La distribución de energía eléctrica es la etapa final en el suministro de electricidad . La electricidad se transporta desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y reducen el voltaje de transmisión a voltaje medio , que oscila entre2 kV y33 kV con el uso de transformadores . [1] Las líneas de distribución primaria llevan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución reducen nuevamente la tensión 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 secundarias a través de bajadas de servicio . Los clientes que demandan una cantidad mucho mayor de energía pueden estar conectados directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión . [2]
La transición de la transmisión a la distribución ocurre en una subestación eléctrica , que tiene las siguientes funciones: [2]
La distribución urbana es principalmente subterránea, a veces en conductos de servicios públicos comunes . La distribución rural es mayoritariamente sobre el suelo con postes de servicios públicos , y la distribución suburbana es una mezcla. [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 bajada 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 se hizo necesaria recién en la década de 1880, cuando la electricidad comenzó a generarse en centrales eléctricas . Hasta entonces, la electricidad generalmente se generaba donde se usaba. 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 3000 V ), e iluminación incandescente que funcionaba con corriente continua de bajo voltaje (100 V). [3] Ambos suplantaron a los sistemas de iluminación de gas : la iluminación de arco se hizo cargo del alumbrado de áreas grandes y de calles, y la iluminación incandescente reemplazó a las luces de gas para usuarios comerciales y residenciales.
Los altos voltajes utilizados en la iluminación de arco permitieron que una sola estación generadora suministrara una cadena de luces de hasta 7 millas (11 km) 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 interior de corriente continua, como la primera central eléctrica de Edison , instalada en 1882, tenían dificultades para abastecer a los clientes a más de una milla de distancia porque usaban un voltaje bajo (110 V) desde la generación hasta el uso final. El bajo voltaje se traducía en una corriente más alta y requería cables de cobre gruesos para la transmisión. En la práctica, las plantas generadoras de CC de Edison necesitaban estar a aproximadamente 1,5 millas (2,4 km) del cliente más lejano para evitar conductores aún más gruesos y costosos.
El problema de transmitir electricidad a largas distancias se convirtió en un obstáculo reconocido para la distribución de energía eléctrica, y las empresas de iluminación probaron muchas soluciones poco satisfactorias. Pero a mediados de la década de 1880 se produjo un gran avance con el desarrollo de transformadores funcionales que permitían "elevar" la corriente alterna 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 corriente alterna tenía costos de transmisión mucho más baratos y mayores economías de escala , con grandes plantas generadoras de corriente alterna capaces de abastecer a ciudades y regiones enteras, lo que llevó a que el uso de la corriente alterna se extendiera rápidamente.
En los EE. UU., la competencia entre la corriente continua y la corriente alterna tomó un giro personal a fines de la década de 1880 en la 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 de EE. UU., destacando las muertes causadas por los sistemas de CA de alto voltaje a lo largo de los años y afirmando que cualquier sistema de CA era inherentemente peligroso. [5] La campaña de propaganda de Edison duró poco, y su empresa cambió a CA en 1892.
La CA se convirtió en la forma dominante de transmisión de energía con innovaciones en Europa y los EE. UU. en diseños de motores eléctricos y el desarrollo de sistemas universales diseñados que permitieron que una gran cantidad de sistemas heredados se conectaran a grandes redes de CA. [6] [7]
En la primera mitad del siglo XX, en muchos lugares la industria eléctrica estaba integrada verticalmente , es decir, una sola empresa se encargaba de la generación, la transmisión, la distribución, la medición y la facturación. A partir de los años 1970 y 1980, las naciones iniciaron el proceso de desregulación y privatización , lo que dio lugar a los mercados de electricidad . El sistema de distribución seguiría estando regulado, pero los sistemas de generación, venta minorista y, a veces, transmisión se transformaron en mercados competitivos.
La energía eléctrica comienza en una estación generadora, donde la diferencia de potencial puede ser de hasta 33.000 voltios. Generalmente se utiliza corriente alterna. Los usuarios de grandes cantidades de energía de corriente continua, como algunos sistemas de electrificación ferroviaria , centrales telefónicas y procesos industriales como la fundición de aluminio, utilizan rectificadores para derivar corriente continua del suministro público de corriente alterna, o pueden tener sus propios sistemas de generación. La corriente continua de alto voltaje puede ser ventajosa para aislar sistemas de corriente alterna o controlar la cantidad de electricidad transmitida. Por ejemplo, Hydro-Québec tiene una línea de corriente continua que va desde la región de James Bay hasta Boston . [8]
Desde la central generadora pasa al patio de maniobras de la misma, donde un transformador elevador aumenta la tensión hasta un nivel adecuado para la transmisión, de 44 kV a 765 kV. Una vez en el sistema de transmisión, la electricidad de cada central generadora se combina con la electricidad producida en otros lugares. Para que esto sea posible, todas las estaciones deben estar sincronizadas entre sí. La electricidad se consume tan pronto como se produce y se transmite a una velocidad muy alta, cercana a la velocidad de la luz .
