1.1 ORIGEN Y DESARROLLO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS. INICIOS EN CORRIENTE CONTINUA. Desde un punto de vista puramente tecnológ t ecnológico, ico, en la actualidad, el ser humano para vivir con cierta calidad de vida necesita de los siguientes elementos que podemos considerar considerar básicos: I. I. Agua. II. II. III. III. IV. IV. V. V.
Alimento. Vestimenta. Vivienda. Actividades productivas (trabajo para solventar sus gastos) VI. VI. Actividades de interacción social (como especie gregaria necesitamos cultura, deportes, diversión, etc.) VII. Energía Eléctrica y otras formas de VII. energía. Figura 1.1.
Crecimiento de la población mundial 1700-2020
El séptimo elemento es imprescindible en la actualidad porque interviene en el logro de los seis anteriores. Desde la segunda revolución industrial que ocurrió a finales del siglo XIX, la electricidad ha permitido que la población mundial mejore sus niveles de vida y se incremente su número de manera geométrica. La electricidad está presente en todas las actividades humanas, en la agricultura, ganadería, producción de alimentos, vestimenta, salud, educación, transporte, cultura, recreación, etc. Ver figuras 1.1 y 1.2.
Figura 1.2. Crecimiento de la población mundial desde la prehistoria (Tomado de Internet) Las ciudades grandes, medianas y pequeñas y los centros poblados rurales utilizan la electricidad en mayor o menor grado para el logro de los seis elementos mencionados. Aquellas poblaciones que no usan electricidad para el logro de estos elementos, son poblaciones precarias y de una baja calidad de vida. Se puede mencionar a las tribus de los no contactados de la selva peruana o comunidades de la sierra, muy alejadas, que tienen agricultura de subsistencia, con poca interacción con las ciudades. Si la energía eléctrica desapareciera, como por ejemplo porCarrington), el efecto de según una explosión extraordinaria de las tormentas solares (Similar al Evento pronostican los astrofísicos especialistas, los generadores y transformadores se quemarían, ocasionando una Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 1
paralización transitoria del suministro eléctrico que duraría un lustro para reponer los equipos equipos dañados. Este producto llamado electricidad se produce en las centrales de generación eléctrica. Luego se transporta generalmente a grandes distancias, porque los lugares de producción producción están relativamente alejados de los centros de consumo consumo que son las ciudades. En los centros de consumo también se requiere instalaciones que recorren todas las calles de las ciudades para suministrar electricidad a todos los locales. Las instalaciones son costosas, generalmente los proyectos eléctricos cuestan cientos de miles de dólares o millones de dólares. Una central termoeléctrica convencional cuesta entre medio millón y un millón de dólares por cada MW instalado. Una hidroeléctrica entre100,000 un millón y dos millones instalado. Una línea de transmisión de 220 kV cuesta c uesta entre y 200,000 dólarespor porcada cadaMW kilómetro. EL SISTEMA DE POTENCIA EN CORRIENTE CONTINUA DE EDISON La figura 1.3 representa el diagrama del circuito de un sistema de potencia en corriente continua, similar al que Thomas Alva Edison construyó en la década de 1880 en Nueva York con fines comerciales. Se trata del primer sistema eléctrico de potencia destinado a producir y vender energía eléctrica compuesto por un generador de corriente continua de 110 voltios que alimenta una serie de viviendas separadas uniformemente una a 20 metros de la otra, es decir que los puntos 1, 2, 3, …n-1 y n representan viviendas cuyos nodos de entrada de corriente están separados 20 metros.
