REPORTE #1.- DESCRIPCIN DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN SEP

ObjetivoEl alumno conocer y distinguir entre cada uno de los elementos principales que conforman el Sistema Elctrico de Potencia.

IntroduccinLa energa elctrica es una de las formas ms sencillas de la energa, de las que a mayores distancias es posible transportarla. Se puede obtener una diversa variedad de fuentes primarias de energa y es la que ms usos y aplicaciones ofrece en la vida cotidiana.Sin embargo, para que se cumpla lo anterior es indispensable disponer de un sistema interconectado mediante el cual nos sea posible generar la energa, transportarla y distribuirla a todos los usuarios en forma eficaz y con calidad. A este sistema lo llamamos Sistema Elctrico de Potencia (SEP). En este sistema la energa elctrica desde su generacin hasta su entrega en los puntos de consumo, pasa por diferentes etapas de adaptacin, transformacin y maniobra. Para la correcta operacin del sistema son necesarios los equipos que sean capaces de transformar, regular, maniobrar y proteger. A continuacin se describirn algunos de los equipos ms importantes que conforman este Sistema Elctrico de Potencia (SEP).

DesarrolloGeneradoresEl generador elctrico es la parte ms importante del equipo en una termoelctrica ya que es el que genera energa elctrica a partir de energa mecnica, el cual es el objetivo que se quiere conseguir cuando la planta es construida.Existen tres tipos de generadores elctricos rotatorios : Sincrnicos de corriente alterna (ca), induccin de ca y rotatorios de corriente directa (cd). Los generadores sincrnicos son los de mayor uso debido a su sistema de excitacin, en cambio, los generadores de cd han sido reemplazados casi por completo por rectificadores estticos de silicio.

Generadores sincrnicosEl principio fundamental de operacin de los generadores sincrnicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magntico induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energa cd o excitador se aplica a travs de unos anillos colectores en el rotor: La fuerza del flujo, y por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura se regulan mediante la corriente directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna se produce en la armadura debido a la inversin del campo magntico a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales.La disposicin ms comn es la de un electroimn cilndrico que gira dentro de un conjunto de conductores estacionarios. En las siguientes figuras se muestran tanto al electroimn o tambin llamado campo y los conductores que constituyen la armadura.La corriente que se genera mediante los alternadores descritos ms arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que est diseada la mquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofsica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90 una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirn dos ondas de corriente, una de las cuales estar en su mximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifsica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ngulos de 120, se producir corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifsica. Se puede obtener un nmero mayor de fases incrementando el nmero de bobinas en la armadura, pero en la prctica de la ingeniera elctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifsica, con el alternador trifsico, que es la mquina dinamoelctrica que se emplea normalmente para generar potencia elctrica.Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo mquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del nmero de polos y el nmero de revoluciones por segundo de la armadura.

Existen dos parmetros que limitan la produccin de energa elctrica de un generador:Saturacin de la densidad de flujo. A medida que se incrementa la corriente de excitacin del campo, se alcanza un punto donde la densidad del flujo no aumenta ms debido a la saturacin del hierro en el ncleo. Lo normal es que la capacidad del generador se encuentre cerca de este punto de saturacin de flujo.Elevacin de la temperatura en el devanado y en el aislamiento debido a las prdidas. Esto comprende a las prdidas debidas a la corriente de excitacin en el devanado del campo, la corriente alterna en el devanado de la armadura, el circuito magntico y cualesquiera corrientes parsitas o campos magnticos que se generen. Dichas prdidas pueden llegar a ser del 1 al 5% o ms de la cantidad de energa que se transforme.

Los generadores sincrnicos tambin tienen su propia clasificacin la cual es por el sistema de excitacin y por su sistema de enfriamiento.

