IE-03dis - SISTEMAS DE DISTRIBUCION
Alfredo Rifaldi - Norberto I. Sirabonian
Esquemas unifilares típicos
Al observar las configuraciones de redes se notan ramas y nodos. Los nodos de la red deben permitir la desconexión de las ramas, para poder funcionar en distintas condiciones operativas, superar situaciones de falla, y cambiar la conexión entre ramas de la red.
Las ramas se unen al nodo de la red a través de aparatos de maniobra, interruptores, interruptores de maniobra, seccionadores bajo carga y / o seccionadores.
Los seccionadores solo pueden interrumpir corrientes de valor despreciable (vacío), interruptores de maniobra y seccionadores bajo carga pueden interrumpir corrientes normales (condiciones de carga), los interruptores son capaces de interrumpir en cualquier situación, hasta las condiciones de falla (cortocircuito).
En distribución los esquemas que se utilizan son los mas simples, y solo se adoptan esquemas complejos en casos muy especiales.
La
figura 11 muestra un esquema de simple juego de barras. Los cuadrados representan aparatos de maniobra, en baja tensión se pueden observar interruptores, seccionadores bajo carga (eventualmente combinados con fusibles), en ejecución fija, o interruptores en ejecución extraible.La
figura 12 muestra el mismo esquema pero dividido (simple juego de barras partido), con fuentes y líneas que salen de una semi-barra y o de la otra, en caso de perdida de una fuente la restante se hace cargo de todo el servicio.En media tensión se observan esquemas equivalentes, pero con interruptores seccionables, seccionadores bajo carga combinados con fusibles, o interruptores y seccionadores
figura 13. En esta figura se representan los seccionadores con un circulo, y los interruptores con un cuadrado, los seccionadores de puesta a tierra permiten poner a tierra el cable o línea para garantizar condiciones de seguridad, también por razón de seguridad los interruptores tienen a ambos lados seccionadores, así es posible acceder a ellos garantizando (en forma visible) que no se encuentran en tensión.Un esquema mas complejo es el doble juego de barras con un interruptor por salida
figura 14, se observa que cada cable (línea) a través de cada interruptor, se puede mediante los seccionadores de barras conectar a una barra u otra, además se tiene un interruptor de acople de barras con los seccionadores asociados correspondientes.En los sistemas eléctricos de alta y muy alta tensión se observan con frecuencia esquemas mas complejos, barra principal y barra de transferencia, doble barra con doble interruptor, sistemas en anillo, interruptor y medio por salida, cada uno de estos esquemas ofrece sus ventajas respecto de los otros, y el peso de las ventajas depende también de la importancia .de la red.
Distribucion continua de la carga
La red industrial se caracteriza por la alimentacion independiente de cada carga, la red de distribucion urbana en cambio presenta una sucesion de cargas que se alimentan con la misma linea.
Observemos una calle, distribución de cargas uniforme, las casas se suceden una tras otra (fijemos una distancia típica de 10 m), las cargas de las distintas casas no son exactamente iguales (pero podemos fijar un valor medio, por ejemplo 2 kW para cada una, con cosfi 0.8), supongamos que el tramo de calle en estudio tiene 10 casas, y que el cable de distribución es de sección única (no varia a lo largo del recorrido).
Carga total Pt = n * P1 = 10 * 2 = 20 kW
Longitud total Lt = n * L1 = 10 * 10 = 100 m
Caída de tensión elemental entre las dos ultimas casas (suponemos que el sistema es trifasico aun para las cargas elementales, si no debe debe aplicarse ademas el factor adecuado)
(r * cosfi + x * senfi) * L1 * P1 / (cosfi * U^2)
La carga en el cable, que causa la caída de tensión, crece en serie aritmética a medida que nos acercamos a la fuente 1, 2, 3, ..., n. Y la caída de tensión en el cable que alimenta n cargas resulta:
(r * cosfi + x * senfi) * L1 * Suma(n + (n - 1) + ... + 1) * P1 / (cosfi * U^2) =
(r * cosfi + x * senfi) * L1 * (n + 1) * (n / 2) * P1 / (cosfi * U^2) =
(r * cosfi + x * senfi) * Lt * Pt * (1 + 1 / n) * (1 / 2) / (cosfi * U^2)
para la caída de tensión se puede asemejar el cable de distribución a un cable con la carga concentrada en el punto de coordenadas Lt * (1 + 1 / n) * (1 / 2), prácticamente en el centro
Sea una distribución de cargas creciente, nos alejamos del punto de alimentación, en el tramo de cable siguiente la carga se incrementa, la carga mas alejada es n * P1, y la mas próxima a la alimentación es P1.
