Un sistema de energía eléctrica es una red de componentes eléctricos desplegados para suministrar, transferir y utilizar energía eléctrica. Un ejemplo de un 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 general en los generadores que suministran la energía, el sistema de transmisión que lleva la energía desde los centros de generación a los centros de carga y el sistema de distribución que suministra la energía a los hogares e industrias cercanos.
También se encuentran sistemas de energía más pequeños en la industria, los hospitales, los edificios comerciales y los hogares. Un diagrama unifilar ayuda a representar todo este sistema. La mayoría de estos sistemas dependen de la energía de 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 de CA trifásica se encuentran en aeronaves, sistemas ferroviarios eléctricos, transatlánticos, submarinos y automóviles.
En 1881, dos electricistas construyeron el primer sistema de energía del mundo en Godalming , Inglaterra. Estaba accionado por dos ruedas hidráulicas y producía una corriente alterna que a su vez alimentaba siete lámparas de arco Siemens a 250 voltios y 34 lámparas incandescentes a 40 voltios. [1] Sin embargo, el suministro a las lámparas era intermitente y en 1882 Thomas Edison y su empresa, Edison Electric Light Company, desarrollaron la primera central eléctrica alimentada por vapor en Pearl Street, en la ciudad de Nueva York. La estación de Pearl Street inicialmente alimentaba 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 podía transformarse fácilmente o de manera eficiente 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 limitaba 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 se demostró en 1884 en Turín , donde el transformador se utilizó para iluminar 40 kilómetros (25 millas) de vías de ferrocarril con un solo generador de corriente alterna . [6] A pesar del éxito del sistema, la pareja cometió algunos errores fundamentales. Quizás el más grave fue conectar los primarios de los transformadores en serie de modo que las lámparas activas afectaran el brillo de otras lámparas más abajo 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 de su nombre actual: el « transformador ». [7] Los tres ingenieros presentaron un sistema de potencia en la Exposición General Nacional de Budapest que implementaba el sistema de distribución de corriente alterna en paralelo propuesto por un científico británico [a] en el que varios transformadores de potencia tienen sus devanados primarios alimentados en paralelo desde una línea de distribución de alto voltaje. El sistema encendió más de 1000 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 un sistema de energía comercial. 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 hacer del núcleo de hierro de un transformador 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 múltiples voltajes que abastecía a varios hogares y empresas en Great Barrington, Massachusetts en 1886. [10] Sin embargo, el sistema no era confiable y tenía una vida útil corta, debido principalmente a problemas 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 licenció las patentes de Nikola Tesla para un motor de inducción de corriente alterna polifásico y diseños de transformadores. Tesla trabajó como consultor durante un año en Westinghouse Electric & Manufacturing Company, pero los ingenieros de Westinghouse tardaron otros cuatro años en desarrollar un motor polifásico y un sistema de transmisión que funcionaran. [12] [13]
En 1889, la industria de la energía eléctrica estaba en pleno auge y las compañías eléctricas habían construido miles de sistemas de energía (tanto de corriente continua como alterna) en los Estados Unidos y Europa. Estas redes estaban efectivamente dedicadas a proporcionar iluminación eléctrica. Durante este tiempo, la rivalidad entre las compañías 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 eventos conocidos como la " guerra de las corrientes ". [14] En 1891, Westinghouse instaló el primer sistema de energía importante que fue 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 línea de transmisión trifásica de alto voltaje (15 kV, entonces un récord) de larga distancia (175 kilómetros (109 millas)) desde Lauffen am Neckar hasta 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 CA/CC llegó a su fin cuando Edison General Electric fue adquirida por su principal rival de CA, la 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 con Westinghouse construyendo la estación generadora Adams No. 1 en las Cataratas del Niágara y General Electric construyendo el sistema de energía de corriente alterna trifásica para abastecer a Buffalo a 11 kV. [9]
Los avances en sistemas de energía continuaron más allá del siglo XIX. En 1936 se construyó la primera línea experimental de corriente continua de alto voltaje (HVDC) utilizando válvulas de arco de mercurio entre Schenectady y Mechanicville, Nueva York . [17] La HVDC se había logrado anteriormente mediante generadores y motores de corriente continua conectados en serie (el sistema Thury ), aunque esto adolecía de serios problemas de confiabilidad. [18] [17] El primer diodo metálico de estado sólido adecuado para usos generales de energía 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 emergió 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) que transportaban 1,9 GW a 533 kV. [17]
En los últimos tiempos, se han producido muchos avances importantes a partir de la incorporación de 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 permitió realizar estudios de flujo de carga de manera más eficiente, lo que permitió una planificación mucho mejor de los sistemas de energía. Los avances en las tecnologías de la información y las telecomunicaciones también permitieron un control remoto eficaz de los cuadros de distribución y los generadores de un sistema de energía.