1. Generadores enfriados por aire:Estos generadores se dividen en dos tipos bsicos: abiertos ventilados (OV, open ventilated) y completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC, totally enclosed water to air cooled).Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos y que en algunas plantas de tamao pequeo se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa slo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extraas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Se pueden usar filtros que puedan reemplazarse o limpiar, para mantener limpios los embobinados. En la siguiente figura se muestra un corte de un generador OV y el patrn de ventilacin.Los generadores tipo TEWC (Figura N 78), son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfra pasando a travs del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulacin. La suciedad y materias extraas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee.

2. Generadores enfriados por hidrgeno:Los generadores de mayor capacidad, peso, tamao y los ms modernos, usan hidrgeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrgeno es aproximadamente 1/16 del aire y con una alta capacidad trmica, esto significa, que las prdidas de viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio.Cuando el hidrgeno se mezcla con el oxgeno en proporciones de 20 a 85% en total, la mezcla es explosiva, y se debe tener ciertas precauciones para evitar una avera.El enfriamiento convencional con hidrgeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya construccin es mucho ms compleja) que llegan a un mximo de 250 MVA.Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrgeno cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o ms (Figura N 79).

3. Generadores enfriados por hidrgeno / aguaPueden lograrse diseos de generadores an ms compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador (Figura N 80). Estos diseos emplean torones de cobre a travs de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra va un circuito cerrado.El voltaje y la corriente de armadura de los generadores enfriados por hidrgeno / agua son bastantes mayores que los enfriados por aire o hidrgeno. Como resultado unidades de mayor capacidad tanto en los voltajes como en las fuerzas que experimentan las unidades generadoras.

Sistema de excitacinLa funcin principal del sistema de excitacin es suministrar energa en forma de voltaje y corriente directa al campo generador, creando el campo magntico. As mismo, el sistema de excitacin comprende el equipo de control y proteccin, que regula la produccin elctrica del generador. En el diseo de los sistemas complejos de transmisin de energa, las caractersticas de desempeo y proteccin del sistema de excitacin deben evaluarse con tanto cuidado como las caractersticas de diseo del equipo.El voltaje de excitacin es un factor esencial en el control de la salida del generador. Una caracterstica deseable de un sistema de excitacin es que este sea capaz de producir con rapidez altos niveles de voltaje de excitacin despus de un cambio en el voltaje terminal. Adems del voltaje que se requiere en el equipo se necesita que la respuesta sea de manera rpida y a los niveles que se requiere.Existen varios sistemas de excitacin el cual se clasifican segn la fuente de energa del excitador: Generador de cd con conmutador. Generador de ca y rectificadores estacionarios. Generador de ca y rectificadores rotatorios (sin escobillas). Transformadores en el generador principal y rectificadores (excitacin esttica).

Transformadores de PotenciaLos transformadores de potencia cumplen con una funcin muy importante en los sistemas elctricos de potencia; transforman el voltaje del sistema de un nivel nominal a otro y deben ser capaces de transportar el flujo de potencia en forma continua hacia una parte particular del sistema o hacia la carga (en su caso).

Tipos de transformadores:Los transformadores de potencia pueden ser autotransformadores o transformadores convencionales de varios devanados. Una instalacin trifsica puede consistir de tres unidades monofsicas formando un banco trifsico o de una sola unidad trifsica. La decisin de qu tipo de transformador utilizar depende de factores como: el costo inicial, los costos de operacin (influencia de la eficiencia), la confiabilidad, etc. Las unidades trifsicas tienen por lo general mayor eficiencia, menor tamao y costos iniciales menores, por lo tanto son ms econmicas.La ventaja de utilizar tres unidades monofsicas es que, se puede compartir una unidad a un costo menor. La seleccin entre transformadores convencionales de dos o tres devanados o autotransformadores, involucra sus diferencias bsicas en las medidas que puedan afectar los factores de costos y aplicacin.Entre los elementos principales que constituyen al transformador de potencia son los siguientes: Tanque Devanados primario y secundario Boquillas de Alta y Baja Sistema de enfriamiento (Aceite) Radiador de enfriamiento Medidor de nivel de aceite Ncleo Aislamiento en devanados Sistema de proteccinEs muy importante mantener controlada la temperatura del transformador, ya que si esta llegara a elevarse exageradamente, podra daarse el sistema de aislamiento del transformador provocando un corto en los devanados, y, en caso de tratarse de un transformador trifsico (y no de un banco trifsico de transformadores) estaramos hablando de grandes prdidas, ya que tendra que sacarse completas las tres fases para poder reparar, lo cual dejara sin alimentacin de energa a las cargas que dependan de l.

