Sistemas Eléctricos de Distribución
Sistemas Eléctricos de Distribución Juan Antonio Yebra Morón
EDITORIAL REVERTÉ
Barcelona
Bogotá
Buenos Aires 2009
Caracas
México
Título de la obra Sistemas Eléctricos de Distribución © Juan Antonio Yebra Morón D.R. © 2009 Diseño y formación Reverté-Aguilar, S.L. www.reverte-aguilar.com Diseño de cubierta Rogelio Covarrubias Romo © REVERTÉ EDICIONES, S.A. DE C.V. Río Pánuco No. 141, Col. Cuauhtémoc 06500 México, D.F. T. + (52) 55 5533.5658 F. + (52) 55 5514.6799
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y
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ISBN 978-607-7815-00-6 México ISBN 978-84-291-3029-4 España Primera edición, 2009 Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, la fotocopia o la grabación, sin la previa autorización por escrito del editor. Impreso en México. Printed in Mexico. Programas Educativos, S.A. de C.V. Calz. Chabacano 65-A, Col. Asturias México, D.F., Fecha: Julio 2009 Tiro: 1,000 ejemplares
PRÓLOGO El libro que tienes en las manos, aborda técnicamente un tema muy importante para la ingeniería eléctrica: las Redes Eléctricas de Distribución, el cual, domina ampliamente su autor el Ing. Juan Antonio Yebra Morón, como producto de su amplia experiencia en el ramo y de los estudios propios de su carrera en Ingeniería Eléctrica, que realizó en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Nacional. Su gran trayectoria laboral de más de 30 años en el sector eléctrico de México, específicamente en la Gerencia de Distribución y Transmisión de la Compañía de Luz y Fuerza del Centro, le concedieron la virtud de saber conjugar la teoría con la práctica en sus tareas encomendadas, apoyado desde luego, en sus estudios de especialización sobre la materia de Distribución Eléctrica, que realizó en diferentes instituciones tanto en nuestro país como del extranjero. Por ello con el profesionalismo que le caracteriza, impartió la cátedra de Redes de distribución en la misma ESIME, participó como ponente en varios foros y seminarios en México, acumulando un sinnúmero de experiencias y conocimientos sobre el tema abordado en este libro. Con mucha claridad e inteligencia, el Ing. Yebra, nos ofrece sus valiosos conocimientos sobre las Redes Eléctricas de Distribución, en una forma ordenada, explícita, actualizada y perfectamente estructurada, partiendo de los antecedentes históricos de la distribución eléctrica; pasando por los fundamentos y bases teóricas generales, hasta llegar a desglosar ampliamente todas y cada una de las aplicaciones reales, la problemática que sobre la materia a diario enfrentan los profesionales, así como las alternativas de solución que requieren durante el proceso de distribución. Por lo anterior, podemos considerar sin temor a equivocaciones, que el compendio de información técnica que aquí se presenta, es un instrumento de gran utilidad para orientar los esfuerzos de los estudiantes de Ingeniería Eléctrica y una importante fuente de consulta para los profesionistas involucrados en el proceso de distribución de la energía eléctrica. Ing. Raúl González Apaolaza Junio de 2009.
