y con ambas frecuencias de potencia comunes. 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 corriente para operar el dispositivo. [3] [4] Un tercer cable, no siempre presente, conecta las partes conductoras de la caja del aparato a tierra. Esto protege a los usuarios de descargas eléctricas si partes internas vivas entran accidentalmente en contacto con la carcasa.
En el norte y centro de Europa, el suministro eléctrico residencial suele ser de energía eléctrica trifásica de 400 V, lo que da 230 V entre cualquier monofásico y neutro; El cableado doméstico puede ser una combinación de circuitos trifásicos y monofásicos, pero el uso residencial trifásico es poco común en el Reino Unido. Los electrodomésticos de alta potencia, como estufas de cocina , calentadores de agua y herramientas domésticas pesadas, como cortadoras de troncos , pueden recibir alimentación de la fuente de alimentación trifásica de 400 V.
Los pequeños equipos eléctricos portátiles se conectan a la fuente de alimentación a través de cables flexibles terminados en un enchufe , que se inserta en un receptáculo fijo (toma de corriente). Los equipos eléctricos domésticos y los equipos industriales de mayor tamaño pueden conectarse permanentemente al cableado fijo del edificio. Por ejemplo, en los hogares de América del Norte, una unidad de aire acondicionado autónoma montada en la ventana estaría conectada a un enchufe de pared, mientras que el aire acondicionado central de toda una casa estaría conectado permanentemente. Se utilizan combinaciones de enchufes y tomas más grandes 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 la línea y los cables neutros 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 generalmente se montan en un panel central (más comúnmente un tablero 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 dentro del enchufe. Los dispositivos de corriente residual , también conocidos como interruptores de circuito de falla a tierra e interruptores de corriente de fuga de electrodomésticos, se utilizan para detectar fallas a tierra: flujo de corriente en cables distintos del neutro y de 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 América del Sur ) utiliza un suministro que está dentro del 6% de los 230 V. En el Reino Unido [5] el voltaje de suministro nominal es 230 V + 10%/-6% para adaptarse al hecho de que la mayoría de los transformadores todavía están configurados en 240 V. El estándar de 230 V se ha generalizado de modo que los equipos de 230 V se pueden usar 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 en Estados Unidos, que puede suministre 200 V utilizando fase invertida al mismo tiempo. Brasil se caracteriza por tener sistemas de 127 V y 220 V a 60 Hz y también por permitir enchufes y tomas de corriente intercambiables. [6] Arabia Saudita y México tienen sistemas de voltaje mixto; en edificios residenciales y comerciales ligeros, ambos países utilizan 127 voltios, con 220 voltios a 60 Hz en aplicaciones comerciales e industriales. El gobierno saudí aprobó planes en agosto de 2010 para hacer la transición del país a un sistema totalmente de 230/400 voltios y 60 Hz. [7]
Se debe distinguir entre la tensión en el punto de suministro (tensión nominal en el punto de interconexión entre la empresa eléctrica y el usuario) y la tensión nominal del equipo (tensión de utilización o carga). Normalmente, el voltaje de utilización es entre un 3% y un 5% menor que el voltaje nominal del sistema; por ejemplo, se conectará un sistema de alimentación de 208 V nominal a los motores que tengan "200 V" en sus placas de identificación. Esto permite la caída de voltaje entre el equipo y el suministro. [ cita necesaria ] Los voltajes en este artículo son los voltajes de suministro nominales y los equipos utilizados en estos sistemas llevarán voltajes de placa de identificación ligeramente más bajos. El voltaje del sistema de distribución de energía es de naturaleza casi sinusoidal. Los voltajes se expresan como voltaje cuadrático medio (RMS). Las tolerancias de voltaje son para operación en estado estable. Las cargas pesadas momentáneas u 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 los suministrados a una comunidad aislada con quizás un solo generador.
