Unidad 1 Sep

7/27/2019 Unidad 1 Sep

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TECSUP PFR Sistemas Elctricos de Potencia

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Unidad I

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1. SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA.Los sistemas elctricos de potencia, estn constituidos por:

La fuente de electricidad (centrales de generacin elctrica). Las lneas de transporte (lneas de transmisin, subtransmisin y distribucin). Los centros de transformacin (subestaciones de transformacin) . Los consumidores (cargas).La generacin en nuestro pas, en su mayor parte, es de origen hidrulico y, enmenor porcentaje, de origen trmico. Las centrales hidrulicas, se encuentranalejadas de los grandes centros de consumo por lo que se requiere de lneas detransporte en alta tensin (A.T.) a fin de llevar la energa elctrica desde lascentrales a los centros de consumo. La razn de elevar el nivel de tensin es lade reducir las prdidas por efecto Joule y reducir las cadas de tensin. El nivelde tensin se eleva en las subestaciones elevadoras que se encuentran cercanasa la generacin. Una vez que la energa se encuentre en los grandes centros de

consumo, se distribuye a los usuarios a niveles de tensin ms manejable,evidentemente que para reducir el nivel de tensin habr que emplearsubestaciones reductoras.

Figura 1.1 Partes de un sistema elctrico de potencia

Lnea detransmisin

subestacinPresa de lago artificial

Generador


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Sistemas Elctricos de Potencia TECSUP PFR

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2. CARACTERSTICAS QUE INFLUYEN EN LA GENERACIN Y TRANSPORTEDE LA ENERGA ELCTRICA

La generacin y el transporte de la energa elctrica tiene bsicamente trescaractersticas fundamentales, ellas son:

La electricidad a diferencia del gas y del agua, no puede almacenarse y elproductor de la energa elctrica tiene poco control sobre el consumo encualquier instante.

Figura 1.2 La electricidad no se almacena en grandes volmenes.

Uno de los objetivos de la operacin de un sistema de potencia es hacer quela potencia generada en las centrales sea igual a la potencia que demandanlos usuarios a todo instante, manteniendo los niveles de tensin y corriente.

Para ello se parte de un estudio de carga diaria como se muestra en la figura1.3 donde la carga se puede dividir en dos componentes, una carga constantellamada carga base y otras cargas llamadas picos, que dependen de la hora.

La carga se incrementa en forma continua por lo que el sistema de potenciadebe adicionar centros de generacin con la finalidad de satisfacer elcrecimiento de la demanda. Asimismo las lneas de transporte deben deproyectarse de tal manera que estn preparados a modificaciones y/oampliaciones con el correr de los aos.


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Figura 1.3 Diagrama de carga

Para generar electricidad se requiere de combustible, como el carbn,petrleo, gas; o de energa potencial de ros; todos ellos generalmentealejados de los centros de consumo de electricidad, por lo que uno de losproblemas consiste en localizar la central de generacin y la distancia detransporte que influye directamente en el costo.

Un aspecto adicional es la influencia sobre el paisaje y la ecologa.

Figura 1.4 Fuentes de energa: potencial, petrleo y carbn.


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3. TRMINOS DE USO FRECUENTEA continuacin se definen algunos trminos empleados en los sistemas de

potencia:

Sistema.- se utiliza para describir la red elctrica completa, incluyendo lageneracin, transmisin y cargas.

Carga.- esta expresin puede utilizarse para describir: Un consumidor o conjunto de consumidores de energa elctrica, por

ejemplo motores elctricos. Un circuito alimentador determinado que distribuye energa elctrica. La potencia o corriente que pasa a travs de una lnea o mquina.

Barra de distribucin.- conexin elctrica de impedancia cero que unevarios aparatos o elementos como lneas, cargas, etc. Generalmente es decobre o de aluminio.

Conexin a tierra.- la conexin de un conductor o armazn de undispositivo al sistema de puesta a tierra. El objetivo es tener una resistenciaentre el aparato y el sistema de tierra por debajo de los lmites establecidospor la norma. El sistema de tierra consiste en enterrar grandes conjuntos devarillas de cobre en un terreno tratado y emplear conectores de seccin

grande.

Avera.- consiste en un mal funcionamiento de la red de potencia,normalmente debido a un defecto del aislamiento.