PREFACIO La economía de cualquier país gira alrededor de insumos prioritarios para su desarrollo, así como de la capacidad de trabajo de sus ciudadanos y de su preparación cultural y tecnológica, por esta razón el conocimiento de las distintas técnicas que permitan desarrollarse eficientemente, es una necesidad que obliga a los ingenieros a conocer de una manera precisa las técnicas requeridas para llevar a buen fin los procesos requeridos. El manejo adecuado de los sistemas eléctricos no es la excepción, por tal motivo el diseño correcto de los sistemas eléctricos, demanda tener técnicos bien capacitados en el uso de todas las tecnologías que entran en juego para lograr un sistema eficiente, esto por el bien de la economía en general y por el de la comodidad de los ciudadanos. La distribución de energía eléctrica es un tema de gran importancia dentro de los estudios de la carrera de ingeniería eléctrica y dentro del ejercicio mismo de la profesión, y aún cuando hace algún tiempo todavía se le consideraba como una pequeña rama dentro de este campo del conocimiento, actualmente ya se le puede catalogar como una especialidad con problemas, planteamientos y soluciones propias. Este cambio no ha sido espontáneo ni brusco, sino que ha sufrido una evolución constante acorde con los cambios de la tecnología, lo que ha obligado a los especialistas en esta materia a ajustarse a nuevas técnicas y al uso de materiales y equipos que les ayuden a cumplir su cometido: distribuir la energía eléctrica de manera óptima. Este libro es el resultado de más de treinta años de experiencia dentro de la industria eléctrica de México, específicamente dentro de Luz y Fuerza del Centro, en donde tuve la fortuna de laborar, prestando mis servicios en la Gerencia de Distribución y Transmisión y en la Gerencia de la División Pachuca; asimismo, y de forma casi paralela, tuve la oportunidad de impartir la cátedra de Redes de Distribución en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, del Instituto Politécnico Nacional en México, en donde nació la idea de ordenar los apuntes del curso en un libro bien estructurado que le sirviera a los jóvenes estudiantes de la carrera de Ingeniería Eléctrica y a los profesionales encargados de las redes de distribución de energía eléctrica, preocupados por conocer las bases teóricas de los problemas que diariamente resuelven. Para llegar al estado actual de evolución ha sido necesario construir todos y cada uno de los escalones de la pirámide con el esfuerzo y la dedicación de un gran número de ingenieros, quienes con su trabajo desarrollado en empresas eléctricas, en centros de investigación y en universidades resolvieron problemas de esta especialidad; del trabajo de estos investigadores recopilado de numerosas
VIII
PREFACIO
publicaciones, según puede observarse en la bibliografía, menciono a los siguientes como un pequeño reconocimiento a su ardua labor: F. H. Buller, C. A. Woodrow, M.H. Mc Grath, Miles Maxwell, Hermann W. Reichenstein, Luis Torres Casabona y José V. Schmill por su contribución al análisis de los problemas de las redes de distribución. Mencionar a todos aquellos ingenieros electricistas con los que trabajé y de los que tuve la oportunidad de adquirir algún conocimiento, llenaría muchas paginas, sin embargo, deseo manifestar mi más considerado agradecimiento hacia aquellas personas que en un cierto momento fueron mis jefes en la empresa que quiero tanto y a la que le debo todo lo que soy profesionalmente y que me distinguieron con su confianza y respeto: David Luce Vázquez, Carlos Thompson Durand, Raúl Gallardo Fernández, Enrique Limas Betancourt, Juan Sour Kim, Feliciano N. Espriella Miranda, Joaquín del Castillo Padilla, José Luis Benítez Fuentes, Oscar Luce González, Keneth Smith Jacobo, Mardoqueo Staropolsky Novalsky, Juan Eibenshutz Hartman, Jorge Gutiérrez Vera, Manuel Marco Aguilar, Roberto Espinosa Lara, Cristóbal Berumen Sigala, Jorge García Ochoa, Humberto Solórzano Araujo, José Cuan Morales, Álvaro Gaona de la Fuente, José Luis Alegría Iturrioz, Agustín Torres Leal, Manuel Pacheco Merlín, Rafael Ortega Ramírez, Luis Tirado Lázaro, Jaime Martínez Granados y Mario Alberto Ramírez Rico, todos ellos de Luz y Fuerza del Centro. Asimismo, deseo manifestar mi agradecimiento de una manera muy especial al ingeniero Enrique Villanueva Landeros, Exdirector de la Compañía de Luz y Fuerza del Centro, al ingeniero Jorge Gutierrez Vera, actual Director General de Luz y Fuerza del Centro; al ingeniero Raúl González Apaolaza, Exdirector del METRO en la ciudad de México y Exsecretario de Educación Publica del Estado de Hidalgo, al Ing. Gilberto Enríquez Harper jefe de la Unidad de Ingeniería Especializada, de la Comisión Federal de Electricidad; así como a los ingenieros: José Luis Benítez Fuentes, Manuel Marco Aguilar, Manuel Martínez Zúñiga, Andrés Chávez Sañudo y Cesar Osorio Hernández, que ocuparon puestos muy importantes en Luz y Fuerza del Centro, ex jefes directos y/o amigos míos, que siempre vieron algo de valor en mi persona, que me prodigaron ayuda académica y profesional, y quienes con su ejemplo de trabajo han señalado el camino de esfuerzo y dedicación que debe seguir todo profesional a lo largo de su vida activa. De igual manera todo mi agradecimiento a los Doctores en Ingeniería Eléctrica: Jaime Ávila Rosales (qepd), Daniel Olguín Salinas, Ricardo Mota Palomino, Alfredo Nava Segura, Isaac Jiménez Lerma, Raúl Velásquez y Adrián Inda Ruiz, así como al M. en C. Miguel Ángel Ávila Rosales y al Ing. Manuel Bravo, con