Lneas de transmisinEs el conjunto de dispositivos para transportar o guiar la energa elctrica desde una fuente de generacin a los centros de consumo (las cargas). Y estos son utilizados normalmente cuando no es costeable producir la energa elctrica en los centros de consumo o cuando afecta el medio ambiente (visual, acstico o fsico), buscando siempre maximizar la eficiencia, haciendo las perdidas por calor o por radiaciones las ms pequeas posibles.

El sistema de energa elctrico consta de varios elementos esenciales para que realmente la energa elctrica tenga una utilidad en residencias, industrias, etc. Todo comienza cuando en las plantas generadoras de energa elctrica de las cuales existen varias formas de generar la energa (plantas geotrmicas, nucleares, hidroelctricas, trmicas, etc.).Despus de ese proceso la energa creada se tiene que acondicionar de cierta manera para que en su transportacin a los centros de consumo se tenga el mnimo de prdidas de esa energa, y para eso est el proceso de elevacin de voltaje.Al transmitir la energa se tiene alta tensin o voltaje y menos corriente para que existan menores perdidas en el conductor, ya que la resistencia varia con respecto a la longitud, y como estas lneas son demasiado largas las prdidas de electricidad por calentamiento seran muy grandes.

Materiales utilizados en lneas de transmisin.Existen varios materiales que son utilizados en las lneas de transmisin, esto de acuerdo a las necesidades de la lnea. Por ejemplo el cobre duro es utilizado en las lneas areas donde se requiere ms propiedades mecnicas de tensin ya que si se pone cobre suave la lnea tendera a pandearse debido a la gravedad y a su propio peso. Y en lneas subterrneas se utiliza el cobre suave, debido a que si utilizamos el cobre duro le quitara la flexibilidad, que estas requieren para su instalacin y manejo.

A continuacin se muestra una tabla con los principales materiales utilizados para la construccin de las lneas de transmisin y sus principales caractersticas:

Usos de los materiales en la transmisin y distribucin de energa elctrica.

La construccin de los elementos conductores se muestra a continuacin:

Elementos principales en una lnea area de transmisin. AisladoresVidrio-porcelana.Hule sinttico. Postes. De madera, Cemento, Acero Seccionadores.Cuchillas e interruptores. Conductores. Banco de capacitores. Apartar rayos. Son equipos elctricos diseados para drenar a tierra los sobre voltajes producidos por medios climticos o fallas en el sistema. PARARRAYOS HILOS DE GUARDA: Es el elemento que va en la parte superior de los postes y estructuras que sirven para subir al punto de referencia a tierra o arriba de los conductores de transmisin de energa.

Elementos principales en una lnea subterrnea de transmisin. REGISTROS Y DUCTOS OBRAS CIVILES: Son elementos fundamentales en la construccin de lneas subterrneas, las cuales constan y se realizan en la etapa de obra civil. Los registros estn formados por completo de acero en caso de los ductos se pueden utilizar 2 tipos: Tubo de PVC de alta densidad, puede ir directamente enterrado sin necesidad de enterrarlo en concreto. Ductos de PVC conducir, este tipo de ductos se requiere ser enterrado en concreto por qu mecnicamente es flexible. SOPORTES NO METALICOS TIERRAS: Estas estn compuestas por un cable longitudinal y continuo principalmente de cobre desde su inicio en la lnea, hasta su terminacin y que sirve para igualar las diferencias equipotenciales de los campos elctricos, as como por el apoyo de la varilla de tierra y sus conductores ayudan a drenar cualquier falla que se llegue a presentar en los cables de potencia. Empalmes. Terminales. Cables.