Seguridad en el suministro.- uno de los objetivos primordiales de laoperacin de un sistema elctrico de potencia es la de asegurar la continuidaddel suministro a los consumidores y que est servicio este disponiblepermanentemente. Es por ello que los sistemas de potencia son mallados,para garantizar la continuidad del servicio por varios caminos.

4. GENERACIN DE ELECTRICIDADUna central elctrica es una instalacin capaz de convertir la energamecnica, obtenida de otras fuentes de energa primaria, en energa elctrica. Ensu mayor parte la energa mecnica procede de:

La transformacin de la energa potencial del agua almacenada en unembalse.

De la energa trmica suministrada al agua mediante la combustin del gasnatural, petrleo o del carbn, o a travs de la energa de fisin del uranio

(nuclear).


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Otras fuentes que han obtenido una utilizacin limitada hasta la fecha son lasenergas geotrmica y mareomotriz. Tambin se han utilizado para generacin depequeas cantidades de energa elctrica la energa elica y la energa solar.

4.1 CENTRAL HIDROELCTRICAEs aquella en la que la energa potencial del agua almacenada en unembalse se transforma en energa cintica necesaria para mover laturbina (motor primo) y esto al generador, transformando la energamecnica en energa en energa elctrica.Las centrales hidroelctricas seconstruyen en los causes de los ros, creando un embalse para retener elagua. Para ello se construye una presa, apoyado generalmente en algunamontaa. La masa de agua embalsada se conduce a travs de unatubera hacia los labes de la turbina, la cual est acoplada al generador.As el agua transforma su energa potencial en energa cintica, que hacemover los labes de la turbina.

Figura 1.5 Vista Transversal de una Central Hidrulica Francis de 715 MW.

1. Fundacin de la represa.2. Acceso al pozo de la turbina3. Servicio auxiliar de la unidad - sistema de agua pura.4. Sistema de excitacin,5. Transformadores elevadores de tensin.6. Piso de los generadores y salas de control local.7. Sistema de ventilacin.8. Galera de cabos.9. GIS-SF6 (Interruptor con aislamiento de gas: hexafluoruro de azufre)10. Tableros principales del servicio auxiliar AC y sala de los generadores

diesel.

11.Servicio auxiliar de la represa.


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Una central no almacena energa, sino que la produccin sigue a lademanda dada por los usuarios; como esta demanda es variable a lolargo del da, y con la poca del ao, las centrales elctricas pueden

funcionar con una produccin variable.

Sin embargo, la eficacia aumenta si la produccin es constante; para elloexiste un camino para almacenar la energa producida en horas de bajoconsumo, y usarla en momentos de fuerte demanda, mediante lascentrales hidrulicas de bombeo.

Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El aguaalmacenada en el embalse superior produce electricidad al caer sobre laturbina, cubriendo las horas de fuerte demanda.

El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que seaprovecha para bombear el agua desde el embalse inferior al superior,usando la turbina como motor, si esta fuera reversible, o el alternador.

Figura 1.6 Central hidrulica de bombeo

1. Embalse superior2. Presa.3. Galera de conduccin.4. Central elctrica.5. Turbinas.6. Generador y transformador elevador.7. Patio de llaves.8. Salida de lnea.


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4.2 CENTRAL TRMICA NO NUCLEAREs una instalacin en donde la energa mecnica que se necesita para

mover el rotor del generador y por tanto obtener la energa elctrica, seobtiene a partir del vapor formado al calentar el agua en una caldera.

El vapor generado tiene una gran presin al salir de las toberas (coronafija) y llega a las turbinas, para que en su expansin (energa depresin), sea capaz de mover los labes (rotor o rodete ) de las mismas,transformndose en energa mecnica entregando el eje de la turbinaesta energa al generador elctrico.

Este tipo de centrales trmicas son: de carbn, petrleo o de gas natural.El Gas de Camisea, segn los estudios de exploracin realizados por la

SHELL, tiene gran cantidad de metano y sin contenido de azufre, loque favorece la operacin de las centrales trmicas, al tener mayorpoder calorfico para la combustin, con un aumento del saltotrmico disponible, mayor eficiencia trmica y menor contaminacindel medio ambiente.

En dichas centrales la energa de la combustin del carbn, petrleo o gasnatural se emplea para transformar el agua de lquido en vapor.

