GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS

ELECTRICOS – PARTE 1

1

Docente: Kelly Berdugo Sarmiento

Ing. Electricista

Magister en Eficiencia Energética y Energía Renovable

Especialista en Gerencia Energética

Especialista en Energías Renovables

kberdugo2@cuc.edu.co- 3145381083

Conceptos generales de un sistema eléctrico de potencia.

Parámetros de líneas y redes eléctricas.

Parámetros de transformadores.

Parámetros de motores eléctricos.

Parámetros de generadores y equivalentes de red.

Parámetros de compensadores.

Formas de conexión de las redes eléctricas.

Niveles de tensión y frecuencia.2

Contenido Unidad 1 – Parte 1

CONCEPTOS GENERALES DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

3

¿Qué es un sistema eléctrico de potencia?

Conjunto de elementos conectados para generar, transmitir y

distribuir la energía eléctrica a los usuarios que demandan por el

servicio.

Compuesto por:

Elementos de potencia

Elementos de control

Objetivo del sistema eléctrico de potencia

Realizar una transferencia de la potencia

desde los centros de generación, hasta

los centros de consumo, de forma

económica y cumpliendo con las

exigencias de la regulación de cada país.

¿Quiénes consumen?Internacional

IEA, ELECTRICITY INFORMATION: OVERVIEW (2018 edition).(https://webstore.iea.org/download/direct/2261?fileName=Electricity_Information_%202018_Overview.pdf)

UPME, 2018, Boletín Estadístico de Minas y Energía 2016 – 2018. (http://www1.upme.gov.co/PromocionSector/SeccionesInteres/Documents/Boletines/Boletin_Estadistico_2018.pdf)

¿Quiénes consumen?Colombia

¿Quiénes consumen?

P. Waide, C. U. Brunner, 2011. Energy-efficiency policy opportunities for electric motor-driven systems. Int. Energy Agency, Paris, France.

Estructura tradicional

Sistemas eléctricos de potencia tradicional

Cambios en la generación

Cambio desde grandes unidades de generación bajo el control de un operador de reda unidades pequeñas conectadas a la red de distribución y/o a fuentes renovables cuyadisponibilidad y producción está controlado por el clima.

Cambios en el consumo

Nuevos tipos de consumo con autos eléctricos.

La transición del calentamiento de gas a la calefacción eléctrica (lo más probable enforma de bombas de calor).

Muchos motores alimentados directamente son reemplazados por variadores develocidad.

El reemplazo de lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes compactas yLED.

Un gran número de dispositivos pequeños, con dispositivos cargadores.

S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J. 29 (10) (2016) 49-61.

V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in Electrical Industrial Systems,” International Journal ofElectrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no. 6, pp. 3207-3216, 2017.

Cambios en la red

El reemplazo de líneas aéreas por cables soterrados.

A niveles de baja y media tensión, ya muchos países están cerca de 100% con la red

subterránea. Los ejemplos son Alemania y Países Bajos, con un 75% y un 90% de

redes de media tensión bajo tierra, respectivamente. Otros países, como Suecia,

están soterrando rápidamente incluso en sus redes rurales más remotas.

A niveles de tensión más alto, incluido en transmisión, hay una clara tendencia hacia

el uso de cables subterráneos.

El número de enlaces HVDC que se conectan al sistema de transmisión está

aumentando, con algunos países o áreas que tienen muchos de esos enlaces dentro de

una distancia relativamente corta.

S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J. 29 (10) (2016) 49-61.

V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in Electrical Industrial Systems,” International Journal ofElectrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no. 6, pp. 3207-3216, 2017.

Cambios en la red

Otros equipos de electrónica de potencia en la red también están mostrando un

aumento en su presencia. Por ejemplo, la red escandinava está conectada a la red de

Europa continental mediante 10 enlaces HVDC.

La comunicación con los medidores de energía se usa cada vez más por líneas de

alimentación.

Finalmente, hay todo un espectro de desarrollos bajo el nombre de "redes

inteligentes".

