ELECTROTECNIA_PRESENTACIÓN
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1 ELECTROTECNIA Ing. Gustavo Adolfo Gómez Ramírez Instituto Tecnológico de Costa Rica Descripción del Curso INTRODUCCIÓN
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ELECTROTECNIA
Ing. Gustavo Adolfo Gómez RamírezInstituto Tecnológico de Costa Rica
Descripción del Curso
INTRODUCCIÓN
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Historia
El primer sistema experimental decorriente alterna en Norte América fueoperado en 1886, consistente de unalternador monofásico de 500 V 12 Aalternador monofásico de 500 V, 12 A.,transformadores elevadores, línea detransmisión de aproximada de 1400 m.,transformadores reductores y cargas deiluminación.
En 1888, el motor bifásico de corrientealterna es inventado por Nicola Tesla yperfeccionado posteriormente porDolivo-Dobrovolski, quien introdujo elmotor asincrónico trifásico en 1889.Con esto se abrió la posibilidad de utilizarl í t itid i t ltla energía transmitida en corriente alternano sólo para el alumbrado, sino quetambién para la transformación industrialde la energía eléctrica en energíamecánica.
La primera transmisión a distancia de lacorriente alterna trifásica fue latransmisión de la energía eléctrica de unacentral hidroeléctrica de 200 kW enAlemania, en 1891, a una distancia de 170km. La tensión del generador se elevabad 95 15000 V t ió d t i ióde 95 a 15000 V, tensión de transmisión yluego se reducía hasta 113 V y seaplicaba a un motor asincrónico trifásicode 75 kW que accionaba a una unidad debombeo.
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El advenimiento de la corriente alterna,precipitó en la última década del siglo XIXla denominada batalla de las corrientesentre los defensores de la corrientecontinua y los de la corriente alterna,cuyos máximos exponentes fueron enN t A é i Th Edi l CCNorte América Thomas Edison por la CCy George Westinghouse por la CA. Lapieza fundamental para la definición deesta controversia fue la facilidad deelevación de la tensión de transmisión enCA mediante transformadores.
Con el inicio del siglo XX, el crecimiento de lossistemas de potencia es constante. Conrespecto a las tensiones y distancias detransmisión, para el año 1900, se habíanlogrado tensiones de 40 kV a distancia deaproximadamente 100 millas. En 1907 sealcanzaron los 100 kV, 115 kV en 1909, 150 kVen 1913, 220 kV en 1923, 287 kV en 1936, 400kV 19 2 00 kV 19 9 3 kV 196kV en 1952, 500 kV en 1959 y 735 kV en 1965.Para el año 1900, existía una variedad defrecuencias de operación: 25, 50, 60, 125 y 133Hz, las que predominaron fueron: 50 Hz enEuropa y 60 Hz en Norte América, estasfrecuencias fueron impuestas a sus respectivasáreas de influencia.
La electricidad (del griego elektron, cuyo significado
es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas
eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos
mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros en
otras palabras es el flujo de electrones. Se puede observar de
forma natural en fenómenos atmosféricos por ejemploforma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo
los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la
transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie
terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una
parte).
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También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que
rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas.
Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes
eléctricas por inducción —fenómeno que permite transformar energía mecánica en
energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más
importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y
distribución y a su gran número de aplicaciones.
También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes queTambién se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que
rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas.
Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes
eléctricas porinducción —fenómeno que permite transformar energía mecánica en
energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más
importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y
distribución y a su gran número de aplicaciones.
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en
reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas.
Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se
ejercen entre ellas fuerzas electrostáticas. Cuando las cargas
eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también
fuerzas magnéticas. Se conocen dos tipos de cargasg p g
eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman la
materia contienen partículas subatómicas positivas (protones),
negativas (electrones) y neutras (neutrones).
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes
de un mismo fenómeno físico,
denominado electromagnetismo, descrito matemáticamente
por las ecuaciones de Maxwell. El movimiento de una carga
eléctrica produce un campo magnético, la variación de un
campo magnético produce un campo eléctrico y el movimientocampo magnético produce un campo eléctrico y el movimiento
acelerado de cargas eléctricas genera ondas
electromagnéticas (como en las descargas de rayos que
pueden escucharse en los receptores de radio AM).
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La historia de la electricidad como rama de la física comenzó con observaciones
aisladas y simples especulaciones o intuiciones médicas, como el uso de peces
eléctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza, u objetos
arqueológicos de interpretación discutible (la batería de Bagdad). Tales de
Mileto fue el primero en observar los fenómenos eléctricos cuando, al frotar una
barra de ámbar con un paño, notó que la barra podía atraer objetos livianos.
Mientras la electricidad era todavía considerada poco más que un espectáculo de
salón, las primeras aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en lossalón, las primeras aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en los
siglos XVII y XVIII por investigadores sistemáticos como Gilbert, von
Guericke,Henry Cavendish, Du Fay, van Musschenbroek y Watson. Estas
observaciones empiezan a dar sus frutos con Galvani, Volta, Coulomb y Franklin,
y, ya a comienzos del siglo XIX, con Ampère, Faraday y Ohm. No obstante, el
desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el magnetismo como dos
manifestaciones de un mismo fenómeno no se alcanzó hasta la formulación de
las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).
Los desarrollos tecnológicos que produjeron la primera revolución industrial no
hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación práctica generalizada fue
el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833), que revolucionó
las telecomunicaciones. La generación masiva de electricidad comenzó cuando,
a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de las calles y las casas.
La creciente sucesión de aplicaciones que esta disponibilidad produjo hizo de la
electricidad una de las principales fuerzas motrices de la segunda revolución
industrial. Más que de grandes teóricos, como Lord Kelvin, fue éste el momento
de grandes inventores como Gramme, Westinghouse, von Siemens y Alexander
Graham Bell. Entre ellos destacaron Nikola Tesla y Thomas Alva Edison, cuya
revolucionaria manera de entender la relación entre investigación y mercado
capitalista convirtió la innovación tecnológica en una actividad industrial. Tesla,
un inventor serbio-americano, descubrió el principio del campo magnético
rotatorio en 1882, que es la base de la maquinaria de corriente alterna. También
inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que
da energía a la sociedad moderna.
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El alumbrado artificial modificó la duración y distribución
horaria de las actividades individuales y sociales, de
los procesos industriales, del transporte y de las
telecomunicaciones. Lenin definió el socialismo como la
suma de la electrificación y el poder de los soviets. La
sociedad de consumo que se creó en los países capitalistassociedad de consumo que se creó en los países capitalistas
dependió (y depende) en gran medida del uso doméstico de
la electricidad.
Los problemas de almacenamiento de electricidad, su transporte a largas
distancias y la autonomía de los aparatos móviles alimentados por electricidad
todavía no han sido resueltos de forma eficiente. Asimismo, la multiplicación de
todo tipo de aplicaciones prácticas de la electricidad ha sido —junto con la
proliferación de los motores alimentados con destilados del petróleo— uno de los
factores de la crisis energética de comienzos del siglo XXI. Esto ha planteado la
necesidad de nuevas fuentes de energía, especialmente las renovables.
Configuraciónelectrónica del átomo decobre. Sus propiedadesconductoras se deben ala facilidad decirculación que tiene suelectrón más exterior(4s).
MichaelFaraday relacionó elmagnetismocon laelectricidad.
Electrostática y electrodinámica
La electrostática es la rama de la física que estudia los
fenómenos resultantes de la distribución de cargas eléctricas
en reposo, esto es, del campo electrostático. Los fenómenos
electrostáticos son conocidos desde la antigüedad. Los griegos
del siglo V a. C. ya sabían que al frotar ciertos objetos estosg y q j
adquirían la propiedad de atraer cuerpos livianos. En 1785 el
físico francés Charles Coulomb publicó un tratado donde
cuantificaba las fuerzas de atracción y repulsión de cargas
eléctricas estáticas y describía, por primera vez, cómo medirlas
usando una balanza de torsión. Esta ley se conoce en su honor
con el nombre de ley de Coulomb.
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Durante el siglo XIX se generalizaron las ideas de Coulomb, se introdujo el
concepto de campo eléctrico y potencial eléctrico, y se formuló la ecuación de
Laplace, que determina el potencial eléctrico en el caso electrostático. Se
produjeron también avances significativos en la electrodinámica, que estudia
los fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento. En estos
fenómenos aparecen asimismo campos magnéticos, que pueden ser
ignorados en el caso de circuitos con corriente eléctrica estacionaria, pero
deben ser tomados en cuenta en el caso de circuitos de corriente alterna.
Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes
de la electricidad y del magnetismo en un sistema de cuatro ecuaciones en
derivadas parciales conocidas como ecuaciones de Maxwell. Con ellas se
desarrolló el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, mostrando que
ambos tipos son manifestaciones del único fenómeno del electromagnetismo,
que incluía también a las ondas electromagnéticas.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas
subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre
ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos
electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción
entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de lasg y p
cuatro interacciones fundamentales, la interacción electromagnética. La
partícula que transporta la información de estas interacciones es el fotón.
Estas fuerzas son de alcance infinito y no se manifiestan de forma
inmediata, sino que tardan un tiempo t=d/c , donde c es la velocidad
de la luz en el medio en el que se transmite y d la distancia entre las cargas.
Las dos partículas elementales cargadas que existen en la
materia y que se encuentran de forma natural en la Tierra
son el electrón y el protón, aunque pueden encontrarse
otras partículas cargadas procedentes del exterior (como
los muones o los piones). Todos los hadrones (como el
protón y el neutrón) además, están constituidos por
partículas cargadas más pequeñas llamadas quarks, sin
embargo estas no pueden encontrarse libres en la
naturaleza.
Cuando un átomo gana o pierde un electrón, queda
cargado eléctricamente. A estos átomos cargados se les
denomina iones.
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Los trabajos de investigación realizados en la segunda mitad del siglo XIX por el premio Nobel
de Física Joseph John Thomson, que le llevaron en 1897 a descubrir el electrón, y de Robert
Millikan a medir su carga, determinaron la naturaleza discreta de la carga eléctrica.
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se
denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que pasa por una
sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio. Se corresponde con la
carga de 6,24 × 1018electrones aproximadamente. La carga más pequeña que se encuentra en
la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón y, de signo
opuesto): e = 1 602 × 10-19 C (1 eV en unidades naturales)
Interacciones entre cargas de igual y distintanaturaleza.
opuesto): e 1,602 × 10 C (1 eV en unidades naturales).
Fuerza entre cargas
Coulomb fue el primero en determinar, en 1785, el valor de las fuerzas
ejercidas entre cargas eléctricas. Usando una balanza de torsión determinó
que la magnitud de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas
eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de
las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de
la distancia que las separa.
donde q1 y q2 son las cargas, r es la distancia que las separa y la constante
de proporcionalidad k depende del sistema de unidades.
Campos eléctrico y magnético
Los campos eléctrico y magnético , son campos
vectoriales caracterizadles en cada punto del espacio y cada instante del
tiempo por un módulo, una dirección y un sentido. Una propiedad
fundamental de estos campos es el principio de superposición, según el
cual el campo resultante puede ser calculado como la suma vectorial de los
campos creados por cada una de las cargas eléctricas.
Se obtiene una descripción sencilla de estos campos dando las líneas de
fuerza o de campo, que son curvas tangentes a la dirección de los vectores
de campo. En el caso del campo eléctrico, esta línea corresponde a la
trayectoria que seguiría una carga sin masa que se encuentre libre en el
seno del campo y que se deja mover muy lentamente.
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Normalmente la materia es neutra, es decir, su carga eléctrica neta es nula. Sin
embargo, en su interior tiene cargas positivas y negativas y se localizan corrientes
eléctricas en los átomos y moléculas, lo cual da lugar a campos eléctricos y
magnéticos. En el caso de dos cargas opuestas se generan campos dipolares,
como el representado en la figura de la derecha, donde las cargas de igual
magnitud y signos opuestos están muy cercanas entre sí. Estos campos dipolares
son la base para describir casos tan fundamentales como los enlaces iónicos en las
moléculas, las características como disolvente del agua, o el funcionamiento de
Líneas de campo de dos cargas eléctricas de igual
valor absoluto y signos opuestos
las antenas entre otros.
Los campos eléctricos y magnéticos se calculan resolviendo las ecuaciones de
Maxwell, siendo magnitudes inseparables en general.
Electromagnetismo
Se denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y
magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados
por primera vez de modo completo por Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones
diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones de Maxwell, que relacionan el campo
eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad de carga
eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de desplazamiento.
A principios del siglo XIX Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y
eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base Maxwell unificó en 1861 los trabajos de
físicos como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que
describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.
Se trata de una teoría de campos; las explicaciones y predicciones que provee se basan en
magnitudes físicas vectoriales y son dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas
eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus
efectos sobre la materia.
Potencial y tensión eléctrica
Se denomina tensión eléctrica o voltaje a la energía potencial por unidad de carga que está
asociada a un campo electrostático. Su unidad de medida en el SI son los voltios. A la
diferencia de energía potencial entre dos puntos se le denomina voltaje. Esta tensión
puede ser vista como si fuera una "presión eléctrica" debido a que cuando la presión es
uniforme no existe circulación de cargas y cuando dicha "presión" varía se crea un campo
eléctrico que a su vez genera fuerzas en las cargas eléctricas. Matemáticamente, la
diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A y B es la integral de línea del campo
eléctrico:
Representación esquemática de una resistencia R por la que
circula una intensidad de corriente I debido a la diferencia de
potencial entre los puntos A y B.
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Conductividad y resistividad
La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica
la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es
sometido a un campo eléctrico. La resistividad es una magnitud inversa a
la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los
electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal
conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es
mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura,
mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la
temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad
en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.
Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo
cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los
mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros
materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la
electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar)
y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica,
así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más
empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se
Conductor eléctrico de cobre.
emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del
60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece
su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión.
Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión
Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta
magnitud, estableciendo el International Annealed Copper
Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta
definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a
0,58108 S/m. A este valor se lo denomina 100% IACS, y la conductividad
del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS.
La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a
100% IACS, pero existen excepciones como la plata o los cobres
especiales de muy alta conductividad, designados C-103 y C-110.
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Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la
electricidad, por lo que pueden ser utilizados
como aislantes.
Algunos ejemplos de este tipo de materiales
son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana,
algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Aunque no existen
materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores
conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con
ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas
partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando sep q
encuentran en tensión, pueden producir una descarga) y para confeccionar
aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los
conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico). Algunos materiales,
como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras.
El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de
frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en
conductor
La conductividad se designa por la letra griega sigma minúscula (σ) y se mide
en siemens por metro, mientras que la resistividad se designa por la letra
griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω•m, a veces también
en Ω•mm²/m).
La ley de Ohm describe la relación existente entre la intensidad de corriente que
circula por un circuito, la tensión de esa corriente eléctrica y la resistencia que
ofrece el circuito al paso de dicha corriente: la diferencia de potencial (V) es
directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R).directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R).
Se describe mediante la fórmula:
Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna
cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin
componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la
oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de
impedancia.
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Corriente eléctrica
Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material
sometido a una diferencia de potencial.
Históricamente, se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido
convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo
positivo al negativo Sin embargo posteriormente se observó gracias al efectopositivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, gracias al efecto
Hall, que en los metales los portadores de carga son electrones, con carga
negativa, y se desplazan en sentido contrario al convencional.
A partir de la corriente eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de
corriente. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante para
calcular la sección de los elementos conductores del mismo.
•La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor (s) se define como la
carga eléctrica (Q) que atraviesa la sección en una unidad de tiempo (t):
. Si la intensidad de corriente es constante, entonces
•La densidad de corriente (j) es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por(j) q p
unidad de superficie de la sección (S).
Relación existente entre la intensidad y la densidad de corriente.
Corriente continua
Se denomina corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) al flujo de
cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un
material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los
terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de
la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una
batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo,
independientemente de su valor absoluto.
Su descubrimiento se remonta a la invención de la primera pila voltaica por parte del conde ySu descubrimiento se remonta a la invención de la primera pila voltaica por parte del conde y
científico italiano Alessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Edison sobre la generación de
electricidad, en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua comenzó a emplearse
para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la
corriente alterna, que presenta menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se
conserva en la conexión de redes eléctricas de diferentes frecuencias y en la transmisión a través
de cables submarinos.
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Desde 2008 se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua a
partir de células fotoeléctricas que permiten aprovechar la energía solar.
Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de
aparatos electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de
suministro eléctrico mediante un proceso, denominado rectificación, que se
realiza con unos dispositivos llamados rectificadores, basados en el empleo
de diodos semiconductores o tiristores (antiguamente, también de tubos de
vacío).
Rectificador de corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la tensión de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.
vacío).
Corriente alterna
Se denomina corriente alterna (simbolizada CA en español y AC en inglés,
de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y
dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más
comúnmente utilizada es la de una onda sinoidal. En el uso coloquial,
"corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los
hogares y a las empresas.
El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, yEl sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, y
la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George
Westinghouse. Otros que contribuyeron al desarrollo y mejora de este
sistema fueron Lucien Gaulard, John Gibbs y Oliver Shallenger entre los años
1881 y 1889. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al
emplear la corriente continua (CC), la cual constituye un sistema ineficiente
para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la
transmisión de potencia.
La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de
trasmisión de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación,
cualidad de la que carece la corriente continua. La energía eléctrica trasmitida
viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la
sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica
depende de la intensidad, se puede, mediante un transformador, modificar el
voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la
intensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de menorintensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de menor
sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las pérdidas por efecto
Joule, que dependen del cuadrado de la intensidad. Una vez en el punto de
consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para
permitir su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.
Las frecuencias empleadas en las redes de distribución son 50 y 60 Hz. El
valor depende del país
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Onda senoidal. Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120º.
Corriente trifásica
Se denomina corriente trifásica al conjunto de tres corrientes alternas de
igual frecuencia, amplitud y valor eficaz que presentan una diferencia de fase
entre ellas de 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las
corrientes que forman el sistema se designa con el nombre de fase.
La generación trifásica de energía eléctrica es más común que la monofásica y
proporciona un uso más eficiente de los conductores. La utilización de
electricidad en forma trifásica es mayoritaria para transportar y distribuir energía
eléctrica y para su utilización industrial, incluyendo el accionamiento de motores.
Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres
bobinas o grupos de bobinas, arrolladas en un sistema de tres electroimanes
equidistantes angularmente entre sí.
Los conductores de los tres electroimanes pueden conectarse en estrella o en
triángulo. En la disposición en estrella cada bobina se conecta a una fase en un
extremo y a un conductor común en el otro, denominado neutro. Si el sistema
está equilibrado, la suma de las corrientes de línea es nula, con lo que el
transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables. En la disposición
en triángulo o delta cada bobina se conecta entre dos hilos de fase, de forma
que un extremo de cada bobina está conectado con otro extremo de otra
bobina.
El sistema trifásico presenta una serie de ventajas, tales como la economía de
sus líneas de transporte de energía (hilos más finos que en una línea
monofásica equivalente) y de los transformadores utilizados, así como su
elevado rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la
línea trifásica alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de
la línea monofásica.
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Tesla fue el inventor que descubrió el principio del campo magnético rotatorio en
1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el
sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía
al planeta
Conexión en triángulo y en estrella.
Esquema de conexión.
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Corriente monofásica
Se denomina corriente monofásica a la que se obtiene de tomar una fase de la corriente
trifásica y un cable neutro. En España y demás países que utilizan valores similares para la
generación y trasmisión de energía eléctrica, este tipo de corriente facilita una tensión de
220/230 voltios, lo que la hace apropiada para que puedan funcionar adecuadamente la
mayoría de electrodomésticos y luminarias que hay en las viviendas.
Desde el centro de transformación más cercano hasta las viviendas se disponen cuatro
hilos: un neutro (N) y tres fases (R, S y T). Si la tensión entre dos fases cualesquiera
(tensión de línea) es de 380 voltios entre una fase y el neutro es de 220 voltios En cada(tensión de línea) es de 380 voltios, entre una fase y el neutro es de 220 voltios. En cada
vivienda entra el neutro y una de las fases, conectándose varias viviendas a cada una de las
fases y al neutro; esto se llama corriente monofásica. Si en una vivienda hay instalados
aparatos de potencia eléctrica alta (aire acondicionado, motores, etc., o si es un taller o una
empresa industrial) habitualmente se les suministra directamente corriente trifásica que
ofrece una tensión de 380 voltios.
Instrumentos de medida
Se denominan instrumentos de medidas de electricidad a todos los dispositivos que
se utilizan para medir las magnitudes eléctricas y asegurar así el buen
funcionamiento de las instalaciones y máquinas eléctricas. La mayoría son aparatos
portátiles de mano y se utilizan para el montaje; hay otros instrumentos que son
conversores de medida y otros métodos de ayuda a la medición, el análisis y la
revisión. La obtención de datos cobra cada vez más importancia en el ámbito
industrial profesional y privado Se demandan sobre todo instrumentos de medidaindustrial, profesional y privado. Se demandan, sobre todo, instrumentos de medida
prácticos, que operen de un modo rápido y preciso y que ofrezcan resultados
durante la medición.
Existen muchos tipos de instrumentos diferentes siendo los más destacados los
amperímetros, voltímetros, óhmetros, multímetros y osciloscopios.
Galvanómetro
Los galvanómetros son aparatos que se emplean para indicar el paso de corriente
eléctrica por un circuito y para la medida precisa de su intensidad. Suelen estar basados
en los efectos magnéticos o térmicos causados por el paso de la corriente.
En un galvanómetro de imán móvil la aguja indicadora está asociada a un imán que se
encuentra situado en el interior de una bobina por la que circula la corriente que tratamos
de medir y que crea un campo magnético que, dependiendo del sentido de la misma,
produce una atracción o repulsión del imán proporcional a la intensidad de dicha corriente.
En el caso de los galvanómetros térmicos lo que se pone de manifiesto es el alargamiento
Principio de funcionamiento de
un galvanómetro.
En el caso de los galvanómetros térmicos, lo que se pone de manifiesto es el alargamiento
producido al calentarse, por el Efecto Joule, al paso de la corriente, un hilo muy fino
arrollado a un cilindro solidario con la aguja indicadora.
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Un multímetro, llamado también polímetro o tester, es un instrumento que ofrece la
posibilidad de medir distintas magnitudes en el mismo aparato. Las más comunes
son las de voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es utilizado frecuentemente por el
personal técnico en toda la gama de electrónica y electricidad. Existen distintos
modelos que incorporan además de las tres funciones básicas antes citadas otras
mediciones importantes, tales como medida de inductancias ycapacitancias;
comprobador de diodos y transistores; o escalas y zócalos para la medida de
temperatura mediante termopares normalizados.
También hay multímetros con funciones avanzadas que permiten: generar y
detectar la frecuencia intermedia de un aparato, así como un
circuito amplificador con altavoz para ayudar en la sintonía de circuitos de estos
aparatos; el seguimiento de la señal a través de todas las etapas del receptor bajo
prueba; realizar la función de osciloscopio por encima del millón de muestras por
segundo en velocidad de barrido, y muy alta resolución; sincronizarse con otros
instrumentos de medida, incluso con otros multímetros, para hacer medidas de
potencia puntual (potencia = voltaje * intensidad); utilizarse como aparato
telefónico, para poder conectarse a una línea telefónica bajo prueba, mientras se
efectúan medidas por la misma o por otra adyacente; realizar comprobaciones de
circuitos de electrónica del automóvil y grabación de ráfagas de alto o bajo voltaje.
Hay dos tipos de multímetros: analógicos y digitales.
Multímetro digital dondepueden medirse variasmagnitudes eléctricas.
Amperímetros
Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad
de corriente que está circulando por un circuito eléctrico. En su diseño
original los amperímetros están constituidos, en esencia, por
un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en amperios. En la
actualidad, los amperímetros utilizan un conversor
analógico/digital para la medida de la caída de tensión sobre
un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del
conversor es leída por unmicroprocesador que realiza los cálculos
para presentar en un display numérico el valor de la corrientepara presentar en un display numérico el valor de la corriente
circulante.
Para efectuar la medida de la intensidad de la corriente circulante el
amperímetro ha de colocarse en serie, para que sea atravesado por
dicha corriente. Esto lleva a que el amperímetro debe poseer una
resistencia interna lo más pequeña posible, a fin de que no produzca
una caída de tensión apreciable. Para ello, en el caso de instrumentos
basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica,
están dotados de bobinas de hilo grueso y con pocas espiras.
Multímetro
Un multímetro, llamado también polímetro o tester, es un instrumento
que ofrece la posibilidad de medir distintas magnitudes en el mismo
aparato. Las más comunes son las de voltímetro, amperímetro y
óhmetro. Es utilizado frecuentemente por el personal técnico en toda la
gama de electrónica y electricidad. Existen distintos modelos que
incorporan además de las tres funciones básicas antes citadas otras
mediciones importantes, tales como medida de inductancias y
capacitancias; comprobador de diodos y transistores; o escalas
y zócalos para la medida de temperatura
mediante termopares normalizados.
Este instrumento de medida por su precio y su exactitud sigue siendo el
preferido del aficionado o profesional en electricidad y electrónica. Hay
dos tipos de multímetros: analógicos y digitales.
Multímetro digital dondepueden medirse variasmagnitudes eléctricas.
18
Un analizador de espectro es un equipo de medición
electrónica que permite visualizar en una pantalla
las componentes espectrales de las señales presentes en la
entrada, pudiendo ser éstas cualquier tipo de ondas eléctricas,
acústicas u ópticas.
En el eje de ordenadas suele presentarse en una escala
logarítmica el nivel en dB del contenido espectral de la señal. En el
eje de abscisas se representa la frecuencia, en una escala que esAnalizador de espectro
función de la separación temporal y el número de muestras
capturadas. Se denomina frecuencia central del analizador a la
que corresponde con la frecuencia en el punto medio de la
pantalla. A menudo se mide con ellos el espectro de la potencia
eléctrica.
En la actualidad está siendo reemplazado por el analizador
vectorial de señales
Analizador de espectro.
Se denomina osciloscopio a un instrumento de medición electrónico para
la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el
tiempo, que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de
ondas en circuitos eléctricos y electrónicos y mediante su análisis se
puede diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del
funcionamiento de un determinado circuito. Es uno de los instrumentos
de medida y verificación eléctrica más versátiles que existen y se utiliza
en una gran cantidad de aplicaciones técnicas. Un osciloscopio puede
medir un gran número de fenómenos, si va provisto del transductor
Osciloscopio Tektronik.
g , p
adecuado.
El osciloscopio presenta los valores de las señales eléctricas en forma de
coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal)
representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen
así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada,
llamada "eje Z" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar
o apagar algunos segmentos de la traza. El funcionamiento del
osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de
electrones por medio de la creación de campos eléctricos y magnéticos.
Óhmetro.
Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica. El
diseño de un óhmetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje
a la resistencia bajo medida, para luego mediante un galvanómetro medir la
corriente que circula a través de la resistencia. La escala del galvanómetro está
calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser el
voltaje de la batería fijo, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va
a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia
mayor intensidad de corriente y viceversa.
Existen también otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la
batería ha sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad
constante I, la cual se hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Un
óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos
terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras
que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de
la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha
corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la
medida.
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Potencia eléctrica
Se denomina potencia eléctrica (P) a la energía eléctrica consumida por unidad de
tiempo. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en vatios (W), unidad
equivalente a julios por segundo (J/s).
La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o
en kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que suministran energía
eléctrica a la industria y los hogares, en lugar de facturar el consumo en vatios-hora,
lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de( ) p ( ) ( )
todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una
placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los
motores, esa placa se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las
bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base.
Cuando se trata de corriente continua (DC) la potencia eléctrica desarrollada enun cierto instante por un dispositivo de dos terminales es el producto dela diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente quepasa a través del dispositivo. Esto es:
Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcularla resistencia equivalente del dispositivo, a partir de ella la potencia tambiénpuede calcularse como
Potencia de cargas reactivas
Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan con corriente alterna, es necesario tener en
cuenta también el valor del factor de potencia o coseno de phi (cosφ) que poseen. En ese caso se encuentran
los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, es decir, aquellos aparatos que para funcionar utilizan
una o más bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motores eléctricos, o
también con los aparatos de aire acondicionado o los tubos fluorescentes.
Las cargas reactivas o inductivas, que poseen los motores eléctricos, tienen un factor de potencia menor que “1”
(generalmente su valor varía entre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en cuestión y de la
red de suministro eléctrico disminuye cuando el factor se aleja mucho de la unidad, traduciéndose en un mayory j y
gasto de energía y en un mayor desembolso económico.
Relación entre potencias activas, aparentes y reactivas.
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Potencia activa
Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de
transformación de la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos
existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica,
lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los
circuitos. Cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se utiliza para
determinar dicha demanda.
De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa es debida a los elementos resistivos.
El Factor de potencia
El factor de potencia se define como el
cociente de la relación de la potencia
activa entre la potencia aparente; esto es: p p
f.p. = P/S
El factor de potencia es un términoutilizado para describir la cantidad deenergía eléctrica que se ha convertido entrabajo.
El valor ideal del factor de potencia es 1El valor ideal del factor de potencia es 1,esto indica que toda la energíaconsumida por los aparatos ha sidotransformada en trabajo.
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Por el contrario, un factor de potencia menor a la
unidad significa un mayor consumo de energía
necesaria para producir un trabajo útil.
La potencia efectiva o real es la que en el
proceso de transformación de la energíap g
eléctrica se aprovecha como trabajo: es la
potencia activa P:
Sistema monofásico: P = V I cos θ
Sistema trifásico P: = √3 V I cos θ
La potencia reactiva Q es la encargada degenerar el campo magnético que requieren parasu funcionamiento los equipos inductivos comolos motores y transformadores:
Sistema monofásico: Q = V I sen θ
Sistema trifásico Q: = √3 V I sen θ
La potencia aparente S es la suma
geométrica de las potencias activa y
reactiva, o también:
Sistema monofásico: Q = V I
Sistema trifásico Q: = √3 V I
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• Gráficamente estas tres expresionesestán relacionadas mediante el "triángulode potencias" :
Dependiendo del tipo de carga, el factor de
potencia puede ser: adelantado, retrasado,
unitario.
En las cargas resistivas como las lámparasg p
incandescentes, la tensión y la corriente
están en fase en este caso, se tiene un factor
de potencia unitario
En las cargas inductivas como los motores ytransformadores, la intensidad se encuentraretrasada respecto a al tensión. En este casose tiene un factor de potencia retrasado.
En las cargas capacitivas como loscondensadores, la corriente se encuentraadelantada respecto al voltaje. En este casose tiene un factor de potencia adelantado
23
Un receptor que debe de producir unapotencia P lo puede hacer absorbiendo de lalínea una potencia Q o Q' tal como se ve en elesquema de debajo, con Cos ϕ y Cos ϕ 'respectivamente (ϕ < ϕ ' entonces Cos ϕ
> Cos ϕ '). Sin embargo en el primer caso laintensidad absorbida es menor que en elsegundo ( S = UI < S = UI' entonces I < I' )con la consiguiente reducción de las pérdidaspor efecto joule.
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Entonces en una instalación nos interesatener valores altos del factor de potencia(Cos ϕ).
Problemas por bajo factor de potencia• Mayor consumo de corriente.• Aumento de las pérdidas e incremento de las
caídas de tensión en los conductores.• Sobrecarga de transformadores, generadores
y líneas de distribución.• Incremento de la facturación eléctrica por
mayor consumo de corriente.
Beneficios por corregir el factor de potencia
• Disminución de las pérdidas en conductores.• Reducción de las caídas de tensión.• Aumento de la disponibilidad de potencia de
transformadores, líneas y generadores., y g• Incremento de la vida útil de las instalaciones• Reducción de los costos por facturación
eléctrica.
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Compensación del factor de potenciaen un circuito monofásico
Las cargas inductivas requieren potencia
reactiva para su funcionamiento. Esta
demanda de potencia reactiva se puededemanda de potencia reactiva se puede
reducir e incluso anular si se colocan
condensadores en paralelo con la carga.
Cuando se reduce la potencia reactiva, se
mejora el factor de potencia.
Compensación del factor de potencia en uncircuito trifásico
Las cargas inductivas requieren potenciareactiva para su funcionamiento. Estademanda de potencia reactiva se puede reducir
i l l i l d de incluso anular si se colocan condensadoresen paralelo con la carga. Cuando se reduce lapotencia reactiva, se mejora el factor depotencia.