quienes tuve oportunidad de convivir en la Sección de Graduados de la ESIME del IPN. Asimismo, deseo agradecerle al Ing. Ernesto Ponce Jiménez, compañero de trabajo en la Dirección de Tecnología Educativa, de la Secretaría DE Educación Pública de Hidalgo, por su invaluable ayuda en la digitalización y observaciones a esta obra. Finalmente, deseo agradecer la amistad y el respaldo profesional de los siguientes ingenieros, que estoy seguro les llenará de orgullo y alegría la edición de este libro y de los que siempre he recibido innumerables muestras de afecto: Felipe Pérez Flores, Felipe Martínez Cruz, Ernesto Mota Palomino, Alberto Riancho Rodríguez, Germán Porraz Sánchez, Sergio Carranza Ramírez, Armando Basave Carvajal, José Arzate Barbosa, Pedro Yebra Morón, Pedro Torres Lemaire, Jorge Lerma Guapo, Alfonso Ávila Ramírez, Julio Luna Castillo, Alfredo García Macias, Jorge Chapa de la Torre, Ángel Larios San Juanico, Juan Botello Barrón, Salvador Polo Yánez, Alfredo Juárez Torres, Cecilio Vera Espinosa, Pedro Velarde López, Bruno Chávez Aguilar, Rubén López Aguilera, Carlos Escudero Pérez y Guillermo Alger Pineda, con una atenta disculpa para todos aquellos compañeros a los que por el momento no recuerdo su nombre, pero que también me han dado su amistad y afecto. Juan Antonio Yebra Morón Junio de 2009
Índice de contenidos Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución . . . . . . . . . 1 1.1
Definición de un sistema de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2
Objetivo de la distribución de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3
Antecedentes históricos de las redes eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4
Antecedentes históricos en Alemania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5
Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6
Antecedentes históricos en Japón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7
Antecedentes históricos en la República Mexicana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8
Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Capítulo 2 Clasificación y elementos constitutivos de los sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1
Clasificación de los sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2
Principales elementos constitutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3
Líneas primarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
X
Índice de contenidos
2.4
Transformadores de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5
Redes secundarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6
Acometidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7
Montajes principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8
Estructuras principales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.9
Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Capítulo 3 Características de la carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2
Carga Eléctrica, Demanda y Demanda Máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3
Factor de Demanda y Factor de Utilización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4
Factor de Carga y Factor de Pérdidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5
Factor de diversidad, Factor de coincidencia y Diversidad de la carga. . . . . . . . 50
3.6
Demanda Coincidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.7
Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.8
Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Capítulo 4 Cálculo de Alimentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1
Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2
Impedancias de secuencia de alimentadores aéreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3
Capacidad de conducción de alimentadores aéreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4
Alimentadores con carga concentrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5
Alimentadores con carga distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.6
Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.7
Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Capítulo 5 Cálculo de corto circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2
Tipos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3
Factores que influyen en la severidad de la falla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Índice de contenidos
XI
5.4
Corrientes de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5
Técnicas para limitar las corrientes de corto circuito en sistemas de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.6
Sistemas en por unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.7
Impedancia de la fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.8
Impedancia de la falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.9
Procedimiento de cálculo de corrientes de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.10 Fórmulas para cálculos de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.11 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.12 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Capítulo 6 Cables aislados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 6.1
Antecedentes históricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2
Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3
Conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.4
Aislamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.5
Pantallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.6
Cubiertas protectoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.7