Estas centrales termoelctricas pueden ser:

Centrales trmicas a vapor ( turbina de vapor) Centrales trmicas de gas ( turbina de gas) Centrales trmicas de ciclo combinado Centrales trmicas de cogeneracin.

Figura 1.7 Central trmica


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1. Combustible, bien sea petrleo, gas o carbn, llega a la centraltrmica desde los almacenamientos situados en los parquesadyacentes a la central. En el caso del carbn, ste se conduce

mediante cintas transportadoras al molino para triturado. El carbnuna vez pulverizado, se mezcla con aire caliente y se inyecta apresin en la caldera para su combustin.

2. La Caldera genera el vapor al ser transformada la energa qumicadel combustible y transformada en energa trmica de flujo, queaccionar los cuerpos de las turbinas.

Despus de accionar stas, el vapor se convierte en lquido en elcondensador. El agua obtenida por la condensacin de vapor de lastorres se somete a diversas etapas de precalentamiento,

desgasificacin ( separa los gases no condensable como el O2 yel CO2 ) y se inyecta de nuevo en la caldera en las condiciones depresin y temperatura ms adecuadas para obtener el mximorendimiento del ciclo. El tipo de calderas usadas en las centralestrmicas son las acuotubulares, por ser de mayor capacidad (flujo de vapor) y alta presin de trabajo.

3. Calentadores, el agua que circula en un circuito constante secalienta sucesivamente entre el calentador y en el sobrecalentador,antes de ser enviada a la turbina.

4. Chimenea, con el objeto de minimizar los efectos de la combustindel carbn sobre el medio ambiente, las centrales trmicas poseenuna chimenea de gran altura (las hay hasta de 300 metros), quedispersan los contaminantes en las capas altas de la atmsfera.Buena parte de dichos contaminantes son retenidos en el interior dela propia central mediante los llamados precipitadores. Tambin secontrola el exceso de aire, los porcentajes de oxgeno, de CO2, COy Nox en ppm con sistemas electrnicos para proteger el medioambiente.

5. Torre de enfriamiento, estas tienen por misin trasladar a laatmsfera el calor extrado del condensador, cuando el sistema deagua de circulacin que refrigera el condensador se opera a circuitocerrado. El calor extrado del condensador puede descargarsetambin directamente al mar o al ro.

6. Turbinas, el rotor de la turbina se mueve solidariamente al rotor delgenerador, despus que el vapor haya accionado los labes de lasturbinas de alta presin, media presin y baja presin.

7. Alternador/transformador.8. Salida de lnea.


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4.3 CENTRAL NUCLEAREs una central trmica en la que acta como caldera un reactor nuclear.

La energa trmica se origina por las reacciones de fisin en elcombustible nuclear formado por un compuesto de uranio. El combustiblenuclear se encuentra en el interior de una vasija hermticamente cerrada.El calor generado en el combustible del reactor y transmitido despus aun refrigerante se emplea para producir vapor de agua, que va hacia laturbina, transformndose la energa en energa elctrica (en elalternador).

Figura 1.8: Central nuclear.4.4 CENTRAL SOLAR

Una central solar, es aquella en la que se aprovecha la radiacin solarpara producir energa elctrica. Este proceso puede realizarse mediante lautilizacin de un proceso fototrmico, o de un proceso fotovoltico. En lascentrales solares que emplean el proceso fototrmico, el calor de laradiacin solar calienta un fluido y produce vapor que se dirige hacia laturbina produciendo luego energa elctrica. El proceso de captacin yconcentracin de la radiacin solar se efecta en unos dispositivosllamados helistatos, que actan automticamente para seguir lavariacin de la orientacin del sol respecto a la tierra.

Existen diversos tipos de centrales solares de tipo trmico, pero las mscomunes son las del tipo torre, con un nmero grande de helistatos.Para una central tipo de 10MW, la superficie ocupada por los helistatos

es de unas 20 hectreas (Ha).

Figura 1.9 Central solar por proceso fotomtrico.


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Las centrales solares que emplean el proceso fotovoltico, hacen incidir laradiacin solar sobre una superficie de un cristal semiconductor llamada

clula fotoelctrica y producir en forma directa una corriente elctrica porefecto fotovoltico. Estos tipos de centrales se estn instalando en pasesdonde el transporte de la energa elctrica se debera realizar desdemucha distancia, y hasta ahora su empleo es bsicamente parailuminacin y algunas aplicaciones domsticas.