S. Rönnberg, M. Bollen, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electr. J.29 (10) (2016) 49-61.

V. Sousa, et al., “Harmonic Distortion Evaluation Generated by PWM Motor Drives in ElectricalIndustrial Systems,” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 7, no.6, pp. 3207-3216, 2017.

Nuevos sistemas eléctricos de potencia

Nuevos sistemas eléctricos de potencia

Rodriguez-Diaz, E., Vasquez, J. C., & Guerrero, J. M. (2016). Intelligent DC homes in future sustainable energy systems: When efficiency and intelligence work together. IEEE Consumer Electronics Magazine, 5(1), 74-80.

Nuevos sistemas eléctricos de potencia

Rodriguez-Diaz, E., Vasquez, J. C., & Guerrero, J. M. (2016). Intelligent DC homes in future sustainable energy systems: When efficiency and intelligence work together. IEEE Consumer Electronics Magazine, 5(1), 74-80.

Situación de la generación de energía eléctrica en

Colombia

UPME: http://www.siel.gov.co/

XM: http://www.xm.com.co/Paginas/Home.aspx

XM: http://paratec.xm.com.co/paratec/SitePages/generacion.aspx?q=capacidad

PARÁMETROS DE LÍNEAS Y REDES ELÉCTRICAS

18

Líneas de transmisión

Redes y Líneas

En el modelo de operación del SEP Colombiano, ¿En donde se ubican las redes y líneas?

DISTRIBUCIÓN

Los comercializadores trasladan suscostos a los clientes

COMERCIALIZACIÓN

❑Monopolio del Servicio

❑ Libre acceso a las redes

❑ Cargos regulados

➢ Competencia

➢ Precios libremente acordados

➢ Competencia en las ofertas de cortoplazo➢ Importaciones de otros países (NoTIE)

GENERACIÓN

❑ Regulados

❑ No regulados

❑ Alumbrado Público

❑ Exportaciones a otros países (No TIE)

CLIENTES

Centro

Nacional de

Despacho

OPERACIÓN

ADMINISTRACIÓN❑ Monopolio del Servicio

❑ Competencia a partir de 1999 en la expansión del STN

❑ Libre acceso a las redes y cargos regulados

TRANSMISIÓN

❑ Compra y venta de energía

❑ Competencia

❑ Margen de Comercialización aprobado por la CREG para el mercado regulado

Mercados de Otros Países

TIE

San MarcosMeta

Tasajera

Guatapé

AncónEPM

Esmeralda

Purnio

La Miel

Virginia

Yumbo

SAN CARLOS

ANTIOQUIA/ CHOCÓ

SUROCCIDENTAL

NORTE

CQR

Sierra

Sochagota

Comuneros

Primavera Guatiguará

Termocentro

Malena MAGDALENA

MEDIO

OCCIDENTAL

Valle

CaucaNariño

Huila

Mesa

Hermosa

SUR

Ancón

Sur ISA

Paez Jamondino

(Pasto)

Norte Sant.

El Corozo

Cuatricentenario VENEZUELA

Panamericana

(Ipiales)

Oriente

Envigado

Miraflores

Barbosa

TunalReforma

Guavio

Chivor

Jaguas

Cerromatoso

Chinú

GCM

Atlántico

Bolívar

Cerromatoso

CARIBE

CARIBE 2

San Felipe

Betania

ORIENTAL

TorcaNoroeste

Circo

Cúcuta

OcañaS/Mateo

Tasajero

Palos Caño Limón

Paraíso

S.Mateo

Balsillas

Bogotá

Gdpe IVSalto

Occidente

Bello

Córdoba

Sucre

Ternera

Candelaria

Cartagena

Flores

N/BquillaTebsa

CopeyV/dupar.