Esfuerzos electrostáticos en cables aislados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.8
Pérdidas dieléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.9
Capacidad de conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.10 Comportamiento de los cables aislados ante corrientes de corto circuito . . . . 169 6.11 Resistividad térmica del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.12 Selección de niveles de aislamiento de cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.13 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.14 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Capítulo 7 Compensación de potencia reactiva en líneas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 7.1
Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.2
Alimentador con carga concentrada en su extremo final . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.3
Efecto de la compensación de potencia reactiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
XII
Índice de contenidos
7.4
Alimentador con carga uniformemente distribuida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.5
Alimentadores con cargas distribuidas al azar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.6
Alimentadores con dos bancos de capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.7
Alimentadores con n bancos de capacitores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.8
Ahorros monetarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.9
Comentarios sobre el factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.10 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Capítulo 8 Transformadores de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 8.1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.2
Selección de la capacidad de un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.3
Características generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.4
Conexiones de transformadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.5
Ferrorresonancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.6
Corrientes circulantes en un devanado delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.7
Protección contra sobretensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.8
Protección contra sobrecorrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.9
Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.10 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Capítulo 9 Protección contra sobretensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 9.1
Sobretensiones en sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2
Clasificación de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.3
Origen y características de las descargas atmosféricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.4
Efecto de las descargas atmosféricas en los sistemas aéreos de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.5
Breve historia de los apartarrayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.6
Elementos de protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.7
Términos asociados con apartarrayos autovalvulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.8
Protección de circuitos aéreos de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
9.9
Protección de equipo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Índice de contenidos
XIII
9.10 Coordinación de Aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 9.11 Protección de acometidas aerosubterráneas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 9.12 Métodos alternos para proteger acometidas aerosubterráneas . . . . . . . . . . . . 276 9.13 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.14 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Capítulo 10
Protección contra sobrecorrientes . . . . . . . . . . . . . . . .283
10.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 10.2 Protección con relevadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 10.3 Protección con fusibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 10.4 Protección con restauradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 10.5 Protección con seccionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 10.6 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 10.7 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
CAPÍTULO 1 Fundamentos de los sistemas de distribución
1.1
Definición de un sistema de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2
Objetivo de la distribución de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3
Antecedentes históricos de las redes eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4
Antecedentes históricos en Alemania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5
Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6
Antecedentes históricos en Japón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7
Antecedentes históricos en la República Mexicana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8
Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2
Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución
1.1 Definición de un sistema de distribución
1.2 Objetivo de la distribución de energía eléctrica
1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas
3
distribución éstas deben construirse y operarse con personal especializado que realice estas actividades con calidad y de manera confiable. Cabe señalar que una red eléctrica bien diseñada, construida, mantenida y operada, es garantía de un buen servicio para el cliente.