C = P·(tan ϕ'-tan ϕ)/3·U2·ω
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Fuentes de Generación de ElectricidadElectricidad
A nivel de generación, la capacidad instalada nacional
es de 1 840 MW, de los cuales el 70% corresponde a
plantas hidroeléctricas, 18% a plantas térmicas, 8% a
plantas geotérmicas y 4% a plantas eólicas; asimismo,
l 2005 8 212 GWh 2% á len el 2005 se generaron 8 212 GWh, 2% más que en el
2004. El sistema utiliza predominantemente recursos
energéticos renovables, los cuales representaron el 97%
de la generación en el 2005.
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La Planta Hidroeléctrica es la que transforma energía hidráulica en
energía eléctrica. Se sabe que la energía se transforma, es decir,
no se crea ni se destruye. Para obtener energía eléctrica debemos
partir de alguna otra forma de energía para realizar el proceso de
transformación Al contener grandes cantidades de agua en un
embalse se obtiene inicialmente energía potencial. Por la acción de
l d d l d i í i é i d i ila gravedad, el agua adquiere energía cinética o de movimiento:
pasa de un nivel superior a otro muy bajo, a través de las obras de
conducción. A la energía desarrollada por el agua al caer se le
denomina energía hidráulica.
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TURBINAS HIDROELÉCTRICAS
Las turbinas hidráulicas son turbo máquinas que transforman la energía del agua en energía
mecánica, permiten la transferencia de energía de agua a un rotor provisto de álabes, mientras el
agua pasa a través de estos. Existen tres tipos de turbinas:
FRANCIS
PELTON
KAPLAN
Según la dirección de entrada del agua al rodete se clasifican también en:
TURBINAS AXIALES: el agua entra al rodete en la dirección del eje, por ejemplo la turbinaTURBINAS AXIALES: el agua entra al rodete en la dirección del eje, por ejemplo la turbina
Kaplan.
TURBINAS RADIALES: el agua entra en sentido radial, no obstante el agua puede salir en
cualquier dirección como por ejemplo las turbinas Francis.
TURBINAS TANGENCIALES: el agua entra en dirección tangencial como por ejemplo la
Turbina Pelton.
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TIPOS DE TURBINAS
TURBINA FRANCIS:
Lleva el nombre en honor al ingeniero James Bichano Francis
(1815-1892) de origen inglés quién emigró a Estados Unidos, donde
fue encargado de realizar algunos proyectos hidráulicos, utilizando
turbinas centrípetas. Esta turbina ha evolucionadop
considerablemente, su aplicación oscila en saltos de agua de 30
hasta 550 metros de caída de agua y caudales desde 10 hasta 200
metros cúbicos de agua por segundo. Esto hace que esta turbina
sea de las más utilizadas a nivel mundial.
TURBINAS PELTON
La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Peltón
(1829-1908) quien buscando oro en California, concibió
la idea de una rueda de cucharas periféricas que
aprovechara la energía cinética de un chorro de agua,
proveniente de una tubería de presión, incidiendo
tangencialmente sobre la misma. Su rueda se patentizó
en el año 1880, desde cuya fecha a tenido gran
desarrollo y aplicación.
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TURBINAS KAPLAN
Debe su nombre al ingeniero austriaco Víctor Kaplan (1876-1934), quien concibió la idea de corregir el paso de los alabes automáticamente con las variaciones de la potencia. En la actualidad su aplicación se encuentra en unaactualidad su aplicación se encuentra en una gama de cargas que varían entre los 1 – 90 metros. Su velocidad de rotación varía entre los 50 y 200 RPM.
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Accidente Planta Hidroeléctrica en Rusia
Planta de Generación Geotérmica
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Planta de Generación Térmica
Planta de Generación Eólica
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Otras Fuentes de Generación Eléctrica
Máquinas Eléctricas
En 1831 el físico y químico inglés Michael Faraday, que fue discípulo del
químico Humphry Davy, descubrió la inducción electromagnética. El conocimiento
de este fenómeno ha permitido obtener energía eléctrica a partir de energía
mecánica, lo que ha sido un elemento clave en el desarrollo de la tecnología. El
proceso se realiza mediante aparatos denominados dinamos y generadores Enproceso se realiza mediante aparatos denominados dinamos y generadores. En
1870 el belga Zénobe Gramme perfeccionó los inventos de dinamos que existían
y reinventó los primeros generadores comerciales a gran escala, que empezaron
a funcionar en París en torno a 1870. Su diseño se conoce como la dinamo de
Gramme.
También se aplica la inducción electromagnética para la construcción de motores
movidos por energía eléctrica, que permiten el funcionamiento de innumerables
dispositivos.
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Electroimanes
Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce
mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa
dicha corriente. Fue inventado por el electricista británico William Sturgeon en
1825. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso
de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los
cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de cable enrollado. Una bobina
con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide y cuandocon forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando
además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide.
Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un
«núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro
dulce) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que
puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán
permanente es que el campo magnético puede ser
rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la
cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una
fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo.
En aplicaciones donde no se necesita un campo magnéticoEn aplicaciones donde no se necesita un campo magnético
variable, los imanes permanentes suelen ser superiores.
Adicionalmente, éstos pueden ser fabricados para producir
campos magnéticos más fuertes que los electroimanes de
tamaño similar.
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Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita
un campo magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas
aplicaciones implican la deflección de haces de partículas cargadas, como
en los casos del tubo de rayos catódicos y elespectrómetro de masa.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos
interruptores, siendo usados en los frenos y embragues
electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos
electromagnéticos se adhieren directamente a los raíles. Se usan
electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de
hierro y acero, así como contenedores, y para separar magnéticamente
metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación
magnética emplean poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista
y así poder ir a grandes velocidades. Algunos trenes usan fuerzas
atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo
magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que
impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el
material usado más a menudo debido a su bajo coste. A veces se emplea aluminio para reducir
el peso.
Calcular la fuerza sobre materiales ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se
debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse
usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo
condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta
permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima viene dada
por:
donde:
•F es la fuerza en newtons;
•B es el campo magnético en teslas;
•A es el área de las caras de los polos en m²;
•µo es la permeabilidad del espacio libre.
Electroimán de grandes dimensiones empleado en Fermilab.
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Motores Eléctricos
Rotor Bobinado
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Rotor Jaula de Ardilla
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Arranque Directo
Arranque Estrella Delta
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Arranque por Resistencias Estatóricas
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Arranque por Auto Transformador
Generadores de Electricidad
Generador
Es la máquina que transforma la energía mecánica en eléctrica. Se
llama también alternador porque conduce corriente alterna. Está
formado, básicamente, por dos elementos: uno cuyo nombre
genérico es el de estator y otro que gira concéntricamente en éste,
llamado rotor. Uno de ellos debe crear un campo magnético,
alimentado con corriente directa (corriente de excitación del campo);alimentado con corriente directa (corriente de excitación del campo);
tomada de la excitatriz. A dicho elemento se le denomina inductor y
está formado por un conjunto de bobinas. El inductor es el rotor. El
segundo elemento actúa como receptor de corrientes inducidas, por
lo que se llama inducido. A él están unidas las barras de salida de
la corriente.
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43
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El estator, pues, es el que ocupa el lugar del inducido.
La corriente eléctrica se origina por el campo magnético
establecido entre el rotor y el estator, al girar el rotor
impulsado por la turbina se rompe el campo magnético y
se produce una corriente de electrones. Esta corriente
se induce a relativamente baja tensión, por lo que se
envía al transformador de potencia, el cual sube la
tensión a un valor muy alto, para que se efectúe la
transmisión hasta los centros de consumo.
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Funcionamiento de Generadores en Paralelo
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Compensador Síncrono o Motor Síncrono
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• Se define de la siguiente manera:
Constante de inercia
PM
PI
H nn ωω 5.05.0 2
==PnPn
Dimensionalmente la constante de inercia se expresa en
segundos y se puede interpretar como el tiempo que
tardaría en pararse el rotor, si se aplicaría al generador
una carga constante del valor Pn y no se aplicaría
potencia mecánica. Otra interpretación más directa de H
se tiene al analizar una pérdida de carga total, en este
caso toda la energía se utiliza para acelerar el rotor, la
constante de inercia se puede expresar en función del
tiempo que tardaría el rotor en llegar a una
sobrevelocidad del 10% si la potencia mecánica no
cambiara.
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HPePm
dtdf
2−
=
de aquí se obtiene la relación frecuencia-tiempo en función de la constantede inercia para un determinado valor de potencia de aceleración. El rangode valores típicos para H en turbogeneradores es de 2 a 5 y parageneradores en plantas hidráulicas es e 2 a 7. La constante de inercia Hrepresenta la energía cinética total de los generadores, la cual disminuirá alcambiar la velocidad. La rapidez del cambio de la velocidad de losgeneradores es inversamente proporcional a esta constante, de estamanera grandes valores de H se traducirán en una rapidez de cambiomenor de la frecuencia para una sobrecarga dada.
Gobernadores de Velocidad
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Pfe120
=η Frecuencia en función de la
velocidad
τω=indPRelación directa de velocidad vrs
Potencia Inducida de la
máquina
Tipos de Controladores
• Controladores mecánico-hidráulicos: Los componentes mecánicos e hidráulicosson utilizados en funciones de control en viejas unidades hidroeléctricas. Funcionescomo medición de velocidad, permanente regulación de la información acerca delresultado de un proceso entre otros son monitoreadas mediante componentesmecánicos
• Controladores electro-hidráulicos: Los controladores de velocidad modernospara turbinas hidroeléctricas son de tipo electro-hidráulicos cuya operación es similara los mecánico-hidráulicos. Todas las funciones son llevadas a cabo electrónicamentelo que da mucha flexibilidad al sistema y mejora enormemente el desempeño.
• Controladores PI y PID: Muchos controladores electro-hidráulicos son lineales ycorresponden a una estructura tipo PID con tres parámetros de control: la acciónproporcional, integral y derivativa, las cuales permiten altas velocidades derespuesta.
• Los Controladores Digitales modernos proveen gran facilidad y flexibilidad paraoperar, cosa que no era posible en los viejos controladores mecánicos. Éstos hanprobado ser muy exactos y de gran confianza en un creciente número deinstalaciones, reemplazando completamente a los controladores mecánicos.
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Esquema Básico de un sistema de control de velocidad
Principio del Regulador de Velocidad de Watts
Modelo
( )o
o
o
o
Jkgsensgsens
mbssD
ωϕ
ϕϕ 22
23 2cos
+++=−
59
• Servomotor: Es el cilindro hidráulico
que ejerce la fuerza sobre los órganos
reguladores de caudal de la turbina, es
decir sobre el distribuidor o sobre la
válvula de aguja. Los dispositivos
distribuidores del aceite, como la
válvula de distribución y el péndulo, no
tienen energía suficiente como para
mover los elementos reguladores de
caudal de las turbinas. Por ello
necesitan de un mecanismo que
amplifique la fuerza utilizando la
presión de aceite proveniente de las
bombas de desplazamiento positivo.
2
1. Generador de imanes Permanentes acoplado a generador (eje)
2. Este generador alimentaba y motor que a su vez movía el sistema de péndulos
3. Unidad Hidráulica del Gobernador
1
3
60
Válvula Distribuidora de Aceite
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Transformadores
62
TRANSFORMADORES INSTALADOS
LISTA TRANSFORMADORES A NIVEL NACIONALACTUALIZADA A DICIEMBRE 2007POTENCIA MVA OA FAZONA MVA MVAEXPLOTACIÓN CENTRAL 2411 3539EXPLOTACIÓN HUETAR BRUNCA 1491 2114EXPLOTACIÓN CHOROTEGA 1540 2047EXPLOTACIÓN CHOROTEGA 1540 2047
TOTAL POTENCIA MVA 5441 7700
La invención del transformador, datadel año de 1884 para ser aplicado enlos sistemas de transmisión que enesa época eran de corriente directa ypresentaban limitaciones técnicas yeconómicas. El primer sistemaeconómicas. El primer sistemacomercial de corriente alterna confines de distribución de la energíaeléctrica que usaba transformadores,se puso en operación en los EstadosUnidos de América.
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Definición y ClasificaciónSe denomina transformador a unamáquina eléctrica que permite aumentar odisminuir el voltaje o tensión en un circuitoeléctrico de corriente alterna, manteniendola frecuencia. La potencia que ingresa alequipo, en el caso de un transformadorideal, esto es, sin pérdidas, es igual a laque se obtiene a la salida. Las máquinasreales presentan un pequeño porcentajede pérdidas, dependiendo de su diseño,tamaño, etc.
Los transformadores sondispositivos basados en elfenómeno de la inducciónelectromagnética y estánconstituidos en su forma másconstituidos, en su forma mássimple, por dos bobinasdevanadas sobre un núcleocerrado de hierro dulce o hierrosilicio.
Las bobinas o devanados sedenominan primarios ysecundarios según correspondana la entrada o salida del sistemaen cuestión, respectivamente.También existen transformadorescon más devanados; en estecaso, puede existir un devanado"terciario", de menor tensión queel secundario.
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Según su construcciónAutotransformador: El primario y elsecundario del transformador estánconectados en serie, constituyendo unbobinado único. Pesa menos y es másbarato que un transformador y por ello seemplea habitualmente para convertir 220Va 125V y viceversa y en otras aplicacionessimilares. Tiene el inconveniente de noproporcionar aislamiento galvánico entreel primario y el secundario.
Transformador toroidal: El bobinado consiste enun anillo, normalmente de compuestos artificialesde ferrita, sobre el que se bobinan el primario y elsecundario. Son más voluminosos, pero el flujomagnético queda confinado en el núcleo, teniendoflujos de dispersión muy reducidos y bajaspérdidas por corrientes de Foucault.
Transformador de grano orientado: El núcleogestá formado por una chapa de hierro de granoorientado, enrollada sobre sí misma, siempre en elmismo sentido, en lugar de las láminas de hierrodulce separadas habituales. Presenta pérdidasmuy reducidas pero es caro. La chapa de hierrode grano orientado puede ser también utilizada entransformadores orientados (chapa en E),reduciendo sus pérdidas.
Transformador de núcleo de aire: Enaplicaciones de alta frecuencia seemplean bobinados sobre un carrete sinnúcleo o con un pequeño cilindro de ferritaque se introduce más o menos en elcarrete, para ajustar su inductancia.Transformador de núcleo envolvente:Están provistos de núcleos de ferritadivididos en dos mitades que, como unaconcha, envuelven los bobinados. Evitanlos flujos de dispersión.
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Transformador piezoeléctrico: Para ciertasaplicaciones han aparecido en el mercadotransformadores que no están basados en elflujo magnético para transportar la energíaentre el primario y el secundario, sino que seemplean vibraciones mecánicas en un cristalpiezoeléctrico Tienen la ventaja de ser muypiezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muyplanos y funcionar bien a frecuenciaselevadas. Se usan en algunos convertidoresde tensión para alimentar los fluorescentesdel backlight de ordenadores portátiles.
Principios Básicos
Si en lugar de un imán permanente el flujo
magnético es creado por una corriente
alterna sinusoidal, la variación de flujo
producida por esta corriente es sinusoidal.producida por esta corriente es sinusoidal.
Entonces teniendo en cuenta esto y
comparándolo con el caso anterior
tendremos:
66
Por esta razón un transformador no puede
funcionar en Corriente Directa
A b fi i l t l h d l d l b biAmbas figuras son equivalente, pues solo se ha desplazado la bobina2 hacia el lado izquierdo. Al circular una corriente alterna i por labobina AB se crea una fem autoinducida debida a las variaciones de icuyo sentido, de acuerdo a la Ley de Lenz, es oponerse con susefectos a la causa que la produce (e1 = - v1). Se dice que el terminal A,de la bobina 1, tiene igual polaridad que el terminal A', de la bobina 2,si la tensión entre A-B está en fase con la tensión entre A'-B'.
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Si se aplica una fuerza electromotrizalterna en el devanado primario, lasvariaciones de intensidad y sentido de lacorriente alterna crearán un campomagnético variable dependiendo de lafrecuencia de la corriente. Este campomagnético variable originará, porinducción electromagnética, la apariciónde una fuerza electromotriz en losextremos del devanado secundario.
Transformador Ideal
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Relación de TransformaciónLa razón de transformación (m) del voltajeentre el bobinado primario y el secundariodepende de los números de vueltas quetenga cada uno. Si el número de vueltasdel secundario es el triple del primario, enel secundario habrá el triple de tensión.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energíaeléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones ypequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por efectoJoule y se minimiza el costo de los conductores.