Fundación Cuestecitas

S/MartaGuajira

Sabana

A.Anchicayá

Salvajina

Pance

Juanchito

OCCIDENTALPorce

Barranca

B/manga

Enea

Playas

LaMiel

Cartago

NORORIENTALTolimaFlandes/Prado

Cajamarca

Regivit

Colegio/

Mirolindo

(Ibague)

ECUADORPomasqui(Ecuador)

Protecciones eléctricas - ConTcuelcpántosbásicos(Ecuador)

SanBernardino

Guaca

Pagua

500 kV

220 kV

115kV

Indisponible

115kV

138kV

Tol Sam Banad

NORDESTE

Paipa

Sistema Interconectado

Nacional

Conformado por:

❑ Líneas deTransmisión.

❑ Redes de Distribución.

En Colombia las líneas y redes

son en AC operando a 60 Hz.

Esto se conoce también como

HVAC: High Voltage Altern

Current.

En el mundo también existen:

HVDC, UHVDC, UHVAC

Fuente: https://www.wikiwand.com/en/List_of_HVDC_projects

Lecturas informativas IEEE

L. Michi et al., "New HVDC technology in Pan-European power

system planning," 2019 AEIT HVDC International Conference (AEIT

HVDC), Florence, Italy, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/AEIT-

HVDC.2019.8740544.

G. Lagrotteria, D. Pietribiasi and M. Marelli, "HVDC Cables - The

technology boost," 2019 AEIT HVDC International Conference (AEIT

HVDC), Florence, Italy, 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/AEIT-

HVDC.2019.8740645

Existentes

Construcción

Proyección

1. Shetland HVDC Connection

2. Caithness Moray HVDC

3. Western Isles HVDC

4. NorthConnect

5. NSN Norway Kvilldal – UK Blyth, 1.4 GW

under construction

6. Eastern HVDC Link

7.Moyle: Auchencrosh, UK – Ballycronan

More, Northern Ireland, UK

8-46: Vease wikiwand enlace

PROYECTOS HVDC - EUROPA

EIA (2018). Assessing HVDC Transmission for Impacts of Non‐DispatchableGeneration.

https://www.eia.gov/analysis/studies/electricity/hvdctransmission/Lecturas informativas

PROYECTOS HVDC – ESTADOS UNIDOS

Líneas deTransmisión

Es el medio físico mediante el cual se transporta la

energía eléctrica. Está constituida por conductores,

estructuras de soporte, aisladores, cable de guarda.

La literatura técnica suele hacer mención a la sección

o parte del sistema de suministro eléctrico

responsable de la compañía de transmisión de energía

eléctrica.

Redes de Distribución

Conjunto de conductores (aéreos o subterráneos) ycentros de distribución que permiten el suministrode energía hasta el usuario final. La literatura técnicasuele hacer mención a la sección o parte del sistemade suministro eléctrico responsable de la compañía dedistribución de energía eléctrica.

IEC 60038

Transmisión

Distribución

Distribución primaria: 23kV ≥ U > 115 kV

Distribución secundaria: U < 23 kV

Transmisión:

Subtransmisión:

U ≥ 230 kV

115 kV ≥ U > 230 kV

UAT:

EAT: :

AT:

U ≥ 800 kV*

230 kV ≥ U ≥ 550 kV

57,5 kV ≥ U ≥ 230kV

NTC 1340

MT: 1 kV > U ≥ 57,5kV

BT: 25 V ≥ U ≥ 1 kV

MBT: U < 25 VUso Final

*No incluido en NTC 1340, pero se considera a nivel internacional

¿Qué se consideraTransmisión en Colombia?

Según RETIE (Capitulo 5: Requisitos para el proceso de Transmisión), se considera

transmisión al transporte de energía eléctrica en altas y extra altas tensiones iguales o

superiores a 57,5 kV. No se debe confundir con los nombres y niveles de tensión

establecidos en las regulaciones para aspectos de tipo comercial o de calidad de servicio

Zona de Servidumbre

La servidumbre de paso se define como un derecho real sin posesión sobre la

propiedad de otra persona. ... La tierra afectada por la servidumbre de paso se

llamará “predio sirviente”, mientras que el terreno o la persona que se beneficie de la

servidumbre es conocida como “predio dominante”.