Figura 1.10 Central solar por el proceso fotovoltico.

En la figura 1.10 se pueden apreciar las siguientes partes:

Mdulo con celdas solares. Estructura soporte. Caja de distribucin para el cableado del generador. Inversor. Cables y accesorios. Medidor de la alimentacin a la red, acometida, medidor del consumo.

4.5 CENTRAL ELICAUna central elica, es una instalacin en donde la energa cintica del airese puede transformar en energa mecnica de rotacin.

Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con

mltiples palas, orientadas en la direccin del viento. Las palas o hlicesgiran alrededor de un eje horizontal que acta sobre un generador deelectricidad.

A pesar de que un 1% aproximadamente de la energa solar que recibe latierra se transforma en movimiento atmosfrico, esta energa no sedistribuye uniformemente, lo que limita su aprovechamiento.

Existen adems limitaciones tecnolgicas para alcanzar potenciassuperiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad est muyrestringida, en primer lugar, por la zona de vientos fuertes, y en segundo

lugar por razn de su potencia unitaria.


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Figura 1.11 Configuracin de turbinas de viento.

5. CLASIFICACIN DE LAS CENTRALES ELCTRICASSegn el servicio que presten las centrales elctricas, las podemos clasificar, en:

Centrales de base. Centrales de punta. Centrales de reserva. Centrales de socorro.

5.1 CENTRALES DE BASETambin reciben la denominacin de centrales principales. Son lasdestinadas a suministrar la mayor parte de la energa elctricapermanente, es decir, sin interrupciones de funcionamiento de lainstalacin, estando en marcha durante largos periodos de tiempo.

Estas centrales preferentemente nucleares, trmicas e hidrulicas, son degran potencia. Dentro del tipo de centrales trmicas, un ejemplocaracterstico de centrales de base son las instaladas al pie de mina obocamina, las cuales se mantienen en funcionamiento ininterrumpido

haciendo las paradas imprescindibles para operaciones demantenimiento.


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5.2 CENTRALES DE PUNTA.Estn destinadas exclusivamente, para cubrir la demanda de energa

elctrica en las horas de mayor consumo, horas punta. Su funcionamientose puede considerar peridico, en breves espacios de tiempo, o sea, casitodos los das durante determinadas horas.

Han de ser instalaciones de respuesta muy rpida, tanto en lo referente ala puesta en marcha como a la regulacin de sus elementos.

Por tales razones tcnicas, suelen ser centrales de tipo hidrulico otrmico con turbinas de gas, que sirven de apoyo a las calificadas comode base.

5.3 CENTRALES DE RESERVASu intervencin dentro del sistema se planifica segn los conceptos dereservaeconmica y reservatcnica.

El primero tiene por objeto disponer de instalaciones que puedansustituir, total o parcialmente a las centrales de base cuando para stasexista escasez o caresta de las materias primas: agua, carbn, fuel-oil,etc.

Se entiende por reserva tcnica, la necesidad de tener programadasdeterminadas centrales, primordialmente hidrulicas o con turbinas degas, dadas sus caractersticas de rapidez de puesta en servicio, para suplira las centrales de gran produccin afectadas de fallos o averas en susequipos.

5.4 CENTRALES DE SOCORROTienen, prcticamente, igual cometido que las anteriores, pero en estecaso, se trata de pequeas centrales autnomas que pueden sertransportadas fcilmente en camiones, vagones de ferrocarril o barcos

diseados para tal cometido a los lugares donde se requiere su asistencia.

Generalmente son accionados por motores Diesel.

6. GRFICOS DE CARGASGeneralmente se emplean los trminos de energa elctrica suministrada,solicitada, demandada, consumida, etc, sinnimos, todos ellos, por supuesto, deltrabajo producido en una central elctrica. En adelante, hemos de matizar losconceptos, para no caer en errores de peso.Mantenemos el criterio de que, en

una centra elctrica, se produce trabajo o energa elctrica. Ahora bien, elconcepto de energa est ntimamente relacionado con los factores tiempo y


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potencia. De este planteamiento deducimos que, la potencia es la energaproporcionada durante la unidad de tiempo (un segundo)

Pues bien, interpretaremos por potencia o carga de una central, la potenciaque sta suministra o le es solicitada en un instante dado. Por energaproducida, designamos al cmulo de potencia aportada al sistema de consumodurante un determinado nmero de unidades de tiempo. As podremos calcularla energa suministrada por una instalacin en una hora, un da, un mes, un ao,etc.