Figura 1.3. Diagrama unifilar de una red de corriente continua de 110 VDC Cada resistencia RCk representa representa las lámparas incandescentes de una residencia y la resistencia RL k representa la resistencia del conductor que une una residencia con otra. Vamos a estimar la máxima distancia que podría abastecer una planta de generación de 110 voltios en corriente continua. Asumimos los siguientes datos: Cada residencia consume 250 watts en lámparas incandescentes. Se permite una máxima caída de tensión de 20 %, es decir 88 voltios es la tensión mínima de alimentación, porque a menor tensión las luces de las lámparas incandescentes incandescentes tienen muy poco brillo y se asemejan a la luz de las velas. El conductor de distribución usado es cobre de 105.5 MCM según la tabla 1.1. Calibre MCM 10 105. 5.55 52 52.6 .633 26 26.2 .255 16.51
mm2 53 53.4 .466 26 26.6 .677 13 13.3 .300 8.37
Resistencia DC W/ mi
W / mi
W/ km
25° 0.555 1.112 2.180 3.470
50° 0.606 1.216 2.390 3.800
25° 0.345 0.691 1.355 2.157
Cap. Corr. W / km Imax 50° 75°C 0.377 310 0.756 200 1.485 120 2.362 90
Diametro Exterior P uullg mm 0.368 0.36800 0.260 0.26000 0.162 0.16200 0.128 0.12855
9. 9.35 35 6. 6.60 60 4. 4.11 11 3. 3.26 26
Tabla 1.1. Características de conductores de cobre
La solución del circuito se muestra en la Tabla 1.2. A fin de no formular un método de solución complejo, se ha asumido que el nodo 1 (Ver Fig. 1.3) corresponde al usuario más alejado que recibe 88 voltios y a partir de este valor se calculan las ttensiones ensiones de los nodos 2, 3, 4 e etc, tc, aumentando los nodos hasta que uno de ellos tenga una tensión de 110 voltios que sería la salida del generador. Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 2
Como se puede ver, la máxima distancia que se s e logra suministrar es 840 metros. Si la distancia aumenta, la tensión en el punto extremo será inferior a 88 voltios. Nodo Potencia Distancia Resistencia Resistencia Corriente Corriente Tension de Consumo Long. Nominal entre del del Usuario del en Linea suministro del Acumul Usuario nodos conductor Usuario Usuario k
WNom
LK
RLK
RCK
ICK
IK
VK
88.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069
48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400
1.818 1.819 1.820 1.821 1.823 1.826 1.829 1.833 1.837 1.842 1.847 1.852 1.859 1.866 1.873 1.881 1.889 1.898 1.908 1.918 1.928 1.939 1.951 1.963 1.976 1.989 2.003 2.018 2.033 2.048 2.065 2.081 2.099 2.117 2.135 2.155
1.818 3.637 5.457 7.278 9.101 10.927 12.756 14.589 16.426 18.267 20.114 21.967 23.825 25.691 27.564 29.445 31.334 33.232 35.139 37.057 38.985 40.924 42.875 44.838 46.814 48.803 50.807 52.824 54.857 56.905 58.970 61.051 63.150 65.267 67.402 69.557
37 38 39 40 41 42
250 250 250 250 250 250
20 20 20 20 20 20
0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069
48.400 48.400 48.400 48.400 48.400 48.400
2.174 2.195 2.216 2.238 2.260 2.283
71.731 73.926 76.142 78.380 80.639 82.922
WK
m
88.03 88.08 88.15 88.25 88.38 88.53 88.70 88.90 89.13 89.38 89.66 89.96 90.29 90.65 91.03 91.43 91.87 92.32 92.81 93.32 93.86 94.42 95.01 95.63 96.28 96.95 97.65 98.38 99.14 99.92 100.74 101.58 102.45 103.35 104.28
11660.00 160.09 160.27 160.55 160.91 161.37 161.92 162.57 163.31 164.14 165.07 166.10 167.22 168.45 169.77 171.20 172.73 174.37 176.11 177.97 179.93 182.01 184.21 186.52 188.96 191.52 194.21 197.03 199.98 203.07 206.30 209.67 213.19 216.87 220.70 224.69
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720
105.24 106.23 107.25 108.30 109.38 110.50
228.84 233.16 237.66 242.34 247.21 252.26
740 760 780 800 820 840
Tabla 1.2. Calculo de tensiones y corrientes en una red de corriente continua de 110 VCC
La potencia que consumen los usuarios se calcula con la corriente IC k y y la tensión Vk de de cada uno, sumando los productos Wk que que se muestran en la tabla 1.2, que arroja 7964.46 Watts. Watts. La potencia producida por el generador DC es el producto de la tensión de 110.5 voltios por la corriente I42 de 82.922 Amperios Amperios que sale del generador DC que arroja 9162.62 Watts. La eficiencia de la red es 7964/9163 = 86.91 %. Este resultado nos indica que una red Edison de 110 Voltios en CC requiere que se instalen plantas de generación con un radio de cobertura de unos 840 metros, lo cual limita su accionar a poca potencia y mucho uso de cobre. Si se calculan redes con otros conductores y otros consumos, los Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 3