En la distribución de energía según IEC 60038 , el bajo voltaje (LV) se define como voltajes de 100 voltios a 1 kilovoltio (KV), [9] el medio voltaje (MV) se define como voltajes de más de 1 KV a 35 KV, el alto voltaje (HV) se define como voltajes de más de 35 a 230 KV, y el voltaje extra alto (EHV) se define como voltajes por encima de 245 KV. [10]
Esta es una definición que ha cambiado con el tiempo y puede cambiar entre grupos de ingenieros, dependiendo del país y la aplicación. Por ejemplo, la media tensión se puede definir como de 1 a 75 KV, [11] [12] y la ultra alta tensión (UHV) se puede definir como tensiones de CA de o más de 1000 KV y tensiones de CC de o más de 750 KV. [13] Según la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), la baja tensión es inferior a 30 voltios, la media tensión es de 30 a 60 voltios y la alta tensión es superior a 60 voltios, [14] y según el Código Eléctrico Nacional (NEC) utilizado en edificios en los EE. UU., las tensiones de hasta 30 voltios de CA o 60 voltios de CC se consideran de baja tensión, y las tensiones superiores a estas se consideran de alta tensión. [15] [16]
Los voltajes de distribución primaria varían de 4 kV a 35 kV fase a fase (2,4 kV a 20 kV fase a neutro) [17] Solo 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. [18] Un sistema radial está organizado como un árbol donde cada cliente tiene una fuente de suministro. Un sistema en 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 que permiten reconfigurar el sistema en caso de problemas, como una avería o un mantenimiento programado. Esto se puede hacer abriendo y cerrando interruptores para aislar una determinada sección de la red.
Los alimentadores largos experimentan caídas de voltaje ( distorsión del factor de potencia ), lo que requiere la instalación de capacitores o reguladores de voltaje .
La reconfiguración, mediante el intercambio de los vínculos 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 un solo objetivo con restricciones. Desde 1975, cuando Merlin y Back [19] introdujeron la idea de la reconfiguración del sistema de distribución para la reducción de pérdidas de potencia activa, hasta la actualidad, muchos investigadores han propuesto diversos métodos y algoritmos para resolver el problema de reconfiguración como un problema de un solo objetivo. Algunos autores han propuesto enfoques basados en la optimalidad de Pareto (incluyendo pérdidas de potencia activa e índices de confiabilidad como objetivos). Para este propósito, se han utilizado diferentes métodos basados en inteligencia artificial: microgenética, [20] intercambio de ramas, [21] optimización por enjambre de partículas [22] y algoritmo genético de clasificación no dominada . [23]
Los sistemas de electrificación rural tienden a utilizar voltajes de distribución más altos debido a las mayores distancias cubiertas por las líneas de distribución (ver 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; 10, 20 y 35 kV son comunes en China. [24] Ocasionalmente se utilizan otros voltajes.
Los servicios rurales normalmente intentan minimizar la cantidad de postes y cables. Utilizan voltajes más altos (que la distribución urbana), lo que a su vez permite el uso de cables de acero galvanizado. El cable de acero resistente permite una separación entre postes más amplia y menos costosa. En las áreas rurales, un transformador montado en postes puede dar servicio a un solo cliente. En Nueva Zelanda , Australia , Saskatchewan, Canadá y Sudáfrica , se utilizan sistemas de retorno a tierra de un solo cable (SWER) para electrificar áreas rurales remotas.
El servicio trifásico proporciona energía a 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 cables, con un conductor neutro. El sistema de distribución rural puede tener tramos largos de un conductor de fase y un neutro. [25] En otros países o en áreas 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 suministra a los clientes domésticos como energía eléctrica monofásica . En algunos países, como en Europa, puede estar disponible un suministro trifásico para propiedades más grandes. Visto con un osciloscopio , el suministro eléctrico doméstico en América del Norte se vería como una onda sinusoidal , oscilando entre −170 voltios y 170 voltios, dando un voltaje efectivo de 120 voltios RMS. [26] La energía eléctrica trifásica es más eficiente en términos de energía suministrada 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 que posee 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 menor voltaje que generalmente están montados más abajo del suelo, o si ocurre una falla dentro de un transformador de distribución. Los sistemas de conexión a tierra pueden ser TT, TN-S, TN-CS o TN-C.