1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas El nacimiento de las redes eléctricas en el mundo comprende el lapso de 1860 a 1885, época en que se logró conjuntar los distintos componentes de un sistema eléctrico ya existentes, o inventar los que se requirieron en ese periodo, a fin de poder armar una red de distribución que pudiera alimentar la carga comprendida por: el alumbrado, la calefacción y los motores eléctricos de las ciudades más importantes del mundo de aquellos años. Derivado de esto se inició una nueva industria, la industria eléctrica que sería columna vertebral del desarrollo económico del mundo. Los pioneros en la construcción de los generadores eléctricos fueron: Ritchie, Saxton y Clarke en la Gran Bretaña, Pixii en Francia, Siemens en Alemania y Pacinotti en Italia, quienes realizaron intentos por desarrollar generadores de corriente directa con imanes permanentes, pero desafortunadamente sólo pudieron generar pequeñas corrientes, debido a la limitada potencia de los imanes. La mejora a este diseño rudimentario se presentó en 1866 cuando se inventó la dinamo, un generador que utiliza electroimanes para generar un campo magnético más intenso. No menos de seis diseños fueron creados por inventores de diferentes países: Wilde, Varley and Wheatstone en Inglaterra, Siemens en Berlín y Farmer en los Estados Unidos. Wilde hizo la siguiente profecía: “La transformación de la energía mecánica en otras formas de energía, a gran escala, con estos simples medios encontrará nuevas aplicaciones destinadas a la vida diaria de millones de seres humanos”. Adicionalmente, fue Zenobe Thephile Gramme, de Bélgica, quien inventó una dinamo más eficiente que las anteriores en el año de 1870, y a quien también se le atribuye haber iniciado el uso de motores eléctricos para fines industriales y el primer sistema de alumbrado público con lámparas de arco en el año de 1878. Finalmente, en el año de 1878, Thomson y Houston en los Estados Unidos y Wilhelm Siemens en Alemania construyeron generadores aun más eficientes que el construido por Gramme. En el año de 1881 la Compañía Siemens estableció la primera estación generadora en el pequeño poblado de Godalming en el sur de Inglaterra. Así durante los últimos 20 años del siglo XIX, en la medida en que la máquina eléctrica se cimentó como un producto comercial, la industria de manufactura se consolidó en la forma de gigantescas organizaciones. Todos los generadores anteriormente descritos eran máquinas de corriente directa; sin embargo, esta tecnología tenía la desventaja de no poder transmitir la energía a grandes distancias, al no poder elevar la tensión y reducir las pérdidas por efecto Joule. La solución a este problema se encuentra en la aplicación del transformador, máquina inventada de manera independiente por Faraday y Henry en 1831 y que trabaja con corriente alterna. Con esta idea en mente John Gibbs de Inglaterra y Lucien Gaulard de Francia, en forma conjunta, desarrollaron y patentaron un “sistema de distribución de corriente alterna”, basado en el transformador de corriente alterna. En el año de 1885 las patentes fueron compradas por George Westinghouse, conocido hombre de negocios y fabricante de equipo eléctrico de los Estados Unidos de Norteamérica, quien desafió exitosamente a Edison con su sistema de corriente directa. El éxito de la
4
Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución
corriente alterna como medio para generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica quedó consolidado con la aplicación de los campos eléctricos rotatorios en los generadores de corriente alterna, y por la invención de los motores de corriente alterna del Croata, nacido en Estados Unidos, Nikola Tesla. Para mediados de la década de 1890, era claro que la corriente alterna había ganado la batalla; la energía eléctrica producida en grandes cantidades y transmitida a grandes distancias, había encontrado una gran cantidad de aplicaciones y era la base de la operación de un gran número de industrias. Entre las primeras y más obvias aplicaciones de la energía eléctrica estaba el alumbrado. Desde 1808 Humphry Davy en Inglaterra, había desarrollado exitosamente la lámpara de arco; pero, no fue sino hasta 1860 que se tuvo un diseño capaz de competir con las lámparas de petróleo para alumbrado público, siendo en el año de 1878, en la ciudad de Paris, donde se aplicó la lámpara de arco por primera vez, desplazando al alumbrado con gas. Sorprendentemente, en el mismo año, Siemens en Alemania, también desarrolló un diseño exitoso de una lámpara de arco. Pero el diseño desarrollado por el inventor norteamericano Charles F. Brush, fue más barato y mas robusto que los de los inventores europeos, y fue rápidamente introducido en la mayoría de las grandes ciudades de Norteamérica y de Europa. Las lámparas de arco fueron usadas ampliamente en: alumbrado público, grandes tiendas, edificios públicos, fábricas, etc. Debido a que su luz era muy intensa para el alumbrado de casas habitación, la lámpara de arco no fue usada para este propósito, hueco que finalmente fue llenado con la lámpara incandescente de Edison. En Inglaterra en 1878, Joseph Wilson Swan desarrolló un bulbo de vidrio herméticamente sellado, similar al desarrollado y patentado por Edison en los estados Unidos de América en 1879. Los trenes y tranvías fueron de las primeras aplicaciones de la electricidad. En el año de 1879 Siemens y Halske realizaron una demostración de un tren eléctrico en la “Exposición de Comercio de Berlín”; un año más tarde, Edison realizó experimentos en su laboratorio en Menlo Park, en New Jersey. Posteriormente, en el año de 1880, Frank Sprague, en los Estados Unidos de Norteamérica, desarrolló el trolley para llevar la energía desde una subestación de potencia a un vehículo con un potente motor eléctrico como medio de transporte. Durante la década de 1890, Estados Unidos y Alemania tomaron el liderazgo en lo que se refiere a la electrificación de sus trenes y tranvías. La otra aplicación importante de la electricidad se llevó a cabo en las industrias. Los primeros motores usaban corriente directa, y tenían severas limitaciones, hasta que en 1885, Nikola Tesla desarrolló los motores de corriente alterna que probaron ser mas confiables, eficientes y baratos. Esta explosión innovadora proporcionó la base para la creación de nuevas industrias encargadas de la manufactura de equipo eléctrico para la propia industria y de aparatos para los hogares, así como de equipo y máquinas eléctricas para realizar la generación, transmisión y distribución. En los Estados Unidos las venas anuales de la industria de manufactura eléctrica creció de una cantidad despreciable en 1880 a más de 100 millones de dólares en 1990; en Alemania, en 1882, el número total de empleados en la industria eléctrica también era despreciable, pero para el año de 1895 llegaba a 15,000 y para 1907 a 50,000. De todo esto se concluye que a pesar de que Inglaterra inicialmente tomó un liderazgo importante en los avances científicos y tecnológicos de la electricidad, fueron en los 20 últimos años del siglo XIX Estados Unidos y Alemania quienes tomaron la delantera, dejando a Francia y a Inglaterra en un plano secundario. Cabe señalar que el éxito de los Estados Unidos y Alemania, más que en el aspecto de los inventos se centró en el
1.4 Antecedentes históricos en Alemania
5
desarrollo comercial que llevaron a cabo. Este desarrollo fue sobresaliente en ciudades del este de Norteamérica y en Alemania en la ciudad de Berlín.