resultados mostraran que el alcance de esta red CC es inferior a 1000 metros metros y su uso es muy pobre en consumo, resultando ser relativamente cara. Edison en su imaginación proyectó que las ciudades estarían plagadas de centros de generación de CC que consumirían combustible, situadas a 1680 metros uno del otro y no pudo superar esta limitación. Obviamente, la generación hidroeléctrica o de otro tipo estaba lejos de su s u imaginación. George Westinghouse con la ayuda de Nikola Tesla desarrollaron redes de corriente alterna que tenían la característica de que se podía transformar a niveles de tensión mayores a 110 voltios. Una corriente de 82.922 Amperios a 110.5 voltios permite transmitir 9162 Watts como se indicó anteriormente, pero a se 10000 voltios los se convierten 829220 watts, es decir 90 veces más, que significa que podría llevar 1082.922 veces más energía a en una distancia 9 veces mayor. Esto significa que la energía eléctrica en corriente alterna es más económica que en corriente continua y este factor económico es lo que lo convierte en una alternativa factible y desecha la otra. Esto permitiría producir la energía en grandes centros de generación como en una planta hidroeléctrica, luego transportarlos a grandes distancias mediante tensiones del orden de los miles de voltios, y repartirlos en las ciudades reduciéndolos a tensiones menores para finalmente llegar a las viviendas en tensiones de 110 voltios (o 220 voltios en el Perú) que no signifiquen peligro para las personas. Finalmente, la supremacía del uso de la energía eléctrica en la denominada “Guerra de las corrientes” fue ganada por la corriente alterna y con pocos cambios se mantiene hasta hoy en corriente alterna trifásica. Naturalmente, han ocurrido avances en la tecnología, como el uso de energías de fuentes: solar, eólica, nuclear, geotérmica y maremotriz que se convierten a corriente alterna para que su uso sea factible en las redes de servicio público. Los niveles de tensión alcanzan hoy hasta el millón de voltios. La tecnología también permite usar tensiones de transmisión entre 600 mil y un millón de voltios en corriente continua, que se usan por razones puramente económicas. Como una conclusión natural de esta exposición, debemos resumir la importancia de la teoría t eoría de circuitos, porque el funcionamiento de los sistemas eléctricos de potencia está gobernado por las leyes de la física que se resumen en la teoría de circuitos de corriente continua y corriente alterna. La Tabla 1.3 muestra un resumen cronológico cronológico de los principales avances en la tecnología de los sistemas eléctricos de potencia desde el estudio de los fenómenos electromagnéticos electromagnéticos hasta la actualidad. CRONOLOGIA DEL DESARROLLO DE LA INGENIERIA DE SISTEMAS ELECTRICOS ELECTRICOS DE POTENCIA
Antes de 1800
Se estudian los fenómenos eléctricos y magnéticos: Gilbert, Coulomb, Galvani, Franklin, Volta. Las casas se iluminan con velas, lámparas de aceite aceite o petróleo. La tracción se realiza con fuerza humana y de animales. 1800-1810 Surgen compañías compañías de alu alumbrado mbrado a g gas as en Europa y Estados Un Unidos. idos. En eell Perú el primer sistema de alumbrado público a gas gas fue inaugurado por Ramón Castilla en 1845 1821-1831 Michael Faraday formuló la lley ey que lleva su nombre. Poster Posteriormente iormente construyo un generador de voltaje en base a inducción magnética. Joseph Henry descubre casi simultáneamente la inducción electromagnética y lo aplica al telégrafo y a electromagnetos. 1840-1870 Charles Wheatstone, Wheatstone, Alfred Varley, Carl Siemens construyen generadores eléctricos primitivos. Se presta atención al fenómeno f enómeno en que dos electrodos que conducen corriente se mantienen separados, producen un arco que brilla. 1870 Primeros usos del arco de luz en iluminación de faros y alumbrado de calles, pero no es aplicable a iluminación de interiores por su brillo intenso. Hay poca oposición de las compañías de gas, porque sus intereses no competían directamente. 1879 Thomas Alva Edison energizó un filamento de algodón carbonizado en bulbo al vacío, Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 4
que duró 44 horas. Posteriormente mejoró su lámpara de incandescencia. 1882 Se instaló el primer sistema de venta de energía eléctrica en DC (220/110 V) para alumbrado incandescente con lámparas de Edison (30 kW) en Nueva York USA. Surgen mas compañías que se denominan d enominan “Compañías de Luz”. Luego se incorpora el motor eléctrico al uso domestico. Las compañías compañías se denominan entonces de “Luz y Fuerza” Fuerza” 1885 George Westinghouse compra las patentes americanas de un sistema de corriente alterna desarrollado por L. Gaulard y J.D. Gibbs de París. 1886 William Stanley, antiguo socio de Westinghouse ensaya la primera red experimental de corriente alterna que alimenta 150 lámparas. 