Cómo Funcionan Las Redes Eléctricas

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Hay buenas razones por las que el sistema de distribución de la red eléctrica funciona de la manera en que lo hace, aunque puede dar lugar a grandes problemas. Aprende cómo funcionan las redes eléctricas.

La energía eléctrica se parece un poco al aire que respiras: no piensas realmente en ello hasta que falta. El poder es simplemente "allí", satisfaciendo todas tus necesidades, constantemente.

Es solo durante un corte de energía, cuando entras en una habitación oscura y pulsas de forma instintiva el interruptor de luz inútil que te das cuenta de lo importante que es el poder en tu vida diaria.

Utiliza energía eléctrica para calefacción, refrigeración, cocción, refrigeración, luz, sonido, entretenimiento, computadoras, dispositivos móviles y tal vez incluso su automóvil. Sin poder, la vida tal como la conocemos no existe.

La energía eléctrica viaja desde la planta de energía a su casa a través de un increíble sistema llamado red de distribución de energía. La red es bastante pública: si vives en un área suburbana o rural, lo más probable es que esté a la vista de todos. De hecho, es tan público que es probable que ni siquiera lo note. Es probable que su cerebro ignore todas las líneas eléctricas porque las ha visto con tanta frecuencia.

Aunque la mayoría de nosotros damos por sentado la red eléctrica, no es nada simple. Hay 450,000 millas (724,205 kilómetros) de líneas eléctricas de alto voltaje y 160,000 millas (257,500 kilómetros) de líneas aéreas de transmisión en los Estados Unidos que conectan plantas de energía eléctrica a hogares y negocios [fuente: DOE]. Debido a que no se pueden almacenar grandes cantidades de energía, se debe producir electricidad a medida que se usa [fuente: EIA]. La red de distribución de energía debe responder rápidamente a la demanda cambiante y generar y encaminar continuamente la electricidad hacia donde más se necesita.

La red eléctrica también está evolucionando. Las mejoras en la tecnología ahora nos permiten conectar nuestra propia electricidad generada en el hogar a la red, utilizando paneles solares o generadores eólicos, y recibir el reembolso de los servicios públicos. El gobierno federal de los Estados Unidos también está invirtiendo en una llamada red inteligente que emplea tecnología digital para gestionar más eficientemente los recursos energéticos. El proyecto de red inteligente también ampliará el alcance de la red para acceder a fuentes remotas de energía renovable como la energía geotérmica y los parques eólicos [fuente: DOE].

En este artículo, veremos todos los equipos que llevan la energía eléctrica a su hogar y los tipos de fallas que pueden causar un apagón.

La planta de energia

Un desglose de las principales plantas de energía en los Estados Unidos, por tipo.

Un desglose de las principales centrales eléctricas enLos Estados Unidos, por tipo.

La energía eléctrica comienza en la planta de energía. En casi todos los casos, la planta de energía consiste en un generador eléctrico giratorio. Algo tiene que hacer girar ese generador: podría ser una rueda hidráulica en una represa hidroeléctrica, un motor diesel grande o una turbina de gas. Pero en la mayoría de los casos, lo que hace girar el generador es un turbina de vapor. El vapor puede crearse quemando carbón, petróleo o gas natural. O el vapor puede venir de un reactor nuclear.

La generación de electricidad es la fuente más grande de emisiones de gases de efecto invernadero en los Estados Unidos [fuente: EPA]. Por eso es tan importante desarrollar más fuentes de energía renovables. En 2014, el 67 por ciento de la electricidad de Estados Unidos provino de combustibles fósiles como el carbón y el gas natural. La energía hidroeléctrica fue la mayor fuente de energía renovable, seguida de la energía solar, eólica y geotérmica. En 2014, el 6 por ciento de la electricidad de Estados Unidos fue producida por energía hidroeléctrica, mientras que la energía solar, eólica y térmica juntos comprendía otro 5 por ciento [fuente: EIA].

No importa qué fuente de energía haga girar el generador, los generadores eléctricos comerciales de cualquier tamaño generan lo que se llama Alimentación trifásica de CA. Para comprender la alimentación de CA trifásica, es útil comprender primero la alimentación monofásica.

La planta de energía: corriente alterna

Potencia monofásica Es lo que tienes en tu casa. Generalmente se habla del servicio eléctrico doméstico como monofásico, servicio de CA de 120 voltios. Si usa un osciloscopio y observa la potencia que se encuentra en una toma de pared normal, lo que encontrará es que la potencia en la placa de pared parece un onda sinusoidal, y esa onda oscila entre -170 voltios y 170 voltios. Los picos son de hecho a 170 voltios; es el voltaje efectivo (rms) que es de 120 voltios.