La potencia eléctrica es el producto de dos magnitudes: corriente y tensión . Estas dos magnitudes pueden variar con el tiempo ( corriente alterna ) o mantenerse a niveles constantes ( corriente continua ).
La mayoría de los refrigeradores, acondicionadores de aire, bombas y maquinaria industrial utilizan corriente alterna, mientras que la mayoría de las computadoras y equipos digitales utilizan corriente continua (los dispositivos digitales enchufados a la red eléctrica suelen tener un adaptador de corriente interno o externo para convertir la corriente alterna en corriente continua). La corriente alterna tiene la ventaja de ser fácil de transformar entre voltajes y puede ser generada y utilizada por maquinaria sin escobillas. La corriente continua sigue siendo la única opción práctica en los sistemas digitales y puede ser más económica de transmitir a largas distancias a voltajes muy altos (ver HVDC ). [21] [22]
La capacidad de transformar fácilmente el voltaje de la corriente alterna es importante por dos razones: en primer lugar, la energía se puede transmitir a largas distancias con menos pérdidas a voltajes más altos. Por lo tanto, en los sistemas de energía donde la generación está alejada de la carga, es deseable aumentar el voltaje de la energía en el punto de generación y luego reducirlo (disminuir) cerca de la carga. En segundo lugar, a menudo es más económico instalar turbinas que produzcan voltajes más altos que los que utilizarían la mayoría de los electrodomésticos, por lo que la capacidad de transformar fácilmente los voltajes 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 corriente continua en diferentes voltajes , construir máquinas de corriente continua sin escobillas y convertir entre corriente alterna y corriente continua . Sin embargo, los dispositivos que utilizan tecnología de estado sólido suelen ser más caros que sus contrapartes tradicionales, por lo que la corriente alterna 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 , celdas de combustible o celdas fotovoltaicas . La energía de corriente alterna es suministrada típicamente por un rotor que gira en un campo magnético en un dispositivo conocido como turbogenerador . Se han utilizado una amplia gama de técnicas para hacer girar el rotor de una turbina, desde vapor calentado usando combustible fósil (incluidos 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 sincrónico, por ejemplo, la red nacional , giran a submúltiplos de la misma velocidad y, por lo tanto, generan corriente eléctrica a la misma frecuencia. Si la carga del sistema aumenta, los generadores necesitarán más par para girar a esa velocidad y, en una central eléctrica de vapor, se debe suministrar más vapor a las turbinas que los impulsan. Por lo tanto, el vapor utilizado y el combustible gastado se relacionan directamente 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 funcionar a frecuencias independientes de la frecuencia del sistema eléctrico.
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 un funcionamiento más eficiente del sistema eléctrico, pero también aumenta los requisitos de infraestructura del sistema. [24] Los sistemas de red eléctrica conectan múltiples generadores que funcionan a la misma frecuencia: los más comunes son los trifásicos a 50 o 60 Hz.