Si delimitamos una zona de utilizacin de la energa elctrica, como puede ser unsector industrial, una ciudad, una provincia, una nacin, y hacemos un anlisisdel consumo de energa para un perodo definido de tiempo, por ejemplo, un daobservaremos que no permanece constante, estando supeditado a fuertes

oscilaciones. Tal consumo depender, en cada instante, del nmero y potenciade los receptores conectados a la red, llegando a influir en ello hasta lassucesivas estaciones del ao.

En un sistema de coordenadas (fig. 1.12), representamos en la abscisa losintervalos de tiempo en horas por ejemplo, y en ordenadas las sucesivaspotencias o cargas solicitadas a una instalacin. Obtenemos un grfico decargas, en el que, la superficie debajo de la curva, indica la totalidad de laenerga suministrada en el perodo de tiempo marcado.En el grfico, observamosuna potencia mxima y otra mnima, as como un valor de potencia media.Esta ltima, se calcula dividiendo el valor total de la energa suministrada por eltiempo en que se efectu tal suministro. ara una instalacin concreta, podemosdisear grficos de cargas diarios, mensuales, anuales, etc.

Figura 1.12. Diagrama de cargas.


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Qu consecuencias deduciremos si partimos de un grfico que registra elconsumo de una zona abastecida por varias centrales elctricas? Consideremosla curva de carga diaria solicitada por dicha zona (fig. 1.13).

Figura 1.13. Curva de carga diaria

Aunque los estudios de tipo econmico, basados en costos de produccin,mantenimiento, materias primas, etc., son fundamentales para prever lostiempos de funcionamiento de las instalaciones, y as conseguir rendimientosidneos de las mismas, nosotros no vamos a tratar dicho asunto por entenderque est fuera de nuestros objetivos.

Nos centraremos en la participacin de las centrales, segn la clasificacinestablecida, a la vista de los aspectos de la curva representada. Se observa unespacio, limitado por la recta A, en el que la carga de base Pb se mantieneprcticamente constante durante largos intervalos de tiempo. Las centrales debase, son las indicadas para hacer tal suministro.

Durante las horas propias del funcionamiento de las industrias, comercio, etc., seorigina una fuerte demanda de potencia, dando lugar a la carga de punta Pp, lacual es proporcionada por la centrales de punta.

7. CENTRALES HIDROELCTRICASEn este punto trataremos ms en detalle las centrales hidroelctricas en virtud aque en el pas tenemos el mayor grado de centrales hidroelctricas. Para llegar aconocer dichas instalaciones, y saber cmo son, dentro del nivel que nos permiteesta unidad, tenemos que recurrir al estudio de los distintos aspectos que lasrodean y los componentes que las forman. Previamente, estableceremos una

clasificacin de este tipo de centrales, que nos ayudar a entenderadecuadamente el presente tema.


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7.1 CLASIFICACIN DE LAS CENTRALES HIDROELCTRICASSon varios los argumentos que aportan datos para realizar una

clasificacin, suficientemente explcita, de las mismas, en funcin de lascaractersticas tcnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones defuncionamiento.

En primer lugar, hay que distinguir las que utilizan el agua segn discurrenormalmente por el cauce de un ro, y aquellas otras a las que sta llega,convenientemente regulada, desde un lago o pantano.

Se denominan respectivamente:

Centrales de agua fluente. Centrales de agua embalsada.A su vez, y dentro de las centrales de agua embalsada, tenemos las:

Centrales de regulacin. Centrales de bombeo.Asimismo, y en relacin con la altura del salto de agua existente, odesnivel, estn las:

Centrales de alta presin. Centrales de media presin. Centrales de baja presin.A continuacin se exponen unas breves explicaciones sobre cada una delas denominaciones indicadas, teniendo en cuenta que dichasdenominaciones no corresponden a instalaciones nicas perfectamenteaisladas, sino que, en una central, pueden concurrir varias de lascualidades propias de cada uno de los apartados reseados en lapresente clasificacin.

7.1.1 CENTRALES DE AGUA FLUENTELlamadas, tambin, de agua corriente, o de agua fluyente.

Se construyen en los lugares en que, la energa hidrulica, hade utilizarse en instante que se dispone de ella, para accionarlas turbinas hidrulicas (figura 1.14).


