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U.T.O. – F.N.I. - LINEAS DE TRANSMISION Ing. Gustavo Adolfo Nava Bustillo

CAPITULO 1

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

1.1. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE ENERGÍA ELÉCTRICA En general un sistema eléctrico está compuesto por: PLANTAS GENERADORAS

S/E ELEVADORAS

SISTEMA DE GENERACIÓN

LINEAS DE TRANSMISIÓN

SISTEMA DE TRANSMISIÓN

S/E

REDES DE

REDUCTORAS

DISTRIBUCIÓN

CARGAS

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

PLANTAS GENERADORAS

En general las plantas de generación están distantes de los centros de consumo y están conectados a estos últimos a través de subestaciones y líneas de transmisión; aunque existen algunas plantas que pueden estar conectadas directamente con los centros de consumo. Existen tres grupos fundamentales de plantas generadoras: - Hidroeléctricas - Térmoeléctricas (combustibles líquidos, gas, carbón) - Nucleares Además existen otros sistemas de producción de energía eléctrica de menor importancia como por ejemplo la energía solar, eólica, biomasa, etc. En Bolivia fundamentalmente existen las plantas hidroeléctricas y las termoeléctricas (a gas). La energía eléctrica se genera en los alternadores con tensiones que varían entre los 3 a 36 kV en corriente alterna.

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SUBESTACIONES ELEVADORAS

El voltaje se eleva a la salida de los generadores para realizar una transmisión de la energía eléctrica de forma económica a grandes distancias Las subestaciones, normalmente están ubicadas en las cercanías de las centrales o finalmente en la central misma: Estas subestaciones elevan a tensiones por ejemplo de: 69 – 115 132 – 230 - 380 kV LINEAS DE TRANSMISIÓN

Las líneas de transmisión se inician en las subestaciones elevadoras, y tienen alcance nacional, interconectando entre sí los grandes centros de generación del país con los grandes centros de consumo. Su misión es el transporte de potencias a grandes distancias. Las tensiones actualmente utilizadas en Bolivia para la transmisión son: 69 - 115 y 230 kV. Las mayores tensiones empleadas en el mundo son: 550 kV. (Rusia y Estados Unidos), 735 kV. (Canadá y Estados Unidos) y de 1000 kV en la China y en los Estados Unidos. Estas líneas por su característica de interconexión son redes fundamentalmente malladas. En cambio en Bolivia las líneas de transmisión son mixtas, es decir en parte son malladas y parte radiales. SUBESTACIONES REDUCTORAS Y DE TRANSFORMACIÓN

El objetivo de estas subestaciones es reducir el voltaje de transmisión e interconexión a voltajes de distribución y se encuentran ubicadas generalmente en los grandes centros de consumo. REDES PRIMARIAS (ALIMENTADORES) O REDES DE DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN.

Estas redes parten de las subestaciones reductoras o de transformación y distribuyen la energía eléctrica. Estas redes pueden ser radiales o malladas (en anillo) hasta llegar a los puestos de transformación (estaciones transformadoras de distribución). Los voltajes utilizados normalmente en Bolivia son: 3 - 6,9 – 10 – 24,9 – 34,5 kV.

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PUESTOS DE DISTRIBUCIÓN )

TRANSFORMACIÓN

(ESTACIONES

TRANSFORMADORAS

DE

El objetivo de estos es el de transformar el voltaje desde el nivel de las redes primarias o redes de distribución en media tensión, al voltaje de las redes secundarias o redes de distribución en baja tensión. Están emplazados en los centros de gravedad (centros de carga) de todas las áreas de consumo. REDES SECUNDARIAS O REDES DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN

Son redes que, partiendo de los puestos de transformación citados anteriormente, alimentan directamente los distintos receptores, constituyendo pues, el último escalón en la distribución de la energía eléctrica. Las tensiones generalmente usadas son: 220/127 V. y 380/220 V. Un ejemplo de un sistema típico con niveles de voltaje es el siguiente:

1.2. CARACTERÍSTICAS DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Y REDES DE DISTRIBUCIÓN. Las líneas de transmisión y las redes de distribución constituyen uno de los principales elementos que forman parte de un sistema eléctrico La interconexión de sistemas y el transporte, reparto y distribución de la energía dentro de un sistema determinado se realizan por medio de líneas aéreas o líneas subterráneas.

