Distribución de energía eléctrica

La distribución de energía eléctrica es la etapa final en el suministro de electricidad . La electricidad se transporta desde el sistema de transmisión hasta los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y reducen la tensión de transmisión a media tensión que oscila entre2 kV  y33  kV con el uso de transformadores . ^{[ 1 ]} Las líneas de distribución primaria transportan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución reducen nuevamente la tensión a la tensión de utilización utilizada por la iluminación, los equipos industriales y los electrodomésticos. A menudo, varios clientes se abastecen desde un solo transformador a través de líneas de distribución secundaria . Los clientes comerciales y residenciales se conectan a las líneas de distribución secundaria a través de acometidas . Los clientes que demandan una cantidad de energía mucho mayor pueden conectarse directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión . ^{[ 2 ]}

La transición de la transmisión a la distribución se produce en una subestación eléctrica , que tiene las siguientes funciones: ^{[ 2 ]}

• Los interruptores y disyuntores permiten desconectar la subestación de la red de transmisión o desconectar las líneas de distribución.
• Los transformadores reducen los voltajes de transmisión,35  kV o más, hasta tensiones de distribución primaria. Se trata de circuitos de media tensión, generalmente600–35 000  V . ^{[ 1 ]}
• Desde el transformador, la energía llega a la barra colectora , que puede distribuir la energía en múltiples direcciones. La barra colectora distribuye la energía a las líneas de distribución, que a su vez la distribuyen a los clientes.

La distribución urbana es principalmente subterránea, a veces en conductos de servicios públicos comunes . La distribución rural es mayormente aérea con postes de servicios públicos , y la distribución suburbana es mixta. ^{[ 1 ]} Cerca del cliente, un transformador de distribución reduce la potencia de distribución primaria a un circuito secundario de baja tensión, generalmente 120/240 V en EE. UU. para clientes residenciales. La energía llega al cliente a través de una acometida y un medidor de electricidad . El circuito final en un sistema urbano puede ser inferior a 15 metros (50 pies) , pero puede superar los 91 metros (300 pies) para un cliente rural. ^{[ 1 ]}  

La distribución de energía eléctrica se hizo necesaria recién en la década de 1880, cuando la electricidad comenzó a generarse en centrales eléctricas . Hasta entonces, la electricidad generalmente se generaba donde se consumía. Los primeros sistemas de distribución de energía instalados en ciudades europeas y estadounidenses se utilizaban para suministrar iluminación: iluminación de arco que funcionaba con corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) de muy alto voltaje (alrededor de 3000 V) , e iluminación incandescente que funcionaba con corriente continua de bajo voltaje (100 V). ^{[ 3 ]} Ambos sistemas estaban reemplazando a los sistemas de iluminación de gas , con la iluminación de arco asumiendo el alumbrado de grandes áreas y el alumbrado público, y la iluminación incandescente reemplazando las luces de gas para usuarios comerciales y residenciales.

Los altos voltajes utilizados en la iluminación de arco permitían que una sola central generadora alimentara una cadena de luces de hasta 11 km (7 millas) de longitud. ^{[ 4 ]} Y cada duplicación del voltaje permitía que un cable determinado transmitiera la misma cantidad de energía a cuatro veces la distancia que con el voltaje más bajo (con la misma pérdida de potencia). Por el contrario, los sistemas de iluminación interior incandescente de corriente continua, como la primera central eléctrica de Edison , instalada en 1882, tenían dificultades para abastecer a clientes a más de 1,6 km (una milla) de distancia porque utilizaban un bajo voltaje (110 V) desde la generación hasta el uso final. El bajo voltaje se traducía en una corriente más alta y requería cables de cobre gruesos para la transmisión. En la práctica, las centrales generadoras de CC de Edison debían estar a unos 2,4 km (1,5 millas ) del cliente más alejado para evitar conductores aún más gruesos y costosos.  