Analogía
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Transformador Real
70
Ensayo de Cortocircuito
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Ensayo de Circuito Abierto
Diagrama Fasorial
La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia yde los ángulos de fase de la corriente circulante en untransformador es analizando su diagrama fasorial, unesquema de voltajes y corrientes fasoriales de la máquina. Enlos diagramas fasoriales siguientes, el voltaje Vs se suponecon un ángulo de 0º y todos los demás voltajes y corrientesse comparan con dicha suposición. Si se aplica la Ley deTensiones de Kirchhoff al circuito al circuito equivalente, elvoltaje primario se hallaj p
Un diagrama fasorial de un transformador es una representación pvisual de esta ecuación.
72
En atraso
La figura nos muestra un diagrama fasorial de untransformador que trabaja con un factor de potenciaatrasado. Es muy fácil ver Vp/a>Vs para cargas enatraso, así que la regulación de voltaje de untransformador con tales cargas debe ser menor quecero.
En adelanto
Si la corriente secundaria está adelantada, el voltajedel secundario puede ser realmente mayor que elvoltaje primario referido. Si esto sucede, eltransformador tiene realmente una regulación devoltaje negativa.
Unitario
Mientras para un diagrama fasorial con factor depotencia igual a uno el voltaje secundario es menorque el primario, de donde VR>0, igualmente laregulación de voltaje es un número más pequeño queel que tenía con una corriente en atraso.
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Pérdidas en Transformadores
Las pérdidas que ocurren en lostransformadores reales tienen queexplicarse en cualquier modelo confiablede comportamiento de transformadores.Los detalles principales que debenLos detalles principales que debentenerse en cuenta para la construcción deun transformador son los siguientes:
Pérdidas (I2R) en el cobre: pérdidas enel cobre son las pérdidas por resistenciaen las bobinas primaria y secundaria deltransformador. Ellas son proporcionadasal cuadrado de la corriente de dichasbobinas.Pérdidas de corrientes parásitas: Laspérdidas por corrientes parásitas sonpérdidas por resistencia en el núcleo deltransformador. Ellas son proporcionadasal cuadrado del voltaje aplicado altransformador.
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Pérdidas por Histéresis: las pérdidas porhistéresis están asociadas con losreacomodamientos de los dominios magnéticosen el núcleo durante cada medio ciclo. Ellos sonuna función compleja, no lineal, del voltajeaplicado al transformador.
Flujo de Dispersión: Los flujos φLP y φLS queFlujo de Dispersión: Los flujos φLP y φLS quesalen del núcleo y pasan solamente a través deuna de las bobinas del transformador son flujos dedispersión. Estos flujos escapados producen unaautoinductancia en las bobinas primaria ysecundaria y los efectos de esta autoinductanciadeben tenerse en cuenta.
Eficiencia de la Máquina
Regulación de Voltaje
Puesto que el transformador real tieneimpedancias en serie en su interior, sutensión de salida varía con la carga, aún sila tensión de alimentación se mantienela tensión de alimentación se mantieneconstante. Para comparar cómodamentelos transformadores, en cuanto a eso, seacostumbra definir una cantidad llamadaregulación de voltaje (RV).
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La regulación de voltaje a plena carga esuna cantidad que se compara el voltaje desalida del transformador en vacío con elvoltaje de salida a plena carga. Se definepor la ecuación:
Generalmente se considera convenientetener una regulación de voltaje tan pequeñacomo sea posible.Para un transformador ideal, RV = 0%. Nosiempre es aconsejable tener una regulaciónde voltaje baja, aunque algunas veces lostransformadores de impedancia y regulaciónp y gde voltaje altos se usan deliberadamentepara reducir las corrientes de falla en uncircuito.
Transformadores Monofásicos y Trifásicos
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Un sistema trifásico se puede transformarempleando 3 transformadores monofásicos.Los circuitos magnéticos son completamenteindependientes, sin que se produzcareacción o interferencia alguna entre losflujos respectivos.Otra posibilidad es la de utilizar un soloOtra posibilidad es la de utilizar un solotransformador trifásico compuesto de unúnico núcleo magnético en el que se handispuesto tres columnas sobre las que sitúanlos arrollamientos primario y secundario decada una de las fases, constituyendo esto untransformador trifásico.
AutotransformadoresUn autotransformador es una máquinaeléctrica, de construcción y característicassimilares a las de un transformador, pero quea diferencia de éste, sólo posee un únicodevanado alrededor del núcleo. Dichodevanado debe tener al menos tres puntos depconexión eléctrica, llamados tomas. La fuentede tensión y la carga se conectan a dos de lastomas, mientras que una toma (la del extremodel devanado) es una conexión común aambos circuitos (fuente y carga). Cada tomacorresponde a un voltaje diferente de la fuente(o de la carga, dependiendo del caso).
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FuncionamientoAl igual que los transformadores, losautotransformadores funcionan basados en elprincipio de campos magnéticos variantes en eltiempo, por lo que tampoco pueden ser utilizadosen circuitos de corriente continua. La transferenciade potencia entre dos circuitos conectados a unautotransformador ocurre a través de dosf ó l l i t éti (fenómenos: el acoplamiento magnético (como enun transformador común) y la conexión galvánicaentre los dos circuitos (a través de la tomacomún). Por esta razón, un autotransformadorresulta en un aparato más compacto (y a menudomás económico) que un transformador de lamisma potencia y voltajes nominales.
Aplicaciones
Los autotransformadores se utilizan a menudo ensistemas eléctricos de potencia, parainterconectar circuitos que funcionan a voltajesdiferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (porejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV / 66 kV). En laindustria, se utilizan para conectar maquinariafabricada para tensiones nominales diferentes a lade la fuente de alimentación (por ejemplo,motores de 480 V conectados a una alimentaciónde 600 V). Se utilizan también para conectaraparatos, electrodomésticos y cargas menores encualquiera de las dos alimentaciones máscomunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250V).
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Índice HorarioTodos los arrollamientos montados sobreuna misma columna abrazan en cadainstante el mismo flujo común F y con el finde precisar el sentido de las f.e.m.suponemos que el sentido de arrollamientode las bobinas primarias y secundarias es elde las bobinas primarias y secundarias es elmismo. Si designamos con la misma letra losterminales homólogos en cuanto a polaridadinstantánea de dos cualesquiera de estosarrollamientos montados sobre la mismacolumna, los vectores representativos de lasf.e.m. respectivos
Dependiendo del tipo de conexión, lastensiones simples del primario y delsecundario pueden no estar en fase, cosaque siempre ocurre en lostransformadores monofásicos. Paraindicar el desfase existente entre lastensiones simples, se suele utilizar elllamado índice horario (ángulo formadopor la aguja grande y la pequeña deun reloj cuando marca una horaexacta), expresado en múltiplos de 30º(ángulo entre dos horas consecutivas,360º/12=30º).
El conocimiento del desfase (índicehorario) es muy importante cuando sehan de conectar transformadores enparalelo, dado que entonces, todos lostransformadores deben tener el mismoíndice horario, para evitar que puedanproducirse corrientes de circulación entreproducirse corrientes de circulación entrelos transformadores cuando se realice laconexión.
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El desfase se obtiene multiplicando elnúmero que acompaña la denominaciónpor 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es6*30=180º
Operación en paralelo de transformadores
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Aspectos constructivosLos devanados se encuentraneléctricamente aislados entre sí, untransformador consta de dos partesesenciales:
Núcleo magnético.Los devanados.
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Tipos de NúcleosCuando se ha mencionado con anterioridad,los núcleos para transformadores se agrupanbásicamente en las siguientes categorías:
a) Tipo núcleo o de columnas.b) Ti db) Tipo acorazado.
Existen distintos tipos de núcleos tiposcolumna, que está caracterizado por laposición relativa de las columnas y de losyugos.
Tipo núcleo o de columnas.
Núcleo monofásico.Se tienen dos columnas unidas en laspartes inferior y superior por medio de unyugo en cada una de estas columnas seyugo, en cada una de estas columnas seencuentran incrustadas la mitad deldevanado primario y la mitad deldevanado secundario.
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Núcleo trifásico.Se tienen tres columnas dispuestas sobreel mismo plano unidas en sus partesinferior y superior por medio de yugos.Sobre cada columna se incrustan losdevanados primarios y secundarios de
f L i t ti t duna fase. Las corrientes magnetizantes delas tres fases son distintas entre sí, debidoprincipalmente a que el circuito magnéticode las columnas externas es más largoque el correspondiente a la columnacentral.
Este desequilibrio, tomando en cuenta quela corriente magnetizantes de las tresfases son distintas entre sí, debidoprincipalmente que el circuito, magnéticode las columnas externas es más largoque el correspondiente a la columnaque el correspondiente a la columnacentral. Este desequilibrio, tomando encuenta que la corriente de vacío esbastante baja, tiene influencia solamentepara las condiciones de operación envacio.
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Tipo acorazado.Este tipo de núcleo acorazado, tiene laventaja con respecto al llamado tipocolumna, de reducir la dispersiónmagnética, su uso es más común en lostransformadores monofásicos. En elnúcleo acorazado, los devanados selocalizan sobre la columna central, ycuando se trata de transformadorespequeños, las laminaciones se hacen entroqueles. Las formas de construcciónpueden ser distintas y varían de acuerdocon la potencia.
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Conductores eléctricos.
Los materiales usados como conductoresen los transformadores, al igual que losusados en otras máquinas eléctricas,deben ser de alta conductividad, ya quecon ellos se fabrican las bobinas. Losrequisitos fundamentales que debencumplir los materiales conductores, sonlos siguientes:
Alta conductividad posible.Menor coeficiente posible de temperatura
por resistencia eléctrica. Adecuada resistencia mecánica.Deben ser dúctiles y maleables.Deben ser fácilmente soldablesDeben ser fácilmente soldables.Tener una adecuada resistencia a la
corrosión.
Papel Aislante y Aceite dieléctrico
Papel AislanteAislante sólido de un transformador quese utiliza para envolver los conductoresmagnéticos de los bobinados. Entre losmás usados están: Kraft Manilamás usados están: Kraft, Manila,Presphan. El papel aislante estácompuesto en un 89% de fibras decelulosa extraídas de la madera y de otrasfuentes vegetales.
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Propiedades del Papel Aislante
• Excelentes propiedades dieléctricas.• Buena adherencia sobre los alambres
magnéticos que poseen cobertura debarniz.
Ab b t• Absorbente• Elasticidad (ante la compresión retorna a
su forma original).• Resistencia a la tensión (dieléctrica)• Buenas propiedades mecánicas.• Bajo costo.
Funciones del papel
Proveer rigidez mecánica.Proveer rigidez dieléctrica.
Aceite Dieléctrico
Producto de origen mineral derivado delpetróleo. Está constituido por una mezclade hidrocarburos y se obtiene pordestilación del petróleo Luego esdestilación del petróleo. Luego essometido a un proceso de refinación paraobtener las propiedades dieléctricasdeseadas y conferirle un alto grado deestabilidad química.
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PropiedadesBuenas propiedades aislantes, que dependen de la ausencia de impurezas, como agua y suciedad.Alta resistencia a la oxidación, lo que le permite funcionar por largos períodos.Alta estabilidad química.Buenas propiedades refrigerantes, debido a su baja viscosidad, lo cual le facilita la transferencia jde calor generado en el transformador.
Funciones del Aceite dieléctricoEvacuar el calor del núcleo y bobinas a las zonas de enfriamiento.Aislar las zonas a diferentes potenciales eléctricos, interponiendo una barrera entre ellos.
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Tipos de Aceite dieléctrico:Mineral (mas común)Esteres orgánicos (resistentes al fuego)Silicones (resistentes al fuego)PCB’s (tóxicos, en eliminación)
En resumen:Del sistema aislante depende el buenfuncionamiento del transformador.Del papel depende la vida útil del transformador.El aceite tiene la función de proteger el papel.El aceite provee información de la condición deltransformador y del papel.La degradación del papel es irreversible.
Tanques, accesorios y EnfriamientoTanque:
El tanque se construye de acero y constituye laprotección mecánica del núcleo y las bobinas,aceite aislante y todos los demás componentesque forman la parte activa del transformador, asímismo protege a esos componentes de lahumedad y la contaminación en general. Existentres tipos de tanques:p q
*Tanque sellado*Tanque con regulación automática de gas
inerte*Tanque conservador o tanque de
expansión, esté último másutilizado comúnmente en
transformadores de potencia.
En este último, el transformador cuentacon un tanque auxiliar cuyo volumen deaceite es de un 10% del volumen total.Estos transformadores respiran através del tanque conservador y de undeshidratador con silicagel. En elgtanque conservador se coloca una bolsa osaco de neopreno con el propósito deaislar el aceite de la atmósfera. Estoreduce la posibilidad de que entreoxígeno o humedad lo que retarda laformación de lodos en los ductos deenfriamiento de las bobinas.
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Aisladores de Paso ó Boquillas(bushings):
Las terminales de las bobinas deben desacarse de una forma segura a través delgtanque, los aisladores hacen esta funcióny están diseñados para aislar losconductores de corriente de las paredes ola tapa del tanque. Además de ser buenosaisladores deben ser sellos perfectos queeviten la entrada de humedad, aire ofugas de aceite.
Existen cuatro tipos de aisladores:
Tipo Barra: usualmente para tensiones de 34.5 Kv, se utilizan para corrientes mayores de 1000 Amperios.Sólidos: de cerámica de porcelana y hasta 25 KvPorcelana: llenos de aceite de 25 hasta 69Porcelana: llenos de aceite de 25 hasta 69 KvCapacitivos: cuerpo de porcelana, lleno de aceite y utiliza capas de papel con capas de aluminio para formar muchos capacitores (de ahí su nombre), este aislador se utiliza para altas tensiones, desde 138 has 1000 Kv.
Pararrayos:La mayoría de las instalaciones de altatensión están expuestas a sobretensionesproducidas por descargas atmosféricas.Los pararrayos son los dispositivos que sep y p qutilizan para brindar esta protección, semontan en los transformadores, tan cercade los aisladores como sea posible.
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Dispositivos de Alarma y señalización:Indicadores de Temperatura: lostransformadores de potencia y algunos dedistribución están equipados contermómetros de carátula para medir latemperatura del límite superior de lasbobinas, estos están provistos de contactos
i l l dique accionan la alarma o disparo.Indicadores de Nivel de Aceite: Sondispositivos de carátula que vigilan el nivel deaceite se encuentre dentro de los nivelesnormales, puede activar contactos por bajonivel, activar alarmas y dejar fuera deservicio el transformador.
Válvulas de Alivio de presión: Elincremento del volumen de aceite porefecto de la temperatura o algunos gasesque se generan por la descomposición delaceite, aumentan la presión dentro deltanque, para aliviar esta presión lostransformadores cuentan con válvulas detransformadores cuentan con válvulas dealivio de presión. Existen de dos tipos:Diafragma y mecánicas (resorte).
Relevadores de detectores de gases defalla: Relevador Buchholz y relevador depresión súbita.
Dispositivos Deshidratadores: los equiposdeshidratadores tienen como función absorber lahumedad del aire que eventualmente entra altransformador, están colocados de tal manera queel aire pase a través de estos dispositivos. Comomaterial deshidratante se utiliza la sílica gel.
Transformadores de Instrumento: Entransformadores de mayor capacidad (>5MVA),es común encontrar transformadores de corriente,tipo toroide los cuales sirven para operardetectores de temperatura (imagen térmica) y losdispositivos de protección y medición deltransformador. Estos transformadores tienenforma de dona y se colocan internamentealrededor de los aisladores del transformador.
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EnfriamientoDe acuerdo al tipo de enfriamiento usadoy para transformadores sumergidos enaceite, se hace la siguiente clasificación:OA: Autoenfriado con líquido aislante
OA/FA: Autoenfriado y aire forzado
OA/FA/FO: Autoenfriado, aire forzado yaceite forzado mediante bombas
La temperatura y los materialesaislantes.
Uno de los factores que más afectan lavida de los aislamientos, es la temperaturade operación de las maquinas eléctricas,p qesta temperatura está producidaprincipalmente por las pérdidas y en elcaso específico de los transformadores,durante su operación, estas pérdidasestán localizadas en los siguienteselementos principales:
• El núcleo o circuito magnético, aquí laspérdidas son producidas por el efecto dehistéresis y las corrientes circulantes enlas laminaciones, son dependientes de lainducción, es decir, influye el voltaje deoperación.p
• Los devanados, aquí las pérdidas sedeben principalmente al efecto joule y enmenos medida por corrientes de Foucault,estas pérdidas en los devanados sondependientes de la carga en eltransformador.
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Métodos de enfriamiento détransformadores de potencia.
