Unidad I, Generalidades
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Tecsup Unidad 1 : Generalidades Tecsup Virtu@l Índice Índice 1. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA........................................................................... 1 2. CARACTERÍSTICAS QUE INFLUYEN en LA GENERACIÓN Y TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ..................................................................................................................... 2 3. TÉRMINOS DE USO FRECUENTE ................................................................................ 3 4. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD ............................................................................... 4 4.1. Central hidroeléctrica........................................................................................ 4 4.2. Central térmica no nuclear ................................................................................ 6 4.3. Central nuclear................................................................................................. 7 4.4. Central Solar .................................................................................................... 8 4.5. Central eólica ................................................................................................... 9 5. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS ...................................................... 9 5.1. Centrales de base............................................................................................10 5.2. Centrales de punta. .........................................................................................10 5.3. Centrales de reserva........................................................................................10 5.4. Centrales de socorro........................................................................................10 6. gráficos de cargas ....................................................................................................11 7. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ...............................................................................12 7.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ..................................12 7.1.1. Centrales de agua fluente......................................................................13 7.1.2. Centrales de agua embalsada ................................................................14 7.1.3. Centrales de alta presión.......................................................................17 7.1.4. Centrales de media presión ...................................................................18 7.1.5. Centrales de baja presión ......................................................................18 7.2. Componentes de las centrales hidroeléctricas ....................................................18 7.3. CONCEPTOS HIDRÁULICOS .............................................................................19 7.3.1. Nivel y cota ..........................................................................................19 7.3.2. Caudal y aforo ......................................................................................20 7.3.3. Salto de agua .......................................................................................21 7.3.4. Salto bruto ..........................................................................................23 7.3.5. Salto útil ..............................................................................................23 7.3.6. EMBALSE .............................................................................................23 7.3.7. PRESAS................................................................................................25 8. SISTEMA DE TRANSMISIÓN .....................................................................................26 9. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ....................................................................................27 10. OBJETIVO DEL SISTEMA DE POTENCIA.....................................................................29 11. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ...........................................................................29 12. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ..............................................29 Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia UNIDAD 1 "GENERALIDADES" INTRODUCCIÓN Los sistemas eléctricos de potencia se encargan de suministrar energía eléctrica, en el momento oportuno, a los niveles de tensión y frecuencia requeridos. Ellos producen, transportan y distribuyen dicha energía a los usuarios. OBJETIVO El objetivo de esta unidad es la de reconocer las características generales que gobiernan a un sistema eléctrico de potencia, así como revisar algunos conceptos básicos que trataremos durante el curso. CONTENIDO 1. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA. Los sistemas eléctricos de potencia, están constituidos por: • • • • La fuente de electricidad (centrales de generación eléctrica). Las líneas de transporte (líneas de transmisión, subtransmisión y distribución). Los centros de transformación (subestaciones de transformación) . Los consumidores (cargas). La generación en nuestro país, en su mayor parte, es de origen hidráulico y, en menor porcentaje, de origen térmico. Las centrales hidráulicas ,se encuentran alejadas de los grandes centros de consumo por lo que se requiere de líneas de transporte en alta tensión (A.T.) a fin de llevar la energía eléctrica desde las centrales a los centros de consumo. La razón de elevar el nivel de tensión es la de reducir las pérdidas por efecto Joule y reducir las caídas de tensión. El nivel de tensión se eleva en las subestaciones elevadoras que se encuentran cercanas a la generación. Una vez que la energía se encuentre en los grandes centros de consumo, se distribuye a los usuarios a niveles de tensión más manejable, evidentemente que para reducir el nivel de tensión habrá que emplear subestaciones reductoras. Línea de transmisión Presa d l subestación generador Fig. 1.3 Partes de un sistema eléctrico de potencia -1- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 2. CARACTERÍSTICAS QUE INFLUYEN EN LA GENERACIÓN Y TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA La generación y el transporte de la energía eléctrica tiene básicamente tres características fundamentales, ellas son: • La electricidad a diferencia del gas y del agua, no puede almacenarse y el productor de