La energía eléctrica se origina en una central generadora, donde la diferencia de potencial puede alcanzar los 33 000 voltios. Generalmente se utiliza corriente alterna (CA). Los usuarios de grandes cantidades de corriente continua (CC), como algunos sistemas de electrificación ferroviaria , centrales telefónicas y procesos industriales como la fundición de aluminio , utilizan rectificadores para obtener CC a partir del suministro público de CA, o bien disponen de sus propios sistemas de generación. La CC de alto voltaje puede resultar ventajosa para aislar sistemas de corriente alterna o controlar la cantidad de electricidad transmitida. Por ejemplo, Hydro-Québec cuenta con una línea de corriente continua que va desde la región de la bahía de James hasta Boston . ^{[ 9 ]}

Desde la central generadora, la electricidad se dirige a la subestación de la central, donde un transformador elevador aumenta el voltaje a un nivel adecuado para la transmisión, de 44 kV a 765 kV. Una vez en el sistema de transmisión, la electricidad de cada central generadora se combina con la producida en otros lugares. Para los generadores de corriente alterna, todas las unidades generadoras conectadas a una red común deben estar sincronizadas , operando a la misma frecuencia con una pequeña tolerancia. Alternativamente, se pueden combinar fuentes dispares para alimentar una carga común si se interpone algún convertidor de potencia externo, como una máquina rotativa o un sistema convertidor de corriente continua . La electricidad se consume tan pronto como se produce. Se transmite a una velocidad muy alta, cercana a la velocidad de la luz .

Los voltajes de distribución primaria varían de 4  kV a 35  kV fase a fase (2,4  kV a 20  kV fase a neutro) ^{[ 10 ].} Solo los grandes consumidores se alimentan directamente de los voltajes de distribución; la mayoría de los clientes de servicios públicos están conectados a un transformador, que reduce el voltaje de distribución al bajo voltaje de "utilización", "tensión de suministro" o "tensión de red" utilizado por los sistemas de iluminación y cableado interior.

Configuraciones de red

Las redes de distribución se dividen en dos tipos: sistema radial o red. ^{[ 11 ]} Un sistema radial se organiza como un árbol, donde cada cliente tiene una única fuente de suministro. Un sistema de red cuenta con múltiples fuentes de suministro que operan en paralelo. Las redes puntuales se utilizan para cargas concentradas. Los sistemas radiales se utilizan comúnmente en zonas rurales o suburbanas. ^{[ 12 ]}

Los sistemas radiales suelen incluir conexiones de emergencia que permiten reconfigurar el sistema en caso de problemas, como una avería o un mantenimiento programado. Esto se puede lograr abriendo y cerrando interruptores para aislar una sección determinada de la red.

Los alimentadores largos experimentan una caída de tensión ( distorsión del factor de potencia ), lo que requiere la instalación de condensadores o reguladores de tensión .

La reconfiguración, mediante el intercambio de los enlaces funcionales entre los elementos del sistema, representa una de las medidas más importantes que pueden mejorar el rendimiento operativo de un sistema de distribución. El problema de optimización a través de la reconfiguración de un sistema de distribución de energía, en términos de su definición, es un problema histórico de un solo objetivo con restricciones. Desde 1975, cuando Merlin y Back ^{[ 13 ]} introdujeron la idea de la reconfiguración del sistema de distribución para la reducción de pérdidas de potencia activa, hasta la actualidad, muchos investigadores han propuesto diversos métodos y algoritmos para resolver el problema de reconfiguración como un problema de un solo objetivo. Algunos autores han propuesto enfoques basados ​​en la optimalidad de Pareto (incluyendo pérdidas de potencia activa e índices de confiabilidad como objetivos). Para este propósito, se han utilizado diferentes métodos basados ​​en inteligencia artificial: microgenética, ^{[ 14 ]} intercambio de ramas, ^{[ 15 ]} optimización por enjambre de partículas ^{[ 16 ]} y algoritmo genético de clasificación no dominada . ^{[ 17 ]}

Servicios rurales

Los sistemas de electrificación rural tienden a utilizar voltajes de distribución más altos debido a las mayores distancias que cubren las líneas de distribución (véase Administración de Electrificación Rural ). La distribución de 7,2, 12,47, 25 y 34,5  kV es común en Estados Unidos; 11  kV y 33  kV son comunes en el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda; 11  kV y 22  kV son comunes en Sudáfrica; 10, 20 y 35  kV son comunes en China. ^{[ 18 ]} Ocasionalmente se utilizan otros voltajes.