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Figura 1.14 Central agua fluente

No cuentan, prcticamente, con reserva de agua, oscilando elcaudal suministrado segn las estaciones del ao.

En la temporada de precipitaciones abundantes, conocida comode aguas altas, desarrollan su potencia mxima, dejandopasar al agua excedente; por el contrario, durante el tiemposeco o de aguas bajas, la potencia producida disminuyeostensiblemente en funcin del caudal, llegando a ser casi nula,en algunos ros, en poca de estiaje.

Estas centrales, suelen construirse formando presa sobre elcauce de los ros, para mantener un desnivel constante en lacorriente de agua.

7.1.2 CENTRALES DE AGUA EMBALSADAEl agua de alimentacin, como ya adelantbamos al establecerla clasificacin, proviene de grandes lagos, o de pantanosartificiales, conocidos como embalses, conseguidos mediante laconstruccin de presas. De todo esto trataremosoportunamente.


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Un embalse es capaz de almacenar los caudales de los rosafluentes, llegando, en ocasiones, a elevados porcentajes decaptacin de agua. El agua embalsada se utiliza, segn

demanda, a travs de conductos que la encauzan hacia lasturbinas. (Figura 1.15)

Figura 1.15. Central agua embalsada

Centrales de regulacinSon centrales con posibilidad de acopiar volmenes de aguaen el embalse, que representan perodos, ms o menosprolongados, de aportes de caudales medios anuales.

Al poder embalsar agua durante determinados espacios detiempo, noche, mes o ao seco, etc., prestan un granservicio en situaciones de bajos caudales, regulndose stosconvenientemente para la produccin.

Se adaptan muy bien para cubrir las horas punta deconsumo.

Centrales de bombeoSuelen denominarse centrales de acumulacin. Se tratade centrales que acumulan caudales mediante bombeo, conlo que, su actuacin, la podemos comparar a la deacumuladores de energa potencial. (Figura 1.16).


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Figura 1.16. Central de bombeo

Para cumplir la misin que da nombre a estas centrales, serecurre a dos sistemas distintos. Refirindonos a un sologrupo, uno de los procedimientos consiste en dotar al mismode una turbina y una bomba, ambas mquinas, confunciones claramente definidas, independientes entre s

(figura 1.17)

Figura 1.17 Central de bombeo con turbina y bomba


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El otro mtodo, se basa en la utilizacin de una turbinareversible (fig. 1.18), que, segn necesidades, puedefuncionar como turbina o como bomba centrfuga, de

manera que, durante las horas de demanda de energa, loscomponentes del grupo se comportan respectivamente:

Mquina motriz como turbina. Generador como alternador.En los perodos de tiempo de muy baja demanda, como sonlas horas de media noche, el grupo se transforma en:

Motor sncrono el generador Bomba centrfuga la mquina motriz

Figura 1.18 Central de bombeo con turbina reversible


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Para ambos sistemas, turbina y bomba o turbina reversible,durante las horas nocturnas, y previas las maniobrasoportunas en la central de bombeo, se prepara al grupo para

que funcione como bomba, una vez que, con otro grupo dela misma central o desde otra hidrulica, trmica o nuclear,se alimenta al generador, el cual hace las funciones demotor sncrono.

De esta forma se consigue retornar agua al embalse,bombeada de la zona de aguas abajo de la instalacin. Estaagua har funcionar, nuevamente, al grupo como equipoproductor de energa, en los perodos sucesivos de demandade la misma. En principio, puede parecer paradjico talsolucin, pero, la razn que justifica tal proceder, radica en

la necesidad de mantener en funcionamiento losalternadores de determinados centros de produccin. Paramejores condiciones tcnicas de las lneas elctricas, esbeneficioso que se suministre energa por stas, aunquesean cantidades pequeas, antes que tenerlas con valoresprcticamente nulos, al objeto de evitar efectos perjudicialesde capacidad, que en dichas lneas y en los propiosgeneradores podran llegar a originarse.

No es, ni mucho menos, una solucin de alto rendimiento,pero se puede admitir como suficientemente rentable, yaque se compensan las prdidas de agua, o combustible, queen todo caso se ocasionan, al tener que estar,necesariamente, en funcionamiento cierto nmero de gruposaccionados con turbinas hidrulicas o de vapor, en las horasmencionadas, por las razones expuestas. En instalaciones debombeo modernas, la puesta en servicio se hace de formainmediata, mediante equipos de mando y control deavanzada tecnologa.