la energía eléctrica tiene poco control sobre el consumo en cualquier instante. Fig. 1.2 La electricidad no se almacena en grandes volúmenes. Uno de los objetivos de la operación de un sistema de potencia es hacer que la potencia generada en las centrales sea igual a la potencia que demandan los usuarios a todo instante, manteniendo los niveles de tensión y corriente. Para ello se parte de un estudio de carga diaria como se muestra en la figura 1.3 donde la carga se puede dividir en dos componentes, una carga constante llamada carga base y otras cargas llamadas picos, que dependen de la hora. • La carga se incrementa en forma continua por lo que el sistema de potencia debe adicionar centros de generación con la finalidad de satisfacer el crecimiento de la demanda. Asimismo las líneas de transporte deben de proyectarse de tal manera que estén preparados a modificaciones y/o ampliaciones con el correr de los años. Fig. 1.3 Diagrama de carga -2- Tecsup Virtu@l • Sistemas Eléctricos de Potencia Para generar electricidad se requiere de combustible, como el carbón, petróleo, gas; o de energía potencial de ríos; todos ellos generalmente alejados de los centros de consumo de electricidad, por lo que uno de los problemas consiste en localizar la central de generación y la distancia de transporte que influye directamente en el costo. Un aspecto adicional es la influencia sobre el paisaje y la ecología. Fig. 1.4 Fuentes de energía: potencial, petróleo y carbón. 3. TÉRMINOS DE USO FRECUENTE A continuación se definen algunos términos empleados en los sistemas de potencia: • • Sistema.- se utiliza para describir la red eléctrica completa, incluyendo la generación, transmisión y cargas. Carga.- esta expresión puede utilizarse para describir: • • • Un consumidor o conjunto de consumidores de energía eléctrica, por ejemplo motores eléctricos. Un circuito alimentador determinado que distribuye energía eléctrica. La potencia o corriente que pasa a través de una línea o máquina. • Barra de distribución.- conexión eléctrica de impedancia cero que une varios aparatos • Conexión a tierra.- la conexión de un conductor o armazón de un dispositivo al • Avería.- consiste en un mal funcionamiento de la red de potencia, normalmente debido a un defecto del aislamiento. • Seguridad en el suministro.- uno de los objetivos primordiales de la operación de un o elementos como líneas, cargas, etc. Generalmente es de cobre o de aluminio. sistema de puesta a tierra. El objetivo es tener una resistencia entre el aparato y el sistema de tierra por debajo de los límites establecidos por la norma. El sistema de tierra consiste en enterrar grandes conjuntos de varillas de cobre en un terreno tratado y emplear conectores de sección grande. sistema eléctrico de potencia es la de asegurar la continuidad del suministro a los consumidores y que esté servicio este disponible permanentemente. Es por ello que los sistemas de potencia son mallados, para garantizar la continuidad del servicio por varios caminos. -3- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 4. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD Una central eléctrica es una instalación capaz de convertir la energía mecánica, obtenida de otras fuentes de energía primaria, en energía eléctrica. En su mayor parte la energía mecánica procede de: • • La transformación de la energía potencial del agua almacenada en un embalse. De la energía térmica suministrada al agua mediante la combustión del gas natural, petróleo o del carbón, o a través de la energía de fisión del uranio (nuclear). Otras fuentes que han obtenido una utilización limitada hasta la fecha son las energías geotérmica y mareomotriz. También se han utilizado para generación de pequeñas cantidades de energía eléctrica la energía eólica y la energía solar. 4.1. CENTRAL HIDROELÉCTRICA Es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en energía cinética necesaria para mover la turbina (motor primo) y esto al generador, transformando la energía mecánica en energía en energía eléctrica.Las centrales hidroeléctricas se construyen en los causes de los ríos, creando un embalse para retener el agua. Para ello se construye una presa, apoyado generalmente en alguna montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los álabes de la turbina, la cual está acoplada al generador. Así el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los álabes de la turbina. Fig. 1.5 Vista Transversal de una Central Hidráulica Francis de 715 MW. 1. Fundación de la represa. 2. Acceso al pozo de la turbina 3. Servicio auxiliar de la unidad - sistema de agua pura. 4. Sistema de excitación, 5. Transformadores elevadores de tensión. 6. Piso de los generadores y salas de control local. 7. Sistema de ventilación. 8. Galería de cabos. 9. GIS-SF6 (Interruptor con aislamiento de gas: hexafluoruro de azufre) 10. Tableros principales del servicio auxiliar AC y sala de los generadores diesel. 11. Servicio auxiliar de la represa. -4- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia Una central no almacena energía, sino que la producción sigue a la demanda dada por los usuarios; como esta demanda es variable a lo largo del día, y con la época del año, las centrales eléctricas pueden funcionar con una producción variable. Sin embargo, la eficacia aumenta si la producción es constante; para ello existe un camino para almacenar la energía producida en horas de bajo consumo, y usarla en momentos de fuerte demanda, mediante las centrales hidráulicas de bombeo. Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El agua almacenada en el embalse superior produce electricidad al caer sobre la turbina, cubriendo las horas de fuerte demanda. El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que se aprovecha para bombear el agua desde el embalse inferior al superior, usando la turbina como motor, si esta fuera reversible, o el alternador. Fig 1.6 Central hidráulica de bombeo 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Embalse superior Presa. Galería de conducción. Central eléctrica. Turbinas. Generador y transformador elevador. Patio de llaves. Salida de línea. -5- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 4.2. CENTRAL TÉRMICA NO NUCLEAR Es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al calentar el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión al salir de las toberas (corona fija) y llega a las turbinas, para que en su expansión (energía de presión), sea capaz de mover los álabes (rotor o rodete ) de las mismas, transformándose en energía mecánica entregando el eje de la turbina