Fuente: Abogados (2021). Servidumbre de paso. Conceptos

básicos. https://www.abogado.com/recursos/propiedades-

inmobiliarias/servidumbres/servidumbres-infomacion-basica.html)

Zona de Servidumbre

El siguiente ancho de zona de servidumbre de líneas de transmisión debe cumplirse

según Tabla 22.1 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE 2013

(Vigente).

Tabla 22.1. Ancho de la zona de servidumbre de líneas de transmisión

Líneas de transmisión

Líneas de transmisión

Líneas de transmisión

Líneas de transmisión

Líneas de transmisiónClasificación Longitud

Modelo línea corta L < 80 km

Modelo de línea media 80 km < L < 240 km

Modelo de línea larga L > 240 km

CORTA

MEDIA

LARGA

PARÁMETROS DE TRANSFORMADORES

33

Transformadores

Transformadores

Transformadores

1 Núcleo

1’ Prensaculatas

2 Devanados

3 Cuba

4 Aletas refrigeración

5 Aceite

6 Depósito expansión

7 Aisladores (BT y AT)

8 Junta

9 Conexiones

10 Nivel aceite

11 - 12 Termómetro

13 - 14 Grifo de vaciado

15 Cambio tensión

16 Relé Buchholz

17 Cáncamos transporte

18 Desecador aire

19 Tapón llenado

20 Puesta a tierra

© Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva

Transformadores

Aspectos constructivos: trifásicos

Seco

Pérdidas en un transformador

En los transformadores se tienen dos tipos de pérdidas:

Pérdidas en el cobre: Son pérdidas que se deben al efecto Joule, es decir debido a la corriente que circula en los devanados del transformador. Estas pérdidas dependen del nivel de carga que tenga el transformador en su operación. Se simbolizan por Pcu.

39

En los transformadores se tienen dos tipos de pérdidas:

Pérdidas en el hierro: Son pérdidas histerésicas y parásitas que se deben a las

características de diseño y a la calidad de los materiales empleados en su

fabricación. Estas pérdidas son constantes y tienen lugar mientras el transformador

esta conectado a la red. Su magnitud varía con el tamaño o potencia del

transformador. Se simbolizan por Po.

Pérdidas en un transformador

Histéresis Corrientes parásitas

PARÁMETROS DE MOTORES ELÉCTRICOS

41

Diagrama del flujo de potencia

B. Lu, T. G. Habetler and R. G. Harley, “A nonintrusive and in-service motor-efficiencyestimation method using air-gap torque with considerations of condition monitoring”,IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 44, no. 6, pp. 1666–1674, Nov/Dec. 2008.

Distribución de las pérdidas

R. Saidur, “A review of

electrical motors energy use

and energy savings,” Renewable

and Sustainable Energy Reviews,

vol. 14, no. 3, pp. 877-898,

2010.

43

Circuito equivalente del motor de inducción

V. Sakthivel, R. Bhuvaneswari, S. Subramanian, An accurate and economical approach for inductionmotor field efficiency estimation using bacterial foraging algorithm, Measurement 44 (2011) 674– 684.

PARÁMETROS DE GENERADORES Y EQUIVALENTES DE RED

45

¿Con qué se genera?

Mundial Colombia

UPME, 2018, Boletín Estadístico de Minas y Energía 2016 –2018. (http://www1.upme.gov.co/PromocionSector/SeccionesInteres/Documents/Boletines/Boletin_Estadistico_2018.pdf)

IEA, ELECTRICITY INFORMATION: OVERVIEW (2018 edition).(https://webstore.iea.org/download/direct/2261?fileName=Electricity_Information_%202018_Overview.pdf)

Modelos para el análisis de los sistemas

Se consideran como fuentes de potencia fija. La potencia es suministrada al nodo de manera constante de acuerdo al tipo de generador.

PARÁMETROS DE COMPENSADORES

48

Compensadores

Las líneas eléctricas generalmente tienen conectadas cargas inductivas como

motores, lámparas de descarga y otros que demandan energía reactiva.