Existen diversas consideraciones de diseño para las fuentes de alimentación. Estas van desde las obvias: ¿Cuánta energía debe ser capaz de suministrar el generador? ¿Cuál es el tiempo aceptable para poner en marcha el generador (algunos generadores pueden tardar horas en ponerse en marcha)? ¿Es aceptable la disponibilidad de la fuente de energía (algunas energías renovables solo están disponibles cuando brilla el sol o sopla el viento)? Hasta las más técnicas: ¿Cómo debe ponerse en marcha el generador (algunas turbinas actúan como un motor para alcanzar su velocidad, en cuyo caso necesitan un circuito de arranque adecuado)? ¿Cuál es la velocidad mecánica de funcionamiento de la turbina y, en consecuencia, cuál es el número de polos necesarios? ¿Qué tipo de generador es adecuado ( sincrónico o asincrónico ) y qué tipo de rotor (rotor de jaula de ardilla, rotor bobinado, rotor de polos salientes o rotor cilíndrico)? [25]
Los sistemas eléctricos suministran energía a las cargas que realizan una función. Estas cargas van desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial. La mayoría de las cargas esperan un cierto voltaje y, en el caso de los dispositivos de corriente alterna, una cierta frecuencia y número de fases. Los electrodomésticos que se encuentran en entornos residenciales, por ejemplo, normalmente serán monofásicos y funcionarán 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 electrodomésticos también tienen una clasificación de potencia, que especifica la cantidad de energía que consume el dispositivo. En cualquier momento, la cantidad neta de energía consumida por las cargas en un sistema eléctrico debe ser igual a la cantidad neta de energía producida por las fuentes 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 de energía. Sin embargo, no es el único desafío, además de la energía utilizada por una carga para realizar un trabajo útil (denominada energía real ), muchos dispositivos de corriente alterna también utilizan una cantidad adicional de energía porque hacen que el voltaje alterno y la corriente alterna se desincronizan ligeramente (denominada energía reactiva ). La energía reactiva, al igual que la energía real, debe estar equilibrada (es decir, la energía reactiva producida en un sistema debe ser igual a la energía reactiva consumida) y puede suministrarse desde los generadores; sin embargo, a menudo es más económico suministrar dicha energía desde capacitores (consulte "Capacitores y reactores" a continuación para obtener 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 la tensión), así como las desviaciones sostenidas de la frecuencia del sistema (problemas de regulación de la frecuencia), las cargas del sistema eléctrico pueden verse afectadas negativamente por una serie de problemas temporales. Estos incluyen caídas, caídas y subidas de tensión, 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 equipo hospitalario.
Los conductores transportan energía desde los generadores hasta la carga. En una red , los conductores pueden clasificarse como pertenecientes al sistema de transmisión , que transporta grandes cantidades de energía a altos voltajes (normalmente más de 69 kV) desde los centros de generación hasta los centros de carga, o al sistema de distribución , que suministra cantidades más pequeñas de energía a voltajes más bajos (normalmente menos de 69 kV) desde los centros de carga hasta las viviendas y la industria cercanas. [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 una resistividad menor que el aluminio , alguna vez fue el conductor de elección para la mayoría de los sistemas de energía. Sin embargo, el aluminio tiene un costo menor para la misma capacidad de transporte de corriente y ahora suele ser el conductor de elección. Los conductores de líneas aéreas pueden reforzarse con acero o aleaciones de aluminio. [31]
Los conductores de los sistemas eléctricos exteriores pueden colocarse en altura o bajo tierra. Los conductores aéreos suelen estar aislados por aire y apoyados sobre aisladores de porcelana, vidrio o polímero. Los cables utilizados para la transmisión subterránea o el cableado de edificios están aislados con polietileno reticulado u otro material aislante flexible. Los conductores suelen estar trenzados para que sean más flexibles y, por lo tanto, más fáciles de instalar. [32]
Los conductores suelen tener una clasificación que se corresponde con la corriente máxima que pueden transportar en 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. En el caso de los conductores aislados, la clasificación se determina en función del aislamiento. [33] En el caso de los conductores desnudos, la clasificación se determina en función del punto en el que la flecha 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 a la aparición de una forma "imaginaria" de energía conocida como potencia reactiva . La potencia reactiva no realiza un trabajo medible, sino que se transmite de ida y vuelta entre la fuente de potencia 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 condensadores, por lo que los condensadores a menudo se colocan cerca de cargas inductivas (es decir, si no están en el sitio en 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 potencia reactiva y se utilizan para regular el voltaje en líneas de transmisión largas. En condiciones de carga liviana, donde la carga en las líneas de transmisión está muy por debajo de la carga de impedancia de sobretensión , la eficiencia del sistema eléctrico puede mejorarse con la conmutación de reactores. Los reactores instalados en serie en un sistema eléctrico también limitan las ráfagas de flujo de corriente, por lo que los reactores pequeños casi siempre se instalan en serie con capacitores para limitar la ráfaga de corriente asociada con la conmutación de un capacitor. Los reactores en serie también se pueden utilizar para limitar las corrientes de falla.
Los condensadores y los reactores se conmutan mediante disyuntores, lo que da como resultado cambios de paso considerables de potencia reactiva. Una solución a esto viene en forma de condensadores síncronos , compensadores VAR estáticos y compensadores síncronos estáticos . Brevemente, los condensadores síncronos son motores síncronos que giran libremente para generar o absorber potencia reactiva. [35] Los compensadores VAR estáticos funcionan conmutando condensadores mediante tiristores en lugar de disyuntores que permiten que los condensadores se conecten y desconecten dentro de un solo ciclo. Esto proporciona una respuesta mucho más refinada que los condensadores conmutados por disyuntor. Los compensadores síncronos estáticos llevan esto un paso más allá al lograr ajustes de potencia reactiva utilizando solo electrónica de potencia .
