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ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN SEP Juan Carlos Toctaquiza [email protected]

Resumen: Los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP), hoy en día representan un sistema muy indispensable para el desarrollo y crecimiento de una nación. Por tal motivo este sistema debe cumplir estrictamente con todas las normas internacionales para su construcción y posteriormente para su operación y funcionamiento. En este artículo, detallaré de forma rápida las partes constitutivas que tiene un SEP en general, como la generación, transmisión y distribución. Los diferentes tipos de subestaciones y demás elementos importantes dentro de un SEP. El objetivo de este artículo es brindar la suficiente información al lector, para que pueda disponer de este como un material de apoyo. Palabras Claves: SEP, Sistemas Eléctricos de Potencia, Generación, Transmisión, Distribución, Subestaciones, Transformadores, Máquinas Eléctricas. I. INTRODUCCIÓN Un Sistema Eléctrico de Potencia contiene un conjunto de subsistemas conformados por Generación, Transmisión, Subestaciones, Distribución y Consumo. Cada uno contiene diferentes componentes que hacen que la energía llegue a los usuarios de manera inmediata con calidad, confiabilidad, seguridad y sobre todo económica.[1] Los modernos sistemas de potencia ha crecido enormemente y geográficamente se han expandido más, y hay muchas interconexiones entre sistemas vecinos.[2] Los sistemas de potencia permanecen casi todo el tiempo en condiciones operativas normales o de estado estable y gran énfasis se despliega actualmente en el desarrollo de técnicas analíticas y en la aplicación de técnicas de supervisión y de control para minimizar las excursiones de estado normal a estados emergentes que pueden llevar a condiciones dinámicas, inestables o de colapsos parciales o totales.[3] Hay que siempre tomar en cuenta las normas de operación de un SEP como la calidad, confiabilidad y seguridad. Se discuten los grados de confiablidad dentro del SEP y luego se evalúa.[4] Los elementos de un sistema eléctrico de potencia pueden representarse a través de impedancias lineales o impedancias no lineales. El primer caso, corresponde a aquellos elementos en los que existe una relación proporcional entre la tensión y la corriente para que las mismas componentes frecuenciales; mientras que, en el segundo, los elementos no presentan esta relación proporcional en toso su espectro.[5] II. COMPONENTES DE UN SEP Dentro de un SEP esta compuesto por: • Generación

Transmisión Distribución Dentro de cada una de estas tenemos las subestaciones que se encargan de cambiar los valores de voltaje dependiendo del tipo de subestación que detallaré más adelante. • •

Fig. 1 Esquema de un SEP.1

III. GENERACIÓN Para generar energía eléctrica se requiere la construcción de centrales eléctricas, que se definen como una instalación que utiliza una fuente primaria de energía para poner en movimiento una turbina, el cual hace girar un alternador, produciéndose una corriente sinusoidal en voltajes que va desde 4.16kV a 13.8kV. Existen algunos tipos de generación eléctrica dependiendo de la fuente primaria detallare las más conocidas como: • Central Térmica • Central Hidroeléctrica • Central Nuclear • Central Eólica • Central Geotérmica • Central Fotovoltaica Central Térmica es una central utilizada para generar electricidad por medio de turbinas que son puestas en movimiento a través de vapor saturado y a su vez este gira un alternador que produce energía eléctrica, este vapor se consigue por medio de la combustión de petróleo o derivados de petroleó, gas natural. En la actualidad son poco recomendadas construir este tipo de central por el alto costo de operación y mantenimiento que se requiere para que funcionen y por la poca vida útil.[6] Central Hidroeléctrica es una central muy utilizada en el mundo por medio de embalses de agua en presas que se ubican en lo más alto de la misma central hidroeléctrica. Aprovecha al máximo la energía potencial del agua el cual es transportado por medio de tuberías hacia el cuarto de máquinas, para 1 “Manual del Técnico en Subestaciones Eléctricas”, Enríquez Harper, LIMUSA 2008