Los servicios rurales suelen minimizar el número de postes y cables. Utilizan voltajes más altos (que la distribución urbana), lo que permite el uso de cable de acero galvanizado. Este cable de acero resistente posibilita una separación entre postes más amplia y económica. En zonas rurales, un transformador montado en un poste puede dar servicio a un solo cliente. En Nueva Zelanda , Australia , Saskatchewan, Canadá y Sudáfrica , se utilizan sistemas monofilares de retorno a tierra (SWER) para electrificar zonas rurales remotas.

El servicio trifásico proporciona energía a grandes instalaciones agrícolas, estaciones de bombeo de petróleo, plantas de tratamiento de agua u otros clientes con grandes cargas (equipos trifásicos). En Norteamérica, los sistemas de distribución aérea pueden ser trifásicos, de cuatro conductores, con un conductor neutro. Los sistemas de distribución rurales pueden tener tramos largos de un conductor de fase y un neutro. ^{[ 19 ]} En otros países o en zonas rurales extremas, el conductor neutro se conecta a tierra para usarlo como retorno (retorno a tierra de un solo conductor).

La electricidad se suministra a una frecuencia de 50 o 60  Hz, según la región. Se suministra a los clientes domésticos como energía eléctrica monofásica . En algunos países, como en Europa, puede estar disponible un suministro trifásico para propiedades más grandes. Vista con un osciloscopio , la energía eléctrica doméstica en Norteamérica se vería como una onda sinusoidal , oscilando entre -170 voltios y 170 voltios, lo que da un voltaje efectivo de 120 voltios RMS. ^{[ 20 ]} La energía eléctrica trifásica es más eficiente en términos de potencia suministrada por cable utilizado, y es más adecuada para alimentar grandes motores eléctricos. Algunos electrodomésticos grandes europeos pueden funcionar con energía trifásica, como las cocinas eléctricas y las secadoras de ropa.

Normalmente, se proporciona una conexión a tierra tanto para el sistema del cliente como para los equipos propiedad de la compañía eléctrica. El objetivo de conectar el sistema del cliente a tierra es limitar la tensión que podría generarse si los conductores de alta tensión caen sobre los de baja tensión, que suelen estar instalados a menor altura, o si se produce un fallo en un transformador de distribución. Los sistemas de puesta a tierra pueden ser TT, TN-S, TN-CS o TN-C.

Variaciones regionales

sistemas de 220–240 voltios

La mayor parte del mundo utiliza 50  Hz 220 o 230 V monofásicos, o 380 o 400  V trifásicos para servicios residenciales e industriales ligeros. En este sistema, la red de distribución primaria abastece a unas pocas subestaciones por área, y la  energía de 230/400 V de cada subestación se distribuye directamente a los usuarios finales en una región de  radio normalmente inferior a 1 km. Tres conductores de fase (con corriente) y el neutro se conectan al edificio para un servicio trifásico. La distribución monofásica, con un conductor de fase y el neutro, se utiliza en hogares donde las cargas totales son bajas. En Europa, la electricidad para uso industrial y doméstico se distribuye normalmente mediante el sistema trifásico de cuatro conductores. Esto proporciona una tensión entre fases de 400 voltios en configuración estrella y una tensión monofásica de 230 voltios entre cualquier fase y el neutro. En el Reino Unido, una subestación típica de baja tensión urbana o suburbana suele tener una potencia nominal de entre 150  kVA y 1  MVA y abastece a todo un vecindario de unos cientos de casas. Los transformadores suelen dimensionarse para una carga promedio de 1 a 2  kW por hogar, y los fusibles y el cableado de servicio se dimensionan para permitir que cualquier propiedad consuma una carga máxima de quizás diez veces esta. Para clientes industriales, también está disponible la alimentación trifásica de 400/690 voltios , o puede generarse localmente. ^{[ 21 ]} Los grandes clientes comerciales e industriales tienen sus propios transformadores de distribución con una entrada de 11 kV a 33 kV. Algunos usuarios de alto consumo se abastecen de la red de transmisión de 110 kV a 220 kV.

sistemas de 100–120 voltios

La mayor parte de América utiliza corriente alterna de 60 Hz, con un sistema bifásico  de 120/240 voltios para uso doméstico y trifásico para instalaciones de mayor envergadura. Los transformadores norteamericanos suelen suministrar energía a los hogares a 240 voltios, similar a los 230 voltios de Europa. Es el sistema bifásico el que permite el uso de 120 voltios en el hogar.