1888 Nikola Tesla presento una memoria describiendo motores bifásicos de inducción y motores síncronos. 1890 Se construye la primera línea de transmisión en corriente alterna en 3.3 kV para alimentar la ciudad de Portland, desde una h hidroeléctrica idroeléctrica situada a 20 km. 1890-1900 Surgen controversias entre Edison, fundador de la “General Electr Electric” ic” y la Westinghouse por la conveniencia conveniencia entre la AC y DC. Finalmente se impone la cor corriente riente alterna por sus muchas ventajas 1893 En la Columbian Exposition de Chicago de 1893 se muestra una red de distribución de corriente alterna bifásica. A partir de entonces las redes e corriente alterna trifásica fueron desplazando a las redes en corriente continua. En 1894, en USA había 4 centrales generadoras trifásicas y una bifásica. 1900-1917 Los sistemas americanos funcionan aaislados. islados. Había frecuencias frecuencias de 25, 50, 60, 125 y 133 Hz. Surge la necesidad de interconectarse para disminuir inversiones. Se estandariza la frecuencia en 60 Hz porque era la más aceptable (las turbinas de vapor trabajaban satisfactoriamente a 3600 y 1800 rpm). 1907 Funciona la primera línea en 100 kV. En 1923 la tensión subió a 220 kV. 1914-1918 La primera primera guerra mundial revela la necesidad de la interconexión 1953 Entra en servicio la primera línea de 345 kV Tabla 1.3. Cronología del Desarrollo de la Ingeniería Ingen iería de Sistemas de Potencia
1.2 REDES EN CORRIENTE ALTERNA. VENTAJAS. De la lectura de la cronología del desarrollo de la ingeniería de potencia, en el desarrollo de los sistemas de potencia, la red de corriente alterna se impuso sobre las redes de corriente continua tempranamente, por su su me menor nor cos costo. to. Actualmente su su uso es universal, exce exceptuando ptuando algunos casos especiales de transmisión de grandes bloques de energía en corriente continua y en muy altas tensiones. Así mismo, en la generación de energía eléctrica, universalmente se produce en corriente alterna. Lo mismo con la transformación de los niveles de tensión y las redes de distribución de energía en ocurre las ciudades. Una red de corriente alterna puede ser trifásica o monofásica. De ambos, la red trifásica es es usada en la inmensa mayoría de los sistemas eléctricos de potencia. En generación, transmisión y distribución, se emplea emplea universalmente la red trifásica, trifásica, porque es más económica. Así tenemos generadores trifásicos, transformadores trifásicos, transformadores monofásicos conformando bancos trifásicos, líneas de transmisión trifásicas, redes de distribución trifásicas, etc. Los ejemplos 2.4 y 2.5 demuestran porque es más económica una red trifásica. ¿En donde se usa una red monofásica? En microcentrales eléctricas de algunos kilowats de potencia para alimentar redes de electrificación rural con cargas domiciliarias o de industrias pequeñas. Las redes monofásicas se usan en en aplicaciones domiciliarias para equipos de consumo domestico como lámparas incandescentes, televisores, etc. eléctricas No se fabrican lámparas, fluorescentes, refrigeradoras o cocinas, planchasrefrigeradoras, trifásicas. Algunas cocinas cocinas de gran potencia suelen ser trifásicos, pero la inmensa mayoría de electrodomésticos electrodo mésticos son exclusivamente monofásicos. Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 5
Colombia Ecuador
Zorritos
Tumbes
LORETO
Moyobamba Gera Tarapoto Carhuaquero
Chiclayo Gallito Ciego Guadalupe
Cajamarca Bellavista Pacasmayo Trupal Trujillo Trujillo Sur Cañón del Pato
Brasil
Pucallpa
Chimbote
Aguaytía
Tingo María
Huaraz Huaraz
Huánuco
Vizcarra
Paramonga Huacho Cahua Zapallal Ventanilla Chavarría Santa Rosa San Juan
Paragsha Yaupi
Yanango Chimay
Huayucachi Huayucachi
Mantaro Restitución Huancavelica Huancavelica
Machupicchu Cachimayo Cusco Quencoro San Gabán Abancay
Independencia
Cotaruse
SISTEMA ELECTRICO PERUANO AÑO 2003 Central Central Subestación Líneas de Transmisión 220 kV 138 kV
Ica
Tintaya
Azángaro
Marcona San Nicolás
Juliaca
Charcani V
VI Charcani I, II, III, IV y VI
DT
Océano Pacífico
Puno
Chilina Socabaya Mollendo Tv Ilo 2
Botiflaca Botiflaca
Moquegua Toquepala Aricota
Ilo 1
Potencia efectiva hidráulica Potencia efectiva térmica
2626 MW 1800 MW
Potencia efectiva TOTAL
4427 MW
Máxima Demanda de Potencia
3000 MW
Tacna
Chile
Figura1.4. Sistema Eléctrico Interconectado Nacional SEIN 2003.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 6
B o l i v i a
Figura 1.5. Sistema Electrico Interconectado Nacional SEIN 2013.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 7
Figura 1-6 Diagrama Sistema In Interconectado terconectado Centro-Nor Centro-Norte te SICN 2004 CT Tumbes Tumbes