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poner en movimiento enormes turbinas, que hacen girar el alternador, donde se producirá energía eléctrica. Su operación y mantenimiento son relativamente bajos y tienen una amplia vida útil.[7] Central Nuclear es una central utilizada para generar calor en los reactores donde es aprovechada para generar un ciclo termodinámico convencional para poner en movimiento un alternador y producir energía eléctrica. Central Eólica esta energía se considera como una energía renovable por ser limpia y no utilizar la combustión que produzca residuos contaminantes ni tampoco destruye recursos naturales. Utilizan aerogeneradores que ponen en movimiento el alternador para producir energía eléctrica. Central Geotérmica esta central aprovecha el calor interno de la Tierra al ascender evapora el agua que se encuentra en las profundidades de la Tierra produciendo vapor de forma natural, esta energía es aprovechado para mover turbinas que hacen girar un alternador para producir energía eléctrica. Central Fotovoltaica esta central es considerada como una fuente alternativa el cual por medio de dispositivos electrónicos reciben la radiación solar, que provocan saltos electrónicos y producen una diferencia de potencial tipo diodo en sus extremos, donde es rectificada para conectarse a la red del SNI.

VI. SUBESTACIONES Son plantas de transformación que se encuentran junto a las centrales de generación que se conoce como subestación de elevación y en la periferia cerca de las zonas de consumo que se conoce como subestación de reducción. Las subestaciones dentro de un SEP son instalaciones de suma importancia y las más costosas ya que en ellas podemos encontrar máquinas eléctricas como son los transformadores. [9] Se puede considerar otras funciones de las subestaciones muy independientemente del tipo de subestación que sea, como son: • Aislar un elemento en falla del resto del sistema. • Permitir que un elemento se pueda desconectar del resto del sistema, para mantenimiento o reparación. • Para cambiar o transformar los niveles de voltaje de una parte a otra de un sistema o instalación. • Para controlar el flujo de potencia en el sistema metiendo o sacando elementos del mismo, mediante acciones del switcheo. • Para proporcionar datos concernientes a los parámetros (voltaje, flujo de corriente, flujo de potencia) para su uso en la operación del sistema. VII. DISTRIBUCIÓN

IV. TRANSFORMADOR A lo largo del Sistema Eléctrico de Potencia pueden existir varios transformadores cuya función es elevar o reducir el voltaje.[8] El transformador principal es el que se encarga de elevar el voltaje producido en el generador, a voltajes de transmisión, cuyos valores elevados están entre 138 – 230 kV. El trasformador de Potencia es el que se encarga de recibir la energía que viene desde la generación con voltajes de transmisión y reducir a voltajes de distribución que esta en el orden de 46/69 kV. El trasformador de Distribución son transformadores que siguen reduciendo el voltaje hasta llevarlos a niveles de consumo para usuarios residenciales y comerciales, están en valores de 208/120V o 240/127 V. Este es un ejemplo básico de un SEP, cabe señalar que todo SEP es diferente en cada país y de estas circunstancias dependerá el modelo y la construcción es estos.

Son redes que se encuentran en zonas urbanas o rurales las cuales se encargan de hacer llegar la energía a los diferentes usuarios, pueden ser aéreas o subterráneas. VIII. DIFERENCIAS ENTRE SUBESTACIONES Para fines de estudio, las subestaciones eléctricas también se pueden agrupar como: 1. Subestaciones Elevadoras Son subestaciones construidas como parte de las centrales generadoras de energía eléctrica, su función es elevar los niveles de tensión receptados por los generadores para transmitir la potencia generada a los puntos de interconexión de la red. [10]

V. TRANSMISIÓN La transmisión es la que se encarga de transportar la energía que se genera en las centrales eléctricas, generalmente a grandes distancias desde su generación por medio de la red de transporte. Esta red debe ser construida en forma de anillo o mallada para que su utilización sea aprovechada de la mejor manera para que la energía llegue hasta los puntos más alejados. Esta red de transporte está montada sobre grandes torres metálicas y su tensión de transporte es generalmente mayor a 69kV.