esta energía al generador eléctrico. Este tipo de centrales térmicas son: de carbón, petróleo o de gas natural. El Gas de Camisea, según los estudios de exploración realizados por la SHELL, tiene gran cantidad de metano y sin contenido de azufre, lo que favorece la operación de las centrales térmicas, al tener mayor poder calorífico para la combustión, con un aumento del salto térmico disponible, mayor eficiencia térmica y menor contaminación del medio ambiente. En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, petróleo o gas natural se emplea para transformar el agua de líquido en vapor. Estas centrales termoeléctricas pueden ser: • • • • Centrales Centrales Centrales Centrales térmicas térmicas térmicas térmicas a de de de vapor ( turbina de vapor) gas ( turbina de gas) ciclo combinado cogeneración Fig 1.7 Central térmica 1. Combustible, bien sea petróleo, gas o carbón, llega a la central térmica desde los almacenamientos situados en los parques adyacentes a la central. En el caso del carbón, éste se conduce mediante cintas transportadoras al molino para triturado. El carbón una vez pulverizado, se mezcla con aire caliente y se inyecta a presión en la caldera para su combustión. -6- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 2. La Caldera genera el vapor al ser transformada la energía química del combustible y transformada en energía térmica de flujo, que accionará los cuerpos de las turbinas. Después de accionar éstas, el vapor se convierte en líquido en el condensador. El agua obtenida por la condensación de vapor de las torres se somete a diversas etapas de precalentamiento, desgasificación ( separa los gases no condensable como el O2 y el CO2 ) y se inyecta de nuevo en la caldera en las condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el máximo rendimiento del ciclo. El tipo de calderas usadas en las centrales térmicas son las acuotubulares, por ser de mayor capacidad ( flujo de vapor) y alta presión de trabajo. 3. Calentadores, el agua que circula en un circuito constante se calienta sucesivamente entre el calentador y en el sobrecalentador, antes de ser enviada a la turbina. 4. Chimenea, con el objeto de minimizar los efectos de la combustión del carbón sobre el medio ambiente, las centrales térmicas poseen una chimenea de gran altura (las hay hasta de 300 metros), que dispersan los contaminantes en las capas altas de la atmósfera. Buena parte de dichos contaminantes son retenidos en el interior de la propia central mediante los llamados precipitadores.También se controla el exceso de aire, los porcentajes de oxígeno, de CO2, CO y Nox en ppm con sistemas electrónicos para proteger el medio ambiente, 5. Torre de enfriamiento, estas tienen por misión trasladar a la atmósfera el calor extraído del condensador, cuando el sistema de agua de circulación que refrigera el condensador se opera a circuito cerrado. El calor extraído del condensador puede descargarse también directamente al mar o al río. 6. Turbinas, el rotor de la turbina se mueve solidariamente al rotor del generador, después que el vapor haya accionado los álabes de las turbinas de alta presión, media presión y baja presión. 7. Alternador/transformador. 8. Salida de línea. 4.3. CENTRAL NUCLEAR Es una central térmica en la que actúa como caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las reacciones de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio. El combustible nuclear se encuentra en el interior de una vasija herméticamente cerrada. El calor generado en el combustible del reactor y transmitido después a un refrigerante se emplea para producir vapor de agua, que va hacia la turbina, transformándose la energía en energía eléctrica (en el alternador). Fig. 1.8 central nuclear. -7- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 4.4. CENTRAL SOLAR Una central solar, es aquella en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante la utilización de un proceso fototérmico, o de un proceso fotovoltáico. En las centrales solares que emplean el proceso fototérmico, el calor de la radiación solar calienta un fluido y produce vapor que se dirige hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica. El proceso de captación y concentración de la radiación solar se efectúa en unos dispositivos llamados heliostatos, que actúan automáticamente para seguir la variación de la orientación del sol respecto a la tierra. Existen diversos tipos de centrales solares de tipo térmico, pero las más comunes son las del tipo torre, con un número grande de heliostatos. Para una central tipo de 10MW, la superficie ocupada por los heliostatos es de unas 20 hectáreas (Ha). Fig. 1.9 Central solar por proceso fotométrico. Las centrales solares que emplean el proceso fotovoltáico, hacen incidir la radiación solar sobre una superficie de un cristal semiconductor llamada célula fotoeléctrica y producir en forma directa una corriente eléctrica por efecto fotovoltáico. Estos tipos de centrales se están instalando en países donde el transporte de la energía eléctrica se debería realizar desde mucha distancia, y hasta ahora su empleo es básicamente para iluminación y algunas aplicaciones domésticas. Fig. 1.10 Central solar por el proceso fotovoltáico. En la figura 1.10 se pueden apreciar las siguientes partes: • • • • • • Módulo con celdas solares. Estructura soporte. Caja de distribución para el cableado del generador. Inversor. Cables y accesorios. Medidor de la alimentación a la red, acometida, medidor del consumo. -8- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 4.5. CENTRAL EÓLICA Una central eólica, es una instalación en donde la energía cinética del aire se puede transformar en energía mecánica de rotación. Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples palas, orientadas en la dirección del viento. Las palas o hélices giran alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un generador de electricidad. A pesar de que un 1% aproximadamente de la energía solar que recibe la tierra se transforma en movimiento atmosférico, esta energía no se distribuye uniformemente, lo que limita su aprovechamiento. Existen además limitaciones tecnológicas para alcanzar potencias superiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad esté muy restringida, en primer lugar, por la zona de vientos fuerte, y en segundo lugar por razón de su potencia unitaria. Fig. 1.11 Configuración de turbinas de viento. 5. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS Según el servicio que presten las centrales eléctricas, las podemos clasificar, en: • • • • Centrales Centrales Centrales Centrales de de de de base. punta. reserva. socorro. -9- Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 5.1. CENTRALES DE BASE También reciben la denominación de centrales principales. Son las destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica permanente, es decir, sin interrupciones de funcionamiento de la instalación, estando en marcha durante largos periodos de tiempo. Estas centrales preferentemente nucleares, térmicas e hidráulicas, son de gran potencia. Dentro del tipo de centrales térmicas, un ejemplo característico de centrales de base son las instaladas al pie de mina o bocamina, las cuales se mantienen en funcionamiento ininterrumpido haciendo las paradas imprescindibles para operaciones de mantenimiento. 5.2. CENTRALES DE PUNTA. Están destinadas exclusivamente, para cubrir la demanda de energía eléctrica en las horas de mayor consumo, horas punta. Su funcionamiento se puede considerar periódico, en breves espacios de tiempo, o sea, casi todos los días durante determinadas horas. Han de ser instalaciones de respuesta muy rápida, tanto en lo referente a la puesta en marcha como a la regulación de sus elementos. Por tales razones técnicas, suelen ser centrales de tipo hidráulico o térmicas con turbinas de gas, que sirven de apoyo a las calificadas como de base. 5.3. CENTRALES DE RESERVA Su intervención dentro del sistema se planifica según los conceptos de reserva económica y reserva técnica. El primero tiene por objeto disponer de instalaciones que puedan sustituir, total o parcialmente a las centrales de base cuando para éstas exista escasez o carestía de las materias primas: agua, carbón, fuel-oil, etc. Se entiende por reserva técnica, la necesidad de tener programadas determinadas centrales, primordialmente hidráulicas o con turbinas de gas, dadas sus características de rapidez de puesta en servicio, para suplir a las centrales de gran producción afectadas de fallos o averías en sus equipos. 5.4. CENTRALES DE SOCORRO Tienen, prácticamente, igual cometido que las anteriores, pero en este caso, se trata de pequeñas centrales autónomas que pueden ser transportadas fácilmente en camiones, vagones de ferrocarril o barcos diseñados para tal cometido a los lugares donde se requiere su asistencia. Generalmente son accionados por motores Diesel. - 10 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 6. GRÁFICOS DE CARGAS Generalmente se emplean los términos de energía eléctrica suministrada, solicitada, demandada, consumida, etc, sinónimos, todos ellos, por supuesto, del trabajo producido en una central eléctrica. En adelante, hemos de matizar los conceptos, para no caer en “errores de peso”.Mantenemos el criterio de que, en una centra eléctrica, se produce trabajo o energía eléctrica. Ahora bien, el concepto de energía está íntimamente relacionado con los factores tiempo y potencia. De este planteamiento deducimos que, la potencia es la energía proporcionada durante la unidad de tiempo (un segundo) Pues bien, interpretaremos por potencia o carga de una central, la potencia que ésta suministra o le es solicitada en un instante dado. Por energía producida, designamos al cúmulo de potencia aportada al sistema de consumo durante un determinado número de unidades de tiempo. Así podremos calcular la energía suministrada por una instalación en una hora, un día, un mes, un año, etc. Si delimitamos una zona de utilización de la energía eléctrica, como puede ser un sector industrial, una ciudad, una provincia, una nación, y hacemos un análisis del consumo de energía para un período definido de tiempo, por ejemplo, un día observaremos que no permanece constante, estando supeditado a fuertes oscilaciones. Tal consumo dependerá, en cada instante, del número y potencia de los receptores conectados a la red, llegando a influir en ello hasta las sucesivas estaciones del año. En un sistema de coordenadas (fig. 1.12), representamos en la abscisa los intervalos de tiempo en horas por ejemplo, y en ordenadas las sucesivas potencias o cargas solicitadas a una instalación. Obtenemos un gráfico de cargas, en el que, la superficie debajo de la curva, indica la totalidad de la energía suministrada en el período de tiempo marcado.En el gráfico, observamos una potencia máxima y otra mínima, así como un valor de potencia media. Esta última, se calcula dividiendo el valor total de la energía suministrada por el tiempo en que se efectuó tal suministro. ara una instalación concreta, podemos diseñar gráficos de cargas diarios, mensuales, anuales, etc. Fig. 1.12. Diagrama de cargas. - 11 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia ¿Qué consecuencias deduciremos si partimos de un gráfico que registra el consumo de una zona abastecida por varias centrales eléctricas? Consideremos la curva de carga diaria solicitada por dicha zona (fig. 1.13). Fig. 1.13. Curva de carga diaria Aunque los estudios de tipo económico, basados en costos de producción, mantenimiento, materias primas, etc, son fundamentales para prever los tiempos de funcionamiento de las instalaciones, y así conseguir rendimientos idóneos de las mismas, nosotros no vamos a tratar dicho asunto por entender que está fuera de nuestros objetivos. Nos centraremos en la participación de las centrales, según la clasificación establecida, a la vista de los aspectos de la curva representada. Se observa un espacio, limitado por la recta A, en el que la carga de base Pb se mantiene prácticamente constante durante largos intervalos de tiempo. Las centrales de base, son las indicadas para hacer tal suministro. Durante las horas propias del funcionamiento de las industrias, comercio, etc, se origina una fuerte demanda de potencia, dando lugar a la carga de punta Pp, la cual es proporcionada por la centrales de punta. 7. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS En este punto trataremos más en detalle las centrales hidroeléctricas en virtud a que en el país tenemos el mayor grado de centrales hidroeléctricas. Para llegar a conocer dichas instalaciones, y saber cómo son, dentro del nivel que nos permite esta unidad, tenemos que recurrir al estudio de los distintos aspectos que las rodean y los componentes que las forman. Previamente, estableceremos una clasificación de este tipo de centrales, que nos ayudará a entender adecuadamente el presente tema. 7.