Paragsha Paragsha
Talara 220 220
CH Chimay Chimay
CH CH Matucana Matucana
CH CH Huampani Huampani CH CH Callahuanca Callahuanca
CT Chiclayo Chiclayo Callahuanca Callahuanca 220 220
SVC SVC
Cajamarca 220 220
Chiclayo 220 220 Gallito Gallito Ciego Ciego
TG TG Trujillo Sur Sur
Tingo María 220 220
CH Cañón CT del Pato Pato Chimbote Chimbote
CH CH Moyopampa Moyopampa Ica 220 220
CT Aguaytía Aguaytía
Huánuco 138 138
CH CH
Pomacocha 220 220
Pachachaca 220 220
Oroya 220 220
CT Piura, Paita, Sullana Sullana
EDELNOR
CT Pucallpa Pucallpa SVC SVC
CH Cahua Cahua
Vizcarra 220 220
SIS SIS
LUZ DEL SUR CH Huinco Huinco
SVC SVC
CT Ventanilla Ventanilla
Marcona 220 220
TV San Nicolás Nicolás
CT Santa Rosa Rosa
SVC SVC
Chavarria 220 220 Guadalupe 220 220
Trujillo 220 220
Paramonga 220 220
Chimbote 220 220
Huacho 220 220
San Juan 220 220
Zapallal 220 220
Santa Rosa 220 220 SVC SVC
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 8
Abancay 138 138 Cachimayo 138 138
Fi ura 1-7 Sistem Sistemaa Inter Intercone conectado ctado Sur SIS 2004 Dolores 138 138
Mantaro 220 220
SICN
Combapata 138 138
Cotaruse 220 220
SVC SVC
Socabaya 220 220
Machupicchu 138 138
Quencoro 138 138 REACTOR 10 MVAR Tintaya 138 138
AREQUIPA CERRO VERDE
San Gabán 138 138 Azángaro 138 138 REACTOR 20 MVAR Juliaca 138 138
TV Ilo 21 21 Moquegua 220 220
Puno 220 220
REACTOR 30 MVAR SISTEMA INTERCONECTADO INTERCONECTA DO SUR
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
SE Cota ruse ruse
CS
ANDES ANDES
CH Poechos, Curumuy Curumuy
Piura 220 220
CH Restitución Restitución
CH Yanango Yanango
ELECTRO
CH CH Malpaso Malpaso
CT Malacas Malacas
CH Mantaro Mantaro
CH CH Yaupi Yaupi
Machala 230 (Ecuador) (Ecuador)
Zorritos 220 220
Mantaro 220 220
Tacna 220 220
ILO-MOQUEGUA-TACNA
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 9
¿Cuál es la razón por la que los aparatos de consumo domestico de electricidad son monofásicos?. Respuesta: porque son más económicos fabricarlos en sistema monofásico. monofásico . Se pueden fabricar lámparas incandescente o planchas trifásicas, sin embargo estos aparatos además de resultar mas caros, no tendrían alguna ventaja sobre los aparatos monofásicos y además los usuarios tendrían que instalar redes domiciliarias trifásicas, con tomacorrientes y medidores de energía trifásicos, resultando más costosas aun. Las industrias pesadas de mediano y gran tamaño emplean redes trifásicas, generalmente con cargas compuestas por motores de inducción trifásicos de gran potencia. Las redes de alumbrado interno y los motores de pequeña potencia son universalmente monofásicos. Los sistemas de corriente continua se usan en aplicaciones especiales, tales como aquellas de origen fotovoltaico producido por paneles solares que almacenan en baterías la energía eléctrica producida en el dia y lo usan las 24 horas mediante redes de corriente continua. Los grandes parque de generación solar, producen corriente continua, pero luego la transforman a corriente alterna trifásica para inyectarlas al sistema de potencia pot encia que alimenta a las ciudades.
1.3 DESARROLLO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS ACTUALES EN EL PERU. Ver en el Diagrama N° 1, la red red actualizada del Perú a Diciembre de 20 2004. 04. DESARROLLO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS EN EL PERU.
Antes de Medianos sistemas eléctricos de potencia en Lima, Chimbote-Huaraz, Arequipa, Cusco y 1972 Tacna. A raíz del terremoto de 1970 se repara la central C Cañón añón del Pato y se instalan turbogases en Chimbote Chimbote y Trujillo. Las demás ciudades son atendidas por pequeños grup grupos os
1972
1975 1980
1985 1986 1987
1991 1994
1996
1997
térmicos diesel. Centrales importantes: Lima: Huampani, Callahuanca, Moyopampa, Huinco, Santa Rosa; Chimbote-Huaraz: Cañón Cañón del Pa Pato; to; Paramonga: Ca Cahua; hua; Pasco-Junin (Cerro de Pasco Cooper Corporation): Yaupi, Malpaso, Oroya, Pachachaca; Ilo: (Southern Perú) Central Central térmica de Ilo; Tac Tacna: na: Aricota; Arequipa: Charcani 1,2,3,4 y 6; Cusco: Ma Machupicchu. chupicchu. Se pone en servicio la central hidroeléctrica de Matucana de 2x60 MW Entra en servicio la central hidroeléctrica Mantaro I con 3x110 MW. El sistema siste ma de transmisión interconecta a Pisco, Chincha, Ica Marcona-Nazca, Marco na-Nazca, Huancay Huancayo, o, Huancavelica y el sistema eléctrico de Centromin-Perú (Ex Cerro de Pasco). Se completan la II etapa de Mantaro, llegando a 7 x 110 MW. Se interconecta los sistemas de Lima y Chimbote, vía la línea Lima-Paramonga-Chimbote de 220 kV. Luego se interconecta Trujillo con una línea en 220 kV que inicialmente opera a 138 kV. Entra en