1.4 Antecedentes históricos en Alemania Por lo que se refiere a Alemania, fue la ciudad de Berlín a la que se le consideró la capital eléctrica de Europa, conocida como “la Elektropolis”, por su gran desarrollo tecnológico, en el periodo comprendido de 1890 a 1913. En esos años la industria eléctrica de Berlín fue el motor que movió la economía de Alemania. En 1895 Berlín tenía el 52% del total del número de empleados de Alemania, y el 50 % en 1936. Dos gigantescas empresas dominaban la industria eléctrica: Siemens & Halske, S&H, fundada en 1840, y Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft también conocida como AEG. El que la ciudad de Berlín haya alcanzado este status no fue un accidente, sino, el producto de más de 50 años de planeación de parte del Estado Alemán. Bajo el control de Federico el Grande, Prusia buscó ampliar su poder industrial y militar a través del fortalecimiento sistemático de su educación tecnológica. En el año de 1778 se fundó la Academia de Minas de Berlín, y la Academia de Berlín en 1789, la que más tarde llegaría a ser la Universidad Técnica de Charlottenburg. Éstas tenían una marcada tendencia humanista, especialmente en la enseñanza de Filosofía; sin embargo también se enseñaba Física y Química desde su inicio. Posteriormente, en 1814, se inició la enseñanza del conocimiento técnico, y en 1827 la enseñanza de las matemáticas. A mediados de la década de 1820, Berlín tenía el sistema de educación técnica más efectivo del mundo. Además del grupo de científicos alemanes que realizaron aportaciones valiosas a la ciencia, como Gauss y Weber, una figura muy reconocida a nivel mundial es Werner Von Siemens, hombre con gran espíritu de lucha que fue factor principal para este desarrollo tecnológico Nació cerca de Hanover en 1816, hijo de un campesino que tuvo 14 hijos, quien era jefe de una familia de escasos recursos. Once de sus hermanos más tarde trabajarían con él en la empresa que fundó. Llegó a Berlín en 1834, a la edad de 17 años, y en virtud de carecer de los medios económicos para pagarse una educación técnica, se enroló en el ejército, en donde cursó estudios técnicos en la Escuela de Artilleros, en donde obtuvo el grado equivalente a una educación universitaria. Fue en el año de 1846, cuando laboraba en el ejército con el grado de teniente, que llegó a entrar en contacto con el telégrafo eléctrico, que era un elemento de mucha importancia para el ejército prusiano, por razones de seguridad nacional. Fue en esa época que Siemens conoció a Johan Halske, técnico de la Sociedad de Física de Berlín, y juntos decidieron formar la sociedad Siemens &Halske, compañía que resultó ser muy fructífera por la unión de las habilidades de ambos socios. Halske era un técnico muy hábil, cuya capacidad se consideraba que estaba entre la que tiene un relojero y un ingeniero mecánico; por su parte Siemens era un hombre con una gran inventiva. Los primeros negocios de Siemens &Halske se basaron casi exclusivamente en las exigencias del Gobierno Prusiano, los ferrocarriles y el telégrafo. Les tomó 20 años, hasta 1866, entre otros, inventar una dinamo eficiente. Siemens inmediatamente comprendió la importancia de su invento, y la calificó como el pivote de una gran revolución tecnológica. En 1878, Siemens desarrolló una lámpara de arco eléctrico; en 1879, un prototipo de un tren eléctrico, que fue exhibido
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Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución
en la exposición de Berlín, y en 1881 puso en servicio el primer tranvía eléctrico. Fue en este momento cuando empezó la verdadera expansión de la empresa: entre 1881 y 1890, la plantilla laboral creció de 870 a 3,000 empleados. Una característica fundamental, que desde su inicio manifestó esta empresa, fue el anteponer los logros científicos y técnicos sobre las ganancias económicas. En ese tiempo apareció en escena la empresa Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft, AEG, fundada por el ingeniero Emil Rathenau, perteneciente a una familia de gente de negocios de Berlín, nacido en 1838. Desde el inicio vislumbró la magnitud que representaba la lámpara incandescente de Edison, y le compró los derechos para usarla en Alemania. Su interés original se centró en las redes de distribución y en las instalaciones eléctricas; pero también comprendió que necesitaba la experiencia de Siemens en la fabricación de equipo eléctrico. De esta manera en 1887 se firmó un acuerdo de colaboración en el que fundamentalmente S&H se comprometía a suministrar el equipo eléctrico, y en trabajar en forma coordinada para llevar a cabo la electrificación de Alemania. A partir de ese momento la empresa AEG se concentró en lo referente al desarrollo de la tracción y el alumbrado eléctrico. El paso de la distribución con corriente directa a corriente alterna, creo una segunda revolución tecnológica, ya que la energía podía ahora transmitirse a grandes distancias, lo cual fue demostrado en la Exposición Electrotécnica de Frankfurt en 1891. Fue la empresa AEG en Europa la que realizó las innovaciones críticas de los motores y generadores de corriente alterna, y de los transformadores, tan necesarios para la distribución de energía eléctrica. La primera subestación de potencia construida en Berlín, estaba prácticamente junto a la fábrica de AEG. De hecho la empresa distribuidora de energía eléctrica, la “Compañía Eléctrica de Berlín”, BEW, fue propiedad de AEG hasta el año de 1915 cuando se vendió al gobierno municipal.