La velocidad de oscilación de la onda sinusoidal es de 60 ciclos por segundo. El poder oscilante como este generalmente se conoce como CA, o corriente alterna. La alternativa a AC es DC, o corriente continua. Las baterías producen CC: un flujo constante de electrones fluye en una sola dirección, desde el terminal negativo hasta el terminal positivo de la batería.

AC tiene al menos tres ventajas sobre DC en una red de distribución de energía:

  1. Los generadores eléctricos grandes generan CA de forma natural, por lo que la conversión a CC implicaría un paso adicional.
  2. Los transformadores deben tener corriente alterna para funcionar, y veremos que la red de distribución de energía depende de los transformadores.
  3. Es fácil convertir CA en CC, pero es costoso convertir CC en CA, por lo que si eligiera uno u otro, la mejor opción sería AC.

La central eléctrica, por lo tanto, produce aire acondicionado. En la página siguiente, aprenderá acerca de la energía de CA producida en la planta de energía. En particular, se produce en tres fases.

La planta de energía: energía trifásica

La planta de energía produce tres fases diferentes de energía de CA simultáneamente, y las tres fases son desplazamiento 120 grados de cada uno. Hay cuatro cables que salen de cada central eléctrica: tres fases más un neutral o suelo comunes a los tres.

¿Por qué tres fases? ¿Por qué no uno o dos o cuatro? En la potencia monofásica y bifásica, hay 120 momentos por segundo cuando una onda sinusoidal cruza cero voltios. En la alimentación trifásica, en un momento dado, una de las tres fases se acerca a un pico. Los motores trifásicos de alta potencia (utilizados en aplicaciones industriales) y cosas como los equipos de soldadura trifásicos tienen una potencia de salida uniforme. Cuatro fases no mejorarían significativamente las cosas, pero agregarían un cuarto cable, por lo que 3 fases es el punto de asentamiento natural.

¿Y qué hay de este "terreno", como se mencionó anteriormente? La compañía eléctrica esencialmente usa la tierra como uno de los cables en el sistema eléctrico. La tierra es un buen conductor y es enorme, por lo que es un buen camino de retorno para los electrones. (Los fabricantes de automóviles hacen algo similar; usan la carrocería metálica del automóvil como uno de los cables del sistema eléctrico del automóvil y unen el polo negativo de la batería a la carrocería del automóvil). el suelo "eso está a tu alrededor cuando estás caminando afuera. Es la tierra, las rocas, las aguas subterráneas, etc., de la tierra.

La subestación de transmisión

Imagine conectar su computadora a cualquier toma de corriente eléctrica de su hogar y tener acceso a Internet de alta velocidad al instante. Este servicio ya está disponible en algunas ciudades de los Estados Unidos, pero hay grupos y agencias gubernamentales que luchan para bloquear

Imagine conectar su computadora a cualquier toma de corriente eléctrica de su hogar y tener acceso a Internet de alta velocidad al instante. Este servicio ya está disponible en algunas ciudades de los Estados Unidos, pero hay grupos y agencias gubernamentales que luchan para bloquear

La potencia trifásica sale del generador y entra en una subestacion de transmision en la central eléctrica. Esta subestación usa grandes transformadores para convertir o "aumentar" el voltaje del generador a voltajes extremadamente altos para la transmisión a larga distancia en la red de transmisión. Los voltajes típicos para transmisión de larga distancia están en el rango de 155,000 a 765,000 voltios. Cuanto más alto es el voltaje, menos energía se pierde debido a la resistencia [fuente: UCSUSA].

Una distancia de transmisión máxima típica es de aproximadamente 300 millas (483 kilómetros). Las líneas de transmisión de alto voltaje son bastante obvias cuando las ves. Son enormes torres de acero tendidas en una línea que se extiende hacia el horizonte.

Todas las torres de alta tensión tienen tres cables para las tres fases. Muchas torres también tienen cables adicionales a lo largo de la parte superior de las torres. Estos son cables de tierra y existen principalmente en un intento de atraer rayos.

La red de distribución de energía

El lugar desde donde la electricidad se convierte.

El lugar donde la electricidad se convierte de "transmisión" a "distribución" ocurre en una subestación eléctrica.