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La interconexión entre redes regionales o nacionales, así como la transmisión de la energía eléctrica entre los grandes centros de generación y consumo, en los que siempre se emplean altos voltajes y a grandes distancias, se utilizan generalmente las líneas aéreas, con cables o alambres desnudos. En las redes de distribución en media tensión, comienzan ya a existir dos campos de utilización perfectamente delimitados: las líneas aéreas y las líneas o redes subterráneas. En las primeras se usan cables desnudos y las segundas cables aislados. Cuando se trata de redes rurales, provinciales, o cuando las distancias ya superan algunos kilómetros, predominantemente se utilizan las líneas aéreas. Cuando se trata de centros urbanos, zonas industriales densas o distancias muy cortas, es práctica normal en las grandes urbes, utilizar las líneas o redes subterráneas. En las redes de distribución en baja tensión se puede hacer las mismas consideraciones que en el caso de media tensión La elección de un sistema aéreo o subterráneo depende de un gran número de factores. El aspecto económico constituye el principal factor de decisión. El costo de un sistema subterráneo puede alcanzar de entre 5 a 10 veces el costo de un sistema aéreo. Un sistema aéreo de distribución puede tener una vida útil de unos 25 a 40 años, mientras que un sistema subterráneo puede alcanzar los 50 años. El punto exacto en el cual un sistema enterrado llega a ser más interesante económicamente que un sistema aéreo, a pesar del mayor capital invertido, es difícil de determinar, sin embargo factores como la estética o la seguridad inciden a veces por optar por la alternativa subterránea Un sistema aéreo es más propenso a sufrir mayor número de averías como consecuencia del viento, hielo, nieve, descargas atmosféricas o accidentes de todo tipo, sin embargo la reparación y localización de averías es mucho más sencilla en un sistema aéreo que en un sistema subterráneo. Una línea de transmisión o red aérea consiste básicamente en un grupo de conductores (cables o alambres) aislados o desnudos dispuestos paralelamente y montados sobre soportes o apoyos repartidos a lo largo de su recorrido y que proporcionan el aislamiento requerido entre conductores y entre conductores y tierra. Una red de transporte y/o distribución subterránea está formada por conductores aislados y montados dentro de canalizaciones (ductos)

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1.3. LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN EN BOLIVIA.

Longitud de Líneas de Alta Tensión kV

69

115

230

TOTAL

km

809,20

669,50

1.545,20

3.023,90

Fuente: Autoridad de Electricidad-2010 (No incluye las líneas administradas por las empresas distribuidoras)

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Una vista ampliada

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1.4. EL SISTEMA INTERCONECTADO NACIONAL.

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1.5. DATOS ESTADÍSTICOS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA Algunos datos sobre la producción y consumo de la energía eléctrica, niveles de electrificación alcanzados, empresas distribuidoras, tarifas, etc, en Bolivia se detallan en los siguientes cuadros: Evolución de Potencia Instalada y Generación Bruta. 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003

2004

2005 2006 2007 2008

128

267

392 470

1379

1379 1442 1550 1553

GWh 542

772

1253 1429 1901 3019 3884 3973 4191 4340

MW

525

852 1325 1227 1273 1353

4523 4896 5300 5734 6238

Fuente: Autoridad de Electricidad –Sep-2009

EMPRESAS ELÉCTRICAS DE DISTRIBUCIÓN – SIN CONSUMIDORES POR CATEGORIA - Julio 2010 CATEGORIA ELECTROPAZ CRE ELFEC ELFEO CESSA SEPSA TOTAL Residencial General Industrial Mineria Alumb. Público Otros TOTAL

392.242 44.090 2.338 1 6 15

318.924 321.727 39.471 41.263 2.333 5.750 213 12

116 2220

61.234 5.785 177 50 42 135

56.924 70.757 7.527 8.267 498 202 1 21 13

1.221.808 146.403 11.298 52 411 2.382

438.692 360.953 371.076 67.423 64.970 79.240 1.382.354

Fuente: Autoridad de Electricidad –Dic-2010

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EMPRESAS ELÉCTRICAS DE DISTRIBUCIÓN – SIN TARIFA PROMEDIO A CONSUMIDOR FINAL POR CATEGORIA - Julio 2010 (cBs/kWh) - S/IVA CATEGORIA

ELECTROPAZ

CRE

ELFEC

ELFEO

CESSA

SEPSA

PROMEDIO

Residencial

59,21

61.79

67,49

65,42

45,38

71,97

61,92

General

84,19

84.81

94,76

83,67

85,76

99,74

86,50

Industrial

41,73

46,73

41.53

38,90

39,81

53,43

44,37

Mineria

44,03

---

---

38,13

---

42,42

39,78

Alumb.Público

67,48

75,80

68,78

82,22

63,08

94,40

71,69

Otros

31,55

134,32

38,06

34,86

---

---

34,31

TOTAL 59,26 63,22 63,28 Fuente: Autoridad de Electricidad – Dic-2010

48,25

49,44

58,09

60,21

A manera de comparación podemos indicar los siguientes datos de consumo que corresponden a varios países del mundo CONSUMO ANUAL DE ENERGÍA PERCÁPITA (Año 2007) PAÍSES

kWh/habaño.