1.5 Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica Es indudable que la distribución de energía eléctrica no hubiera crecido de la manera tan vertiginosa como lo hizo, no sólo en los estados Unidos sino en el mundo, sin la presencia de Thomas Alva Edison. Edison nació el 11 de febrero de 1847 en la pequeña ciudad de Milán, en el estado de Ohio. A los ocho años y medio de edad realizó su primera incursión por la escuela, la que fue un fracaso, ya que su profesor lo tildó de “estéril e improductivo”. Aseveración bastante alejada de la real capacidad del niño quien tan sólo 26 años después proyectaría y construiría la primera red de distribución del mundo. Se le considera como el inventor más grande que ha visto el mundo, iluminó para siempre la noche del hombre; fue un ser polifacético, inventó el fonógrafo, convirtió al telégrafo en un instrumento maravilloso, he hizo del teléfono el aparato practico que utilizamos. Durante la primera guerra mundial diseñó aparatos defensivos para detectar torpedos y cambiar automáticamente el rumbo de los buques amenazados, diseño las primeras casas preconstruidas, fabricó la primera muñeca parlante, diseñó luces portatiles para los bomberos y presagió el advenimiento de la era nuclear.
104 Capítulo 5 Cálculo de corto circuito 2t i 17.6 sen( t 48.7) 0.75e 0.026
13.2
i 17.6 sen( t 48.7) e
2t
0.026
Y el valor de la tensión e es: v Vmáx sen t v 179.6 sen t 30 Tabulando los valores de las componentes de corriente directa y alterna, así como de la corriente total de la falla (i) y la tensión (v) para diferentes tiempos (t), se tiene la siguiente tabla:
t ()
t(segundos)
ISIM (A)
ICD (A)
ICC (A)
e (volts)
0
0
-13.22
13.2
0
90
45
0.002
-1.13
11.3
10.1
173
90
0.004
11.61
9.7
21.3
155
135
0.006
17.56
8.3
25.8
46
180
0.008
13.22
7.1
20.3
-90
225
0.010
1.13
6.1
7.2
-173
270
0.012
-11.61
5.2
-6.4
-155
315
0.014
-17.56
4.5
-13.0
-46
360
0.016
-13.22
3.8
-9.4
90
405
0.018
-1.13
3.3
2.1
173
450
0.020
11.61
2.8
14.4
155
495
0.022
17.56
2.4
19.9
46
540
0.024
13.22
2.1
15.3
-90
585
0.026
1.13
1.8
2.9
-173
630
0.028
-11.61
1.5
-10.1
-155
675
0.030
-17.56
1.3
-16.2
-46
720
0.032
-13.22
1.1
-12.1
90
Graficando estos valores se obtiene las curvas de la figura 5.4.
5.5 Técnicas para limitar las corrientes de corto circuito en sistemas de distribución
M SLC
Acometida de la C.S .
M SLC
M
Figura 5.6c
1000 MVA
Icc = 20.23 kA
115 kV
30 MVA
X = 10%
X = 10%
6.6 kV
Icc = 10.12 kA
115 kV
1000 MVA
Figura 5.7
34.5 kV
115 kV 30 MVA
X = 10%
Pcc = 231 MVA
13.2 kV
Pcc = 231 MVA
30 MVA
Icc = 3.87 kA
115 kV
30 MVA
Pcc = 231 MVA
1000 MVA
1000 MVA
X = 10%
Icc = 5.8 kA Pcc = 231 MVA
23 kV
111