Fig. 2 Configuración del Generador, Bus-Ducto y Transformador en una planta.2

2. Subestación Receptora de Transmisión Es aquella que se construye en la proximidad de los grandes bloques de carga y está conectada a través de líneas de transmisión. 2 “Manual del Técnico en Subestaciones Eléctricas”, Enríquez Harper, LIMUSA 2008

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La subestación central de transmisión es otra subestación receptora intermedia.[10]

Fig.3 Aspecto de una Subestación.3

3. Subestación de Subtransmisión Es aquella construida en general en el centro de los grandes bloques de carga, está alimentada por la subestación receptora, de donde salen los alimentadores de distribución primarios, alimentando directamente los transformadores de distribución y las subestaciones del consumidor. [10]

Fig.4 Vista de una Subestación de 230kV Tipo Intemperie.4

4. Subestación del Consumidor Generalmente son aquellas construidas en propiedades particulares, alimentadas por medio de alimentadores de distribución primaria, que parten de las subestaciones de Subtransmisión y que alimentan los puntos finales de consumo. [10]

Fig.5 Para cambiar los niveles de tensión es necesario hacer uso de transformadores con subestación eléctrica.5 3 “Manual del Técnico en Subestaciones Eléctricas”, Enríquez Harper, LIMUSA 2008 4 “Manual del Técnico en Subestaciones Eléctricas”, Enríquez Harper, LIMUSA 2008 5 “Manual del Técnico en Subestaciones Eléctricas”, Enríquez Harper, LIMUSA 2008

IX. TEMA DE DISCUSIÓN Con las construcciones de más centrales eléctricas en Ecuador el gobierno pretender acabar definitivamente con los apagones que en años anteriores, produjo grandes pérdidas a la producción del país y la privatización de algunas empresas generadoras de energía eléctrica incluyéndolas a formar parte del estado a través del CELEC, pero la pregunta será sin duda ¿que tan confiable será la energía en nuestro país luego de invertir en mayor cantidad de centrales de energía eléctrica? En sectores como los rurales que todavía no disponen de este servicio y donde los hay, el servicio sigue siendo ineficiente. Esperemos que una vez que entren a operar estos proyectos, la calidad y eficiencia energética llegue a los niveles esperados por todo un país. X. CONCLUSIONES Los Sistemas Eléctricos de Potencia tienen como función principal, abastecer con energía eléctrica de calidad, económica, segura y sobre todo confiable. Sus equipos que lo conforma son un conjunto de instalaciones perfectamente diseñados y construidos para generar, transportar y distribuir esta energía. Es necesario aprender y adquirir los conocimientos de estos sistemas, ya que es muy importante dentro de la ingeniería básica, para el desarrollo de proyectos donde abarca un profundo conocimiento técnico.

Juan Carlos Toctaquiza Estudiante de Ingeniería Eléctrica Diseño III Universidad Politécnica Salesiana Campus Kennedy Sede Quito R EFERENCES [1] T. Wildi, Tecnología de los sistemas eléctricos de potencia. Hispano Europea, 1983. [2] D. H. Besterfield et al., Control de calidad. Pearson Prentice-Hall, 2009. [3] G. Arguello, “Análisis y Control de Sistemas Eléctricos de Potencia,” 1988. [4] W. A. L. T. E. R. Brokering, R. O. D. R. I. G. O. Palma, and L. Vargas, “Ñom Lüfke (El Rayo Domado) o Los Sistemas Eléctricos de Potencia,” Santiago de Chile: Pearson Educación, 2008. [5] C. Canabal and E. Cadena, “Auditoria Técnica de Sistemas Eléctricos de Potencia Industrial,” 1996. [6] W. Stevenson and J. Grainger, “Análisis de sistemas de potencia,” McGRAW-HILL. México, vol. 3, 1996. [7] M. Granada, “Estimacion de estado en sistemas electricos de potencia: Parte i deteccion de errores grandes,” Scientia et Technica, vol. 2, no. 22, 2003. [8] F. Morales, A. Cipriano, and H. Rudnick, “Evaluación de técnicas basadas en conocimiento para el diseño de controles de excitación en Sistemas de Potencia,” Facultad de ingeniería, PUCC, Chile. [9] B. M. Weedy, Sistemas eléctricos de gran potencia. Reverté, 1978. [10] G. E. Harper, “Elementos de diseño de subestaciones eléctricas, Edit,” Limusa, México. Pre-edición, 1983.