Carga total Pt = n * P1 + (n - 1) * P1 + ... + P1 = (n + 1) * (n / 2) * P1
Caída de tensión total
(r * cosfi + x * senfi) * L1 * P1 * Suma(n^2 + (n - 1)^2 + ... + 1) / (cosfi * U^2) =
(r * cosfi + x * senfi) * Lt * Pt * (Suma(n^2 + (n - 1)^2 + ... + 1) / (n * (n + 1) * n / 2) / (cosfi * U^2)
Podemos considerar una distribución de cargas decreciente, nos alejamos del punto de alimentación, en el punto mas alejado la carga es P1, y en el punto mas próximo es n * P1, la carga total es igual que para el caso anterior, en cambio la caída de tensión resulta:
(r * cosfi + x * senfi) * Lt * Pt * Factor / (cosfi * U^2)
La
figura 21 muestra los factores que para las distintas distribuciones sirven para determinar las caídas de tensión, en base al numero n que corresponde a la cantidad de tramos del cable, de características constantes.La red de baja tensión tiene una estructura muy relacionada con la distribución de las cargas, puede estar formada por cables principales, alimentadores, y distribuidores, que se cruzan entre si conectándose o no.
La red debe ser capaz de llevar la corriente que corresponde a cada tramo en condiciones de máxima carga, y limitar a un valor razonable (3, o 6 %) la caída de tensión que se presenta en las mismas condiciones.
En las ciudades con amanzanamiento regular, se pueden desarrollar redes de distribución en forma de cuadricula, en una dirección el alimentador, y en dirección perpendicular distribuidores, cada centro de distribución puede tener 2, 4, u 8 alimentadores, y cada alimentador atenderá cierta área, el conjunto atenderá todas las cargas del centro de cargas.
Otra forma generalizada (muy difundida) de plantear la red es pensar en un área circular (poligonal), dividida en sectores, tantos como alimentadores adoptados, de cada alimentador se desprenden distribuidores de distinta longitud según sea su distancia al centro.
La carga del alimentador tiene distribución triangular (va por el eje de un sector circular). La carga del distribuidor en cambio tiene distribución uniforme pero los distribuidores son de distinta longitud (y carga)
El centro de carga cubre un área con cierto radio de acción, los alimentadores tienen por longitud (aproximada) el radio de acción, los distribuidores cubren el área con circunferencias de radio creciente, y divididos según la cantidad de sectores.
Se pueden establecer relaciones geométricas, área servida por el centro, área servida por cada alimentador, siendo Na el numero de alimentadores
Ac = PI * Ra^2
An = Ac / Na
Del alimentador se desprenden Nd distribuidores que forman dentro del área tantas circunferencias de radio creciente, y cada una atiende una faja de ancho Ra / Nd, y el de mayor longitud es:
Ld = PI * Ra * (1 - 1 / (2 * Nd)) / Na
El área atendida por este es entonces Ld * Ra / Nd = PI * Ra^2 * (1 - 1 / (2 * Nd)) / (Na * Nd)
Si se caracteriza el área por cierta densidad de carga (kVA / km^2), se conocen las cargas de los elementos cuya área se ha definido.
La caída de tensión (en valor relativo) para el usuario mas alejado esta dada por la caída del alimentador (factor 0.70), y la del distribuidor (factor 0.55) mas largo:
Va = (ra * cosfi + xa * senfi) * Ra * 0.70 * Delta * PI * Ra^2 / (Na * U^2)
Vd = (rd * cosfi + xd * senfi) * Ld * 0.55 * Delta * Ld * Ra / (Nd * U^2)
Reordenado y sustituyendo variables se tiene:
Va = ka * 0.70 * Delta * PI * Ra^3 / (Na * U^2)
Vd = kd * 0.55 * Delta * PI^2 * Ra^3 * (1 - 1 / (2 * Nd))^2 / (Na^2 * Nd * U^2)
Para un criterio de proyecto fijado, se pueden hacer algunas interesantes observaciones:
La sección de los alimentadores es mayor que la de los distribuidores, entonces ka < kd
La caída de tensión para el usuario mas alejado es Va + Vd
La caída de tensión es proporcional a la densidad de carga
La caída es proporcional al cubo del radio de acción
La caída es inversamente proporcional al cuadrado de la tensión U, poniéndose en evidencia las ventajas, desde este punto de vista, de las mayores tensiones de distribución.
