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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 S/E LINEAS DE S/E REDES DE

GENERADORAS ELEVADORAS TRANSMISIÓN REDUCTORAS DISTRIBUCIÓN CARGAS

SISTEMA DE GENERACIÓN SISTEMA DE SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN TRANSMISIÓN

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 TRANSFORMACIÓN (ESTACIONES TRANSFORMADORAS DE DISTRIBUCIÓN )

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

MW 128 267 392 470 525 852 1325 1227 1273

1353

1379

1379

1442

1550

1553

GWh 542 772 1253 1429 1901 3019 3884 3973 4191

4340 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 392.242 318.924 321.727 61.234 56.924 70.757 1.221.808 General 44.090 39.471 41.263 5.785 7.527 8.267 146.403 Industrial 2.338 2.333 5.750 177 498 202 11.298 Mineria 1 50 1 52 Alumb. Público 6 213 116 42 21 13 411 Otros 15 12 2220 135 2.382

TOTAL 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 48,25 49,44 58,09 60,21 Fuente: Autoridad de Electricidad – Dic-2010

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/hab-año.

PAÍSES KWh/hab-año.

Islandia 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

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.

3V

2I

2I

2I

MONOFÁSICO TRIFÁSICO

cos

cos

1

1

VPI

VIP

cos.3

cos..3

2

2

VPI

IVP

Las pérdidas totales en las líneas serán:

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11

22

212

111 cos2

2V

PRIRp

22

222

222 cos93

3V

PRIRp

Igualando pérdidas

22

22

22

21

cos93

cos2

VPR

VPR

12 6RR

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

1

1

2

2 6Al

Al

como 21 ll

21

12

6

161

AAAA

El peso de los conductores es proporcional al aérea de los mismos

21 .6WW

Relacionando pesos totales

En el caso monofásico son dos hilos 11 .2WWT

En el caso trifásico son tres hilos 22 .3WWT

41

)6.(2.3

.2.3

2

2

1

2

1

2 W

WWW

WW

T

T

“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.

Potencia Pérdida de potencia Corriente alterna trifásica P = 3 Va Ia ∆P = 3 Ia2 R Corriente contínua P = Vc Ic ∆P = 2 Ic2 R

Igualando las pérdidas

ac

ca

I.I

R.I.R.I.

23

23 22

Igualando expresiones de potencias

ac

caaa

VV

VIIV

.623.3

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

87,023

22.6

22

..........

a

a

a

c

V

V

V

V

acoaislamientdeNivelccoaislamientdeNivel

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 Ia es la corriente, RA la resistencia, AA la sección y cos al factor de potencia de la línea de corriente alterna monofásica.

AA (RA)

+ IA

VG P, cos

-

L Por lo tanto tendremos:

P = VG IC ; p = 2 RC IC2

P = VG IA cos ; p = 2 RA IA 2

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

GC V

PI ; 22 CC I

pR

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cosVPI

GA ; 22 A

A I.pR

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

2

2

.2 PpVR G

C ; 2

22

2 P.

cos.V.pR G

A

Por lo tanto la relación RC/RA es:

21

cosRR

A

C

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

C

A

A

C

A

CAA

AL

AL

RR

Finalmente se obtiene que: 2

1cosA

AC

A

2cosAA AC

La relación de las secciones depende del factor de potencia

Cos Ac / AA

1,0 1,00 0,9 0,81 0,8 0,64 0,7 0,49

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.

AA (RA)

Ia

VG

VG

VG P, cos

L

La potencia y pérdidas en corriente continua como alterna serían:

CG IVP . ; 22 CCIR.p

cos.I.V.P AG3 ; 23 AAIR.p

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

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GC V

PI ; 22 CC I

pR

cos.V.PI

GA

3 ; 23 A

A IpR

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

2

2

.2

.PVpR G

C ; 2

22

P

cos.V.pR G

A

Por lo tanto la relación RC/RA es:

221

cos.RR

A

C

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

221

cos.AA

RR

C

A

A

C

Si se toma en cuenta que la sección total para la línea de corriente continua es ACT = 2 AC y que para la línea trifásica es AAT = 3AA , se obtiene:

2

2

34

322

32

coscos..A.A.

AA

A

C

AT

CT

Resulta que:

234 cosAA ATCT

cos ACT / AAt

1,000 1,33 0,900 1.08 0,866 1,00 0,800 0,85 0,700 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 1000 km

Corriente Alterna

8.000.000 40.000.000 64.000.000 66.666.666 80.000.000

Corriente Contínua

5.000.000

25.000.000

30.000.000

25.000.000

25.000.000

50.000.000

40.000.000

25.000.000

65.000.000

41.666.666

25.000.000

66.666.666

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