La electrónica de potencia son dispositivos basados en semiconductores que pueden conmutar cantidades de potencia 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 en el orden de nanosegundos [36] ) significa que son capaces de 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 CA a CC, por lo que la electrónica de potencia se encuentra en casi todos los dispositivos digitales que se alimentan desde una fuente de CA, ya sea como un adaptador que se enchufa a la pared (ver foto) o como un componente interno del dispositivo. La electrónica de potencia de alta potencia también se puede utilizar para convertir la energía CA en energía CC para la transmisión a larga distancia en un sistema conocido como HVDC . HVDC se utiliza porque demuestra ser más económico que los sistemas de CA de alto voltaje similares para distancias muy largas (cientos a miles de kilómetros). HVDC también es deseable para interconexiones porque permite la independencia de frecuencia, mejorando así la estabilidad del sistema. La electrónica de potencia también es esencial para cualquier fuente de energía que necesite producir una salida de corriente alterna pero que por su naturaleza produzca una salida de corriente continua. Por ello, se utilizan en instalaciones fotovoltaicas.
La electrónica de potencia también se utiliza en una amplia gama de aplicaciones más exóticas. Es la base de todos los vehículos eléctricos e híbridos modernos, donde se utiliza tanto para el control del motor como parte del motor de corriente continua sin escobillas . La electrónica de potencia también se encuentra en prácticamente todos los vehículos modernos que funcionan con gasolina, ya que la energía proporcionada por las baterías del automóvil por sí sola es insuficiente para proporcionar encendido, aire acondicionado, iluminación interna, radio y pantallas del tablero durante la vida útil del automóvil. Por lo tanto, las baterías deben recargarse mientras se conduce, una hazaña que generalmente se logra utilizando la electrónica de potencia. [37]
Algunos sistemas ferroviarios eléctricos también utilizan energía de CC y, por lo tanto, hacen uso de la electrónica de potencia para suministrar energía de la red a las locomotoras y, a menudo, para controlar la velocidad del motor de la locomotora. A mediados del siglo XX, las locomotoras rectificadoras eran populares, estas usaban electrónica de potencia para convertir la energía de CA de la red ferroviaria para su uso por un motor de CC. [38] Hoy en día, la mayoría de las locomotoras eléctricas se alimentan con energía de CA y funcionan con motores de CA, pero aún usan electrónica de potencia para proporcionar un control adecuado del motor. El uso de la 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 incluso aparece en los acondicionadores de aire residenciales modernos y son 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: primero, después de que han funcionado, deben reemplazarse ya que no se pueden restablecer. Esto puede resultar inconveniente si el fusible está en un sitio remoto o no se tiene un fusible de repuesto a mano. Y segundo, los fusibles generalmente son inadecuados como único dispositivo de seguridad en la mayoría de los sistemas de energía, 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 con el uso de disyuntores , dispositivos que pueden reiniciarse después de interrumpir el flujo de corriente. En los sistemas modernos que utilizan menos de 10 kW, se suelen utilizar disyuntores en miniatura. Estos dispositivos combinan el mecanismo que inicia el disparo (al detectar el exceso de corriente) y 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 por un solenoide y, en caso de exceso de flujo de corriente, la atracción magnética del solenoide es suficiente para abrir a la fuerza los contactos del disyuntor (a menudo de forma indirecta 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 específicas de la aplicación que determinan si se disparan según las lecturas del sistema de energía. Diferentes relés iniciarán disparos dependiendo de diferentes esquemas de protección . Por ejemplo, un relé de sobrecorriente puede iniciar un disparo si la corriente en cualquier fase excede un cierto umbral, mientras que un conjunto de relés diferenciales puede 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. El aire normalmente ya no es suficiente para apagar el arco que se forma cuando los contactos se abren a la fuerza, 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 arco. Otras técnicas se analizan en la referencia. [39]
El segundo problema, la inadecuación de los fusibles para actuar como el 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 hacia afuera del aparato en la línea neutra. Un dispositivo de corriente residual funciona monitoreando las líneas activa y neutra 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 un daño. Esto no suele ser un problema en la mayoría de las aplicaciones residenciales donde el cableado estándar proporciona una línea activa y neutra para cada aparato (es por eso que los enchufes de alimentación 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 aún puede resultar fatal.
