Veamos una red eléctrica, incluye un sistema de generación, con sus plantas generadoras y transformadores elevadores, un sistema de transmisión con sus líneas de transporte y transformadores, y un sistema de distribución, también líneas y transformadores.
El sistema de distribución puede considerarse que inicia en una estación eléctrica de potencia con transformadores, y líneas de subtransmision, que llegan a subestaciones de distribución con otra transformación (a media tensión) circuitos primarios, derivaciones, transformadores de distribución, y red secundaria que llega a los usuarios.
Es necesario resolver los distintos niveles de esta red logrando optimizar las soluciones en cada caso adoptadas. Considerando que en la búsqueda de optimizaciones parciales no se debe olvidar la optimización global del proyecto, tanto inicial como en el tiempo considerando el futuro crecimiento de la red, que deberá adaptarse siempre a un futuro lejano e incierto.
Aunque la nomenclatura que se usa es muy dependiente de la jerga local se indicaran en la siguiente tabla algunas definiciones para identificar componentes del sistema de distribución.
Tabla
- Clasificación funcional de los componentes del sistema de distribución
|
Transformador de estación de potencia (principal). |
Recibe potencia del sistema de transmisión la transforma y la entrega a la tensión de subtransmision. |
|
Sistema de subtransmision. |
Circuitos que salen de la estación principal y alimentan las subestaciones de distribución. |
|
Subestacion de distribución. |
Recibe potencia del sistema de subtransmision la transforma y la entrega a la tensión de los alimentadores primarios |
|
Alimentador primario |
Circuitos que salen de las subestaciones de distribución y alimentan los transformadores de distribución |
|
Transformador de distribución |
Transforma a la tensión de utilización |
|
Red secundaria y servicios |
Distribuye potencia a los consumidores |
Es importante esquematizar una clasificación de la carga que se alimenta, la siguiente tabla clasifica Tipos de cargas
Tabla
- Tipos de cargas
|
Residencial |
Urbana |
|
|
Suburbana |
|
|
Rural |
|
Comercial |
Zona de centro ciudad |
|
|
Zona comercial |
|
|
Edificios comerciales |
|
Industrial |
Pequeñas plantas |
|
|
Grandes plantas |
Aunque los valores que siguen solo deben tomarse en modo indicativo, sirven para caracterizar áreas de distribución de energía eléctrica
Tabla
– densidades de carga KVA / km2
|
Tipo de área |
Densidad en kVA/km2 |
|
Residencial baja densidad - área rural |
4 - 100 |
|
Residencial media densidad - área suburbana |
100 - 500 |
|
Residencial alta densidad - área urbana |
400 - 2000 |
|
Residencial muy alta densidad - área totalmente electrificada |
5000 - 7500 |
|
Comercial |
4000 - 100000 |
La vida del hombre se desarrolla mirando adelante, se responden preguntas, que hacer mañana, en un mes, en un año, o mas allá, los 10 años son una esperanza, un sueño.
La vida de un país pujante piensa en un año, en 10 en 100 y mas, ya que los hombres se suceden y el país permanece.
Si bien el futuro es incierto, es necesario plantear un futuro posible, y este pondrá a la vista necesidades cuya satisfacción requiere a veces algún año de preparación, pensemos en el antiguo Egipto, sus años de vacas gordas y de vacas flacas obligaron a planear, construir para guardar…
Se planean las obras del futuro, una mezcla de sueño para el futuro lejano y urgencia para el futuro próximo. Indudablemente los sueños del futuro ayudan a construir el futuro, así se plantean obras, se comienzan a construir, se terminan (o no!), se utilizan (o no!), se aprovechan (o no!), se saturan (o no!), se deben replantear.
Concretemos en nuestro tema, frente a una red que debe planearse se presentan distintos estados iniciales:
Se puede tratar de un área que ha crecido sin planes, sin control, y para ella se desea una red nueva bien planteada y que prevea la expansión futura, siendo un área con servicio eléctrico su densidad de carga es conocida, la nueva red provocara un incremento inmediato de cargas inhibidas por el mal servicio que daba la vieja red, por otra parte la red deberá ser satisfactoria por muchos años en los que crecerá la carga individual y aparecerán nuevos usuarios, el proyecto debe tener un estado final que permita alimentar las cargas futuras, e inicialmente se harán parte de las obras para que en el estado inicial se tenga optimo servicio, y se dejaran las previsiones para acompañar el desarrollo a medida que el consumo lo exija.