Seleccin de conductores.1.- Que tensin va a llevar una lnea.2.- Clima de la zona.3.- Nivel del voltaje (altura).4.- Altura deseada.5.- Altura del objeto ms alto.

Dispositivos de compensacin (FACTS)

Los sistemas de transmisin y distribucin de las empresas elctricas han comenzado un perodo de cambio, debido principalmente a la aplicacin de la electrnica de potencia, microprocesadores y comunicaciones en general. Esto los ha llevado a una operacin ms segura, controlable y eficiente.En esta rea se han llevado a cabo diversas investigaciones, las que han conducido al desarrollo de los FACTS, dispositivos que abarcan al conjunto de equipos con capacidad de controlar el flujo de potencia o variar caractersticas de la red, empleando semiconductores de potencia para controlar el flujo de los sistemas de corriente alterna, cuyo propsito es dar flexibilidad a la transmisin de la energa sobre la base de dos objetivos principales: Incrementar la capacidad de transferencia de potencia en los sistemas de transmisin. Mantener el flujo en las trayectorias de la red para que se establezcan de acuerdo a las distintas condiciones operativas. Esto permite mejorar la eficiencia del sistema debido a: Un mayor control sobre el flujo de potencia, dirigindolo a travs de las rutas predeterminadas. La operacin con niveles de carga seguros (sin sobrecarga), y cercano a los lmites trmicos de las lneas de transmisin. Mayor capacidad de transferencia de potencia entre reas controladas con lo que el margen de reserva en generacin puede reducirse considerablemente. Prevencin de salidas de servicio en cascada, limitando el efecto de fallas en el sistema y equipos. El amortiguamiento de las oscilaciones del sistema de potencia, que daan los equipos y limitan la capacidad de transmisin disponible.

Los sistemas de control de los FACTS estn basados en la posibilidad de manejar los parmetros interrelacionados que restringen los sistemas (impedancias serie y paralelo, ngulo de fase, oscilaciones a frecuencias subsncronas), permitiendo adems operar las lneas de transmisin cerca de sus lmites trmicos, lo que anteriormente no era posible sin violar las restricciones de seguridad del sistema.Cada sistema de las empresas posee redes de potencia elctrica que integran sus centros de generacin y cargas, las que a su vez se interconectan con los sistemas vecinos. Esto permite compartir potencia entre las redes de regiones alejadas, con el propsito de aprovechar la diversidad de las cargas, debido a diferencias de clima y horario, disponibilidad de diversas reservas de generacin en zonas geogrficas distintas, cambios en precios del combustible y en la regulacin, etc.Para facilitar gran parte de las transferencias de potencia, estas redes interconectadas ayudan a minimizar la necesidad de aumentar las plantas de generacin y permiten a empresas y regiones vecinas comprar y vender energa entre ellas. Esto lleva a una operacin segura y a ms bajo costo.En los ltimos aos, la demanda elctrica ha crecido y seguir creciendo considerablemente, unido a un aumento en la competencia en el sector generacin. La gran dificultad que ha surgido es la adquisicin de nuevos derechos de va. Los FACTS pueden aportar en este caso, permitiendo una mejor utilizacin de las lneas ya existentes, aumentando su capacidad til por medio de modificaciones de la impedancia y del ngulo de fase.El flujo de potencia entre dos puntos a travs de una lnea de transmisin est dado por:

De esta expresin se desprende que la potencia que fluye por una lnea no depende de los propietarios, de los contratos ni de los lmites trmicos, sino ms bien de los parmetros fsicos de la red: voltaje en los extremos de la lnea (Vi, Vj), impedancia de la lnea (xij) y ngulos de fase de voltaje y corriente (i, j) que se presenta al comienzo y al final de cada lnea por el camino posible. Esto conlleva la dificultad de transmitir flujos de potencia a travs de caminos determinados. La diferencia entre una ruta directa y la determinada por la red se denomina: flujo de anillo, y se caracteriza por una circulacin de potencia que disminuye la capacidad disponible de la lnea.Las principales ventajas de los dispositivos FACTS son: Permiten bloquear flujos en anillo indeseados. Esto posibilita aumentar la capacidad de las lneas en un 20-40% cuando de otra manera un cuello de botella en stas obligara a reducir la capacidad de flujo a travs de ellas. Posibilitan la operacin de las lneas a valores cercanos a sus lmites trmicos, manteniendo o mejorando la seguridad y confiabilidad en el sistema. Esto permite a las empresas ahorrar dinero mediante la mejor utilizacin de sus activos (cables y quipos en general) acomodndose al aumento de demanda de energa y potencia por parte de los clientes. Facilitan responder rpidamente a los cambios en las condiciones de la red para proveer un control del flujo de potencia en tiempo real, el cual es necesario cuando se produce un gran nmero de transacciones en un mercado elctrico completamente desregulado.

En cuanto a sus acciones sobre el sistema se clasifican en: dispositivos de compensacin en serie, dispositivos de compensacin en paralelo, derivacin o "shunt", y dispositivos desfasadores.

Compensadores en seriePodemos encontrar dos tipos de controladores. En primer lugar el control se hace por separado pero de modo coordinado en un sistema de mltiples lneas. O, como se muestra en la figura, el centro de control es unificado y permite entregar la compensacin reactive serie requerida por cada lnea, pero tambin permite el flujo de potencia activa entre las lneas involucradas mediante el DC Power Link.Esta capacidad de controlar el trnsito de potencia activa se conoce como Controlador de Flujo de Potencia Interlneas que hace posible balancear el flujo de las potencias reactivas y activas en las lneas de transmisin y mediante esto, maximizar la utilizacin y capacidad de transporte de las mismas.Como su nombre lo indica, en este grupo se encuentran los controladores que se conectan en serie al elemento especfico (una lnea de transmisin, por ejemplo) y que pueden ser impedancias variables tales como capacitores o reactores, o una fuente variable construida en base a elementos electrnicos de potencia que entreguen una seal de voltaje a frecuencia primaria, subsncrona o a las frecuencias armnicas deseadas. Mientras la seal de voltaje est en cuadratura con la corriente de lnea, el controlador consumir o entregar slo potencia reactiva. En cualquier otro caso se ver involucrado un manejo de potencia activa.

La compensacin en serie inserta energa reactiva en la lnea de transmisin. Mediante esto se logra acortar virtualmente las lneas. Como consecuencia, el ngulo de transmisin se reduce, y la transferencia de energa se puede aumentar sin la reduccin de la estabilidad del sistema.Dentro de los elementos a que encontramos en este grupo estn: Compensadores Estticos Sncronos Serie (SSSC). Controlador de Flujo de Potencia Interlneas (IPFC). Capacitor Serie Controlado por Tiristores (TCSC). Capacitor Serie Encendido por Tiristores (TSSC). Reactor Serie Controlado por Tiristores (TCSR). Reactor Serie Encendido por Tiristores (TSSR).