servicio la central Restitución (Mantaro III) con 3x72 MW, totalizando 986 MW instalados. Se interconecta Chiclayo mediante la línea Trujillo-Guadalupe-Chiclayo en 220 kV. Luego se interconecta Cajamarca mediante la línea Guadalupe-Cajamarca en 60 kV. Entra en servicio la central Charcani V con 3 x 45 MW. Se interconecta Arequipa con Ilo y Tacna mediante la línea Socabaya-Toquepala en 138 kV. En servicio línea Cerro de PascoHuanuco-Tingo María. Entra en servicio la hidroeléctrica Carhuaquero de 3 x 25 MW. Se interconecta la ciudad de Piura mediante la línea Chiclayo-Piura en 220 kV Se reforma la Ley General de Electricidad y se da origen a la Ley de Concesiones Eléctricas, en la que los ingresos de las empresas se basan en la libre competencia. Hasta entonces Electroperú era propietario de todas las empresas de generación y distribución del país. Se construye la línea Tintaya-Socabaya en 138 kV que interconecta los sistemas Sur Este E ste (Cusco-Puno) y Sur Oeste (Arequipa-Moquegua-Tacna) Se forman empresas privadas de electricidad: Generación: Electroperú, Edegel, , Egecah Egecahua, ua, Egenor, Elec Electroandes, troandes, Egasa, Egesur, Egemsa. Distribución: Edelsur, Edelnor, Electronorte, Electronoroeste, Hidrandina, Electrocentro, Electrosur medio, Seal, Electrosur, Luz Electrooriente, Electroucayali, Electrosur este Se privatizan Edegel (generación), del Sur y Edelnor (distribución). Luego Egecahua y Egenor. Posteriormente se privatizan Hidrandina, Electrocentro, Electronorte y Electronoroeste.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 10
1998
1999 2000
2001 2002 2004
Inversión privada extranjera construye la CT Talara de 80 MW a gas natural. El estado (Electroperú) construye la línea Piura-Talara. Un aluvión deja la central Machupicchu (110 MW) sumergida bajo lodo. El subsistema Sur Este se alimenta desde Arequipa por medio de la línea Tintaya-Socabaya. Tintaya-So cabaya. Inversión privada extranjera construye la CT Aguaytía de 2 x 80 MW a gas natural y su sistema de transmisión de la línea Aguaytía-Tingo María-Paramonga Mar ía-Paramonga en 220 kV. Edegel pone en servicio las centrales Yanango (40 MW) y Chimay (149 MW) en Tarma, honrando su compromiso de aumento de la generación prevista en la privatización de Edegel. Se interconectan los sistemas Centro-Norte y Sur mediante la línea Mantaro-CotaruseSocabaya de 220 kV, 609 km. km. Todo el país (con exc excepción epción de algunos sistemas aislados) queda interconectado bajo un solo gran sistema eléctrico, denominado SEIN. Entra en servicio la hidroeléctrica San Gabán con 2x55 MW en Puno. Reingresa la central Machupicchu reconstruida con 90 MW. Primeros días de agosto, entra en servicio la línea Aguaytía-Pucallpa de 130.5 km y 138 kV. En agosto llega el gas de Camisea a Lima y en la CT Ventanilla desplaza al diesel.
1.4 ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA. Los sistemas eléctricos están conformados por generadores, transformadores, líneas de transmisión, reactores, capacitores, redes de distribución y cargas. De acuerdo al tipo de actividad, los sistemas sistemas de potencia se subdividen en generación, transmisión y distribución. Cada uno de estos tipos de actividades tienen sus características particulares y son reconocidos como actividades diferenciadas en el negocio eléctrico.
1.5 GENERACIÓN, TRANSMISIÓN, DIAGRAMAS UNIFILARES.
DISTRIBUCIÓN.
SIMBOLOGÍA.
GENERACION: Comprende llas GENERACION: as centrales de generación, que pueden ser térmicos o hidráulicos, generalmente se hacen en niveles de tensión que van desde 120 V hasta 17,000 V, dependiendo de la magnitud de la potencia generada. TRANSMISION: Comprende los sis sistemas temas que toman la electricidad a la tensión de generación, y la elevan a grandes tensiones, tensiones, que en nuestro país van van desde los 10 kV hasta 220 kV. En otros países, los niveles de transmisión llegan hasta el mi millón llón de voltios. El sistema de transmisión también comprende los equipos de reducción de tensiones en el punto de llegada de la transmisión, para el uso de las cargas, que pueden ser ciudades enteras. DISTRIBUCION: Comprende toda la red de destinada stinada a recibir la electricidad en al altas tas tensiones y distribuirlos a los consumidores, que son las viviendas, plantas industriales, etc. SIMBOLOGÍA DE LOS DIAGRAMAS UNIFILARES Generador Transformador de 2 devanados Transformador de 3 devanados Autotransformador de 3 devanados
Barra eléctrica Línea de transmisión Capacitor Reactor Carga eléctrica
Fig. 1.8 Simbología de los Sistemas
1
G1
T1
2
L1
3
T2
G2 Z2
T3 5 L2 6 Z1
4
Fig. 1.4 1.4 Diagrama Unifilar de un Pequeño Pequeño Sistema Eléctrico. Eléctrico.