La mayor parte del mundo utiliza una red monofásica de 220 o 230 V de 50 Hz o una trifásica de 400 V para servicios residenciales e industriales ligeros. En este sistema, la red de distribución primaria suministra energía a 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 de un radio normalmente inferior a 1 km. Tres cables con corriente (activos) y el neutro se conectan al edificio para un servicio trifásico. La distribución monofásica, con un cable con corriente 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 el sistema trifásico de cuatro cables. Esto da un voltaje fase a fase de 400 voltios para el servicio en estrella y un voltaje monofásico de 230 voltios entre cualquier fase y el neutro. En el Reino Unido, una subestación de bajo voltaje urbana o suburbana típica normalmente tendría una potencia nominal de entre 150 kVA y 1 MVA y abastecería a todo un vecindario de unos pocos cientos de casas. Los transformadores suelen tener un tamaño adecuado para una carga media de 1 a 2 kW por hogar, y los fusibles y cables de servicio están dimensionados para permitir que cualquier propiedad absorba una carga máxima de quizás diez veces esa cantidad. Para los clientes industriales, también está disponible la corriente trifásica de 690/400 voltios , o puede generarse localmente. [27] Los grandes clientes industriales tienen sus propios transformadores con una entrada de 11 kV a 220 kV.
La mayor parte de las Américas utilizan corriente alterna de 60 Hz, el sistema de fase dividida de 120/240 voltios en el ámbito doméstico y trifásico para instalaciones más grandes. Los transformadores norteamericanos suelen alimentar los hogares a 240 voltios, de forma similar a los 230 voltios de Europa. Es el sistema de fase dividida el que permite el uso de 120 voltios en el hogar.
En el sector eléctrico de Japón , el voltaje estándar es de 100 V, y se utilizan frecuencias de CA de 50 y 60 Hz. Algunas partes del país utilizan 50 Hz, mientras que otras utilizan 60 Hz. [28] Esto 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 los Estados Unidos. Las redes crecieron hasta que finalmente todo el país estuvo 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 ). [29]
La mayoría de los electrodomésticos están diseñados para funcionar en cualquiera de las dos frecuencias. El problema de la incompatibilidad se hizo público cuando el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 dejó sin electricidad a aproximadamente un tercio de la región oriental, y la energía eléctrica del oeste no pudo compartirse completamente con el este, ya que el país no tiene una frecuencia común. [28]
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 adosada en Japón que forma una de las cuatro estaciones de cambio de frecuencia que conectan las redes eléctricas occidental y oriental de Japón. Las otras tres están en Higashi-Shimizu , Minami-Fukumitsu y Sakuma Dam . Juntas pueden transportar hasta 1,2 GW de energía al este o al oeste. [30]
La mayoría de los hogares norteamericanos modernos están conectados para recibir 240 voltios del transformador y, mediante el uso de energía eléctrica de fase dividida , pueden tener receptáculos de 120 voltios y receptáculos de 240 voltios. Los 120 voltios se utilizan normalmente para iluminación y la mayoría de los enchufes de pared . Los circuitos de 240 voltios se utilizan normalmente para electrodomésticos que requieren una salida de calor de alto voltaje, como hornos y calentadores. También se pueden utilizar para alimentar un cargador de coche eléctrico .
Tradicionalmente, los sistemas de distribución solo operaban como líneas de distribución simples donde la electricidad de las redes de transmisión se compartía entre los clientes. Los sistemas de distribución actuales están fuertemente integrados con la generación de energía renovable a nivel de distribución de los sistemas de energía por medio de recursos de generación distribuida , como la energía solar y la energía eólica . [31] Como resultado, los sistemas de distribución se están volviendo cada día más independientes de las redes de transmisión. Equilibrar la relación entre la oferta y la demanda en estas redes de distribución modernas (a veces denominadas microrredes ) es extremadamente desafiante y requiere el uso de varios medios tecnológicos y operativos para operar. Dichas herramientas incluyen centrales eléctricas de almacenamiento de baterías , análisis de datos , herramientas de optimización, etc.