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Son varios los argumentos que aportan datos para realizar una clasificación, suficientemente explícita, de las mismas, en función de las características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento. En primer lugar, hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. - 12 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia Se denominan respectivamente: • • Centrales de agua fluente. Centrales de agua embalsada. A su vez, y dentro de las centrales de agua embalsada, tenemos las: • • Centrales de regulación. Centrales de bombeo. Asimismo, y en relación con la altura del salto de agua existente, o desnivel, están las: • • • Centrales de alta presión. Centrales de media presión. Centrales de baja presión. A continuación se exponen unas breves explicaciones sobre cada una de las denominaciones indicadas, teniendo en cuenta que dichas denominaciones no corresponden a instalaciones únicas perfectamente aisladas, sino que, en una central, pueden concurrir varias de las cualidades propias de cada uno de los apartados reseñados en la presente clasificación. 7.1.1. CENTRALES DE AGUA FLUENTE Llamadas, también, de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que, la energía hidráulica, ha de utilizarse “en instante” que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas (fig. 1.14). Fig. 1.14 Central agua fluente - 13 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia No cuentan, prácticamente, con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes, conocida como de aguas altas, desarrollan su potencia máxima, dejando pasar al agua excedente; por el contrario, durante el tiempo seco o de aguas bajas, la potencia producida disminuye ostensiblemente en función del caudal, llegando a ser casi nula, en algunos ríos, en época de estiaje. Estas centrales, suelen construirse formando presa sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua. 7.1.2. CENTRALES DE AGUA EMBALSADA El agua de alimentación, como ya adelantábamos al establecer la clasificación, proviene de grandes lagos, o de pantanos artificiales, conocidos como embalses, conseguidos mediante la construcción de presas. De todo esto trataremos oportunamente. Un embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando, en ocasiones, a elevados porcentajes de captación de agua. El agua embalsada se utiliza, según demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas. (fig. 1.15) Fig. 1.15. Central agua embalsada 7.1.2.1. CENTRALES DE REGULACIÓN Son centrales con posibilidad de acopiar volúmenes de agua en el embalse, que representan períodos, más o menos prolongados, de aportes de caudales medios anuales. Al poder embalsar agua durante determinados espacios de tiempo, noche, mes o año seco, etc., prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, regulándose éstos convenientemente para la producción. Se adaptan muy bien para cubrir las horas punta de consumo. - 14 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 7.1.2.2. CENTRALES DE BOMBEO Suelen denominarse centrales de acumulación. Se trata de centrales que acumulan caudales mediante bombeo, con lo que, su actuación, la podemos comparar a la de “acumuladores” de energía potencial. (fig.1.16) Fig. 1.16. Central de bombeo Para cumplir la misión que da nombre a estas centrales, se recurre a dos sistemas distintos. Refiriéndonos a un solo grupo, uno de los procedimientos consiste en dotar al mismo de una turbina y una bomba, ambas máquinas, con funciones claramente definidas, independientes entre sí (fig. 1.17) Fig. 1.17 Central de bombeo con turbina y bomba - 15 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia El otro método, se basa en la utilización de una turbina reversible (fig. 1.18), que, según necesidades, puede funcionar como turbina o como bomba centrífuga, de manera que, durante las horas de demanda de energía, los componentes del grupo se comportan respectivamente: • • Máquina motriz como turbina. Generador como alternador. En los períodos de tiempo de muy baja demanda, como son las horas de media noche, el grupo se transforma en: • • Motor síncrono el generador Bomba centrífuga la máquina motriz Fig. 1.18 Central de bombeo con turbina reversible Para ambos sistemas, turbina y bomba o turbina reversible, durante las horas nocturnas, y previas las maniobras oportunas en la central de bombeo, se prepara al grupo para que funcione como bomba, una vez que, con otro grupo de la misma central o desde otra hidráulica, térmica o nuclear, se alimenta al generador, el cual hace las funciones de motor síncrono. - 16 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia De esta forma se consigue retornar agua al embalse, bombeada de la zona de aguas abajo de la instalación. Esta agua hará funcionar, nuevamente, al grupo como equipo productor de energía, en los períodos sucesivos de demanda de la misma. En principio, puede parecer paradójico tal solución, pero, la razón que justifica tal proceder, radica en la necesidad de mantener en funcionamiento los alternadores de determinados centros de producción. Para mejores condiciones técnicas de las líneas eléctricas, es beneficioso que se suministre energía por éstas, aunque sean cantidades pequeñas, antes que tenerlas con valores prácticamente nulos, al objeto de evitar efectos perjudiciales de capacidad, que en dichas líneas y en los propios generadores podrían llegar a originarse. No es, ni mucho menos, una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua, o combustible, que en todo caso se ocasionan, al tener que estar, necesariamente, en funcionamiento cierto número de grupos accionados con turbinas hidráulicas o de vapor, en las horas mencionadas, por las razones expuestas. En instalaciones de bombeo modernas, la puesta en servicio se hace de forma inmediata, mediante equipos de mando y control de avanzada tecnología. 7.1.3. CENTRALES DE ALTA PRESIÓN Se encuentran incluidas en este apartado, aquellas centrales cuyo valor de salto hidráulico es superior a los 200 m (altura meramente orientativa); siendo relativamente pequeños los caudales desalojados, alrededor de 20 m3/s por máquina.Están ubicadas en zonas de alta montaña, donde aprovechan el agua de torrentes que suelen desembocar en lagos naturales (fig. 1.19). Se utilizan, exclusivamente, turbinas Pelton y turbinas Francis, que reciben el agua a través de conducciones de gran longitud. Fig. 1.19 Central de alta presión - 17 - Tecsup Virtu@l 7.1.4. Sistemas Eléctricos de Potencia CENTRALES DE MEDIA PRESIÓN Se consideran como tales, las que disponen de saltos hidráulicos comprendidos entre 200 y 20 m aproximadamente, desaguando caudales de hasta 200m3/s por cada turbina. Dependen de embalses relativamente grandes, formados en valles de media montaña. (fig 1.15). Preferentemente, las turbinas utilizadas son de tipo Francis y Kaplan, pudiendo tratarse de turbinas Pelton para los saltos de mayor altura, dentro de los márgenes establecidos. 