Para que la energía sea útil en una casa o negocio, se sale de la red de transmisión y es Bajó A la red de distribución. Esto puede suceder en varias fases. El lugar donde se produce la conversión de "transmisión" a "distribución" es en un subestacion de energia. Una subestación de energía típicamente hace dos o tres cosas:

  • Tiene transformadores que "reducen" los voltajes de transmisión (en el rango de decenas o cientos de miles de voltios) hasta voltajes de distribución (por lo general, menos de 10,000 voltios).
  • Tiene un "bus" que puede dividir el poder de distribución en múltiples direcciones.
  • A menudo tiene interruptores automáticos e interruptores para poder desconectar la subestación de la red de transmisión o desconectar líneas de distribución separadas de la subestación cuando sea necesario.

El poder va del transformador al bus de distribucion. El bus distribuye electricidad a las líneas de distribución local. El bus tiene sus propios transformadores que también pueden reducir o aumentar el voltaje según las necesidades de energía locales.

En el bus, puede haber dos conjuntos separados de líneas de distribución a dos voltajes diferentes. Los transformadores más pequeños conectados al bus reducen la potencia a la tensión de línea estándar (generalmente 7,200 voltios) para un conjunto de líneas, mientras que la potencia sale en la otra dirección a la tensión más alta del transformador principal.

La próxima vez que conduzca por la carretera, puede mirar las líneas eléctricas con una luz completamente diferente. En un poste de servicios públicos típico, los tres cables en la parte superior de los polos son los tres cables para la alimentación trifásica. El cuarto cable más abajo en los polos es el cable de tierra. En algunos casos, habrá cables adicionales, por lo general, líneas de teléfono, televisión por cable o Internet en los mismos polos.

Las líneas que llevan un voltaje más alto deberán reducirse aún más antes de ingresar a los edificios residenciales y la mayoría de las empresas. Esto sucede a menudo en otra subestación o en pequeños transformadores en algún lugar de la línea. Por ejemplo, a menudo verá una gran caja verde (quizás 6 pies o 1,8 metros de lado) cerca de la entrada a una subdivisión. Está realizando la función de reducción para la subdivisión.

El banco regulador

Las aves se posan en una línea eléctrica. Note que hay tres cables que vienen del polo.

Las aves se posan en una línea eléctrica. Note que hay tres cables que vienen del polo.

También encontrará bancos reguladores ubicados a lo largo de la línea, ya sea subterráneos o en el aire. Los bancos reguladores sobre el suelo parecen tres transformadores del tamaño de un cubo de basura sostenidos por dos postes de servicios públicos. Regulan el voltaje en la línea para evitar condiciones de baja tensión y sobretensión. El banco regulador trabaja para mantener un constante de 7.200 voltios que recorre el vecindario con tres cables (con un cuarto cable de tierra más abajo en el polo).

La mayoría de los hogares y las empresas solo necesitan energía monofásica, por lo que normalmente verá tres cables que se ejecutan en una calle principal, y grifos corriendo en las calles laterales. Las tomas en los postes de servicios públicos pueden configurarse para entregar energía monofásica o bifásica a residencias y edificios comerciales.

Generando energía a tu casa

La conexión a tierra, o conexión a tierra eléctrica, proporciona una buena ruta de retorno para los electrones. Aprenda sobre la tierra y el sistema de distribución de energía, desde cables de tierra hasta cables desnudos.

La conexión a tierra, o conexión a tierra eléctrica, proporciona una buena ruta de retorno para los electrones. Aprenda sobre la tierra y el sistema de distribución de energía, desde cables de tierra hasta cables desnudos.

¡Y finalmente estamos en el cable que lleva la energía a tu casa! Más allá de una casa típica, un conjunto de postes con una fase de potencia (a 7,200 voltios) y un cable de tierra (aunque a veces habrá dos o tres fases en el poste, según la ubicación de la casa en la red de distribución). En cada casa, hay una tambor transformador unido al polo.

En muchos barrios suburbanos, las líneas de distribución son subterráneo y hay cajas de transformadores verdes en cada casa o dos.

El trabajo del transformador es reducir los 7,200 voltios hasta el 240 voltios Eso conforma el servicio eléctrico normal del hogar. Veamos este polo una vez más, desde abajo, para ver qué está pasando:

  • Tenga en cuenta que hay un cable desnudo que corre por el polo. Este es un cable a tierra. Cada poste de utilidad en el planeta tiene uno. Si alguna vez observa a la compañía de energía instalar un nuevo poste, verá que el extremo de ese cable desnudo está grapado en una bobina a la base del poste y, por lo tanto, está en contacto directo con la tierra, funcionando de 6 a 10 pies (1,8). a 3 metros) bajo tierra. Es una buena conexión a tierra sólida. Si examina un poste con cuidado, verá que el cable de tierra que corre entre los polos (y con frecuencia los cables de retención que vienen de los lados) está conectado a esta conexión directa a tierra.
  • Hay dos cables que se están quedando sin el transformador y tres cables que van a la casa. Los dos del transformador están aislados, y el tercero está vacío. El cable pelado es el cable a tierra. Los dos cables aislados llevan 120 voltios, pero están desfasados ​​180 grados, por lo que la diferencia entre ellos es de 240 voltios. Esta disposición le permite a un propietario usar aparatos de 120 voltios y 240 voltios. El transformador está cableado en este tipo de configuración:

Cómo funcionan las redes eléctricas: funcionan

La falla masiva de energía en 2003 ilustró un problema importante inherente al sistema de distribución de electricidad estándar.

Los 240 voltios entran en tu casa a través de un medidor de vatios-hora, que mide su consumo eléctrico para que la compañía eléctrica pueda cobrarle por instalar todos esos cables. En el pasado, los lectores de medidores revisaban periódicamente su medidor para registrar su uso. Como parte de la actualización nacional a la tecnología de redes inteligentes, millones de medidores residenciales ahora han sido reemplazados por contadores inteligentes Que se comunican directamente con la compañía eléctrica. La utilidad no solo puede leer su medidor de forma remota, sino que se le notifica instantáneamente en caso de un corte de energía, lo que acelera el tiempo de recuperación [fuente: DOE].

Dispositivos de seguridad: Fusibles

La energía entra en una casa a través de un panel de interruptor de circuito.

La energía entra en una casa a través de un panel de interruptor de circuito.

Los fusibles y disyuntores son dispositivos de seguridad. Digamos que no tenía fusibles ni interruptores en su casa y algo "salió mal". ¿Qué podría salir mal? Aquí hay unos ejemplos:

  • Un motor de ventilador quema un rodamiento, se apodera, se sobrecalienta y se derrite, causando una conexión directa entre la alimentación y la tierra.
  • Un cable se suelta en una lámpara y conecta directamente la alimentación a tierra.
  • Un ratón mastica a través del aislamiento en un cable y conecta directamente la alimentación a tierra.
  • Alguien accidentalmente aspira un cable de la lámpara con la aspiradora, cortándolo en el proceso y conectando directamente la alimentación a tierra.
  • Una persona está colgando una imagen en la sala de estar y el clavo que se usa para dicha imagen sucede para pinchar una línea de alimentación en la pared, conectando directamente la energía a la tierra.

Cuando una línea eléctrica de 120 voltios se conecta directamente a tierra, su objetivo en la vida es bombear tanta electricidad como sea posible a través de la conexión. Ya sea el dispositivo o el cable en la pared estallarán en llamas en tal situación. (El cable en la pared se calentará como el elemento en un horno eléctrico se calienta, es decir, ¡muy caliente!).

UNA fusible es un dispositivo simple diseñado para sobrecalentarse y quemarse extremadamente rápido en tal situación. En un fusible, una pieza delgada de lámina o alambre se vaporiza rápidamente cuando una sobrecarga de corriente corre a través de él. Esto mata la energía del cable inmediatamente, protegiéndolo contra el sobrecalentamiento. Los fusibles deben reemplazarse cada vez que se queman, por lo que muy pocas casas los utilizan.

UNA cortacircuitos utiliza el calor de una sobrecarga para disparar un interruptor y, por lo tanto, los interruptores automáticos se pueden reiniciar. El poder entra en la casa a través de un panel de interruptor de circuito. Dentro del panel del disyuntor hay dos cables primarios del transformador que entran al Interruptor del circuito principal en la cima. El interruptor principal le permite cortar la energía de todo el panel cuando sea necesario. Dentro de esta configuración general, todos los cables para las diferentes salidas y luces de la casa tienen cada uno un interruptor o fusible separado.

Si el disyuntor está encendido, entonces la energía fluye a través del cable en la pared y finalmente llega a su destino final, el salida.

Sistemas de energía renovable conectados a la red

Si vives en estados como Arizona, Nuevo México y Nevada, vale la pena tener paneles solares. La ciudad de Tucson, Arizona, tiene un promedio de más de 3,800 horas de sol al año [fuente: Resultados actuales]. En el pasado, si quería generar su propia energía utilizando recursos renovables como paneles solares o turbinas eólicas, tendría que operar "fuera de la red", desconectado de la red eléctrica de su empresa eléctrica local.