Aunque parezca que no vale la pena, también en áreas que fueron bien planeadas y se desarrollaron correctamente, puede ser útil plantear un estudio como arriba sugerido, quizás de este estudio se llegue a concluir que conviene ir haciendo cambios importantes, tratando de aprovechar mas los adelantos tecnológicos, u otras acciones, como por ejemplo cambiar de tensión.
Necesitamos anticiparnos al futuro, antes de la crisis aparezca y colapse lo que hay. El crecimiento. el desarrollo libre de obstáculos, genera necesidades y nos obliga a anticipar el futuro. Al soñar lo que se necesita nos basamos en como crece la carga, como aumenta la superficie que nuestra obra debe cubrir., son ideas que hacen tomar forma (si se realizan las obras) a nuestra realidad de mañana
El problema general de diseño de una red implica definir
- La red de baja tensión (secundaria).
- Las estaciones secundarias, cabinas, centros de potencia de media y baja tensión.
- El sistema de distribución en media tensión (primario).
- Las estaciones primarias de alta a media tensión.
- El sistema de transmisión o subtransmisión en alta tensión.
Los casos que se presentan, en general enfocan a una parte este problema, ya que siempre se encuantran condiciones previas. El estudio se puede hacer desde la baja tensión hacia la alta, o en sentido contrario.
Una serie de factores que intervienen en el diseño de la red se encuentran bajo el control del proyectista, la elección de unos fija el valor de otros.
Una enumeración de datos y variables que de ninguna manera pretende ser exhaustiva muestra la amplitud y complicación del problema.
- Tensión primaria.
- Carga por usuario - Factor de potencia.
- Corriente de arranque - Factor de potencia.
- Distancia entre usuarios, y topología de la red.
- Máxima sobrecarga de cada transformador.
- Máxima caída de tensión.
- Máxima variación de tensión por arranque.
- Factor de pérdidas.
- Costo de perdidas en el hierro y en el cobre.
- Factor de capitalización.
- Cantidad de usuarios alimentados por un transformador.
- Diversificación de la demanda en función del número de usuarios.
- Tamaños de conductores de distribución, resistencia y reactancia de los conductores.
- Costos de instalación de los conductores.
- Potencias nominales de los transformadores.
- Costos de instalación de los transformadores.
- Resistencia, reactancia, pérdidas en el hierro de los transformadores.
- Costos en transformadores, cables, pérdidas y total.
- Costo por usuario.
La enumeración corresponde solo al conjunto: transformadores de distribución-red secundaria.
Datos y resultados similares se tendrán para la red primaria, y también para el sistema de transmisión.
La elección acertada de algunos factores optimiza el diseño de la red.
El diseño óptimo de la red puede quedar definido con distintos criterios, el criterio normalmente adoptado es económico, respetándose condiciones técnicas mínimas.
Por ejemplo se puede optimizar el conjunto de transformadores de distribución y red secundaria (de baja tensión).
En el estudio se puede incluir la distribución primaria y las estaciones primarias.
También puede incluirse el sistema de transmisión.
Con el correcto diseño de la red se trata de obtener:
- Calidad aceptable del servicio dado a los usuarios.
- Economía de diseño de la red de distribución.
- Combinación óptima de tensiones de transmisión o subtransmisión y tensiones de alimentadores, para satisfacer la expansión.
- Correcto dimensionamiento de los circuitos con aceptable utilización de los componentes.
- Selección de los puntos del sistema donde deben preverse económicamente regulaciones de tensión.
En una red, en la cual se encuentran definidas las cargas y su ubicación, al adoptarse una configuración geométrica quedan definidas las cargas en los distintos elementos.
La adopción de una tensión define la corriente en cada elemento (línea).
La adopción de los parámetros de los elementos definen las caídas de tensión.
Se trata de estudiar como los cambios en un parámetro o variable influyen en los restantes.
Veamos entonces el dato mas importante que afecta el planeamiento de una red:
- carga actual
- crecimiento de la carga
- aumento del numero de cargas
- modificación de cargas por situaciones especiales (depende del desarrollo de algunos clientes)
El crecimiento que se plantea debe tener una opción optimista y una opción pesimista, en base a la que hoy puede preverse. Las condiciones inmediatas se pueden prever con la tasa de crecimiento actual, pero las condiciones del futuro deben considerar tasas de crecimiento basadas en periodos representativos, largos, el futuro lejano puede ser victima de la saturación, o de la aparición de otras opciones que compiten.
Fijadas las cargas se debe buscar la red que las satisface, sin bajar a detalles menores, estos serán objeto de trabajos al momento de construir.