7.1.5. CENTRALES DE BAJA PRESIÓN Se incluyen, en esta denominación, las que, asentadas en valles amplios de baja montaña, el salto hidráulico es inferior a 20 m (fig. 1.14), estando alimentada cada máquina por caudales que pueden superar los 300 m3/s. Para estas alturas y caudales, resulta apropiada la instalación de turbinas Francis y especialmente, las turbinas Kaplan. 7.2. COMPONENTES DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Hacer un listado completo, de todos los elementos que integran una central hidroeléctrica, sería una tarea excesivamente laboriosa. Por tal motivo, vamos a exponer, a grandes rasgos, la relación de los componentes fundamentales que conforman dichas instalaciones, si bien, ya de entrada, la presentamos dividida en dos grandes conjuntos. En el primero, constan todo tipo de obras, equipos, etc., cuya misión podemos resumir diciendo que es la de almacenar y encauzar el agua, en las debidas condiciones, para conseguir posteriormente una acción mecánica. Este conjunto, complementa los temas de estudio de la presente información. El segundo conjunto engloba los edificios, equipos, sistemas, etc., mediante los cuales, y después de las sucesivas transformaciones de la energía eléctrica. Los temas derivados de los mismos, constituyen materias de estudio que se tratan, aisladamente, en Informaciones Técnicas independientes de la actual.Así tenemos: Conjunto I: • • • • • • Embalse. Presa y aliviaderos. Tomas y depósito de carga. Canales, túneles y galerías. Tuberías forzadas. Chimeneas de equilibrio. Conjunto II: • • • • • • • • Turbinas hidráulicas. Alternadores. Transformadores. Sistemas eléctricos de media, alta y muy alta tensión. Sistema eléctrico de baja tensión. Sistema eléctrico de corriente continua. Medios auxiliares. Cuadros de control. - 18 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia El primero de los conjuntos establecidos, se suele identificar como Presa – Embalse. El segundo, constituye la auténtica Central, encontrándose así mismo, dentro de dicho conjunto, las instalaciones conocidas como posiciones de grupos, salida de líneas, subestación, etc.De la relación total indicada, no quiere decir que en una misma central concurran todos y cada uno de los componentes mencionados, pues si bien es cierto que, algunos de ellos, son imprescindibles, como es el caso de turbinas y alternadores, otros, sin embargo, pueden intervenir o no, dependiendo principalmente de las características del asentamiento de la instalación. Así por ejemplo, en una central de agua fluente, no es normal disponer de un depósito de carga. Se deduce por lo tanto que, para formar las centrales hidroeléctricas, se puede realizar una serie de combinaciones de los referidos componentes, de acuerdo con las características del emplazamiento y de las potencias y rendimientos que pretenden lograrse. 7.3. CONCEPTOS HIDRÁULICOS Sin ánimo de pretender realizar una exhaustiva exposición teórica de todos los términos hidráulicos, hacemos una reseña de aquellos que son utilizados con mayor frecuencia en el tratamiento de los temas que nos ocupan, a fin de tener un recordatorio de los mismos, en lo que a definiciones y fórmulas se refiere. Destacamos los conceptos de: • • • • • • • 7.3.1. Nivel. Cota. Caudal. Aforo. Carga. Pérdida de carga. Salto de agua. NIVEL Y COTA Por nivel entendemos la horizontalidad constante de la superficie de un terreno, o la que adquiere la superficie libre de los líquidos. También interpretamos como tal, la altura o altitud de dichas superficies o de un punto cualquiera respecto de otro u otros puntos de referencia. Los continuos cambios de horizontalidad, representan sucesivos cambios de nivel o desniveles entre superficies. Recibe el nombre de cota, el valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto del nivel del mar. (fig. 1.20). Fig. 1.20 Cota en un lugar determinado - 19 - Tecsup Virtu@l 7.3.2. Sistemas Eléctricos de Potencia CAUDAL Y AFORO Recordemos que caudal, al que llamamos gasto cuando se trata de un orificio, es la cantidad de líquido expresada en metros cúbicos o en litros,, que circula a través de cada una conducción abierta o cerrada en la unidad de tiempo Fórmula: Q=Sv En la que: Q = caudal en metros cúbicos por segundo (m3/s).Siendo 1 m3 = 1 000 litros. S = sección en metros cuadrados (m2). v = velocidad del líquido en m/s, a través de la sección considerada. En definitiva, el espacio recorrido por la masa líquida a partir de dicha sección, en la unidad de tiempo. Se denomina aforo, a la operación mediante la que se mide el valor de un caudal. Las mediciones se pueden efectuar en función de la sección del conducto, de la velocidad media del líquido, de la altura de lámina o calado, de la presiones en determinados puntos, etc. Según la naturaleza de la conducción, existen distintos procedimientos para realizar un aforo. El más sencillo, consiste en dividir la capacidad de un recipiente por el tiempo que tarda en llenarse. Las medidas de gran complejidad, relacionadas con los caudales que circulan por ríos y canales, se obtienen por medio de flotadores, cronometrando el tiempo que tardan en recorrer una distancia prefijada; y también utilizando vertederos de secciones conocidas. Para la determinación de caudales se emplean aparatos tales como tubos Venturi y de Pitot, molinetes del modelo Woltmann o similares, etc., (fig.1.21) Ll d P Fig. 1.21 Aparatos para la medición de caudales - 20 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia En la figura 1.22, se representan las disposiciones de molinetes en canales y ríos, para hallar las velocidades medias de las corrientes, obteniéndose mediciones de gran precisión en poco tiempo; la colocación se realiza según planos, transversales a los sentidos de circulación del agua, de los que previamente se ha calculado sus secciones. Para lograr la máxima fiabilidad de los datos aportados por los molinetes, éstos han de situarse sobre barras de gran robustez, siempre que sea factible, a fin de evitar vibraciones o deformaciones que repercutirían desfavorablemente en los valores conseguidos. Fig. 1.22 Disposición de los molinetes en las corrientes de agua. 7.3.3. SALTO DE AGUA Denominamos de tal modo, al paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior. Numéricamente se identifica por la diferencia de cota, o de nivel, lo que llamamos altura de salto o salto simplemente, cuyo valor se da en metros (fig. 1.23). Fig. 1.23 Salto de agua (Ejemplo : 684m – 599m = 85m ). - 21 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia Cuando el cauce del río tiene fuertes desniveles, se forman cascadas o cataratas, que representan ejemplos evidentes de saltos naturales; ver figura 1.20. Para fines industriales, y debido al adecuado control que se puede ejercer sobre el agua, se recurre a los saltos creados por el hombre. Un salto se puede dedicar a varias aplicaciones, si bien sólo nos vamos a interesar por la que se refiere a la producción de energía eléctrica. Partiendo de la energía potencial del agua almacenada o estancada en el embalse, en el instante que las masas de líquido saltan o descienden de un nivel superior a otro inferior, a través de conducciones dispuestas a tal fin, aquella se transforma en energía cinética que, a su vez, se transforma en energía mecánica por medio de la turbina. La presencia de dichas manifestaciones de energía, la cinética y la mecánica, se hace patente por el trabajo hidráulico obtenido, como resultado de la caída de las masas de agua recorriendo unos espacios definidos; peso de las masas de agua, en kg, por altura del salto, en m; el cual se transforma en el trabajo mecánico conseguido en el eje de la máquina. Ahora bien técnicamente, es más lógico referirse a potencias suministradas, así podemos hablar de potencia de un salto o potencia de una turbina, cuyos valores son prácticamente los mismos si prescindimos de conceptos tales como pérdidas de carga, rendimientos, etc. Fórmula: Expresando la potencia del salto en CV, tenemos: P = 1000 Q H 75 En la que: P = potencia en CV. Q = caudal en m3/s. H = altura del salto en m. 1 000 = cantidad de litros de agua (ó kg) en un m3. 75= proviene de la equivalencia existente entre el CV y el kgm/s, como unidades de potencia. Así: 75 kgm/s 1.000 QH kgm/s 1CV de donde P P = 1000 Q H 75 Siendo 1 kW = 1,36 CV, la expresión de la potencia en kW es: PkW = 1 000 Q H 1,36 x 75 El aprovechamiento de un salto, más que a la velocidad del agua, se debe a la presión que ésta puede ejercer en el punto de toma, desde donde desciende hacia la turbina, obteniéndose el trabajo deseado.Se hace imprescindible completar el presente apartado con dos expresiones particulares que amplian la idea general. Son, respectivamente, las de salto bruto y salto útil. - 22 - Tecsup Virtu@l 7.3.4. Sistemas Eléctricos de Potencia SALTO BRUTO Se conoce como salto real o salto total, representándose con la letra H. En valor numérico equivale a la diferencia entre el nivel de la superficie del agua embalsada y el nivel, aparentemente uniforme, de la corriente de agua que se establece una vez que ésta ha recorrido todas las conducciones que salvan el salto de agua. (fig. 1.24) Fig. 1.24 Representación del salto bruto H y del salto útil H´. 7.3.5. SALTO ÚTIL También denominado salto neto. Lo identificamos con la letra H’. Corresponde a un valor menor que el del salto bruto, ya que se obtiene restando de éste todas las pérdidas de carga o altura J que se originan en la totalidad del recorrido, como muestra la figura 1.24. Dichas pérdidas se deben a las turbulencias y rozamientos del agua en las entradas de las tuberías, paredes de todo tipo de conducción, válvulas, codos, ángulos, cambios de sección y orificios de salida, etc. 7.3.6. EMBALSE La idea de embalse está suficientemente comprendida, no obstante vamos a hacer las siguientes puntualizaciones. Un embalse, resulta de almacenar todas las aguas que afluyen del territorio sobre el que está enclavado, identificado como cuenca vertiente, con el fin de poderlas encauzar para una adecuada utilización según las necesidades exigidas por la instalación. - 23 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia Conviene recordar que se llama cuenca de un río, a la superficie receptora de las aguas caídas que lo alimentan; bien por el libre discurrir de éstas sobre el suelo, proceso de escorrentía inmediata, o por infiltraciones. Dicha superficie se mide en kilómetros cuadrados (km2), referidos a la proyección horizontal de la misma. Las dimensiones de un embalse, dependen de los caudales aportados por el río embalsado y sus afluentes, de los períodos de avenidas o estiajes y, fundamentalmente, de las características de producción de la central para la cual se forma. Una explotación se considera como de almacenaje, reserva o regulación si está provista de un gran embalse, siendo idónea para suministrar la carga de punta. Todo lo contrario sucede con las explotaciones de agua corriente en las que se hace pasar constantemente, tal y como se presenta, todo el caudal de agua del río a través de las turbinas, por lo que se utilizan para satisfacer la carga de base, no disponiéndose, en estas instalaciones, de reserva de energía. Un embalse de amplia cabida, que recoge el agua durante períodos pluviométricos favorables, puede cubrir las demandas de energía en épocas deficitarias de lluvias, dentro de ciertos límites. Del concepto de capacidad de un embalse (fig. 1.25), distinguimos: Fig. 1.25 Capacidad de un embalse. • Capacidad útil Se refiere a la capacidad de agua embalsada por encima de la entrada de agua hacia la central. En definitiva, se trata del volumen de agua disponible para cubrir la demanda de la instalación para la que se destina el embalse. • Capacidad total Totalidad del volumen de agua acumulada, es decir, la útil más la no utilizable. La capacidad de un embalse, se expresa en: • Metros cúbicos (m3). • Hectómetros cúbicos (hm3). - 24 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia En todo embalse existen pérdidas de agua, debidas a causas naturales, como son la evaporación producida en la superficie y las filtraciones originadas a través del terreno. Durante el período de llenado de un embalse, ha de llevarse acabo una rigurosa inspección, a fin de comprobar las deformaciones progresivas de la presa, provocadas en cada estado de carga por la fuerza del agua. Se tienen que dar los márgenes de tiempo necesarios para que la presa se adapte paulatinamente, de modo que la deformación sea lenta.Para la conservación de los embalses, ha de realizarse la vigilancia oportuna con la finalidad de: Sacar y eliminar los cuerpos extraños, principalmente los acumulados en zonas de captación de agua hacia las turbinas. Comprobar la existencia de posibles arrastres o desprendimientos de terreno en las laderas, determinando si son debidos a la acción de las lluvias o del agua del propio embalse. La repoblación de las zonas afectadas, contrarresta tales efectos. Controlar los acarreos depositados en el fondo, retirándolos si se