La elección del voltaje de suministro se debe más a razones históricas que a la optimización del sistema de distribución de energía eléctrica: una vez que se utiliza un voltaje y los equipos que lo utilizan están generalizados, cambiar el voltaje es una medida drástica y costosa. Un sistema de distribución de 230 V utilizará menos material conductor que un sistema de 120 V para entregar una cantidad determinada de energía porque la corriente y, en consecuencia, la pérdida resistiva, es menor. Si bien los grandes aparatos de calefacción pueden utilizar conductores más pequeños a 230 V para obtener la misma potencia de salida, pocos electrodomésticos utilizan algo parecido a la capacidad total del tomacorriente al que están conectados. El tamaño mínimo de cable para equipos portátiles o de mano suele estar restringido por la resistencia mecánica de los conductores.
Muchas áreas, como los EE. UU., que utilizan (nominalmente) 120 V, utilizan sistemas de 240 V de fase dividida de tres cables para alimentar electrodomésticos grandes. En este sistema, un suministro de 240 V tiene un neutro con derivación central para proporcionar dos suministros 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 obtener varias combinaciones de voltaje, adecuadas para su uso por diferentes clases de equipos. Cuando un sistema eléctrico sirve tanto a cargas monofásicas como trifásicas, el sistema puede etiquetarse con ambos voltajes, como 120/208 o 230/400 V, para mostrar el voltaje de línea a neutro y el voltaje de línea a neutro. -linea de voltaje. Se conectan grandes cargas para el voltaje más alto. Ocasionalmente se utilizan otros voltajes trifásicos, hasta 830 voltios, para sistemas de propósito especial, como bombas de pozos de petróleo. Los motores industriales grandes (digamos, más de 250 hp o 150 kW) pueden funcionar con voltaje medio. En los sistemas de 60 Hz, un 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 gran parte de Europa, incluidas Alemania, Austria y Suiza, era220 ± 22 V mientras que el Reino Unido usaba240 ± 14,4 V. La norma ISO IEC 60038 :1983 definió el nuevo estándar europeo de tensión como230 ± 23V . A partir de 1987, se produjo un cambio gradual hacia230+13,8
−23 V fue implementado. A partir de 2009, se permite que la tensión sea230 ± 23V . [8] [9] No se requirió ningún cambio en el 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%). Normalmente se mantiene el voltaje de 230V ±3%. Algunas áreas del Reino Unido todavía tienen 250 voltios por razones heredadas, pero también se encuentran 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. Los equipos (con excepción de las bombillas de filamento ) utilizados en estos países están diseñados para aceptar cualquier voltaje dentro del rango especificado.
En 2000, Australia convirtió a 230 V como estándar nominal con una tolerancia de +10%/−6%, [10] reemplazando así el 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. Como en el Reino Unido, 240 V está dentro de los límites permitidos y "240 voltios" es 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 permitir un rango de 114 V a 126 V ( RMS ) (−5% a +5 %). Históricamente, 110 V, 115 V y 117 V se han utilizado en diferentes momentos y lugares de América del Norte. [ cita necesaria ] A veces se habla de la red eléctrica como 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 el oeste de Honshū (incluidos Nagoya, Osaka e Hiroshima), Shikoku , Kyūshū y Okinawa operan 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; estos son Shin Shinano , la presa Sakuma , Minami-Fukumitsu y el convertidor de frecuencia Higashi-Shimizu . Para compensar la diferencia, los aparatos sensibles a la frecuencia comercializados en Japón a menudo se pueden cambiar entre las dos frecuencias.
El primer suministro eléctrico público del mundo fue un sistema impulsado por 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 las farolas 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 estación de vapor de Thomas Edison en el Viaducto de Holborn en Londres, comenzó a funcionar en enero de 1882, proporcionando corriente continua (CC) a 110 V. [16] La estación del Viaducto de Holborn se utilizó como prueba de concepto para la construcción de la mucho más grande estación Pearl Street en Nueva York , la primera central eléctrica central comercial permanente del mundo. La estación Pearl Street también proporcionó CC a 110 V, considerado un voltaje "seguro" 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 mediante transformadores al mismo voltaje de utilización del cliente de 110 V que usaba Edison. 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 y ahorraran costos de cobre. Al conectar dos grupos de lámparas de 110 V en serie, se podría alimentar más carga con conductores del mismo tamaño tendidos 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 , permitiendo que las lámparas funcionaran a alrededor de 110 V y los electrodomésticos principales se conectaran a 220 V. Los voltajes nominales aumentaron gradualmente hasta 112 V y 115 V, o incluso 117 V. [ cita necesaria ] Después de la Segunda Guerra Mundial, el voltaje estándar en los EE. UU. pasó a ser 117 V, pero muchas áreas se quedaron atrás incluso hasta la década de 1960. [ cita necesaria ] En 1954, el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) publicó C84.1 “Estándar Nacional Estadounidense para Sistemas y Equipos de Energía Eléctrica - Clasificaciones de voltaje (60 Hertz)”. Esta norma estableció un sistema de 120 voltios nominales y dos rangos para variaciones de voltaje de servicio y voltaje de utilización. [18] Hoy en día, prácticamente todos los hogares y empresas estadounidenses tienen acceso a 120 y 240 V a 60 Hz. Ambos voltajes están disponibles en los tres cables (dos tramos "vivos" de fase opuesta y un tramo "neutro").