Podemos clasificar las redes en dos tipos, aquellas para las cuales las cargas pueden suponerse puntuales, de valor y ubicación definidas, y aquellas en las cuales la carga sigue una ley de distribución continua en la superficie del plano en el cual debe realizarse la distribución de energía.
Las redes del primer tipo son concretamente las que corresponden a industrias, mientras que las del segundo tipo corresponden a distribución urbana.
Hemos descripto el planeamiento como un sueño futuro, quien debe soñar?, ha habido distintos soñadores, ya en el estado, ya en la actividad privada, la abundancia de recursos ha hecho soñar obras faraónicas, sin un cuidadoso análisis de cual podía ser su rendimiento, cuanto podían rendir, cuanto podían funcionar, cuanto iban a costar, la consecuencia es que los recursos se orientaron mal, y otras obras que podían rendir mas no se pudieron hacer.
El mal planeamiento con sus frutos hizo que el planeamiento se desacreditara, se descalifico (cuando lo que había que haber descalificado eran algunos planificadores), y apareció un forma de planeamiento que justifica decisiones que se basan en lo inmediato, pero afectan el futuro, esto se llama mercado, las leyes del mercado...
Sin embargo aun con las leyes de mercado se plantea la necesidad de planear, la justificación económica de lo que se planea se analiza a la luz de las leyes del mercado, pero las hipótesis que soportan la obra que se sueña y su justificación se basan en fuertes razones técnicas... en un buen planeamiento, una buena concepción técnica puede generar un excelente negocio, pero un engendro, no puede conducir a una solución técnica correcta y el negocio no será tal, al menos a largo plazo.
No se puede pretender que el mercado, que tiene una visión de corto plazo, planee soluciones cuya vida debe ser de decenios. Frente a una ciudad que crece, que se desarrolla, que plantea necesidades, y concentrándose solo en el tema eléctrico, tenemos que anticiparnos al futuro, a que aparezca la crisis, a que se derrumbe lo que hay.
En el soñar lo que se necesita nos basamos en como crece la carga, como aumenta la superficie que nuestra obra debe cubrir. Debemos plantear un estado futuro, hipótesis, encontrar una solución técnica para el futuro, y luego retrocediendo como unir lo que tenemos hoy con ese futuro todavía lejano.
La realidad se sigue desarrollando, se construyen las obras indispensables (prioritarias) y que se integran al servicio, algunas obras superadas se pueden demoler.
Mientras la realidad avanza quizás no tiende al futuro soñado, es necesaria una nueva proyección del futuro, y una nueva búsqueda de la solución final optima, y nuevas etapas intermedias que optimizan el planeamiento.
Como también el planeamiento es un costo, pero es un costo cuyo beneficio aparece en el futuro lejano, el conseguir máximo provecho inmediato plantea el ahorro de este trabajo... La escuela de mercado ha orientado hacia la búsqueda de soluciones económicas en el breve plazo ha confundido economía con costos bajos (confirmando una vez mas que lo barato sale caro).
Es así que la vida de las soluciones económicas (mal entendidas) es efímera, y el excelente negocio de breve plazo, se transforma en una carga pesada al poco tiempo, esto se observa tiempo después, cuando ya no hay posibilidad de corregir.
Hagamos un ejemplo, dos líneas unen generación y carga transmitiendo 3000 MW, el crecimiento es tal que a los 10 años se construye una tercera línea, y a los 5 años una cuarta... las obras son cada vez mas rápidamente amortizadas, se aprovechan mas rápidamente, pero las inversiones son cada vez mas frecuentes, las soluciones técnicas deben ser cada vez mas rápidas (y en consecuencia de visión mas corta), no se pago un crédito que hay que contraer otro... estos hechos denuncian que la solución es equivocada.
Las obras chicas se pueden construir, y reemplazar con cierta frecuencia, las obras ciclópeas, no, estas se deben hacer de tanto en tanto ya que su construcción afecta fuertemente la vida y el ambiente.
Se trata de hacer un planeamiento, y pensemos en una distribución de energía eléctrica que es nuestro tema. Una forma interesante de conducir estos estudios es identificar la distribución de cargas, el punto de ingreso de la energía (o los puntos) y olvidar todo el resto proyectando un sistema de distribución totalmente nuevo, el resultado de este trabajo se superpone a lo existente, y entonces se decide que partes de lo existente se reemplazan, y que se puede aprovechar (por ejemplo las áreas de los centros de carga, las canalizaciones, los espacios de las líneas aéreas…).