Esta energía reactiva es perjudicial para las líneas eléctricas ya que producen

un incremento de la intensidad que no pueden consumir las

máquinas eléctricas, y se sobrecalienta el cable. Para las centrales

de generación es un inconveniente por el mismo motivo, tienen

que proporcionar una intensidad eléctrica que no genera potencia útil.

Un compensador de reactiva estático de VAR, es una máquina compuesta por

varios grupos de condensadores capaces de compensar la energía reactiva que

se produce en una línea eléctrica.

FORMAS DE CONEXIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS

Formas de conexión de las redes eléctricas

Las redes eléctricas se pueden conectar en forma:

Radial

Enmallada

Interconectada

51

Red radial: Este tipo de red es muy utilizada en los sistemas de potencia por su facilidad de construcción y por ser más económica.

Corriente con circulación

en una sola dirección

No es muy confinable en

los sistemas

52

Red enmallado: Este tipo de red es utilizada en los sistemas de potencia

porque mejora la confiabilidad del sistema.

53

• Esta conexión es más costosa que la de arreglo radial, debido a que requiere más equipo.

• Ventaja: cualquier punto sobre la línea tiene servicio desde dos direcciones.

Redes inteligentes: Integración dinámica de la generación, transmisión,

distribución, almacenamiento y comercialización, incluyendo las energías

alternativas, que permite que la coordinación de protecciones, control,

instrumentación, medida, calidad y administración de energía, etc., sean

concatenadas en un solo sistema de gestión, con el objetivo primordial

de realizar un uso eficiente y racional de la energía eléctrica .

54

Red interconectada: Este tipo de red se utiliza para la transferencia entre

conexiones de áreas y sistemas de potencias entre países.

NIVELES DE TENSIÓN Y FRECUENCIA

55

Niveles de tensión

De acuerdo a la norma NTC 1340

Extra alta tensión (EAT):Tensiones superiores a 230 kV.

Alta tensión (AT): Tensiones mayores o iguales a 57,5 kV y

menores o iguales a 230 kV.

Media tensión (MT): Tensión nominal superior a 1000 V e

inferior a 57,5 kV.

Baja tensión (BT): Tensión nominal mayor o igual a 25 V y menor o

igual a 1000V

Muy baja tensión (MBT):Tensiones menores de 25V.

56

Niveles de tensión regulados

RESOLUCIÓN No.082 – 2002

Los sistemas de Transmisión Regional y/o distribución local se

clasifican por niveles, en función de la tensión nominal de

operación, según la siguiente definición:

Nivel Tensión

1 < 1 kV

2 ≥1 kV y <30 kV

3 ≥ 30 kV y < 57.5 kV

4 ≥ 57.5 kV y < 220 kV

57

Niveles de frecuencia y tensión

• El 62% de la demanda global de electricidad opera a 50hz, mientras queel 38 % opera al 60hz.58

Frecuencia en Colombia

NTC 1340 - CREG 070 DE 1998

Forma y Frecuencia estándar. Forma en el tiempo de una onda

sinodal pura de amplitud constante, igual a la tensión nominal, y a

una frecuencia de 60 Hz.

Frecuencia de Operación del SIN es 60 HZ

59

Bibliografía

60

J.J. Grainger, W.D. Stevenson, “Análisis de los sistemas de potencia”, Mc. Graw-Hill. 1996.

Nagrath, Análisis de sistemas de potencia.

A.M. Sandoval, “Monografía del sector de electricidad y gas colombiano: Condiciones actuales y retos futuros”, https://pwh.dnp.gov.co/Portals/0/archivos/documentos/DEE/Archivos_Economia/272.pdf.

“IEEE Recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power systems”, IEEE Std 519-1992, 1993.

“IEEE Recommended practice for monitoring electric power quality”, IEEE Std 1159-1995, 1995.

“Classification of electromagnetic environments”, IEC Technical Committee, 1991.

Artículos base de datos IEEE.