Como ya se mencionó antes, el calorproducido por las pérdidas en lostransformadores afecta la vida de lostransformadores afecta la vida de losaislamientos, por esta razón es importanteque este calor producido disipe de maneraque se mantenga dentro de los límitestolerables por los distintos tipos deaislamiento.
La transmisión del calor puede las etapassiguientes en los transformadores:
Conducción a través del núcleo,bobinas y demás elementos hasta lasuperficie.
Transmisión por convección en elcaso de los transformadores secos.
Para los transformadores en aceite,el calor se transmite por convección através de éste dieléctrico.
Líquidos refrigerantes y aislantesEl calor producido por las pérdidas setransmite a través de un medio al exterior,este medio puede ser aire o bien líquido.La transmisión del calor se hace por unmedio en forma más omenos eficiente dependiendo de losmenos eficiente, dependiendo de lossiguientes factores:La más volumétrica. El coeficiente de dilatación térmica.La viscosidad.El calor específico.La conductividad térmica.
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Protecciones Propias deTransformadores
El transformador de potencia tiene dos gruposde protecciones:Propias o Primarias (internas):Protección térmica de devanados o imagentérmica (49T).Sobrepresión (relés o válvula de alivio)Sobrepresión (relés o válvula de alivio).Relé Buchholz (63D), alarma: acumulación degases y disparo: flujo de aceite.Sobre temperatura devanados (49), alarma.Sobre temperatura de aceite, alarma.Externas: por medio de relés y se define suesquema en el siguiente apartado.
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Protección relé Buchholz (63D): todos lostransformadores que tienen tanqueconservador, deben traer esta protección; losque sean del tipo de cama de aire inertellevarán en su lugar el relevador de presiónsúbita que es la equivalente. La función delrelé Buchholz es revelar presencia de gas.La mayoría de estas perturbaciones internasoriginan gases. Para esto existe el relé(buchholz).
Consiste en un depósito intercalado entrela cuba y el conservador. Este dispositivotrae en su interior dos boyas. Las cualesen presencia de gases, mueven unosmicrointerruptores, enviando señales de(prevención y de protección).(prevención y de protección).
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El gas revelado por el relé Buchholz pudeprovenir por las siguientes fallas:
a) Salto entre espiras.b) Saltos a masa.c) Descargas parciales.d) Puntos calientes, debido a falsoscontactos.e) Corrientes de Foucault entre chapas
mal alineadas en el núcleo.f) Presencia de objetos extraños,
(ferrosos), dentro de la cuba, los cualesactúan como espiras de sombra.
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Protección contra sobrecargas (49T): estees representado por el rele de imagen térmicaque también sirve para iniciar la operación delos ventiladores y la indicación de alarma ydisparo de alimentadores.Consiste en colocar un transformador decorriente, tipo dona en una fase del lado,donde fluye mayor corriente.y yLa corriente del TC, calienta una resistencia,sumergida en aceite y a su vez, calienta unbulbo, el cual debe provocar:
a) Arranque de ventiladores.b) Alarma.c) Desconexión del transformador.
Relé de flujo: Ubicado entre el cambiadorde derivaciones y el tanque de expansión;algunos fabricantes utilizan un relevadorde sobre presión en el cambiadorsustituyéndolo. Se utiliza para proteccióndel cambiador bajo carga. Similar alj gBuchholz, pero este, no tiene boyas, sinomás bien tiene una chapaleta que actúa,en el momento de producirse un reflujo,entre el cambiador y el contenedor deaceite.
Válvula de sobre presión: Actúa en el casode producirse una sobrepresión, ocasionadopor un defecto interno. Son capaces deequilibrar la presión, evitando así unaexplosión de la cuba. Existen dos tipos: lasde chimenea o pipas, las cuales ya no sefabrican y las de fabricación modernas. Estasson más pequeñas que las antiguas.C t d t l tó dConstan de un resorte y un platón, capaz deliberar la presión, además, trae incorporadoun microinterruptor, el cual desconecta eltransformador, en caso de presentarse unasobrepresión. Su Presión de trabajo = 0.85kg-cm.
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Protección por TemperaturaLas sobrecargas en los transformadores producenincremento de temperaturas, estas se puedensensar mediante los dispositivos.Termómetro de aceite: La función de éste esdispositivo es indicar el valor de la temperatura detrabajo, así como el incremento de temperatura enel aceite hasta llegar a los valores de alarma ydisparo.pTermómetros de devanados (H-X-Y): La funciónes igual al anterior, además de conectar losabanicos de la siguiente manera:
Arranque abanicos 60ºCDesconexión 40ºCAlarma 95ºCDisparo 105ºC
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Protecciones Externas
Los transformadores de potencia son unode los elementos de mayor importancia enlos sistemas eléctricos de potencia tantopor su función como por su precio Enpor su función como por su precio. Ennuestro caso una falla del transformadorimplica una salida total de la subestación.
La protección primaria 1 es el relé diferencial decorriente del transformador (87T) entre el lado dealta y baja, tiene la ventaja de que los puntos demedición son relativamente cercanos (considerandola protección diferencial de línea).
Entre sus principales características tenemos:
Alta velocidad: tiempo de operación de 100 ms.Selectiva: capacidad de operar solamente en lazona protegida (incluye módulo estabilizador defallas para evitar disparos involuntarios porefecto de perturbaciones externas).
La protección primaria 2 se efectuará condos relés de sobre corriente (51T), uno enel lado de alta tensión y el otro en el ladode baja tensión. Entre sus principalescaracterísticas se tiene:Medición para cada fase y neutro conretardo de tiempo.Característica de tiempo definido y detiempo inverso.Incluye curvas de disparo de sobrecorriente tiempo inverso definidas porIEC y ANSI seleccionables por medio delsoftware.
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Cambiador de Derivaciones
Las tomas de un transformador son unconjunto de puntos de conexión a lo largode un devanado, lo que permiteseleccionar el número de espiras de ésteseleccionar el número de espiras de éste.Así, se consigue un transformador con elnúmero de espiras variable, permitiendo laregulación de voltaje en el devanadosecundario. La selección de la toma enuso se hace por medio de un mecanismocambiador de tomas.
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Usualmente, las tomas son hechas en eldevanado de alto voltaje, o baja corriente, deltransformador para minimizar los requerimientosde los contactos en el manejo de niveles decorriente. Para minimizar el número de espiras yel tamaño del transformador se puede utilizar eldevanado reverso (que es una porción deldevanado principal pero enrollado en sudevanado principal pero enrollado en sudirección opuesta). Los requerimientos deaislamiento ubican a las tomas en el devanadode bajo voltaje. Es decir, cerca al punto deestrella en un devanado conectado en estrella,en el centro si se trata de uno conectado endelta, o entre los devanados serie y común enun autotransformador.
100
Pruebas de diagnóstico a Transformadores de Potencia
Pruebas al AceitePruebas al AceitePruebas al Papel Aislante
Pruebas Eléctricas al transformador
DIAGNÓSTICO DEL ESTADO OPERATIVO DEL ACEITE DIELECTRICO
Determinación de pruebas físicas, químicas y
eléctricaseléctricas
Determinación de gases disueltos mediante
cromatografía de gases
ANALISIS FISICOS, QUIMICOS Y ELECTRICOS AL ACEITE
• Contenido de agua
• Número de Neutralización Acido
• Rigidez Dieléctrica
• Factor de Potencia
• Resistividad
• Examen Visual
• Color
• Tensión Interfacial
• Gravedad Específica
101
Puede estar presente en el aceite en forma libre o
emulsionada. En forma libre baja sensiblemente la rigidez
dieléctrica y transfiere humedad a la celulosa del papel
CONTENIDO DE AGUA (ASTM D1533)
dieléctrica y transfiere humedad a la celulosa del papel.
Esta condición normalmente se da por falta de
hermeticidad del transformador.
CONTENIDO DE AGUA (ASTM D1533)
Los procesos de degradación química que se van
desarrollando dentro del transformador por efecto del trabajo,
la temperatura y las tensiones eléctricas a que es sometido,
NÚMERO DE NEUTRALIZACIÓN ÁCIDO (ASTM D974)
conducen a la formación de compuestos ácidos. Estos
procesos de degradación son acelerados principalmente por
la presencia de agua y oxígeno. Pero también por la
existencia de cobre, hierro y celulosa. Este proceso se
monitorea midiendo periódicamente los constituyentes ácidos
del aceite.
102
ACIDÉZ
ACIDÉZ
Es la capacidad de un aislante para soportar tensión
eléctrica a determinada rampa de incremento de la misma
sin fallar. La prueba se realiza aplicando progresivamente
RIGIDEZ DIELÉCTRICA (ASTM D1816 Y ASTM D877)
tensión a dos electrodos de bronce, de geometría y
separación según la norma a aplicar. Esta prueba es útil
como primer indicio de la presencia de contaminantes
tales como agua, fibras de celulosa, partículas en
suspensión o partículas conductoras.
103
RIGIDEZ DIELÉCTRICA (ASTM D1816 Y ASTM D877)
RIGIDEZ DIELÉCTRICA (ASTM D1816 Y ASTM D877
Es la potencia en vatios disipada por el aceite, dividida
por la potencia total en voltamperios aplicada, utilizando
el aceite como dieléctrico en un condensador. El factor
de potencia es una medida de las pérdidas dieléctricas
FACTOR DE POTENCIA (ASTM D924)
de potencia es una medida de las pérdidas dieléctricas
del aceite, debido a contaminantes ácidos y agua.
Valores bajos de factor de potencia indican bajas
pérdidas dieléctricas y un bajo nivel de contaminantes
solubles.
104
La resistividad o resistencia específica de un líquido
aislante es la medida de sus propiedades aislantes
eléctricas bajo condiciones comparables a aquellas de
la prueba. Una alta resistividad refleja un bajo contenido
RESISTIVIDAD (ASTM D1169)
p j j
de iones libres y de partículas iónicas en formación,
normalmente indica una baja concentración de
contaminantes conductivos. Esta prueba es más
frecuentemente utilizada para aceites nuevos.
Inspeccionar visualmente los aceites nuevos y
APARIENCIA VISUAL (ASTM D1524)
usados con el fin de comprobar el brillo y
transparencia, así como la ausencia de sólidos
en suspensión y sedimentos
Consiste en clasificar el color del aceite de acuerdo a un
DETERMINACIÓN DEL COLOR(ASTM D1500)
blanco, mediante la comparación de colores en una
escala. Una variación significativa en el color
establecido puede indicar contaminación. El color es un
parámetro para determinar la calidad de un aceite
105
Es la fuerza necesaria para separar un anillo plano de
Platino-Iridio de la superficie de un fluido de mayor
tensión superficial. La tensión interfacial es una
TENSIÓN INTERFACIAL (ASTM D971)
p
medición confiable de la presencia de compuestos
hidrofílicos, estos compuestos son considerados como
un indicador de productos de oxidación.
TENSIÓN INTERFACIAL (ASTM D971)
Es la razón entre la masa de un volumen dado de aceite
y la masa de agua para ese mismo volumen. Esta es
una prueba rápida para detectar la presencia de
GRAVEDAD ESPECIFICA(ASTM D1298)
p p p p
contaminantes. Ayuda a determinar el origen del aceite
(nafténico, parafínico) o PCBs.
106
M.Sc. Ana Aguirre Gallardo
M.Sc. Ana Aguirre Gallardo
Cromatografía de Gases (ASTM D3612):
Esta técnica se ha basado en el estudio de casos
DETERMINACION DEL CONTENIDO DE GASES DISUELTOS EN EL ACEITE
implicando la correlación entre el tipo de falla incipiente
o avanzada en un transformador y los gases asociados
a dicha falla. La interpretación de los resultados de un
análisis cromatográfico requiere de la integración de
numerosos criterios.
107
Objetivos de la Cromatografía de Gases:
1. Monitorear los transformadores en servicio y obtener un
aviso anticipado de una falla.
2. Supervisar una unidad en operación que se presume
tiene una falla incipiente hasta lograr sacarla de servicio
para su reparación.
3. Indicar la naturaleza y localización de la falla.
4. Asegurarse que un transformador recientemente
adquirido no presente ningún tipo de falla durante el
tiempo de garantía que da el fabricante.
El aceite está constituido de cadenas de hidrocarburos entre
16 y 22 átomos y la celulosa del papel es un hidrocarburo
polimérico. Tanto el aceite como la celulosa en el
transformador, son susceptibles a descomponerse
desprendiendo gases ante la presencia de una falla de tipo
térmico o eléctrico. Cuando el aislamiento aceite-papel es
sometido a condiciones anormales tanto eléctricas como
térmicas, el aceite se descompone liberando gases de bajo
peso molecular, principalmente, Hidrógeno, Metano, Etano,
Etileno y Acetileno. El papel también se afecta liberando
Monóxido y Dióxido de Carbono.
Gases a analizar:
Acetileno: C2H2
Etano: C2H6
Etileno: C2H4
Metano: CH4
Monóxido de Carbono: COMonóxido de Carbono: CO
Dióxido de Carbono: CO2
Hidrógeno: H2
Oxígeno: O2
Nitrógeno: N2
108
Definición del Tipo de Falla:
1. Fallas Térmicas : Sobrecalentamiento del papel o
del aceite
2. Fallas Eléctricas : Arco interno o defecto corona
S d t i i t lSe pueden presentar superposiciones entre los
diferentes tipos de procesos de degradación, ya que
varias clases de fallas pueden suceder
simultáneamente.
Métodos para determinar el Tipo de Falla:
1. Método del Gas Característico
2. Método de las Relaciones de Dornenburg
3. Método de las Relaciones de Rogers
4. Método de la CEGB
EFECTOS DE LA DEGRADACION DE LA CELULOSA EN EL SISTEMA
AISLANTE
La longitud de las moléculas de la celulosa del papel
se mide en términos del grado de polimerización.
Al degradarse la celulosa reduce el grado de
polimerización , se destruyen los enlaces interfibras
y causa la pérdida del esfuerzo mecánico. Genera
partículas fibrosas.
109
El rompimiento de los polímeros de la celulosa
produce una disminución de la resistencia
mecánica y eléctrica del papel.
Las propiedades mecánicas del papel dependen
directamente del grado de polimerización
El aumento de degradación del papel se
ve reflejado cuando sus propiedades
mecánicas decrecen tanto que cualquier
corto circuito puede provocar una falla.
Esta degradación es ocasionada por la
temperatura de operación, por la
humedad, por el oxígeno y por los
subproductos de degradación.
Se estima que el final de la vida útil del
papel es cuando pierde toda propiedad
mecánica (consistencia) y no soporta
los esfuerzos de corto circuito
110
METODOLOGIAS PARA DIAGNOSTICAR EL ESTADO OPERATIVO DEL PAPEL
AISLANTE
• Determinación del grado de polimerización
D t i ió d l t id d f ld hid• Determinación del contenido de furaldehidos
• Evaluación de las propiedades mecánicas del
papel
Pruebas Eléctricas a Transformadores
Resistencia InternaEsta prueba sirve básicamente para comprobar quetodas las conexiones internas efectuadas en losdevanados y guías, fueron sujetadas firmemente, asícomo obtener información para determinar laspérdidas en el cobre (I2R) y calcular la temperatura delos devanados en la prueba de temperaturalos devanados en la prueba de temperatura.
Relación de transformaciónTiene como objetivo verificar los valores nominales devoltaje y sus derivaciones, estas deben estar dentrode un rango de un ±0.5% cuando el transformadorestá en vacío. Es decir que el transformador tenga elnúmero de vueltas correcto en cada devanado, por lotanto esta se mide en todas las posiciones de labobina.
Corriente de ExcitaciónEl objetivo de esta prueba es determinar queel acero del núcleo cumple con lascaracterísticas necesarias, así como paraverificar que la calidad con que se realizó lamanufactura fue la adecuada, así mismo sedeterminan las pérdidas por la excitación quetendrá el transformador al ser conectado alsistemasistema.
Factor de PotenciaEl objetivo de esta prueba es verificar elgrado de sequedad que contienen losmateriales aislantes, por lo cual es unaprueba complementaria a la de resistencia alaislamiento.
111
Resistencia al Aislamiento EléctricoEsta prueba se realiza después del proceso desecado y este se encuentre a una temperatura de0º hasta 40ºC. Sirve básicamente para determinarla cantidad de humedad e impurezas quecontienen los aislamientos del transformador.Igualmente es una prueba de campo.
Pérdidas al vacío y bajo cargaEl objetivo de esta prueba es determinar que laspérdidas de los devanados estén dentro de lagarantí establecida de diseño. Esta se realiza conel ensayo de cortocircuito y circuito abierto a fin deobtener las pérdidas de los devanados y el % deimpedancia.