Otro posible estado inicial que se presenta excepcionalmente es una ciudad que se planea en la nada, totalmente nueva, y que requiere una red eléctrica planeada con un criterio acorde.
Los datos básicos, como densidad de carga se pueden extraer de áreas existentes similares (la similitud debe incluir el clima y los hábitos de la población, pena de cometer graves errores).
Planteamos finalmente un estado futuro, hipótesis, y encaramos una solución técnica para ese futuro (con lo que sabemos hoy), retrocediendo tenemos que lograr unir lo que hoy tenemos con ese futuro (hipotético), así se hace el plan.
Mientras la realidad se sigue desarrollando, y algunas obras indispensables a las que se les ha dado prioridad, se construyen y se integran al servicio, obras superadas (obsoletas) se retiran del servicio y se demuelen.
Si la realidad que avanza, no tiende al futuro planeado, es necesaria una nueva proyección de futuro, y una nueva búsqueda de soluciones óptimas en el largo plazo, no se debe creer que el planeamiento no sirve, se lo debe rehacer, tratando de orientarse mejor hacia el futuro.
Como se trabaja frente una realidad cambiante, se inicia con un planteo de cómo la realidad puede evolucionar, se hacen hipótesis de crecimiento partiendo de lo actual, dos años, 5, 10, 20... Se trata de resolver el problema final en forma general, buscar la solución de 10 que mejor se adapte, la solución de 5 que queda incluida en la de 10, y que si se tarda en construir un par de años... siempre se debe considerar que desde que se decide una construcción hasta que esta terminada puede pasar un periodo importante, años...
Quizás necesitemos una solución a dos años, esta debe ser inmediata, pero es importante que lo que hacemos así, sea aprovechado en la solución de 5 años, de lo contrario podemos estar despilfarrando recursos.
Para la solución de 20 años que quizás corresponde a 4 veces la carga, no tiene sentido pensar en conservar obras actuales, esa solución debe ser totalmente libre, aunque los espacios que es cada vez más dificultoso obtener, quizás la condicionen en demasía.
A medida que nos acercamos a la solución de mas breve plazo notamos la mayor dependencia de la realidad actual, no siendo posible una renovación total, que implica una inversión excesiva.
La solución de 20 años debe ser grosera, no debe bajar a detalles que la técnica en ese largo tiempo seguramente cambiará, la solución de breve plazo en cambio debe resolver los problemas al detalle, el paso siguiente es su construcción.
Al trabajar en esta forma se da la correcta prioridad y envergadura a las obras que se requieren de vez en vez, pasada la etapa constructiva inmediata, pasados un par de años, los cambios aparecidos al azar, pueden distorsionar las esperanzas, y se observa conveniente el desarrollo de un nuevo plan ajustado para los siguientes 2 y 5 años.
El inconveniente de esta modalidad es el gran trabajo de planeamiento que se repite, y el secreto esta en minimizar el trabajo indispensable, solo debe hacerse lo que ayuda a la correcta evaluación de los pasos que se han de dar.
El trabajo de detalle solo debe hacerse para el futuro inmediato. A veces se presentan cambios tecnológicos importantes que obligan a replantear el plan, a veces la crisis obliga a frenar el desarrollo. Las situaciones de crisis pueden afectar decisiones del futuro inmediato, invitando a demorar las obras, pero si la crisis se resuelve se hace imposible recuperar el tiempo perdido para la obra.
El trabajo de planeamiento es un trabajo de escritorio... los tiempos de crisis, cuando no se hace nada, son ideales para desarrollar esta actividad, quizás por la crisis los 20 años del planeamiento se alejen... pero llegaran a los 40, o quizás superada la crisis se anticipen, lleguen a los 15 o a los 10.
Una carga tiene cierta evolución en el tiempo, también se notan ciertos incrementos en el área, cuando lo que ocurre es un incremento de superficie se plantea una red nueva Si en cambio lo que se presenta es evolución en el tiempo se deben integrar obras nuevas a lo existente.
El planteo se debe hacer para una situación futura razonable, en distribución se debe mirar a 10 o 20 años adelante, esto significa, pensando que la carga crece con cierta tasa anual, un incremento de carga que puede llegar al doble o mas.
Supóngase conocer un area en la que se conoce la distribución de carga por unidad de superficie. En el área se distribuyen centros de suministro, cada uno cubre cierta superficie, tiene cierto radio de acción, las áreas no se superponen, entre un area y otra se tiene una frontera, los círculos que corresponden a cada centro se deforman y convierten en polígonos. El trazado de calles, los limites de propiedad teinen relacion con esas fronteras.
