Clasificación de sistemas de redes de distribución de electricidad
El sistema típico de red eléctrica se categoriza en tres componentes principales: generación, transmisión y distribución. La electricidad se produce en centrales eléctricas, que a menudo están ubicadas lejos de los centros de carga. Como resultado, se utilizan líneas de transmisión para entregar energía a largas distancias.
Para minimizar las pérdidas de transmisión, se utiliza alta tensión en las líneas de transmisión, y la tensión se reduce en el centro de carga. El sistema de distribución luego entrega esta energía a los usuarios finales.
Tipos de Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica
El sistema de distribución puede clasificarse según varios criterios:
Clasificación por Naturaleza del Suministro
La energía eléctrica existe en dos formas: CA y CC. El sistema de distribución se alinea con estos tipos. El sistema de distribución de CA se divide aún más por nivel de tensión:
El diseño típico del sistema de distribución primaria se ilustra a continuación, mostrando su papel en la entrega de energía de alta tensión antes de la conversión final de tensión.
El sistema de distribución secundaria entrega energía a nivel de tensión de utilización. Comienza donde termina el sistema de distribución primaria, generalmente en un transformador que reduce 11 kV a 415 V para la distribución directa a pequeños consumidores.
La mayoría de los transformadores en esta etapa tienen un devanado primario conectado en delta y un devanado secundario conectado en estrella, lo que proporciona un terminal neutro a tierra. Esta configuración permite que el sistema de distribución secundario use un esquema trifásico de cuatro cables.
El diseño de una red de distribución secundaria se ilustra a continuación, demostrando cómo se adapta la tensión para las aplicaciones de los usuarios finales.
Sistema de Distribución de CC
Aunque la mayoría de las cargas del sistema de potencia son de CA, ciertas aplicaciones requieren energía de CC, lo que hace necesaria la utilización de un sistema de distribución de CC. En tales casos, la energía de CA generada se convierte a CC mediante rectificadores o convertidores rotativos. Las aplicaciones clave para la energía de CC incluyen sistemas de tracción, motores de CC, carga de baterías y electrochapado.
El sistema de distribución de CC se clasifica por su configuración de cableado:
Sistema de Distribución de CC de Dos Cables
Este sistema utiliza dos cables: uno a potencial positivo (cable vivo) y el otro a potencial negativo o cero. Las cargas (como lámparas o motores) se conectan en paralelo entre los dos cables, adecuado para dispositivos con configuraciones de dos terminales. Un esquema de esta configuración se muestra a continuación.
Sistema de Distribución de CC de Tres Cables
Sistema de Distribución de CC de Tres Cables
Este sistema emplea tres cables: dos cables vivos y uno neutro, ofreciendo la ventaja principal de proporcionar dos niveles de tensión. Supongamos que los cables vivos están a +V y -V, con el neutro a potencial cero. Conectar una carga entre un cable vivo y el neutro produce V voltios, mientras que conectar a través de ambos cables vivos proporciona 2V voltios.
Esta configuración permite que las cargas de alta tensión se conecten entre los cables vivos y las cargas de baja tensión se conecten entre un cable vivo y el neutro. El diagrama de conexión para un sistema de distribución de CC de tres cables se ilustra a continuación.
Clasificación del Sistema de Distribución por Método de Conexión
El sistema de distribución se clasifica en tres tipos según la metodología de conexión:
Sistema Radial
En un sistema radial, alimentadores separados entregan energía desde una subestación a cada área, con la energía fluyendo unidireccionalmente desde el alimentador al distribuidor. Este diseño es simple y fácil de implementar, requiriendo una inversión inicial menor en comparación con otros sistemas.
Sin embargo, su confiabilidad está significativamente limitada: un fallo en un alimentador puede apagar todo el sistema que sirve. La regulación de tensión también se ve afectada para los consumidores lejanos del alimentador, ya que las fluctuaciones de carga causan variaciones de tensión más pronunciadas. Por estas razones, los sistemas radiales se utilizan típicamente solo para la distribución a corta distancia a cargas ubicadas cerca del alimentador. Un diagrama de línea única del sistema radial se muestra a continuación.
Sistema en Anillo Principal
En un sistema en anillo principal, los transformadores de distribución se conectan en una configuración de circuito cerrado, suministrados por una subestación desde un extremo. Este diseño asegura que cada transformador tenga dos rutas distintas hacia la subestación, mejorando la redundancia y la confiabilidad. Un diagrama de línea única del sistema en anillo principal se ilustra a continuación.
Esta configuración se puede comparar con dos alimentadores conectados en paralelo. Por ejemplo, si ocurre un fallo entre los puntos B y C, el segmento entre B y C se aislará del sistema, y la subestación podrá suministrar energía a través de dos rutas alternativas.
Este diseño mejora la confiabilidad del sistema, reduce las fluctuaciones de tensión en el extremo del consumidor y asegura que cada segmento del bucle lleve una corriente menor, requiriendo así menos material conductor en comparación con el sistema radial.
Sistema de Distribución Interconectado
El sistema de distribución interconectado presenta un bucle suministrado por múltiples subestaciones en diferentes puntos, ganando el nombre de "sistema de distribución en malla". Un diagrama de línea única de este sistema se ilustra a continuación.
Como se muestra en el diagrama anterior, el bucle ABCDEFGHA está suministrado por dos subestaciones en los puntos A y E. Esta configuración mejora significativamente la confiabilidad del sistema en comparación con los sistemas en anillo principal y radiales.
Aunque el sistema interconectado se jacta de una calidad y eficiencia de energía superior, incluso reduciendo la capacidad de reserva de potencia, su diseño es complejo y requiere una mayor inversión inicial debido a la necesidad de múltiples subestaciones.
Clasificación de Sistemas de Distribución por Tipo de Construcción
Sistema de Distribución Subterránea
Como su nombre indica, este sistema coloca los conductores debajo de las calles o aceras. Si bien es más seguro que los sistemas aéreos, incurre en costos iniciales altos debido a la excavación, conductos, pozos de inspección y cables especializados. Los cables subterráneos son menos propensos a fallas y ofrecen beneficios estéticos (invisibilidad), pero la detección y reparación de fallas son difíciles. Su vida útil supera los 50 años.
Sistema de Distribución Aérea
Los conductores se montan en postes de madera, concreto o acero en esta configuración convencional. Aunque es más susceptible a fallas y peligros de seguridad que los sistemas subterráneos, tiene costos iniciales más bajos y mayor flexibilidad para la expansión de la carga. El aire actúa como medio de aislamiento, eliminando la necesidad de cables especiales y permitiendo una mayor capacidad de corriente. La instalación, localización de fallas y reparación son sencillas, manteniendo bajos los costos de mantenimiento, aunque puede interferir con los sistemas de comunicación. Su vida útil supera los 25 años.