En el sector eléctrico de Japón , el voltaje estándar es de 100  V, utilizándose frecuencias de CA de 50 y 60  Hz. Algunas partes del país utilizan 50  Hz, mientras que otras utilizan 60  Hz. ^{[ 22 ]} Esto es un vestigio de la década de 1890. Algunos proveedores locales de Tokio importaron  equipos alemanes de 50 Hz, mientras que los proveedores de energía locales de Osaka importaron  generadores de 60 Hz de Estados Unidos. Las redes crecieron hasta que finalmente todo el país quedó cableado. Hoy en día, la frecuencia es de 50  Hz en el este de Japón (incluyendo Tokio, Yokohama , Tohoku y Hokkaido ) y de 60  Hz en el oeste de Japón (incluyendo Nagoya , Osaka , Kioto , Hiroshima , Shikoku y Kyushu ). ^{[ 23 ]}

La mayoría de los electrodomésticos están diseñados para funcionar en cualquiera de las dos frecuencias. El problema de la incompatibilidad salió a la luz pública cuando el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 dejó fuera de servicio aproximadamente un tercio de la capacidad del este, y la energía del oeste no pudo compartirse completamente con el este, ya que el país no tiene una frecuencia común. ^{[ 22 ]}

Existen cuatro estaciones convertidoras de corriente continua de alta tensión (HVDC) que transportan energía a través de la frontera de frecuencia de corriente alterna (CA) de Japón. Shin Shinano es una instalación HVDC bidireccional en Japón que forma parte de las cuatro estaciones de cambio de frecuencia que conectan las redes eléctricas occidental y oriental de Japón. Las otras tres se encuentran en Higashi-Shimizu , Minami-Fukumitsu y la presa de Sakuma . En conjunto, pueden transportar hasta 1,2 GW de energía hacia el este o el oeste. ^{[ 24 ]}

Sistemas de 240 voltios y tomas de corriente de 120 voltios.

La mayoría de las viviendas modernas de Norteamérica están cableadas para recibir 240 voltios del transformador y, mediante el uso de energía eléctrica bifásica , pueden tener tomas de corriente de 120 voltios y de 240 voltios. Los 120 voltios se utilizan normalmente para la iluminación y la mayoría de los enchufes de pared . Los circuitos de 240 voltios se utilizan normalmente para electrodomésticos que requieren una alta potencia calorífica, como hornos y calefactores. También pueden utilizarse para alimentar un cargador de coche eléctrico .

Tradicionalmente, los sistemas de distribución operaban únicamente como líneas de distribución simples donde la electricidad de las redes de transmisión se compartía entre los clientes. Los sistemas de distribución actuales están altamente integrados con la generación de energía renovable en el nivel de distribución de los sistemas eléctricos mediante recursos de generación distribuida , como la energía solar y la energía eólica . ^{[ 25 ]} Como resultado, los sistemas de distribución se están volviendo gradualmente más independientes de las redes de transmisión. Equilibrar la relación oferta-demanda en estas modernas redes de distribución (a veces denominadas microrredes ) es un desafío y requiere el uso de diversos medios económicos, tecnológicos y operativos para su funcionamiento. Dichas herramientas incluyen señales de mercado, estaciones de almacenamiento de energía en baterías , análisis de datos , herramientas de optimización, etc.

El aumento de las temperaturas ambiente durante episodios de calor extremo puede reducir la eficiencia de los sistemas de transmisión y distribución eléctrica. La potencia nominal de los transformadores, los cables subterráneos y las líneas aéreas se ve limitada bajo altas temperaturas ambiente. ^{[ 26 ]}

• Sociedad de Ingeniería de Potencia del IEEE
• Subcomité de Distribución de la Sociedad de Ingeniería de Potencia del IEEE
• Sitio web de distribución eléctrica del Departamento de Energía de EE. UU.