Otro problema que se presenta es que planeamos para una carga mayor (quizas doble o mas) entonces la potencia efectivamente necesaria en cada centro debe ser menor, y se incrementara con el crecimiento de la carga. Otra posibilidad es asociar las áreas de a dos, instalar un solo centro, al tiempo se instalara el segundo, quizás el tercero. Quien planifica debe adivinar cual es la mejor solución.
En general se tiende a reducir la primera inversión, pero este criterio no debe representar encarecimiento futuro, por esto es muy importante planear para la situación final, y luego identificar la necesidad presente.
Una vez que hemos identificado la distribución de centros de carga, aparecen dos problemas, la red que debe llegar a todos los usuarios y la red que desde la fuente de energía debe llegar a todos los centros.
También este problema merece un análisis, se proyecta la red final, se busca lo que inicialmente mas conviene, teniendo presentes las reservas que se deben hacer para el futuro.
El fruto de este trabajo de planeamiento debe quedar bien documentado, para que cuando se presenta la necesidad de construir las obras y desarrollar la ingeniería de detalle no queden dudas de lo que se debe hacer.
El planeamiento no debe entrar en las soluciones de detalle que seguramente en el transcurso del tiempo perderán vigencia victimas del progreso tecnológico (tanto en componentes como en materiales).
El producto del planeamiento es un mapa geográfico (topográfico) donde pueden identificarse los recorridos de la red de las líneas eléctricas y los centros de carga. Otro producto es un plano esquemático que muestra las posibles conectividades, y los caminos que sigue la energía de fuentes a consumos.
Podríamos pensar en ver esto como una imagen de la realidad actual, lo que significa un gran trabajo de relevamiento (el fruto es un documento imagen de la realidad) y sobre esta realidad se hacen agregados que deben satisfacer las necesidades futuras que se van previendo.
Disponer de esta documentación permite encarar el problema en muchas formas, con objetivo de mejorar la distribución, se dispone de una excelente base de información para desarrollar distintas simulaciones, variar conductores, variar centros de carga, variar conectividad, manteniendo las cargas y las fuentes se pueden hacer variantes en busca de optimizaciones.
Si se dispone de la red imagen, y aparecen incrementos de carga, o nuevas cargas, se pueden simular sus efectos, calculando variaciones de perdidas, de caídas de tensión, de costros que corresponden por la nueva situación planteada.
La red de distribución
es un sistema distribuido, desde un centro salen líneas que forman nuevos
centros en puntos mas o menos alejados, este esquema se repite nuevamente.
En una red así
concebida, se requiere de una cuadrilla volante que recorra la red, encuentre
las faltas, reponga el servicio, repare la falla, todo esto con urgencia que
exige el usuario de energía.
En esta red, los
dispositivos de protección que están concentrados en los centros, y
distribuidos en la red son el primer automatismo que se ha integrado, cuando
actúa un dispositivo y queda una rama sin alimentación, si la falla esta
ubicada es posible algún sistema automático que alimente desde otro punto de la
red parte de lo que ha salido de servicio.
Las acciones automáticas
permiten que menos usuarios queden desconectados, quizás ninguno, y entonces el
la reparación no debe ser inmediata, el tiempo de reparación puede ser mayor.
Con este concepto se han
desarrollado en el pasado algunos sistemas de distribución que todavía se utilizan.
La red telefónica
transmitiendo las quejas y protestas del usuario brinda información de las
faltas de la red, adelantarse a estas requiere un sistema de comunicaciones
asociado a la red eléctrica, que transmita al menos las alarmas que
corresponden a fallas, y sus consecuencias.
Una automación mayor que
la descripta también requiere un sistema de comunicaciones, en un centro (no
necesariamente eléctrico) se concentra información de toda la red, se sabe en
que puntos la red esta abierta, en que puntos puede cerrarse, que áreas pueden
tener una alimentación alternativa, y si esta puede habilitarse o no.
Este tipo de decisiones
se pueden tomar por acción de un operador o por un autómata que tiene
inteligencia suficiente para maniobrar la red con el objetivo de minimizar las
faltas de energía para los usuarios.
La inteligencia puede
distribuirse de manera de que pequeños centros distribuidos tengan posibilidad
de desempeñarse autónomamente, el centro principal sigue siendo necesario para
concentrar en él el estado de la red, y conocer sus condiciones de
funcionamiento generales, pero los centros distribuidos pueden tomar decisiones
autónomas frente a un evento, es importante que estas decisiones sean acertadas
en todas las circunstancias que se presentan... lograr esto ultimo es el
desafío importante.