PAÍSES

KWh/habaño.

36.853

Chile

3.318

Noruega

24.980

Venezuela

3.077

Finlandia

17.162

Argentina

2.659

Canadá

16.995

Brasil

2.171

Suecia

15.238

Cuba

1.309

Estados Unidos

13.638

Colombia

977

Australia

11.249

Perú

961

Japón

8.474

Paraguay

958

España

6.296

Bolivia

515

Islandia

Fuente: http://datos.bancomundial.org

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1.6. TRANSMISIÓN CON CORRIENTE ALTERNA El invento del transformador hizo posible la elevación eficiente y económica del voltaje utilizando sistemas de corriente alterna. El sistema de corriente alterna trifásico es actualmente de empleo general, ya que presenta la ventaja de que la potencia total suministrada es constante, siempre que el sistema trifásico sea equilibrado, mientras que en un sistema monofásico la potencia suministrada es pulsante. Para una misma potencia, un generador, un transformador o un motor trifásico es más barato y pequeño que uno monofásico. Comparando el costo de los conductores de un sistema monofásico de dos hilos con un sistema trifásico de tres hilos, se puede ver que el costo de los cables de un sistema trifásico es aproximadamente la cuarta parte que el que corresponde al sistema monofásico. I2

V 3

I2

I2

MONOFÁSICO

TRIFÁSICO

P  VI 1 cos  I1 

P  3.V .I 2 cos 

P V cos 

I2 

Las pérdidas totales en las líneas serán:

10

P 3.V cos 

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2 1 1

p1  2 R I 

2 R1 P 2

2 2

p 2  3R 2 I 

V 2 cos 2 

3R 2 P 2 9V 2 cos 2 

Igualando pérdidas

2 R1 P 2 V 2 cos 2 



3R 2 P 2 9V 2 cos 2 

R2  6R1 Para la misma longitud y resistividad, el área de los conductores es inversamente proporcional a la resistencia.



l2 l  6 1 A2 A1

como

l1  l2

1 1 6 A2 A1 A1  6 A2 El peso de los conductores es proporcional al aérea de los mismos

W1  6.W2 Relacionando pesos totales En el caso monofásico son dos hilos

WT 1  2.W1

En el caso trifásico son tres hilos

WT 2  3.W2

WT 2 3.W2 3.W2 1    WT 1 2.W1 2.(6W2 ) 4 “El peso de los conductores de un sistema trifásico es la cuarta parte del peso de los conductores de un sistema monofásico” El peso es aproximadamente proporcional al costo.

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1.7. TRANSMISION CON CORRIENTE CONTINUA La energía eléctrica se genera en corriente alterna (c.a)., los voltajes se elevan mediante un trasformador al valor necesario y se rectifica para realizar la transmisión en corriente contínua. En el extremo receptor se sigue un proceso inverso. La transmisión en corriente contínua (c.c). a través de líneas tiene interés debido a que si se considera sólo la línea de transmisión, excluyendo los equipos terminales, la transmisión en c.c. resulta más barata que con c.a.

Corriente alterna trifásica Corriente contínua

Potencia P = 3 Va I a P = V c Ic

Pérdida de potencia ∆P = 3 Ia2 R ∆P = 2 Ic2 R

Igualando las pérdidas

3. I2a . R  2 . I2c . R Ic 

3 . Ia 2

Igualando expresiones de potencias

3 I aVc 2

3.Va I a  Vc  6 .Va

Suponiendo que el nivel de aislamiento es proporcional al valor cresta de la tensión a tierra.

Vc

Nivel .de.aislamient o..c.c 2   Nivel.de.aislamient o.c.a. Va 2

6 .Va 2  3  0,87 2 2Va

El aislamiento en c.c. resulta ser el 87% del sistema en c.a., esto implica una reducción en el número de aisladores y dimensiones de las estructuras de soporte

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1.7.1. Comparación entre una línea de corriente continua y otra alterna monofásica Se comparará la sección empleada en una línea de corriente continua y en otra de corriente alterna monofásica que presentan la misma longitud L, la misma potencia a transmitir P, las mismas pérdidas p y la misma tensión VG. Llamando IC a la corriente, Rc a la resistencia y Ac a la sección de la línea de corriente continua. AC (RC) +

IC

VG

P

L Si I a es la corriente, RA la resistencia, AA la sección y cos al factor de potencia de la línea de corriente alterna monofásica. A A (RA) +

IA

VG

P, cos

L Por lo tanto tendremos: P = VG IC

;

P = VG IA cos

p = 2 RC IC2 ;

p = 2 RA IA 2

Despejando la corriente y la resistencia de las expresiones anteriores queda:

IC 

P VG

RC 

;

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p 2 I C2

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IA 

P VG cos 

RA 

;

p 2.I 2A

Sustituyendo el valor de la corriente en la expresión de las resistencias se obtiene:

pVG2 RC  2 .P 2

RA 

;

p.VG2 . cos 2  2.P 2

Por lo tanto la relación RC/RA es: RC 1  R A cos 2 

Además, como las secciones están en razón inversa de las resistencias:

RC RA

L AC A   A L AC  AA



AA 1  A C cos 2 

Finalmente se obtiene que:

A C  A A cos2 

La relación de las secciones depende del factor de potencia Ac / A A 1,00 0,81 0,64 0,49

Cos 1,0 0,9 0,8 0,7

En el caso de un factor de potencia igual a 1, la sección del conductor en corriente alterna y continua son iguales. Pero generalmente en los sistemas de potencia se tiene un cos = 0,8 por tanto la sección en corriente continua sería un 64% de la sección en corriente alterna monofásica para una misma potencia de transmisión e iguales pérdidas.

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1.7.2. Comparación entre una línea de corriente continua y otra alterna trifásica. Se comparará la sección empleada en una línea de corriente continua y en otra de corriente alterna trifásica que presentan la misma longitud L, la misma potencia a transmitir P, las mismas pérdidas p y la misma tensión compuesta VG . Llamando IC a la corriente, RC a la resistencia, AC a la sección de un conductor y ACT a la sección total de la línea de corriente continua. AC (RC) +

IC

VG

P

L Por otro lado denominando con IA a la corriente, RA a la resistencia, cos  al factor de potencia, AA a la sección de un conductor y SAT a la sección total de la línea de corriente alterna trifásica. A A (RA) Ia VG VG VG

P, cos L

La potencia y pérdidas en corriente continua como alterna serían:

P  V G .I C

2 p  2.R CIC

;

P  3 .VG .I A . cos 

;

p  3.R A I2A

Despejando la corriente y la resistencia de las expresiones anteriores queda:

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IC  IA 

P VG

RC 

;

P

p 2 I C2

; RA 

3 .VG . cos 

p 3I2A

Sustituyendo la el valor de la corriente en la expresión de la resistencia, se obtiene:

p.VG2 RC  2 .P 2

RA 

;

p.VG2 . cos 2  P2

Por lo tanto la relación RC/RA es: RC 1  R A 2. cos 2 

Además, como las secciones están en razón inversa de las resistencias, queda: RC A A 1   R A A C 2. cos 2 

Si se toma en cuenta que la sección total para la línea de corriente continua es ACT = 2 A C y que para la línea trifásica es AAT = 3AA , se obtiene: A CT 2.A C 2.2. cos 2  4    cos 2  A AT 3.A A 3 3

Resulta que: A CT 

cos 1,000 0,900 0,866 0,800 0,700

4 A AT cos 2  3 ACT / AAt 1,33 1.08 1,00 0,85 0,65

De la tabla se puede deducir que Si cos

> 0,866

ACT > AAT

Si cos

< 0,866

ACT < AAT

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Por tanto el transporte con corriente alterna trifásica con factores de potencia comprendidos entre 0,886 y 1, es más conveniente porque se utiliza menos cantidad de conductor. Sin embargo para que la línea de c.c. resulte más económica que la c.a es necesario que el ahorro que se obtiene en la línea misma compense el costo de las instalaciones terminales de rectificación e inversión. Para longitudes mayores el costo de la transmisión en c.c. será menor que el de c.a. Con el estado actual de la tecnología esta distancia está en el orden de los 800 a 1000 km Ejemplo:

Costo de línea en c.a. 80.000 $us/km Costo de línea en c.c. 50.000 $us/km Costo de equipos terminales 25,000.000 $us COSTO DE INVERSIÓN ($us) SISTEMA 100 km 500 km 800 km 833,33 8.000.000 40.000.000 64.000.000 Corriente 66.666.666 Alterna 5.000.000 25.000.000 40.000.000 41.666.666 Corriente Contínua 25.000.000 25.000.000 25.000.000 25.000.000 30.000.000

50.000.000

65.000.000

66.666.666

1000 km 80.000.000 50.000.000 25.000.000 75.000.000

Con los datos indicados, para una longitud de línea mayor a 833 kms la transmisión en c.c. resulta ser más económica desde el punto de vista de inversión. Sin embargo esta conclusión irá cambiando en la medida en la que los costos que demandan la rectificación y conversión sean menores. Si el costo de los equipos terminales fuera de $us 24.000.000, el punto de equilibrio sería de 800 kms. Si los costos bajaran mucho más, por ejemplo a $us 21.000.000, el punto de equilibrio sería de 700 kms

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