considera oportuno, al objeto de evitar el almacenamiento de barro, lodo, cieno, etc., fenómeno conocido como atarquinado, especialmente perjudicial en los lugares donde se toma el agua para las turbinas y en aquellos otros donde están situados los desagues del embalse. Detectar la salida, en la superficie del agua, de burbujas de gas metano, también llamado gas de los pantanos. Esto se observa cuando se produce, bruscamente, un descenso considerable del nivel del agua, lo cual provoca una destrucción masiva de la fauna existente en el embalse, con los riesgos ecológicos que ello comporta. A lo largo de un río y de sus afluentes, se pueden crear tantos embalses como sea conveniente, para obtener el máximo rendimiento de las aguas que proporciona la cuenca en la que están radicadas tales fuentes de energía hidráulica. Ello conduce al aprovechamiento de una zona determinada, identificándose como aprovechamiento hidroeléctrico si el fin, para el que se destinan las aguas embalsadas, es el de producción de energía eléctrica. 7.3.7. PRESAS Llama la atención, el modo indiscriminado con que, las personas no familiarizadas con las instalaciones hidráulicas, utilizan las expresiones “salto”, “presa”, “embalse”, “central”, incidiendo, en ocasiones, en falsas interpretaciones, confundiendo entre sí la idea que pertenece a cada término. Indudablemente que, corresponde al técnico, el correcto empleo y entendimiento de los mismos. Por todos es sabido que la existencia de las corrientes de agua, a las que llamamos ríos, arroyos, etc., se deben al movimiento continuo y descendente de grandes masas de agua, como consecuencia de la caída de éstas a través de los sucesivos desniveles del terreno, desde el punto de nacimiento hasta el de desembocadura de dichas corrientes, lo que constituye el cauce de las mismas. - 25 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia Hemos mencionado las centrales que funcionan con caudales fluentes, en las que se aprovechan, instantáneamente, las corrientes naturales de los ríos, previa creación de pequeños saltos; y aquellas otras para las que el agua es embalsada con independencia de su inmediata utilización o no. La retención del agua tiene como objetivo primordial crear un salto de agua, que se logra mediante la construcción, sobre el cauce de un río y transversalmente a éste, de una presa, la cual, además, puede emplearse para almacenar el agua, dando origen a un embalse o lago artificial, conocido también como pantano artificial. Por lo tanto, presa es toda estructura que actúa como barrera, interrumpiendo la libre circulación del agua a través de sus cauces normales, dependiendo su configuración de la orografía del lugar de asentamiento. Se construyen para conseguir una doble finalidad: Obtener una elevación del nivel del agua, formando un desnivel en el cauce de un río, que hemos denominado salto. Cuanto más elevada sea la altura de éste, mayores podrán ser las potencias obtenidas en la central alimentada por el mismo. Crear un depósito, de grandes dimensiones, para almacenar y regular la utilización del agua, constituyendo en definitiva el embalse propiamente dicho, cuya capacidad de volumen de agua embalsada está en función de las alturas de agua alcanzadas. Una de las principales aplicaciones, para la que se destinan las presas, es la producción de energía eléctrica, si bien se utilizan en otras funciones vitales, como son el abastecimiento de agua a poblaciones, riegos, regulación y distribución de caudales en determinadas cuencas, etc. 8. SISTEMA DE TRANSMISIÓN Objetivo: Interconectar los centros de generación con los centros de consumo. Constitución: está conformado por las líneas de alta tensión (A.T.) que permiten transportar grandes volúmenes de energía. Esto en el mismo sistema de potencia o entre dos o más sistemas de potencia (empleando sistemas de interconexión). Estructura: tiende a obtener una estructura de lazo cerrado (mallada). Nota: La energía puede ser enviada, generalmente en cualquier dirección deseada, sobre los varios enlaces del sistema de transmisión, de modo que corresponda a la mejor operación técnica-económica. - 26 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 9. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Objetivo: permitir integrar a todos los usuarios al sistema de potencia cumpliendo con el objetivo final de la prestación de servicio. Constitución: está conformado básicamente por redes de media tensión (M.T.). Estructura: radial. - 27 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia - 28 - Tecsup Virtu@l Sistemas Eléctricos de Potencia 10. OBJETIVO DEL SISTEMA DE POTENCIA Generar energía eléctrica en cantidades suficientes, en las centrales más adecuadas, transmitirla en grandes cantidades a los centros de carga y luego distribuirla a los usuarios, en la forma y calidad apropiada; al mínimo costo posible, tanto ecológico como económico. En otras palabras los requisitos que se deben de cumplir son: • • • • • Suministrar energía eléctrica a todo cliente que lo solicite. Ser capaz de adaptarse a la demanda de los usuarios que es continuamente variable y no controlable. Suministrar energía eléctrica con una calidad de servicio adecuada que se mida en términos de: • Tensión y frecuencia constante. • Continuidad del servicio. Suministrar energía eléctrica a mínimo costo tanto económico como ecológico. Ofrecer garantía a la seguridad de las personas, tanto a las que laboran con el sistema como al público en general. 11. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Mencione las partes fundamentales de un sistema de potencia 2. Las turbinas pelton se caracterizan por emplearse en: a. Saltos pequeños y caudales grandes b. Saltos grandes y caudales pequeños c. Saltos grandes y caudales grandes d. Ninguno a los anteriores 3. Estimar la potencia en KW a obtener en una central hidroeléctrica de las siguientes características: Q = 20 m3/s Hu = 300 m 4. ¿Por qué razón las líneas de transmisión son en alta tensión 5. Establezca la diferencia entre los sistemas de transmisión y los sistemas de distribución 12. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. 2. 3. 4. Generación, Transformación y Transmisión. (b) 58,8 MW Para reducir las pérdidas de efecto Joule 5. Los sistemas de transmisión manejan mayor volumen de potencia, y su configuración es en anillo, mientras que los sistemas de distribución manejan menores volúmenes de energía y son de característica radial. Los primeros transmiten en tensiones altas, mientras que los segundos distribuyen en tensiones menores. FIN DE LA UNIDAD - 29 -