Eléctricos. Eléctricos.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 11
1.6 ESTUDIOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA. Un proyecto eléctrico de transmisión, desde que se concibe como idea hasta que se pone en servicio, demora no menos de 2 años. Un proyecto de generación hidráulica puede durar hasta 10 años y un proyecto de generación térmica no menos de 2 años. Los costos de los proyectos eléctricos se miden en el orden de decenas de millones de dólares hasta el orden de cientos de millones. Tanto la gestión del proyecto así como su operación requiere de estudios especializados y metodologías de simulación de su comportamiento. Esto se lleva a cabo mediante estudios como: ESTUDIO DE FLUJO FLUJO DE POTENCIA: Simulación de la conducta de un sistema de potencia en es estado tado estacionario. Reporta la magnitud de las variables eléctricas, tales como tensiones de barras, corrientes en las ramas, flujo de potencia por los elementos, perdidas de potencia activa y reactiva en cada uno de los elementos y en conjunto. Es como la fotografía de las variables de un sistema. ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO: Calculo de las corrientes de cortocircuito que circulan por un sistema cuando se producen cortocircuito cortocircuitoss (fallas). Una falla es un cambio brusco de la topología de un sistema. ESTABILIDAD TRANSITORIA: Simulación de la evolución de las variables de un sistema de potencia cuando se produce una contingencia. Es ccomo omo una película que describe el comportamiento del sistema por periodos que van de 0 a 10 segundos e incluso hasta 1 minuto. ESTABILIDAD DE PEQUEÑA SEÑAL: Simulación de la evolución de las variables de un sistema de potencia cuando se produce una perturbación muy pequeña. Su oobjetivo bjetivo es representar el comportamiento de los sistemas automáticos de control. ESTUDIO DE COORDINACION DE PROTECCIONES: Estudio que consiste en determinar la calibración los equipos de protección de los elementos de un sistema de potencia. Requiere de estudios de cortocircuito múltiple, para varios periodos y varias topologías. ESTUDIO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO: Consiste en realizar el diseño del aislamiento de las redes de alta tensión, principalmente líneas de transmisión y subestaciones. DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISION, SUBESTACIONES Y CENTRALES ELECTRICAS. Diseño de parámetros básicos de los elementos de los sistemas de potencia, tales como niveles de tensión, capacidad de potencia, numero de elementos. FLUJO DE POTENCIA OPTIMO: Es el estudio de flujo de potencia, en el cual adicionalmente se determina el despacho de generación más económico. económico. Es una ooptimiz ptimiz ación puntual (“fotográfica”). DESPACHO ECONOMICO: Es el estudio de la operación económica de un sistema de potencia a lo largo del tiempo, que consiste en optimizar los recursos de generación para satisfacer la demanda de potencia al mínimo costo total de operación. ESTUDIOS DE CONFIABILIDAD: CONFIABILIDAD: Es el estudio de la toma de medidas para evitar que se produzca energía no servida por diversos motivos, cortocircuitos, perdida de estabilidad.
1.7 INTERCONEXIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS.
La interconexión de sistemas eléctricos se produce cuando las capacidades y necesidades de dos sistemas son complementarios. Por ejemplo, un ssistema istema en donde se ha puesto en servicio una planta de generación eléctrica económica que supera la capacidad de consumo de sus propias cargas y otro sistema que tiene déficit de generación o tiene generación muy cara en comparación con el primero, son susceptibles de ser interconectados, siempre que el costo de la interconexión no supere las economías de escala en el uso de la generación de ambos sistemas. Para realizar la interconexión de dos sistemas se realizan todos los estudios mencionados en 1.6, bajo el criterio de operación económica conjunta mediante un elemento de interconexión, que generalmente es una línea de transmisión. En el Perú, la interconexión mas reciente se produjo en el año 2000, cuando se interconectaron el Sistema Interconectado Centro-Norte (SICN) y el Sistema Interconectado del Sur (SIS), dando lugar al eléctrico interconectado SEIN, de la línea de 609 km, deSistema doble circuito y doble conductorNacional por fase. Estaa través línea permite queMantaro-Socabaya, los recursos de generación de ambos subsistema sean compartidos por todos los usuarios del sistema y en consecuencia se produjo un ahorro en inversión en generación y costo de generación para el conjunto nacional.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 12
ANEXO 1. Historia de la electricidad en Lima