Es útil disponer de un diagrama que muestra como se comporta la carga en el tiempo ver por ejemplo el diagrama cargah.gif, que corresponde a una simulación de la variación de carga de grupo de usuarios domiciliarios.
Demanda de un sistema es la carga promedio en el receptor durante un lapso especificado.
La carga considerada puede ser potencia activa, reactiva, aparente o ser representada con corriente.
Para dimensionar los elementos que componen una instalación eléctrica, es necesario conocer los efectos térmicos sobre los elementos, y éstos dependen de las constantes de tiempo; el concepto de demanda permite determinar los factores que sirven de base en el dimensionamiento.
Dado un diagrama de potencia en función del tiempo en general a medida que aumenta el lapso en el cual se determina la demanda disminuye el valor de ésta.
Es fácil constatar que el valor de la demanda para un mismo lapso depende del instante en el cual se inicia la determinación.
La máxima demanda en una instalación es el mayor valor que se presenta en un lapso especificado.
En general para un grupo de cargas la máxima demanda de cada una de ellas no coincide con otras, en consecuencia la máxima demanda del grupo es menor que la suma de las máximas demandas individuales.
El factor de demanda es la relación entre la máxima demanda de un sistema y la carga total conectada al sistema.
La carga total conectada es la suma de la carga continua de todos los aparatos consumidores conectados al sistema.
Factor de utilización es la relación entre la máxima demanda de un sistema y la capacidad nominal del sistema (o de un elemento).
La capacidad de un elemento está dada por la máxima carga que se puede alimentar, y que puede estar fijada por condiciones térmicas, o por otras consideraciones, como por ejemplo caídas de tensión.
Supongamos un grupo de cargas de las cuales conocemos:
- D la máxima demanda del grupo.
- Ci la capacidad de cada uno de los consumidores.
- Co capacidad del sistema.
Fdemanda = D / Sumatoria(Ci)
Futilización = D / Co
El factor de diversidad es la relación de la suma de las máximas demandas individuales de varias partes de un sistema y la máxima demanda del sistema.
Siendo Di máxima demanda de la carga i.
Fdiversidad = Sumatoria(Di) / D
Factor de coincidencia es la inversa del factor de diversidad.
Se denomina diversidad de carga a la diferencia entre la suma de las máximas demandas de las cargas individuales y la máxima demanda del grupo.
Diversidad = Sumatoria(Di) - D = D * (Fdiversidad - 1).
Si se define la contribución de cada carga a la máxima demanda se tiene
D = Sumatoria(Ci * Di)
Si todas las cargas son iguales:
Fcoincidencia = Sumatoria(Ci) / n
Si en cambio todos los factores de contribución son iguales
Fcoincidencia = C
El factor de carga es la relación entre la carga promedio y la carga de pico en un lapso especificado.
F de carga = p / Pmáx
p = (1/T) integral entre 0 y T de P(t) dt
El factor de pérdidas es la relación entre las pérdidas promedio y las perdidas que corresponden al pico en un lapso especificado.
El diagrama de cargas antes visto cargah.gif se puede ordenar, y razonando en valores relativos se pueden determinar otro diagrama de valores cuadraticos, este representa (aceptando algunas hipótesis simplificativas que no implican mayores errores) un diagrama de perdidas, la figura ordenc.gif muestra el diagrama de potencia (azul) y el de perdidas (rojo).
Las pérdidas dependen del cuadrado de la corriente y supuesto que la tensión se mantiene constante dependen del cuadrado de la potencia aparente.
Fde pérdidas = Perd / Perd max
Perd = (1/T) integral entre 0 y T de (P(t)^2 * dt)
El tiempo de utilización es el tiempo en el cual la máquina funcionando a plena carga entrega la energía que en condiciones normales entrega en el lapso T.
T de utilización = (1/Pmax) integral entre 0 y T de (P(t) * dt) = T * F de carga
El tiempo equivalente (de pérdidas) es el tiempo en el cual el elemento funcionando a plena carga produce la misma pérdida de energía que en condiciones normales en el lapso T.
T equivalente = T * Perd / Perd max = T * F de perdidas
El factor de pérdidas no puede ser determinado directamente del factor de carga, la relación entre ambos valores es una ecuación.
Factor de pérdidas = 0.3 F de carga + 0.7 (F de carga)^2
Comprendida entre los casos extremos.