Potencial InducidoEl fin de esta prueba, es el comprobar elbuen aislamiento entre vueltas y capas de losdevanados del transformador. La prueba serealiza induciendo en los devanados deltransformador una tensión del 200% de suvalor nominal, con una frecuencia tal, que lacorriente no sature el núcleo.
Potencial AplicadoEsta prueba se realiza con el fin de probarlos aislamientos entre devanados ydevanados contra tierra. La prueba seefectúa aplicando una tensión de 60 Hz,durante 1 minuto.
Análisis de Respuesta en la FrecuenciaEsta prueba es de vital importancia pues determina el estadode la geometría interna del transformador, la cual puede servariada a causa de un terremoto, traslado, entre otros.
Prueba de Impulso AtmosféricoMuchas de las fallas de transformadores son causadas pordescargas atmosféricas, es indispensable saber si elaislamiento del transformador puede soportar dichasdescargas a que está sometido durante la operación paradescargas a que está sometido durante la operación, paraproteger el transformador de las descargas atmosféricas esnecesario ver el tipo de onda que produce. A base de muchaexperiencia, esta prueba determinó que las descargas son decorta duración y duran unos µs por lo cual se puede analizaren dicha prueba.
112
Descargas ParcialesEs una prueba que determinan el efectocorona en los devanados y es de vitalimportancia para estimar la vida útil de untransformador.
Prueba de TemperaturaLa finalidad de esta prueba es la deLa finalidad de esta prueba, es la decomprobar si el transformador de nuevodiseño, es capaz de disipar las pérdidastotales sin excederse de los límites delevación de temperatura garantizados. Esde suma importancia, ya que la elevación detemperatura que se tenga, se estimará lavida útil del transformador.
Laboratorios de Pruebas de Alta Tensión para Transformadores de
Potencia según IEC 60076 e IEEE C 57.12.90
113
Grupos de Pruebas a Transformadores de Potencia
Pruebas Físico-Químicas y Eléctricas al aceite
Pruebas de Baja Tensión al Transformador
Pruebas de Alta Tensión al Transformador
Factor de Potencia ASTM D924
Pruebas Físico‐Químicas y Eléctricas al Aceite
Tipo de Prueba NormaASTM D1533ASTM D974ASTM D877
Contenido de agua Número de Neutralización Acido
Rigidez Dieléctrica Factor de Potencia
Resistividad Examen Visual
Color Tensión Interfacial
Gravedad Específica
ASTM D924ASTM D1169ASTM D1524ASTM D1500ASTM D971ASTM D1298
114
Pruebas Eléctricas de Baja Tensión al Transformador
Tipo de Prueba NormaResistencia al aislamiento
Factor de Potencia a los DevanadosC57.12
IEC 60076Corriente de Excitación
Relación de Transformación
SFRAEspectroscopía Dieléctrica
Relación de TransformaciónResistencia Ohmica a los Devanados
Pruebas Eléctricas de Alta Tensión al Transformador
Tipo de Prueba Norma
IEC 60076‐1
IEC 60076‐1
IEC 60076 3
Pérdidas al Vacío y Bajo Carga
Medición de Impedancia de Secuencia O
Potencial Aplicado
Medición de Nivel de Ruido IEC 60076‐10
IEC 60076‐3
IEC 60076‐3
IEC 60076‐3
Prueba de Calentamiento IEC 60076‐2
Potencial Aplicado
Potencial Inducido
Impulso Atmosférico
Descargas Parciales IEC 60076‐4
Pérdidas al Vacío y Bajo Carga
115
116
117
Medición de Impedancia de Secuencia O
La teoría de Componentes
simétricas fue
desarrollada por
Charles L. Fortescue, ingeniero
de la Westinghouse,
en 1913.
La impedancia de secuencia cero es laimpedancia medida entre las terminales defase a neutro cuando estas terminales estáncortocircuitadas entre si. La impedancia desecuencia cero puede ser desarrollada enconexiones estrella o zig-zag. La impedanciade secuencia cero atribuida a cada una delas fases es tres veces el valor medido:
Donde U: voltaje medido (fase a neutro) e I:es la corriente de neutro.
118
119
Potencial Aplicado
Para la prueba de voltaje aplicado, el circuitoequivalente del transformador bajo prueba es un circuitoR-C en paralelo, compuesta de una capacitanciaefectiva CP y la resistencia R, correspondiente a laspérdidas dieléctricas del transformador bajo prueba. Lacapacitancia efectiva CE es definida como lacapacitancia en medio de los devanados bajo prueba yla tierra
120
Consideraciones de la Prueba
El voltaje será elevado rápidamente desde el25% o menos del voltaje de prueba UP peroes consistente con los requerimientos demedición. IEEE cita 15 segundos. Al final degla prueba se puede bajar rápidamente (5segundos).La prueba dura 60 segundos, a frecuencianominal. IEC permite frecuencia no menoresdel 80% de la frecuencia nominal.
Interpretación de la PruebaLa prueba es segura si el voltaje de pruebano colapsa o si no hay otras indicaciones defalla como humo, burbujas y golpes o unincremento repentino de la corriente depruebaprueba.Si el transformador falla conociendo losrequerimientos de la prueba y la falla es unbushing, este se puede reemplazar y luegocontinuar con la prueba. Claro está mientraseste libre de Descargas Parciales
121
Potencial Inducido
M: Motor
G: Generador de Frecuencia
Variable
Ls: Reactor de CompensaciónLs: Reactor de Compensación
(posiblemente variable)
TT: Transformador bajo prueba
C: capacitancia equivalente
R: resistencia óhmica
Lfe: inductancia al vacío
Up: voltaje de prueba
IG: corriente del generador
Básicamente se duplica la tensión incrementando la frecuencia de la prueba al doble por el principio:
V = k ф ωDondeV: Voltaje InducidoV: Voltaje InducidoK: Constante de ProporcionalidadФ: Flujo Magnéticoω: Velocidad Angular
Duración de la pruebaLa prueba para máximo voltaje, el tiempo de prueba será de 60 segundos para cualquier frecuencia superior e incluye el valor del doble de la frecuencia. Cuando la frecuencia de prueba excede el doble, el tiempo de la prueba en segundos será:
t = 120 * (fr/fp)D dDondet: tiempo de la pruebafr: valor de frecuencia del transformadorfp: frecuencia de prueba
La duración no será menor que 15 segundos, independientemente el valor de prueba.
122
Existen según la norma dos tipos:
–Prueba Corta–Prueba Larga
Según los estándares de pruebas de acuerdo a IEC e IEEE se tiene:
123
Prueba Corta Duración
Algunas Consideraciones:
• El nivel de ruido no debe exceder los 100 pC
• Para transformadores con voltaje de fase mayor a
72.5 Kv se debe medir Descargas Parciales,g ,
mientras para voltajes menor a ese no es
necesario.
Se da por satisfactoria la prueba si:
– No colapsa el voltaje durante la prueba
– Los niveles continuos durante la carga aparente
en U2 durante los 5 minutos no deben exceder
los 300 pC en todos los terminales
– El comportamiento de las DP no deberá tener un
comportamiento creciente
– Los niveles continuos durante la carga aparente
no deben exceder los 100 pC en 1.1 Um / √3
124
Prueba de Larga Duración
Se da por satisfactoria la prueba si:
– No colapsa el voltaje durante la prueba
– Los niveles continuos durante la carga aparente
en U2 durante los 5 minutos no deben exceder
los 500 pC en todos los terminales
– El comportamiento de las DP no deberá tener un
comportamiento creciente
– Los niveles continuos durante la carga aparente
no deben exceder los 100 pC en 1.1 Um / √3
125
Descargas ParcialesDefinición: Ionización Transitoria causada por la
concentración de campo eléctrico y que parcialmente
abarca la distancia entre electrones.
Degradan el aislamiento y en transformadoresg y
acaban como un arco eléctrico y se demuestra en la
contaminación del mismo aceite.
La medina en transformadores de Potencia oscila
entre 300-500 pC.
126
Esta es una prueba no destructiva
diseñada para determinar la condición del
aislamiento del transformador. La meta de
la prueba es certificar que el
transformador no posee descargas
parciales dañinas principalmente en
transformadores que pueden tener
estreses dieléctricos muy altos.
Esquema de una parte del Aislamiento de un Transformador
Circuito equivalente para medida de Descarga Parciales
127
Es muy importante la calibración de los
equipos a medir pues esta es de vital
importancia en la prueba a fin de certificar la
validez de la misma.
Prueba hacerse según IEEE o IEC
Fuentes típicas de PD en Transformadores de Potencia
128
La Prueba se puede aplicar bajo lassiguientes condiciones:
Se puede probar en una o todos losterminales.El i hi d l b d i l
Impulso Atmosférico
El switching de la prueba de impulso seprueba con el mas alto valor de voltaje.
Si no se especifica, la prueba de impulso seprocede al voltaje de aislamiento probado afrecuencia de potencia (prueba de voltajeinducido y separado de la fuente)
Consideraciones• Se va a tener normalizadas las pruebas a
realizar. Un switcheo de impulso tiene solamente una característica, identificada como una señal de onda completa, a pesar de que se pueden tener a manopesar de que se pueden tener a mano otras señales:
• Onda Completa• Onda cortada en la cola• Onda cortada en el frente
Consideraciones de la Prueba de Impulso Atmosférico
La secuencia de pruebas dependerá de la norma a aplicar (IEEE ó IEC).IEC especifica:Una onda reducida (calibración)Una onda Completa (LI)Una o mas ondas reducidas cortadas (LIC) (solamente si se requiere)Una o más ondas completas cortadas (solo si se requiere)Dos Ondas completas (LI)
129
IEEE especifica:Una onda reducida (Calibración)Dos ondas frontales con amplitud especificada (solamente si se requiere)D d d i l t d dDos ondas de impulso cortadas de amplitud especificadaUna onda de impulso completa
Según IEC e IEEE para la onda completa
Según IEEE e IEC para la onda completa cortada en la cola
130
Forma de Onda cortada en el Frente según IEEE:
En resumen:El BIL lo verificamos con la Prueba de Impulso
Atmosférico en concordancia con las normas IEC
60076(3) e IEEE C57.12.90
La onda de impulso es aperiódica Se tiene unaLa onda de impulso es aperiódica. Se tiene una
especificación de un tiempo de levante de 1.2 µs
y dura 50 µs a medio valor. Ambas figuras son
las misma tanto para IEEE e IEC.
El valor de la onda característica es:
Frente:
Cola:Cola:
Polaridad: negativa para
transformadores sumergidos en aceite
131
Configuración del Generador de Impulsos
Configuración de la Prueba para transformadores Trifásico y
Monofásicos
132
Para Autotransformadores
133
Prueba de CalentamientoPropósito de la Prueba:
El propósito de la prueba de calentamiento esverificar las temperaturas garantizadas para elaceite y los devanados. Puede ser utilizada paray pestablecer posibles puntos calientes (dentro o fuerade los devanados) especialmente paratransformadores con altos campos dispersión (porinductancias, transformadores mayores a 300 hasta500 MVA o en autotransformadores)
El conocimiento de los promedios de la
medición y del alto valor de temperatura y
de los gradientes de temperatura del
aceite y los devanados es mas importante
hoy que en el pasado, en vista para
futuras mejoras y consideraciones de
sobrecarga del transformador.
134
Medición de Temperatura
La temperatura de aceite puede ser medida
usando un sensor de temperatura de forma
directa o indirecta en contacto con el aceite.
La temperatura de los devanados puede ser
did i di t t d i t i dmedida indirectamente usando una resistencia de
bobina. La resistencia es medida antes de iniciar
la prueba cuando el transformador entero se
encuentra en equilibrio, generalmente en conexión
con la medida común de la resistencia.
La medida de corriente es una relacióndirecta de la temperatura por lo cual va a serreflejada en el diferencial de temperatura deldevanado antes y después de la prueba.
Cuando se realiza la prueba de formadirecta, se mide en los devanados y no esconsiderada en la normas. Generalmente talmedida se hace con fibra óptica.
135
Medición de Nivel de RuidoPropósito de la prueba
En lugares de alta densidad de población y debido a
los requerimientos ambientales, se debe medir la
i ió d id d t f demisión de ruido de un transformador.
Por ello esta prueba es de vital importancia a fin de
que un transformador trabaje dentro de los limites
especificados de sonido. En el caso particular de
Costa rica no debe exceder los 65 dB.
136
137
Incendio Transformador de Potencia
Red Eléctrica
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
138
Sistemas Eléctrico NacionalLíneas de Transmisión 138 kV y 230 kV
Sistemas Eléctrico NacionalSiluetas de Torres en Costa RicaTorres Tipo
1A hasta 1L
Torres Tipo
2A hasta 2D
Torres Tipo
3A hasta 3F
Sistemas Eléctrico NacionalSiluetas de Torres en Costa Rica
Sistemas Eléctrico NacionalSiluetas de Torres en Costa Rica
Torres Tipo
4A hasta 4B
Torres Tipo
Horiz-1 hasta Horiz-2
Torres Tipo TSP-1
hasta TSP-2
139
Sistemas Eléctrico NacionalLínea 230 kVDoble circuitoDoble Hilo Guarda
Tipo 3A: Arenal – BarrancaTipo 3B: La Caja – Lindora #1 p jTipo 3B: La Caja – Lindora #2Tipo 3C: Belén – La Caja # 1 y # 2
Línea Circuito Horizontal, 230 kVDoble Hilo Guarda
Tipo Horiz‐2 : San Miguel – Toro Tipo Horiz‐2: Miravalles – Miravalles III
Circuito simple, 230 kVDoble Hilo Guarda
Línea de Transmisión RMA‐SMI
140
Línea 138 kVDoble circuito
Un Hilo Guarda
Tipo 2A: El Coco – La CajaTipo 2B: El Este – Río Macho
Tipo 2B: Escazú – La CajaTipo 2C: Heredia – La Caja
Línea 138 kVCircuito SencilloUn Hilo Guarda
Tipo 1D: Barranca – JuanilamaTipo 1F: Alajuelita – Anonos
Tipo 1I: Garita – NaranjoTipo 1L: Leesville – Trapiche
Aislamiento
VidrioPorcelana
Polimérico
141
Postes de acero galvanizado para Tx
Postes de acero galvanizado para Tx
Postes de acero galvanizado para Tx
Línea 230 kVDoble Circuto (INTEL)
142
Sistemas Eléctrico NacionalPostes de concreto para Distribución
143
144
Retensado de Líneas de TransmisiónRetensado de Líneas de Transmisión
Resistencia
Efecto resistivo, es responsable del
calentamiento del conductor y de caída de
tensión a lo largo del conductor. La resistencia
depende del tipo de material del cual esté
hecho. Este efecto es dominante sobre los
demás en redes de baja tensión, debido al
calibre de los conductores que se emplean en
dichos niveles de tensión.
145
Los conductores que normalmente se utilizan en
líneas aéreas son de aluminio y alma de acero
reforzado (ACSR), conductor totalmente de
aluminio (AAC), conductor totalmente de aleación
de aluminio (AAAC), conductor de aluminio
reforzado (ACAR). Estos conductores de estos
materiales ofrecen buenas características a la
tracción mecánica (caso del ACSR), buena
conductividad y además poseen poco peso.
INDUCTANCIA
Efecto inductivo, es debido a los enlaces de flujo que
rodean al conductor, creados por su propia corriente
y por las corrientes de los otros conductores. Este
efecto se ignora generalmente en redes de baja
tensión donde el efecto resistivo es mayor que la
t i i d ti S i idreactancia inductiva. Se empieza a considerar en
redes donde los conductores presentan una
reactancia inductiva comparable con la resistencia
reactivo, como es el caso de las redes de
distribución.
146
A medida que aumenta el nivel detensión, la resistencia de los conductoresempleados es mucho menor que lareactancia inductiva En redes de altareactancia inductiva. En redes de altatensión el efecto inductivo es el limitantede las transferencias de potencia activa.
IMPEDANCIA DE UNA RED PARACONDUCTORES EN HAZ
147
El radio equivalente ( R’MG ) para diferentes configuracionesde haz de conductores es:
CAPACITANCIALos conductores de una líneaeléctrica, aislados entre sí y de tierra,son desde el punto de vista eléctrico,equivalentes a las armaduras de uncondensador, y cuando están apotenciales distintos, toman una cargap , geléctrica dependiente de los valoresrelativos de dichos potenciales, entresí y respecto a tierra. La cargasdescargas de este condensador ficticiode capacidad por fase CNoriginan una reactancia en la línea
Xc = 1/w*CN
Efecto capacitivo, es debido a las corrientes de
desplazamiento en derivación que se presentan entre
conductores y entre estos y el suelo. Estas corrientes de
desplazamiento hace que los conductores se carguen cuando
son energizados, aún con la línea en vacío. La capacitancia
se desprecia normalmente para redes con longitud por debajo
de 80 km. El efecto capacitivo se empieza a tener en cuenta
en redes de longitud mayor a 80 km ya que éste se acentúa
por aumento de la corriente de desplazamiento.