En los 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 conectar o desconectar elementos del sistema para mantenimiento. Los primeros sistemas de control de supervisión implementados consistían en un panel de lámparas e interruptores en una consola central cerca de la planta controlada. Las lámparas proporcionaban información 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 planta misma. 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 eléctricos varían ampliamente tanto en su diseño como en su funcionamiento. En esta sección se presentan algunos tipos comunes de sistemas eléctricos y se 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 funcionan a tensiones de entre 110 y 260 voltios (fase a tierra) según las normas nacionales. Hace unas décadas, las viviendas pequeñas se alimentaban con una sola fase mediante un cable de servicio de dos núcleos dedicado (un núcleo para la fase activa y un núcleo para el retorno neutro). La línea activa se pasaba entonces por un interruptor de aislamiento principal en la caja de fusibles y luego se dividía en uno o más circuitos para alimentar la iluminación y los electrodomésticos dentro de la casa. Por convención, los circuitos de iluminación y electrodomésticos se mantienen separados para que la falla de un aparato no deje a los ocupantes de la vivienda a oscuras. Todos los circuitos se fusionarían 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 iluminación y de energía conectadas en paralelo. Las tomas también estarían provistas de una toma de tierra de protección. Esta estaría disponible para que los electrodomésticos se conectaran a cualquier carcasa metálica. Si esta carcasa se energizara, la teoría es que la conexión a tierra haría que se disparara un RCD o fusible, lo que evitaría la electrocución futura de un ocupante que manipule el aparato. Los sistemas de conexión a tierra varían entre regiones, pero en países como el Reino Unido y Australia, tanto la línea de 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 una vez más en el transformador de distribución. [42]
A lo largo de los años se han producido varios cambios menores en la práctica del cableado residencial. Algunas de las formas más significativas en que los sistemas de energía residenciales modernos en los países desarrollados tienden a variar de los antiguos incluyen:
Los sistemas eléctricos comerciales, como los de 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 suelen estudiarse en función del flujo de carga, los niveles de fallas por cortocircuito y la caída de tensión. Los objetivos de los estudios son asegurar el dimensionamiento adecuado de los equipos y conductores, y coordinar los dispositivos de protección de modo que se produzcan las mínimas interrupciones 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.
Por lo general, uno de los aparatos más grandes conectados a un sistema de energía comercial en climas cálidos es la unidad de HVAC, y garantizar que esta unidad esté adecuadamente abastecida es una consideración importante en los sistemas de energía comercial. 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 requiere que la iluminación de emergencia se mantenga durante al menos 90 minutos en caso de pérdida de suministro de red. [43] En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional requiere que los sistemas comerciales se construyan con al menos una toma de señal 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 de los sistemas eléctricos varía según el sistema. Los sistemas eléctricos residenciales e incluso los sistemas eléctricos de los automóviles suelen funcionar hasta que fallan. En la aviación, el sistema eléctrico utiliza 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 eléctricos más grandes requieren una gestión activa. En plantas industriales o sitios mineros, un solo equipo puede ser responsable de la gestión de fallas, la ampliación y el mantenimiento. 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 eléctrico para identificar y corregir problemas que afecten la confiabilidad del sistema. [46] La gestión de fallas puede ser específica y reactiva: por ejemplo, enviando un equipo para reconectar el conductor que se cayó durante una tormenta. O, alternativamente, puede enfocarse 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 ampliación. Como a menudo no es ni 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 que el resto del sistema permanece activo. A altos voltajes, hay dos interruptores importantes: los aisladores y los disyuntores . Los disyuntores son interruptores que interrumpen la carga, mientras que el funcionamiento de los aisladores bajo carga provocaría un arco eléctrico inaceptable y peligroso . En una interrupción planificada típica, se disparan varios disyuntores para permitir que los aisladores se conmuten antes de que los disyuntores se vuelvan a cerrar para redirigir la energía alrededor del área aislada. Esto permite completar el trabajo en el área aislada. [48]
Más allá de la gestión de fallas y el mantenimiento, una de las principales dificultades en los sistemas de energía es que la potencia activa consumida más las pérdidas deben ser iguales a la potencia activa producida. Si se reduce la carga mientras las entradas de generación permanecen constantes, los generadores síncronos girarán más rápido y la frecuencia del sistema aumentará. Lo opuesto ocurre si se aumenta la carga. Por lo tanto, la frecuencia del sistema debe gestionarse activamente, principalmente mediante el encendido y apagado de cargas despachables y generación . Asegurarse de que la frecuencia sea constante suele ser tarea de un operador del sistema . [49] Incluso con la frecuencia mantenida, el operador del sistema puede mantenerse ocupado asegurando:
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