La electricidad llegaría a Lima en la penúltima década del siglo pasado luego de una historia de iluminación en base a hachones de madera untados con grasa, lámparas de aceite, mecheros de kerosene y, a partir de 1857, iluminación a gas. De esto ya hace mas de 110 años. Por concesión municipal, el 15 de mayo de 1886 se inauguró el alumbrado público eléctrico de Armas, los jirones Unión de y Carabaya, la bajada puente yque la iluminó Plaza delalaPlaza Recoleta. La corriente procedía una plantael apuente, vapor de 500 HP.delinstalada frente al Parque Neptuno, hoy Paseo de la República. Hacia 1895 se instaló la Empresa Transmisora de Fuerza Eléctrica, con planta en Santa Rosa de la Pampa, en la margen izquierda del Río Rímac. La primera transmisión se efectuó el 6 de agosto a las once de la mañana. Posteriormente, la Sociedad Industrial Santa Catalina absorbió los capitales constitutivos de la Empresa Transmisora y la compañía asumió el nombre de Empresa Eléctrica Santa Rosa bajo la dirección de Mariano Ignacio Prado. En 1899 había formado la Sociedad de Alumbrado Eléctrico y Fuerza Motriz, con la planta y Piedra Lisa a la margen derecha del río Rímac. En abril de 1900, Santa Rosa se comprometió a llaa instalación de 4,500 lámparas. Para 1901, el alumbrado comprendía 1800 postes y el servicio particular, 8500 luces. En 1902 su número llegó a 10 mil lámparas destinándose gran parte de la producción hacia Miraflores, Barranco y Chorrillos. En ese mismo año se instaló la Planta Térmica en Limatambo para el primer ferrocarril eléctrico del Perú, el de Chorrillos inaugurado en 1904. El primero de enero de 1902 se inauguró oficialmente el servicio público general que cubría la demanda de 115 mil habitantes de la ciudad de Lima. En 1903 se inauguró la Central Hidroeléctrica de Chosica, con una potencia de 4 mil HP, siendo la primera en aprovechar un salto considerable en el sistema fluvial Rímac - Santa Eulalia. El 1 de agosto de 1906 se realizó la fusión de todas las empresas relacionadas con la La industria Compañía eléctrica: del Ferrocarril La Empresa Urbano Eléctrica de Lima, Santa el Rosa, Ferrocarril que incluía Eléctrico a Piedra del Lisa Callao y lay ddel elelTranvía Callao; Eléctrico a Chorrillos, formando las Empresas Eléctricas Asociadas. Durante este lapso de tiempo, el primero de diciembre de 1907, se inauguró i nauguró la Central Hidroeléctrica de Yanacoto. Entre 1914 y 1920 la empresa elevó su capacidad a 18.400 kW, de los cuales 10 mil eran de origen hidráulico. Desde 1922 Juan Carossio se encargó de la dirección y reorganización de la Empresa en estrecha colaboración con la Motor Columbus S.A., Baden, la Brown Boveri Company, Baden Suiza y a partir de 1926 con la Compañía Sudamericana de Electricidad - Sudelectra - en Zurich, formada con la finalidad de manejar directamente el aporte suizo. Al amparo de la ley 4510 del 15 de mayo de 1922, celebró el contrato de alumbrado y tranvías con la municipalidad de Lima. Bajo este marco se inició la gran expansión de las Empresas Eléctricas Asociadas.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 13
En 1927, la Central Térmica de Santa Rosa fue ampliada con dos turbo grupos a vapor, cada uno de 5000 kW. En 1928 es contratado el ingeniero Pablo Boner y en 1933 su proyecto es acogido. El proyecto Boner estuvo formulado en tres etapas para el aprovechamiento del potencial hídrico de la cuenca Rímac - Santa Eulalia a través de la construcción de las centrales escalonadas. El de mayo 1938 inaugurótotal la central de Callahuanca conentra tres generadores de 12250 kW7 cada uno,decon unasepotencia de 36,750 kW. En 1943 en funcionamiento el reservorio de regulación diaria de Autisha. El 21 de junio de 1951 fue puesto en marcha el primer grupo de 21 mil kW de la central hidroeléctrica de Moyopampa y al siguiente año le siguió el segundo grupo con igual potencia. En 1955 fue posible ampliar la central de Callahuanca con un cuarto grupo de 31000 kW y la central de Moyopampa con un tercer grupo también de 21000 kW. En 1957 se dio inicio a los trabajos de Huinco: el 15 de diciembre se comienza la perforación del túnel trasandino. En abril de 1965 se inauguró la central de Huinco. El 30 de marzo de 1960 se inauguró la Central de Huampaní Gino Bianchini con 31 mil kW de potencia instalada. En este año salieron del servicio las centrales de Yanacoto y Chosica. Chos ica. En 1964 se creó la Escuela de Formación Electrotécnica, la Escuela de Capacitación para obreros y empleados. En el año 1972, durante el gobierno militar del General Juan Velasco Alvarado, por el Decreto Ley 19521 las Empresas Eléctricas Asociadas se constituyeron en ELECTROLIMA S.A. Finalmente, en 1994, Electrolima se divide en tres nuevas empresas con el objetivo de su posterior privatización. De esta forma aparecen Luz del Sur, Edelnor y Edegel S.A., las dos primeras distribuidoras y la tercera generadora de electricidad para nuestra ciudad capital. Museo de la Electricidad Avenida Pedro de Osma 105 Barranco Lima - Perú Telefax: 477 6577
[email protected] Fuente: Museo de la Electricidad
Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia I Por Flaviano Chamorro V.
Pág. 1 - 14