La caída en los alimentadores es inversamente proporcional a su cantidad Na
La caída en los distribuidores es inversamente proporcional al cuadrado de la cantidad de alimentadores Na
La caída en los distribuidores es aproximadamente inversamente proporcional a su cantidad Nd
Para una estructura de red dada, es posible analizar rápidamente la influencia de las variaciones que se pueden hacer en los distintos parámetros de diseño.
La red de distribución estudiada en forma de círculos, se deforma adaptándose para llenar la superficie en la que se proyecta la red.
Otra forma de enfocar el problema es dividir el área que se debe servir con polígonos regulares (hexágonos, cuadrados, triángulos) y hacer un análisis de diseño parecido al que se ha desarrollado para los círculos, pero finalmente los cables deberán desarrollarse por las calles, y nuevamente la red deberá sufrir alguna deformación entre el diseño ideal y la construcción real.
Seleccion de niveles de tension y topología
La selección del nivel de tensión conveniente de una red eléctrica esta regido por condiciones económicas que dependen de las soluciones que la técnica en evolución ofrece en cada momento.
Analizaremos solo la relación existente entre la topología de la red, su nivel de tensión, y su función.
Es intuitivo que a medida que nos elevamos en tensión la potencia manejada por la red crece, la importancia de la red aumenta, y se justifica una mayor complicación.
Debemos todavía hacer una clasificación por destino de las redes, según sea una red de tipo industrial o de distribución publica se dan distintas topología.
En la practica el diseño debe tender a optimizar economía de inversión, de operación, calidad técnica del servicio, continuidad del suministro.
Cada criterio guía entre las distintas opciones en forma distinta, debe observarse todo el sistema, pero a través de cada componente.
Al seleccionar cables, la tensión influye en el valor de la corriente, y en la caída de tensión.
El aumento de tensión permite reducir la sección del cable, por la reducción de la corriente, y también de la caída de tensión.
Pero a medida que se aumenta la tensión de la red la sección mínima posible para los cables se incrementa, por lo que se observa que para una dada estructura de red no es conveniente elevar su tensión mas allá de cierto limite.
Las perdidas en los cables se reducen por la reducción de corriente, y se incrementan por la reducción de sección, con tensiones muy elevadas aparecen perdidas debidas a la conductancia que aunque modestas tienen presencia permanente por todo el tiempo que se tiene aplicada la tensión.
De este simple análisis se observa la conveniencia de buscar una tensión optima, y que esta será tanto mayor cuanto mayor sea la carga.
El otro componente en el costo de la red esta dado por los equipos de maniobra, se observa que estos incrementan su tamaño (y peso) al aumentar la tensión, al menos dentro de una misma tecnología.
La única forma de sacar ventaja al incrementar la tensión en este caso es asignar a cada unidad una mayor potencia a controlar.
Si no se actúa en esta dirección el aumento de tensión pierde parte de su ventaja, especialmente si la extensión de los cables es reducida.
Normalización y unificación de tensiones de distribución ha hecho que solo existan unos pocos valores posibles de las tensiones nominales de los aparatos a seleccionar para el proyecto.
Efectivamente dentro de una línea de producción de un fabricante en rigor existen muy pocas tensiones disponibles, en general un mismo producto cubre un campo de tensiones nominales de amplitud 1 a 2 o 1 a 3.
Surge inmediata la conveniencia dentro de una misma tecnología de tender a las tensiones mayores, lo cual ha ocurrido en transcurso del tiempo al seleccionar la tensión de distribución de las ciudades.
Cuando la tensión puede ser seleccionada con independencia de la aplicación la tendencia lógica es a los valores mas altos, en cambio cuando se trata de alimentación a las cargas (motores por ejemplo), su valor esta ligado a sus características.
Por ejemplo, refiriéndonos a motores, si son pequeños pueden alimentarse con 220 o 380 V, mas grandes 660 o 1000 V, o mas 2.3, 3.3 o 6.6 kV llegándose al limite de 10 kV (tambien mas) para motores muy grandes, la tensión optima buscada deberá considerar esta situación.
Las normas de seguridad que limitan en muchos piases las máximas tensiones respecto de tierra a 250 V, condicionan el uso de tensiones superiores a 380 V obligando a considerarlas como alta tensión.