148
El efecto principal de la capacitancia asociada a los
conductores es el aumento de la tensión
en el extremo de carga en vacío. Este aumento de
tensión depende de la longitud de la red. Para redes por
debajo de 80 km la regulación está por debajo de 0.5%,
razón por la cual se considera despreciable el efecto
capacitivo. Cuando se trata de cables aislados las
consideraciones de longitud ya no son válidas y el efecto
capacitivo se debe considerar en casi todas las
situaciones.
CONDUCTANCIALa conductancia tiene en cuenta las corrientes de fuga tantode los aisladores que sostienen a las líneas aéreas, comolas corrientes de electrones a través del aire (EfectoCorona). La conductancia depende de numerosos factores,entre ellos los climatológicos o medioambientales, que sondifí il d d i t d t t tdifíciles de predecir, a parte de no mantenerse constantes alo largo de toda una línea. Los cálculos de la conductanciasuelen presentar valores pequeños, en comparación con losefectos resistivos, inductivos o capacitivos, vistosanteriormente. La conductancia represente solo una pequeñaparticipación en el total de los efectos eléctricos de uncircuito, y como resulta del todo imposible su cálculo exacto,se desprecia en la mayoría de casos.
149
150
Trabajos en Líneas de transmisión de alto jVoltaje
151
SUBESTACIONES
152
Una Subestación Eléctrica es un conjunto deequipos, que tiene el propósito de desconectar,cambiar o regular el voltaje, es decir, que encualquier lugar de un Sistema Eléctrico, endonde se tengan localizados transformadores einterruptores, se tendrá una subestación. Dentrode una Subestación Eléctrica podemos apreciarde u a Subestac ó éct ca pode os ap ec acomponentes que son de gran importancia yvalor imprescindible dentro de la misma como loson: Cuchillas de Cierre, Transformadores deInstrumentos, Transformadores de Potencia,Barras, Recloser, Malla de Tierra, Pararrayos,Aisladores, Reactores, entre otros
Definición
Son instalaciones de un sistema eléctrico de
potencia que intervienen en el proceso de
generación-consumo de energía, cuyos
dispositivos tienen la función de modificar los
parámetros de potencia y derivar circuitos de
potencia.
153
Tipos
Subestaciones transformadoras de tensión.
– Elevadoras de voltaje, cuando la tensión de
salida es mayor a la de entradasalida es mayor a la de entrada.
– Reductoras de voltaje, cuando la tensión de
salida es menor a la de entrada.
TiposSubestaciones de maniobra o seccionadoras decircuito.– De transmisión, para voltajes superiores a
230kV.D bt i ió lt j t 230– De subtransmisión, para voltajes entre 230 y115kV.
– De distribución primaria, voltajes entre 115 y23kV.
– De distribución secundaria, tensiones pordebajo de los 23kV.
TiposDependiendo del montaje que tengan.
– Subestaciones exteriores, cuando los elementos
están instalados al aire libre (intemperie).
– Subestaciones interiores cuando los equipos seSubestaciones interiores, cuando los equipos se
encuentran ubicados en el interior de edificios
apropiados.
– Subestaciones tipo blindadas, los aparatos y las
máquinas están bien protegidos, y el espacio
necesario es muy reducido.
154
Subestación Exterior
Vistas lateral y superior
Subestación Exterior
Vista de distribución de planta.
Subestación Interior
Vistas laterales
155
Subestación Interior
Vista de distribución de planta.
Subestación Blindada
156
Seguridad en Instalaciones Eléctricas
•Posibilidad de circulación
Riesgo de accidente eléctrico
de una corriente eléctrica através del cuerpo humano.
RIESGOS ELÉCTRICOSEfectos nocivos de la electricidad
Incendios y/o explosiones : Van a afectar a las personas,instalaciones y bienes.
Electrización o electro-traumatismo : Todo accidente deorigen eléctrico cualquiera que sean sus consecuencias yg q q yelectrocución que se reserva a los accidentes mortales deorigen eléctrico que afectan a las personas.
157
RIESGOS ELÉCTRICOSEfectos fisiológicos en la persona
•Estos efectos se pueden clasificar en tres tipos:•Efectos Fisiológicos Directos•Se refieren a las consecuencias inmediatas del choque eléctrico y sugravedad depende de la intensidad de corriente. Sus manifestaciones vandesde sensaciones de hormigueo hasta asfixia o graves alteraciones del ritmocardíaco.•Efectos Fisiológicos Indirectos•Son los trastornos que sobrevienen a continuación del choque eléctrico,alteran el funcionamiento del corazón o de otros órganos vitales, y producenquemaduras, pudiendo tener consecuencias mortales.•Efectos Secundarios•Son los debidos a actos involuntarios de los individuos afectados por elchoque eléctrico, como caídas de altura, golpes contra objetos, proyección deobjetos,…
RIESGOS ELÉCTRICOSTipos de contacto eléctrico
•Contacto Directo•Se produce con las partes activas de lainstalación o equipos. Esto implica el paso decantidades de corriente importantes, lo queagrava las consecuencias del choqueagrava las consecuencias del choque.
•Contacto Indirecto•Se produce con masas puestasaccidentalmente en tensión. Tan sólo unaparte de la corriente de defecto circula por elcuerpo humano, el resto de la corriente circulapor los contactos con tierra de las masas.
RIESGOS ELÉCTRICOSTrabajos en instalaciones de baja tensión
Antes de iniciar cualquier trabajo en baja tensión (igual oinferior a 1000 V en corriente alterna y 1500 V en corrientecontinua) se procederá a identificar el conductor o elementoen el que se tiene que interveniren el que se tiene que intervenir.
Toda instalación será considerada bajo tensión, mientrasno se compruebe lo contrario con aparatos destinados a talefecto.
158
RIESGOS ELÉCTRICOSTrabajos en instalaciones de baja tensión
Trabajos en ausencia de tensiónAislar de cualquier posible fuente de alimentación la parte de la instalación en
la que se va a trabajar, mediante la apertura de los aparatos de seccionamiento más próximos a la zona de trabajo.
Bloquear en posición de apertura, si es posible, cada uno de los aparatos de seccionamiento, colocando en su mando un letrero con la prohibición de maniobrarlo.
Comprobar, mediante un verificador, la ausencia de tensión en cada una de las partes eléctricamente separadas de la instalación.
No se restablecerá el servicio al finalizar los trabajos, sin comprobar que no existen personas trabajando.
RIESGOS ELÉCTRICOSTrabajos en instalaciones de baja tensión
Trabajos en tensiónCuando realizamos trabajos en tensión hay que considerar no sólo el riesgo de contacto eléctrico sino también la formación de arcos eléctricos por cortocircuito, donde la temperatura del medio se va a elevar hasta 4000ºC.Se empleará en cada caso el material de seguridad más adecuado:
R I ífRopa IgnífugaCalzado aislanteGafas Inactínicas
CascoGuantes aislantes homologados de cuero
Alfombras o banquetas aislantesVainas o caperuzas aislantes Comprobadores de tensión
Herramientas aislantes homologadasMaterial de señalización (discos,barreras,etc.)
RIESGOS ELÉCTRICOSTrabajos en instalaciones de alta tensión
Trabajos en ausencia de tensiónSe deberá pedir la consignación o descargo. Realización del descargo de la instalación consistente en :
• Apertura con corte visible de los circuitos.• Enclavamiento o bloqueo, en posición de apertura, de los aparatos de corte y señalización en el mando de los
citados aparatos con la prohibición de maniobrar.• Verificar de la ausencia de tensión, en cada uno de los conductores. En está operación debe presumirse que la
instalación está en tensión y por tanto se utilizarán los dispositivos adecuados.Puesta a tierra y en cortocircuito de todos los conductores• Puesta a tierra y en cortocircuito de todos los conductores.
Determinación de la zona protegida.Colocación de pantallas protectoras, si existen otras instalaciones en tensión próximas.Confirmación del descargo a las personas que van a efectuar el trabajo.Se debe verificar la ausencia de tensión , puesta a tierra y en cortocircuito lo más cerca posible al lugar
de trabajo y a uno y otro lado de cada uno de los conductores y delimitar la zona de trabajo.Reagrupación del personal en un punto convenido anteriormente y notificación de que se va a restablecer
el servicio.Retirada del material, dispositivos de protección y elementos de señalización.Retirada de puestas a tierra y en cortocircuito y nuevo recuento del personal.Comunicación a la persona que hizo el descargo de la finalización del trabajo. La persona que realizó el descargo en alta tensión deberá retirar el material de señalización, las puestas
a tierra y en cortocircuito, el enclavamiento o bloqueo y/o señalización y restituir del servicio (cerrar circuitos).
159
RIESGOS ELÉCTRICOSTrabajos en instalaciones de alta tensión
Trabajos en tensión
Se realizarán por personal habilitado para realizar dichos trabajos y con métodos específicos ( trabajo a distancia, trabajo en contacto con protección aislante de las manos y trabajo a potencial ).
En cualquier trabajo en proximidad de instalaciones en tensión se deberá delimitar y señalizar adecuada y perfectamente la zona de trabajo.
Se aislarán en baja tensión las partes conductoras desnudas bajo tensión, dentro de la zona de trabajo, mediante pantallas, fundas, capuchones, telas aislantes, etc, y en alta tensión siempre que no se cumplan las distancias mínimas de seguridad en instalaciones no protegidas.
RIESGOS ELÉCTRICOSLa electricidad es peligrosa
Ni la vista, ni el olfato, ni el oído la detectan.Aíslese, el cuerpo no aislado actuará como conductor.La intensidad de corriente que atraviesa el cuerpo es la
que produce los efectos adversos en el cuerpo humano.q p pPeligrosa a partir de 0,01 Amperios y puede matar con
0,1 Amperios.Para disminuir la intensidad aumente la resistencia:
utilice elementos de protección aislantes (guantes, calzado, planchas aislantes, etc.)
Mantenga seco el suelo de su área de trabajo o aíslese mediante una tarima, tablón, etc.
RIESGOS ELÉCTRICOSCompruebe el estado de los equipos e instalaciones
Los aparatos, equipos e instalaciones con los que ha de trabajar, deben encontrarse siempre en buen estado.
No utilice cables dañados, clavijas de enchufe resquebrajadas, ni aparatos cuya carcasa presente desperfectos.
Si utiliza cables alargadores, cerciórese del buen estado de los mismos y de sus enchufes.
Si observa alguna anomalía avise al servicio de mantenimiento.
160
30
40
50
60
CORRIENTE “LET GO”
forma similar para corrientes de fibrilación (aprox. 5 veces mayor)
Percentil 50
I (mA)
0
10
20
30
5Hz 50 500 5KHz
adultos varones
Tomado de Webster, 1997, Figura 14.3
f
161
RIESGOS ELÉCTRICOSNo altere ni modifique los dispositivos de seguridad
Utilice SOLO elementos previstos por el instalador.
Al desconectar una clavija tire siempre de ella, nunca del cable de alimentación.,
Desconecte cables y prolongadores al finalizar.
No conecte equipos o aparatos si la toma de corriente presenta defectos o no es la adecuada.
Manténgase a distancia de elementos en tensión sin proteger: líneas eléctricas de grúas, líneas aéreas…
RIESGOS ELÉCTRICOSSi se produce una avería, corte siempre la corriente
No se fíe. No manipule los equipos e instalaciones sin cortar la corriente.
Coloque en el interruptor desconectado un cartel avisador de “ PROHIBIDO CONECTAR ¡PELIGRO! ”
Limite sus actuaciones a operaciones elementales (cambio de una lámpara, fusible, etc…).
Si reemplaza algún fusible cerciórese de que el nuevo es del mismo tipo e intensidad.
162
RIESGOS ELÉCTRICOSSólo un electricista debe realizar trabajos eléctricos.
LLAME AL ELECTRICISTA SI :Si la avería excede su competencia.Si nota sensación de hormigueo al tocar un aparato paralelo y… Si b l i d hi h l bl Si observa la presencia de chispas o humo en los cables o
aparatos.Si se produce un calentamiento anormal de un motor, hilos,
cables, etc.No utilice ni permita que otros lo hagan, hasta que esté el aparato
averiado, reparado.Señalice el aparato averiado.
Evite toda reparación provisional.
RIESGOS ELÉCTRICOS
Las reparaciones provisionales terminan siendo definitivas como también sus riesgos.
No es recomendable la reparación de cables pdañados con cinta aislante o similar. Reemplazar, preferiblemente, por un cable nuevo.
Si su aparato o máquina eléctrica ha sufrido un golpe, o se ha visto afectado por la humedad o productos químicos, haga que lo revise el electricista.
RIESGOS ELÉCTRICOSSiga y respete las normas.
Cumple escrupulosamente las normas y precauciones de diseño y empleo de equipos eléctricos.
Evite que los cables de alimentación se pisen o se apoyen sobre q p p yaristas vivas.
No tire de los cables para mover o desplazar los aparatos o máquinas eléctricas.
No abra nunca las protecciones de los aparatos eléctricos y respete las señales de advertencia.
163
RIESGOS ELÉCTRICOS¡PRECAUCIÓN!
En trabajos próximos a líneas o instalaciones eléctricas extreme las precauciones.
Para trabajar cerca de líneas eléctricas… ¡¡ INFÓRMESE!!Excavación cerca de una red eléctrica subterránea ¡¡ PELIGRO!!Excavación cerca de una red eléctrica subterránea… ¡¡ PELIGRO!!No retire o elimine las protecciones de conductores, disyuntores,
relés, etc.
RIESGOS ELÉCTRICOS¡ATENCIÓN A LA HUMEDAD!
La electricidad y la humedad son enemigos irreconciliables, manténgase a distancia.
No manipule nunca ni utilice aparatos eléctricos que se encuentren mojadosencuentren mojados.
No use aparatos eléctricos si tiene las manos o pies mojados.No moje nunca las instalaciones eléctricas.
Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
164
Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
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Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
Recomendaciones de SeguridadRecomendaciones de Seguridad
Efectos fisiológicos directosEfectos fisiológicos directos
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Efectos secundariosEfectos secundarios
• Caídas de altura de un mismo nivel• Golpes contra objetos• Proyección de objetos• Incendios o explosiones
Localización de riesgos eléctricosLocalización de riesgos eléctricos
•••Es el que se produce
Contacto eléctrico indirecto por efecto de Contacto eléctrico indirecto por efecto de pérdida de aislamientopérdida de aislamiento
con masas puestasaccidentalmente entensión
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•Es el que se produce alcontacto con partes
Contacto eléctrico directoContacto eléctrico directo
contacto con partesactivas de la instalación,que se encuentranhabitualmente en tensióno energizada.
Ahorro Energético
Ley URE 1
AHORRO ENERGÉTICO EN SISTEMAS ELÉCTRICOS
IntroducciónLas crisis energéticas mundiales puso enevidencia que la oferta de energía(importación de hidrocarburos,Generación eléctrica etc..) puede seroptimizada desde el punto de vista de laoptimizada desde el punto de vista de lademanda de energíaEs decir existe un potencial de usoeficiente a nivel de los consumidores, demanera que manteniendo la mismacalidad de servicio, se puede reducir lasinversiones y gastos para elabastecimiento energético.
Este nuevo concepto revolucionó la planificación energética a partir de 1973, en Europa, Japón y USA.En el enfoque antiguo la producción de energía se ajustaba al consumo y se enfocaba este como incontrolable.Se suponía que su disminución solo era posible a costa de perder capacidad de producción industrial y calidad de vida.
Ley URE 2
Indudablemente la importancia que tomo el insumo energético desde esa fecha se debió al fuerte incremento de los precios del petróleo ya que al duplicarse causo un fuerte impacto económico y estratégico.Esto puso en evidencia la vulnerabilidad de todas la economías dependientes de este insumo energético.
Debido a esto se realizaron investigaciones que demostraron que la ineficiencia energética era muy alta ya que al ser la energía muy barata no se justificaban acciones para reducir las pérdidas en los procesos de consumo.A causa de los resultados obtenidos se genero en los países desarrollados una serie de medidas políticas, económicas, legales y financieras con el objetivo de modificar el consumo energético relativo.