Ahora, gracias a las actualizaciones en la tecnología y los cambios en las políticas y regulaciones, la mayoría de los estados y las empresas de servicios públicos permiten que las personas generen su propio poder y permanezcan vinculadas a la red más grande.

¿Como funciona? Armados con un medidor eléctrico especial y algunos equipos de inversión actuales, los propietarios pueden aprovechar recursos renovables como la luz solar y el viento para complementar la electricidad que reciben de la red. Si es un día nublado en Tucson, las personas con hogares conectados a la red no tienen que leer en la oscuridad.Pueden usar la electricidad de la red principal tanto o tan poco como quieran.

Aún mejor, si los propietarios pueden generar más energía de la que necesitan, el servicio público local les comprará el exceso de energía, esencialmente "haciendo retroceder el medidor" [fuente: DOE].

Batería de casa

Un inconveniente de los sistemas tradicionales de energía solar atados a la red es que los consumidores utilizan la mayor parte de su electricidad en la mañana y en la noche, mientras que la producción de energía solar alcanza su punto máximo a la mitad del día. En esencia, los propietarios venden su energía diurna a la empresa de servicios públicos y la compran de noche. En 2015, Tesla Motors, la compañía de automóviles eléctricos, anunció su sistema Powerwall, una batería de iones de litio montada en la pared que almacena kilovatios de energía generada por energía solar en el hogar, recargable y lista para usar [fuente: Tesla].

¿Qué causa los apagones?

La Estatua de la Libertad fue una de las pocas estructuras que no se vieron afectadas por el enorme apagón de 2003 que paralizó la ciudad de Nueva York y las regiones cercanas.

La Estatua de la Libertad fue una de las pocas estructuras que no se vieron afectadas por el enorme apagón de 2003 que paralizó la ciudad de Nueva York y las regiones cercanas.

Justo después de las 4 p.m. el 14 de agosto de 2003, una gran franja del este de los EE. UU. y Canadá se oscureció. El apagón masivo de 2003 afectó a 50 millones de personas en ocho estados de EE. UU. Y la provincia canadiense de Ontario. El poder en algunas áreas no se restauró durante dos días [fuente: USCPSOTF].

Aunque los apagones de esta magnitud son raros, llaman la atención sobre las debilidades en el sistema de red eléctrica. La red eléctrica estadounidense-canadiense está compuesta en realidad por tres redes separadas: la Interconexión Oriental, la Interconexión Occidental y la Interconexión ERCOT (también conocida como Interconexión de Texas). Dentro de cada una de estas tres redes, cientos de centrales eléctricas deben producir electricidad para mantenerse al día con las cambiantes demandas de energía a través de la red.

Si una planta de energía deja de funcionar o si se corta una línea de transmisión de alto voltaje, o si falla un generador, otras unidades deben recuperarse. Por lo general, esto no es un problema. Pero cuando la demanda de electricidad es alta, como ocurrió en esa calurosa tarde de agosto de 2003, las fallas aisladas en la red pueden desencadenar una cascada de averías que llevan a millones de personas a quedarse sin electricidad.

La causa del apagón de 2003 fue una combinación de error humano, mal funcionamiento de la computadora y árboles crecidos cerca de líneas eléctricas. Comenzó con algunos generadores que se desconectaron en el norte de Ohio debido a problemas mecánicos. La carga se trasladó a generadores cercanos, pero los árboles crecidos hacían contacto con las líneas eléctricas aéreas, haciendo que esas líneas tropezaran. Las empresas de servicios públicos en la región no tenían sistemas de monitoreo adecuados, por lo que los trabajadores no reconocieron la gravedad de la situación antes de que los generadores de la región se sobrecargaran y cerraran [fuente: USCPSOTF].

Al igual que un disyuntor, los componentes de una red eléctrica pueden "dispararse" y apagarse cuando una carga es peligrosamente alta. El resultado es que la carga se pasa a otras partes de la red de la red, que también puede cerrarse, creando un efecto dominó que lleva a un apagón.

Si bien el error humano y el mal funcionamiento de la computadora pueden remediarse, no hay muchas empresas de servicios públicos que puedan hacer frente al mal tiempo. El clima severo (fuertes vientos, rayos, fuertes nevadas) es la causa número 1 de cortes de energía en los Estados Unidos [fuente: DOE].

La próxima vez que conduzca por la carretera y mire las líneas eléctricas, o la próxima vez que encienda una luz, esperamos que tenga una mejor comprensión de lo que está sucediendo. La red de distribución de energía es verdaderamente un sistema increíble.


Suplemento De Vídeo: Clases de Redes Eléctricas - Aprende con CENS.




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