F de pérdidas = F de carga
F de pérdidas = (F de carga)^2
El factor de potencia de la carga en general se obtiene como cociente de mediciones de energía.
Cos(fi) = cos(arco(tg(kVArh / kWh)))
Se dice que una carga polifásica es balanceada cuando absorbe corrientes equilibradas al alimentarla con una terna de tensiones todas iguales e igualmente desfasadas una de otra.
Las tensiones pueden ser desbalanceadas debido a asimetría del circuito.
El factor de desbalanceo de tensiones se define en los sistemas trifásicos en base a las tensiones compuestas de secuencia inversa y de secuencia directa.
Fdesbalanceo = V2(inversa) / V1(directa)
Hay cargas que aumentan con el tiempo siguiendo determinadas leyes; se definen entonces factores de aumento de la carga.
Faumento = Pn / Po
Siendo: Pn la carga después de n períodos; Po la carga en el primer período.
Analizamos exclusivamente el nivel de distribución, y tratamos de enumerar los costos que deberemos tener en cuenta en un análisis:
- la energía que ingresa que tiene cierto costo unitario (quizás variable en el tiempo, costo horario)
- las perdidas que presenta la red
- conservación, y el mantenimiento
- amortización de obras, instalaciones y equipos
- personal técnico y administrativo
De estos costos parte son costos fijos (por ejemplo lectura del medidor), parte son proporcionales a la potencia que usa el usuario (por ejemplo amortización del transformador y cable), parte son proporcionales a la energía que consume el usuario (también por ejemplo las perdidas).
La energía eléctrica se vende a cierto precio (costo para el usuario), que incluye la utilidad o perdida del distribuidor. Es entonces necesario medir la energía entregada.
Para ciertos usuarios, por ejemplo la iluminación de las calles, es posible evaluar la energía utilizada, sin necesidad de medirla (se trata de cierta potencia, por un cierto periodo entre encendido y apagado, ambos fácilmente determinables).
Este criterio se aplica también a pequeños usuarios, sin embargo es un criterio que invita al despilfarro...
Cuando se trata de medir, computar la energía se debe utilizar un aparato con dicha función, se debe tratar de un aparato de precisión suficiente para que satisfaga a ambos actores de la transacción, quien vende no quiere cobrar de menos, quien compra no quiere pagar de mas.
Sin embargo un usuario que no consume, pero esta conectado a la red y puede consumir, causa al distribuidor ciertos gastos, debe haber instalaciones disponibles para entregar energía al usuario, debe haber personas para atenderlo, esto justifica que la tarifa incluya un renglón que depende de la potencia máxima (demanda) que el usuario puede requerir.
Si el usuario requiere potencia reactiva, la instalación debe tener equipos predispuestos a suministrarla, por lo que también este factor se debe incluir en la tarifa.
El aparato contador de energía debe entonces computar:
- la energía (kWh) en distintas fajas horarias (por ejemplo pico, resto y valle)
- la energía reactiva (kVArh) también en distintas fajas horarias
- el coseno fi (energético) obtenido como relación de los valores anteriores de pico y resto (en general limitado sobre un valor inductivo mínimo 0.85 o 0.95 según la importancia de las cargas).
- y el coseno fi de valle en cambio debe ser inductivo y no capacitivo.
- la demanda de 15 minutos (o de 30 minutos, o mas) que es el valor medio de la potencia obtenida de la energía consumida en el periodo, el periodo puede ser a horas fijas, o puede ser un periodo deslizante (cada minuto se entrega el valor medio de los últimos 15 minutos, por ejemplo)
- la máxima demanda en el lapso de medición (por ejemplo 30 días) o el promedio de las 3 máximas demandas por ejemplo.
Estos datos interesan en mayor o menor grado según el monto de la facturación (importancia de la carga desde el punto de vista de energía, potencia, coseno fi).
Estos datos interesan también al cliente para racionalizar al máximo el consumo de energía, y es obligación del distribuidor entregar esta información a medida que se obtiene, es caso mas común es que el usuario regule la carga para no exceder la máxima demanda, y aprovecharla al máximo cuando lo necesita.
El usuario puede recibir energía monofásica, o trifásica y entonces requiere un medidor adecuado y que registre todos los parámetros de interés.