Enfoque Moderno: Estas políticas han tenido como resultado que el consumo de energía que antes aumentaba al mismo ritmo que el crecimiento de la economía disminuyera al aplicarse los programas de uso racional de energía .
Ley URE 3
Antecedentes de la Ley 7447 enCosta Rica
Los programas de uso racional deben respetar elprincipio básico del sector energía costarricense,que es el suministrar la energía necesaria para eldesarrollo del país, mejorando el nivel de losciudadanosciudadanos.Bajo esta perspectiva el uso eficiente de laenergía pretende reducir el consumo bruto deenergía, sin detrimento de la producción o losservicios.Esto se expresa como “ reducir el consumoespecífico de energía “
Antecedentes
En Costa Rica a pesar de las limitaciones de orden técnico y financiero algunas instituciones lograron el apoyo de organismos internacionales para realizar algunas acciones específicaspara realizar algunas acciones específicas importantes en el uso racional de la energía en los sectores conocidos como grandes consumidores : industrial, residencial,comercial y del transporte.
Ley 7447
Estos programas fueron dirigidos principalmente a la toma de conciencia en el uso eficiente de la energía en los usuariosTratando de introducir métodos de bajo costo e inversión Pero que no representaron grandes modificaciones en los hábitos o procesos.
Ley URE 4
Ley 7447El poco éxito de estos programas se debió a que se limitaban a informar a los consumidores sobre las posibilidades de ahorro en sus plantas.Los estudios se orientaban básicamente al uso y operación de los equipos consumidores de energía .A pesar de que los autores de estos estudios poseían un alto nivel técnico y los informes proporcionaban bastante información, no se les daba seguimiento y casi siempre se archivaban.
Ley 7447 - Antecedentes
Consumo energético total del país en 1990.Derivados del petróleo 45.9%.Electricidad 15 3%Electricidad 15.3%.Energía biomásica 38.8% .Consumo energético comercial:Derivados del petróleo 65.9%.Electricidad 22% . Biomasa 12.1%
Ley 7447 - Antecedentes
Lo anterior refleja la fuerte dependencia energética de los hidrocarburos.La necesidad de importaciones directas (fuerte salida de divisas).Necesidad de endeudamiento externo para la explotación de los recursos hídricos del país.
Ley URE 5
Ley 7447 - Antecedentes
De los datos anteriores se puede detallar los consumidores finales de la siguiente forma:Sector transporte 64.6%.pSector industrial 21.3%.En lo que respecta a hidrocarburos.Sector residencial 68.8%Industria 27.9%.Lo anterior referido al sector eléctrico.
Ley 7447 - Antecedentes
Estas cifras demuestran la realidad sobre la situación grave para el país en el suministro futuro de la energía en términos macro energéticosenergéticos.Aunado a la creciente demanda eléctrica y a los millones de litros de derivados del petróleo requeridos para el desarrollo del país.
Ley 7447 - AntecedenteEn el anteproyecto de ley se plantea regular la fabricación o importación de equipos que den el mismo servicio consumiendo menos energía por ejemplo motores eléctricos, cocinas, iluminación, j p , , ,calentadores de agua y refrigeradoras.Los usos específicos en cada sector representaban una gran oportunidad de conservación de energía con la entrada de equipos nuevos ya sea para el reemplazo o para el suministro a los nuevos usuarios.
Ley URE 6
Ley 7447 - Antecedente
El proyecto se oriento en el análisis financiero sobre los ahorros en electricidad y petróleo por ser los energéticos comerciales más relevantesser los energéticos comerciales más relevantes.Pero además considero el desarrollo de proyectos con otras fuentes energéticas tales como la leña, el carbón mineral u otras fuentes energéticas no convencionales.
Ley 7447 - Antecedentes
Se designó al MINAE como el ente encargado del programa de uso racional de la energía correspondiéndole la elaboración, coordinación y supervisión del programasupervisión del programa.También se le asignaron facultades a las instituciones del sub-sector energía: ICE, RECOPE, SNE (actual ARESEP), CNFL.
Conformación de la Ley 7447
Consta de 26 artículos agrupados en 7 capítulos.La primera parte obliga a los grandes consumidores a ejecutar programas internos de conservación de energía (regulados por el MINAE) y llevados a la prácticas por los colegios profesionales.
Ley URE 7
Ley 7447 ArticuladoIncentivos : el articulo 10 permite otorgar incentivos a las empresas Macro consumidoras que realicen medidas que requieran alta inversión, estos están conferidos en las leyes de incentivos para la producción i d t i l l d ió d l d ll i tífiindustrial y la de promoción del desarrollo científico y tecnológicoLa razón de esto es que a nivel mundial el éxito de los programas de conservación se han basado en políticas muy agresivas de incentivos .
Ley 7447 Articulado
La segunda parte de la ley promueve la regulación de la fabricación e importación de equipo energético eficienteEl estado debe definir las características mínimas para obtener un menor consumo específico de energíaobtener un menor consumo específico de energía.Por un lado incentivando la producción nacional y por otro incrementando los impuestos de consumo para los equipos nacionales o importados que no cumplan con las características señaladas por el MINAE
Para realizar una auditoria del sistema de energíaeléctrica de una planta industrial o de un edificiose requiere reunir la siguiente información:
1-Conocer la tarifa eléctrica .2-Conocer las características del sistema dedistribución:
A Cargas debidas a motores eléctricosA-Cargas debidas a motores eléctricos.B-Factor de potencia y demanda.C-Estudio del sistema de iluminación existente.
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Antes que una instalación pueda ser analizada,deberá tenerse un conocimiento detallado ycuidadoso de la forma como se factura el consumode electricidadde electricidad.La auditoria debe poner al descubierto que accionesdeberán ponerse en práctica y realizar un análisisefectivo del costo/ .beneficio.
Cargos Básicos de una TarifaEléctrica
Elementos principales de la facturación:1-Demanda o carga máxima en KW.2-Consumo de energía en KWH3-Factor de potencia expresado en KVA o KVAR.
Elementos secundarios de facturación:Elementos secundarios de facturación:1-Factor Térmico.2-Hora del Día.3-Estación del año.4-Alumbrado público.5-Pérdidas por transformación.6-Alquiler de transformadores.7-Cogeneración.
Tarifa Eléctrica2- Demanda: La electricidad es medida y vendidaen kilowatios – hora, el costo de producir y entregareste producto no es estrictamente proporcional a lacantidad de electricidad.
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Demanda en Kilowatios de una instalación o sistema eléctricoes la carga promedio obtenida de una fuente de suministro enlas terminales de recibo o entrada durante un intervaloespecífico de tiempo En cualquiera de los intervalos de tiempomostrados el área bajo la curva es exactamente igual al áreabajo la curva de potencia.
La equivalencia de estas dos áreas muestran que la demandapara el intervalo es aquel valor de potencia el cual si lomantenemos constante sobre el intervalo, producirá el mismoconsumo de energía que la potencia real. Es por lo tanto elpromedio de la potencia real sobre el intervalo de demanda.
Intervalo de Demanda
La definición del intervalo de demanda es irrelevantepara cargas estables a lo largo del tiempo, debido aque diferentes medidores con distintos intervalos dei t ió d l d d d á l iintegración de la demanda darán los mismosresultados.Si la carga es fluctuante, la máxima lectura delmedidor será función del intervalo de tiempo delmedidor y de la carga. El intervalo de demanda mascomún es el de 15 minutos y es el utilizado en C.R
FACTOR DE CARGAEl factor de carga ( FC ) o eficiencia en lautilización de de la demanda se calcula así :FC = KWH
KW maxDonde :KWH : es la energía consumida durante el periodode tiempo analizado.KW max : es la potencia máxima demandadadurante el periodo de tiempo analizado.El factor de carga indica el esfuerzo que se hacepara programar en el tiempo el uso de la carga .
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Reduciendo el monto del reciboeléctricoAsí como hay tres factores principales en el cobrodel servicio eléctrico, existen también tres formasbásicas para reducir el monto de dicho recibo:
A-Nivelar la demanda.B-Corregir el factor de potencia.C-Disminuir el consumo de energía.
Reduciendo el consumo de energíaMuchos de los pasos a seguir en la nivelación de lademanda automáticamente reducirán el consumo deenergía.Pasos a seguir para disminuir el consumo de energía:
A-Uso de motores de inducción de alta eficiencia para evitarpérdidas por calor o fricciónpérdidas por calor o fricciónB-Distribuir en el tiempo el uso de ventiladores, aireacondicionado, calentadores de agua etc.C-Diseñar los sistema de alumbrado considerando lainstalación de un número adecuado de interruptores separadosdejando la posibilidad de que las lámparas se apaguen por filaso sectores sin afectar la uniformidad de la iluminación.D-Reducir la iluminación de oficinas en horas no laborables yapagarlas cuando no están en uso.
Reduciendo el consumo de energía
Utilizando dimers, sensores de movimiento etc.,E-Aprovechando al máximo la luz natural.F-Dando mantenimiento a las luminarias.G-Evitando la sobre-iluminación y utilizando fuentesde luz de máximo rendimiento ya que la iluminaciónrepresenta un punto clave en el ahorro energético.
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5 Corrección del factor de potenciaIntroducción: El requerimiento total de potencia de una cargaesta compuesto de dos elementos a saber la parte activa y laparte reactiva. La porción activa de una carga no puedesumarse directamente al componente reactivo debido a quese encuentra a 90 grado fuera de fase con el otro.L t i ti k i t lLa potencia activa pura se expresa en kw, mientras que lapotencia reactiva se expresa en kvar (kilo voltio – amperiosreactivos). Para calcular el total de carga de voltio - amperios(kva) es necesario analizar el triángulo de potencia.La potencia nominal normal de un motor se expresa comocaballo de fuerza, para relacionar los hp de un motor aún kwse multiplica los hp X .746 y se divide por la eficiencia delmotor.
Continuación factor de potenciakVA= HP X 0.746
Ef X PfLos rendimientos o eficiencias del motor y losfactores de potencia varían con la carga.P j l f t d t i l ditPara mejorar el factor de potencia el auditorenergético debe reunir la siguiente información:
Factor de potencia de la plantaDatos de placa de los motoresConocer el tipo de iluminación utilizada y el factor depotencia de las luminarias.
Corrigiendo el factor de potenciaLos factores de potencia atrasados (menores que 100%) soncausados por cargas inductivas: motores de inducción,equipos de soldadura, lámparas fluorescentes,transformadores, anuncios de neón etc. Que requierenpotencia reactiva para suplir las corrientes de magnetización.Sin medidas correctivas, esta potencia reactiva fluye entre lascargas y la fuente de alimentación requiriendo mayorcapacidad de generación y mayores líneas de transmisión,transformadores y alimentadores. El factor de potencia en uncircuito es simplemente el nombre dado a la relación entre “lapotencia activa” (real) que es usada para producir trabajo y la“potencia aparente“ tomada de la línea, aún cuando norealiza ningún trabajo útil la potencia aparente en kva esmayor que la potencia real en kw.
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La mayor contribución para un bajo factor de potencia lada el motor de inducción estándar. El factor de potenciavaría con el tamaño del motor el problema se agravacuando estos motores son operados bajo condiciones dedemanda menores que su potencia nominal, es decircuando el motor a sido sobre dimensionado.La razón de esto es que la potencia reactiva necesariapara suplir las corrientes de magnetización es la misma,p p gmientras que la potencia real baja radicalmente con lacarga.Otra razón de un bajo factor de potencia la dan las cargasde grandes lámparas fluorescentes no compensadas,debido al reactor del balastro que produce factores depotencia de 0.45 a 0.50.
Formas de mejorar el factor depotencia (F.P)
1-Uso de motores sincrónicos ya que estos tienen lacapacidad de mantener un alto factor de potencia pero sucosto es muy alto comparado con el motor de inducciónequivalente con su correspondiente equipo corrector delF.P.2-Uso de condensadores sincrónicos, están diseñados solopara corregir el FP y no pueden manejar cargas mecánicas(poco usados).3-Uso de capacitores: Si el FP es muy bajo con un altorecargo tarifario, el banco puede ser ubicado directamentedespués de los transformadores esto reducirá el monto delrecibo pero no brinda beneficios en términos de incrementode la capacidad del sistema eléctrico de la industria.
Mejoras del FP
Si la industria cuenta con su estación eléctrica, el bancopuede ubicarse después de ella, esto reduce la facturaeléctrica y aumenta la capacidad del sistema. Otra opción esinstalar los capacitores directamente en los motores, estotiene la ventaja de instalación en grupo, aumenta lacapacidad del sistema, mejora los niveles de tensión y reducelas pérdidas de potencia.Operar los motores de inducción a plena carga: esto evitauna mayor intensidad de arranque, también es recomendableutilizar motores pequeños para evitar el sobredimensionamiento.
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Ventajas de corregir el factor depotencia
Aunque en este momento no se esta penalizando el bajofactor de potencia en Costa Rica es importante conocer lasventajas económicas y técnicas que este procedimiento deahorro tiene ya que según lo manifestado por el IngenieroEduardo Ramírez ya se están haciendo los cambios en elyreglamento de servicios eléctricos y pronto se procederá alcobro.Ventajas:
1-Reducción de pérdidas del sistema,estas pérdidas sondirectamente proporcionales al cuadrado de la corriente quecircula.2-Aumento de la capacidad del sistema: Cuando el FP esmejorado la cantidad de corriente reactiva que circulaba por lostransformadores, alimentadores, tableros, cables etc., sedisminuye
por lo tanto se disminuye la sobre carga y se aumentala capacidad del sistema.3-Se mejora la regulación del voltaje al mejorar el FPj g j jse aumenta el nivel de voltaje.4-Disminuye los costos de energía.
IntroducciónLos estándares de iluminación han sido adoptadospor los ingenieros diseñadores para mantener unaalta productividad y condiciones seguras en eltrabajo y el hogar. Los niveles de luz han sido
t bl id b á d di i destablecidos basándose en mediciones deparámetros fisiológicos . El uso de luminarias enuna planta industrial o un edificio puede llegar a sermuy costosa si se aplica en forma inadecuada yaque puede producir un gasto excesivo de energía
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Principios de la iluminaciónadecuada
El sistema de iluminación de una planta debe cumplir conciertos requerimientos mínimos que recompensen su costo.La optimización de la energía y la mejor productividad sonmetas que se deben tener presentes cuando se evalúa unsistema de iluminación .E t l b fi i di t i di t il i ióEntre los beneficios directos e indirectos que una iluminaciónadecuada debe proveer están:
1-Visibilidad optima al trabajo que se realiza.2-Estética .3-No fatigar la vista.4-Establecer una buena calidad luminosa .5-Evitar reflejos luminosos.Todos estos factores contribuyen al aumento de laproductividad y de la seguridad.
Conceptos importantesColor : El ojo humano responde de diferente manera hacialos distintos colores. Para entender como el ojo humano velos colores es necesario aclarar dos conceptos : la aparienciay el rendimiento del color.La apariencia del color se refiere a la temperatura, es decir ,p p , ,a la percepción del ojo hacia la fuente de luz.El rendimiento del color se refiere a la apariencia que lafuente lumínica le da a un objeto. Los tipos de lámparastienen diferentes rendimientos de color, por lo que esimportante conocer la aplicación específica para escoger lalámpara mas adecuada.
OCE # 1 : Reemplazar las lámparasexistentes por otras mas eficientesexistentes por otras mas eficientes
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OCE #2: Instalar tragaluces
OCE #3: Reducir niveles de iluminaciónOCE #3: Reducir niveles de iluminación
OCE #4 R d i l tid d dOCE #4: Reducir la cantidad deluminarias respecto a la altura
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Oce # 5 Remover BalastosOce # 5 Remover Balastos
OCES #6: Instalar Balastos de AltaEficienciaEficiencia
OCES #7: Mantenimiento deLá L i iLámparas y Luminarias
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OCES #8: Oportunidades Generalesde Conservación
1-Utilizar colores claros para techos, paredes, pisos ymuebles.2-No mezclar marcas de lámparas y balasto, esto evita lasobre iluminación o utilizar balasto equivocados. Estoacortará la vida de las lámparas y aumenta el consumop yde energía.3-Evaluar el rendimiento lumínico basado en el radio delúmenes por watt de las lámparas.4-Instalar aparatos para controlar la iluminación (fotoceldas, censores de presencia temporizadores etc.)estos hacen posibles reducir los controles energéticos enforma significativa. Se debe investigar y consultar con losproveedores para obtener la información mas reciente.