En 1899, Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW), una empresa eléctrica de Berlín , decidió aumentar considerablemente su capacidad de distribución cambiando a una distribución nominal de 220 V, aprovechando la capacidad de voltaje más alto de las lámparas de filamento metálico recientemente desarrolladas. La empresa pudo compensar el coste de conversión del equipo del cliente con el consiguiente ahorro en el coste de los conductores de distribución. Este se convirtió en el modelo de 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 después de la introducción de la corriente alterna en los EE. UU. (desde principios de la década de 1880 hasta aproximadamente 1893), se utilizó una variedad de frecuencias diferentes, y cada proveedor de electricidad establecía la suya propia, de modo que ninguna prevalecía. La frecuencia más común fue 133⅓ Hz. [ cita necesaria ] 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 carbono desempeñaron un papel en el ajuste de la frecuencia. Alrededor de 1893, la Westinghouse Electric Company en Estados Unidos y AEG en Alemania decidieron estandarizar sus equipos de generación en 60 Hz y 50 Hz respectivamente, lo que finalmente llevó a que la mayor parte del mundo se abasteciera en una de estas dos frecuencias. Hoy en día, la mayoría de los sistemas de 60 Hz entregan 120/240 V nominales, y la mayoría de los de 50 Hz, 230 V nominales. Las excepciones significativas se encuentran en Brasil, que tiene una red sincronizada de 60 Hz con voltajes estándar de 127 V y 220 V 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 el voltaje al servicio del cliente dentro del rango aceptable, las empresas de distribución eléctrica utilizan equipos de regulación en las 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 permitirá ajustar la relación entre el voltaje de transmisión y el voltaje de distribución en pasos. Para circuitos de distribución rurales largos (varios kilómetros), se pueden montar reguladores automáticos de voltaje en postes de la línea de distribución. Se trata de autotransformadores , nuevamente, con cambiadores de tomas en carga para ajustar la relación en función de los cambios de tensión observados. En el servicio de cada cliente, el transformador reductor tiene hasta cinco derivaciones para permitir cierto rango de ajuste, generalmente ±5% del voltaje nominal. Dado que estos grifos no se controlan automáticamente, se utilizan únicamente para ajustar el voltaje promedio a largo plazo en el servicio y no para regular el voltaje visto por el cliente del servicio público.
La estabilidad del voltaje y la frecuencia suministrada a los clientes varía entre países y regiones. "Calidad de la energía" es un término que describe el grado de desviación de la tensión y frecuencia nominales de suministro. Las sobretensiones y caídas a corto plazo afectan a equipos electrónicos sensibles, como computadoras y 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 un sistema de suministro de energía ininterrumpible o en grupos electrógenos de reserva para suministrar energía cuando el suministro de servicios públicos no está disponible o es inutilizable. El suministro errático de energía puede ser un grave obstáculo económico para las empresas y los servicios públicos que dependen de maquinaria eléctrica, iluminación, control climático y computadoras. Incluso el sistema eléctrico de mejor calidad puede sufrir averías o requerir reparación. Como tal, las empresas, los gobiernos y otras organizaciones a veces tienen generadores de respaldo en instalaciones sensibles, para garantizar que habrá energía 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 corriente o 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 ser causada por las condiciones de la carga o del generador. En energía multifásica, pueden ocurrir distorsiones de cambio de fase causadas por cargas desequilibradas.
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