En los últimos años ha tomado importancia observar la calidad de servicio, factor que califica el valor de la energía entregada, este es un dato de interés del cliente, y en el futuro los medidores de energía también registraran valores relacionados con la calidad, por ejemplo:
- apartamiento de la tensión nominal – pesado con la carga correspondiente
- deformación de la tensión (contenido armónico) – también relacionado con la corriente (pesado)
- deformación de la corriente, frecuentemente interpretado como aporte de armónicas del usuario a la red
IE-03dis - SISTEMAS DE DISTRIBUCION
FACTORES CARACTERÍSTICOS DE LAS CARGAS (CAPITULO VI)
PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE LA RED (CAPITULO VIII)
Dijo el Maestro:
Hay quienes piensan que los problemas se resuelven a base de esfuerzo. Y lo único que consiguen quienes piensan de este modo es mantenerse ocupados a si mismos y a otras personas.
Los problemas solo se resuelven a base de conocimiento. De hecho donde hay conocimiento no surgen problemas.
del libro: Un minuto para el absurdo - Anthony de Mello S. J.
1) Una carga variable entre un mínimo 3 MW y un máximo 10 MW, inicia en el mínimo, a los 10 segundos alcanza el máximo que mantiene por 50 segundos, en 20 segundos vuelve al mínimo y permanece por 40 segundos reiniciando el ciclo, se desea conocer la potencia media que la carga absorbe
El calculo se ha desarrollado con el programa y-area (dentro del ambiente de WproCalc), la preparación de datos y resultados se presenta en y-area.txt, un diagrama gráfico se observa en y-area.gif
El factor de carga que se obtiene es 6.889 / 10 = 0.689
2) Determinar el factor de perdidas que corresponde al caso anterior. Un calculo aproximado se puede hacer con la formula que incluye el programa t-factor (dentro del ambiente de WproCalc), obsérvese t-factor.txt que además incluye notas sobre la formula utilizada.
3) La carga sufrió un incremento de 5% el primer año, y durante el segundo prácticamente otro tanto, por lo que respecto del inicio se considera 10% de incremento, se desea tabular el crecimiento en los siguientes 10 años. El calculo se ha desarrollado con el programa t-crece (dentro del ambiente de WproCalc), obsérvese t-crece.txt, con la tabla de valores que merece ser graficada.
4) De las 700 horas (aproximadamente) que tiene el mes se conoce las horas en que se presenta un estado de carga, potencia y factor de potencia, se propone realizar un balance de carga y determinar el consumo. El cálculo se puede hacer con el programa q-carga (dentro del ambiente de WproCalc), obsérvese los resultados q-carga.txt, nótese que el programa permite incluir generador y banco de capacitores, obsérvese la figura q-carga.gif.
5) Se ha preparado una planilla excel demanda.xls que permite con ciertas premisas determinar el diagrama de carga horario de un conjunto de usuarios de tipo domiciliarios, y otros resultados de interés para estos temas. Para copiar la planilla haga click sobre demanda.zip.
6) Se debe estimar la carga total de un barrio con 32 usuarios de excelente nivel social, en una zona cordillerana, se trata de segundas casas (casas de fin e semana). Oprima para ver la solucion
7) Analizar facturas de energía eléctrica, con el objetivo de encontrar los distintos factores que lo componen, y los pesos relativos, oprima para ver la solución, Se puede utilizar la planilla factura.xls, contenida en el archivo que puede bajar, para ello haga click sobre demanda.zip, descompactelo y podrá usar la planilla.
8) Analizar diagramas de carga de una maquina industrial – se dispone de registros de corriente de una maquina que muestra el siguiente ciclo de carga (def-100), se presentan varios ciclos repetitivos, observemos un solo ciclo (def-101), tomando como origen la rampa ascendente se superponen los ciclos observándose cierta dispersión en sus valores (def-102), promediando todos los valores, y determinando el desvio standard se obtiene la representación (def-103) que sintetiza los resultados valor medio +/- desvio. Trabajos análogos de pueden hacer con la demanda dia por dia de una población.
9) Analizar diagramas de carga de una planta industrial – se dispone de registros de corriente de un periodo (def-111) que muestran la irregularidad en la demanda (color amarillo), con los datos numericos se ha calculado en cada instante el promedio de 5 minutos, 15 minutos (demanda deslizante), media hora, y una hora (color rojo), expandiendo el periodo se observa (def-112) mejor el detalle que incluye el momento de máxima carga. A partir de los datos se pueden obtener los valores relativos respecto del máximo, y sus cuadrados (que representan las perdidas) y construir los diagramas ordenados (def-113).
10) Para estimar el consumo de una vivienda, y poder analizar los valores de consumo registrados en al factura se puede utilizar la tabla que suministra el distribuidor de energia electrica consum.jpg. Se propone determinar el consumo de la casa y compararlo con la factura.