Compensadores en paraleloLa compensacin en paralelo (shunt) consiste en suministrar potencia reactiva a la lnea, para aumentar la transferencia de potencia activa, manteniendo los niveles de tensin dentro de los rangos aceptables de seguridad. Tal como los controladores series, los elementos que se pueden conectar son los mismos, y la diferencia es que inyectan seales de corriente al sistema en el punto de conexin. El manejo de potencia activa mediante estos elementos est condicionado por los ngulos de desfase, del mismo modo que los controladores serie.En este grupo estn: Compensadores Estticos Sncronos (STATCOM). Generador Esttico Sncrono (SSG). Sistema de Almacenaje de Energa en Bateras (BESS). Almacenaje de Energa en Superconductores Magnticos (SMES). Compensador Esttico de Reactivos (SVC). Reactor Controlado por Tiristores (TCR). Reactor Encendido por Tiristores (TSR). Capacitor Encendido por Tiristores (TSC). Generador (o Consumidor) Esttico de Reactivos (SVG). Sistema Esttico de VARs (SVS). Resistor de Freno Controlado por Tiristores (TCBR).

VentajasLas ventajas que ofrecen las familias de controladores descritos anteriormente son muchas y de varios tipos, y cada uno de estos elementos presenta una o ms de las siguientes caractersticas: Control del flujo de potencia segn se requiera, lo que permite optimizar las capacidades de las lneas y moverse bajo condiciones de emergencia ms adecuadamente. Aumentan la capacidad de carga de las lneas hasta su lmite trmico, tanto en horizontes de corto plazo como estacionario. Aumentan la seguridad del sistema en general a travs del aumento del lmite de estabilidad transitoria, limitando corrientes de cortocircuitos y sobrecargas, ofreciendo la posibilidad de controlar apagones (blackouts) en cascada y absorbiendo oscilaciones electromecnicas de sistemas de potencia y mquinas elctricas. Proveen conexiones seguras a instalaciones y regiones vecinas almismo tiempo que reducen las exigencias generales de reservasde generacin. Entregan mayor flexibilidad en la locacin de nuevas unidades generadoras. Permiten mejorar los niveles de uso de las lneas. Reducen los flujos de potencia reactiva en las lneas detransmisin, y por lo tanto, una mayor capacidad de transporte depotencia activa. Reducen los flujos de potencia en anillo (loop flows). Incrementan la utilizacin de la generacin de menor costo.

De cualquier modo, stos controladores permiten la amplia variedad de capacidades descritas anteriormente debido a que el voltaje, corriente, impedancia, potencia activa y reactiva son variables interrelacionadas, por lo que cada controlador tiene mltiples opciones para el control de flujo de potencia, estabilidad, etc. tanto en lazo abierto como cerrado, por lo que las posibilidades son muchas.

ConclusionesSi hablamos de un SEP, hablamos de generacin, transmisin y distribucin de Energa Elctrica, para poder llevar a cabo este proceso es muy importante tomar en cuenta cada una de las caractersticas de los equipos mencionados en esta prctica.Los elementos fundamentales en este sistema (SEP) son los Generadores, los Transformadores y las Lneas de transmisin, ya que estos llevan a cabo el trabajo ms importante del sistema, el cual es poder convertir una energa mecnica en elctrica y hacerla llegar con las menores prdidas posibles (lo cual se logra mediante las diferentes transformaciones de voltajes y corrientes en cada etapa del SEP) hasta el consumidor, de esta manera lograr que la potencia generada sea tambin la potencia suministrada.Los equipos de control y proteccin comprenden una parte importante en un SEP, pues nos sirven para permitir que cada uno de los elementos fundamentales (Generador, Transformador, Lneas) lleven a cabo su trabajo de manera segura, evitando o previniendo posibles fallas en alguna de las etapas del sistema, lo cual podra provocar graves prdidas tanto energticas como econmicas, resultan ser elementos indispensables para el correcto funcionamiento del sistema.

Referencias

Folleto de Lneas de Transmisin/Academia de Alta tensin e Iluminacin, FIMEFolleto de Equipo Elctrico/Academia de Alta tensin e Iluminacin, FIMEMquinas Rotantes/Apuntes del Ing. Narciso Beyrut Ruiz/Universidad VeracruzanaSistemas de transmisin flexible en corriente alterna/Francisco D. Prez A./Centro de Investigacin e Innovacin Elctrica, Mecnica y de la Industria/Universidad Tecnolgica de Panam