7.1.3 CENTRALES DE ALTA PRESINSe encuentran incluidas en este apartado, aquellas centralescuyo valor de salto hidrulico es superior a los 200 m (alturameramente orientativa); siendo relativamente pequeos loscaudales desalojados, alrededor de 20 m3/s por mquina.Estnubicadas en zonas de alta montaa, donde aprovechan el aguade torrentes que suelen desembocar en lagos naturales (figura1.19). Se utilizan, exclusivamente, turbinas Pelton y turbinasFrancis, que reciben el agua a travs de conducciones de granlongitud.


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Figura 1.19 Central de alta presin

7.1.4 CENTRALES DE MEDIA PRESINSe consideran como tales, las que disponen de saltoshidrulicos comprendidos entre 200 y 20 m aproximadamente,desaguando caudales de hasta 200m3/s por cada turbina.Dependen de embalses relativamente grandes, formados envalles de media montaa. (fig 1.15).

Preferentemente, las turbinas utilizadas son de tipo Francis yKaplan, pudiendo tratarse de turbinas Pelton para los saltos demayor altura, dentro de los mrgenes establecidos.

7.1.5 CENTRALES DE BAJA PRESINSe incluyen, en esta denominacin, las que, asentadas en vallesamplios de baja montaa, el salto hidrulico es inferior a 20 m(fig. 1.14), estando alimentada cada mquina por caudales quepueden superar los 300 m3/s. Para estas alturas y caudales,resulta apropiada la instalacin de turbinas Francis yespecialmente, las turbinas Kaplan.


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7.2 COMPONENTES DE LAS CENTRALES HIDROELCTRICASHacer un listado completo, de todos los elementos que integran una

central hidroelctrica, sera una tarea excesivamente laboriosa. Por talmotivo, vamos a exponer, a grandes rasgos, la relacin de loscomponentes fundamentales que conforman dichas instalaciones, si bien,ya de entrada, la presentamos dividida en dos grandes conjuntos.

En el primero, constan todo tipo de obras, equipos, etc., cuya misinpodemos resumir diciendo que es la de almacenar y encauzar el agua, enlas debidas condiciones, para conseguir posteriormente una accinmecnica. Este conjunto, complementa los temas de estudio de lapresente informacin.

El segundo conjunto engloba los edificios, equipos, sistemas, etc.,mediante los cuales, y despus de las sucesivas transformaciones de laenerga elctrica. Los temas derivados de los mismos, constituyenmaterias de estudio que se tratan, aisladamente, en InformacionesTcnicas independientes de la actual.As tenemos:

Conjunto I:` Embalse. Presa y aliviaderos. Tomas y depsito de carga. Canales, tneles y galeras. Tuberas forzadas. Chimeneas de equilibrio.

Conjunto II: Turbinas hidrulicas. Alternadores. Transformadores. Sistemas elctricos de media, alta y muy alta tensin. Sistema elctrico de baja tensin. Sistema elctrico de corriente continua. Medios auxiliares. Cuadros de control.

El primero de los conjuntos establecidos, se suele identificar como Presa Embalse. El segundo, constituye la autntica Central, encontrndoseas mismo, dentro de dicho conjunto, las instalaciones conocidas comoposiciones de grupos, salida de lneas, subestacin, etc.De la relacintotal indicada, no quiere decir que en una misma central concurran todosy cada uno de los componentes mencionados, pues si bien es cierto que,algunos de ellos, son imprescindibles, como es el caso de turbinas y

alternadores, otros, sin embargo, pueden intervenir o no, dependiendoprincipalmente de las caractersticas del asentamiento de la instalacin.


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As por ejemplo, en una central de agua fluente, no es normal disponerde un depsito de carga. Se deduce por lo tanto que, para formar lascentrales hidroelctricas, se puede realizar una serie de combinaciones de

los referidos componentes, de acuerdo con las caractersticas delemplazamiento y de las potencias y rendimientos que pretenden lograrse.

7.3 CONCEPTOS HIDRULICOSSin nimo de pretender realizar una exhaustiva exposicin terica detodos los trminos hidrulicos, hacemos una resea de aquellos que sonutilizados con mayor frecuencia en el tratamiento de los temas que nosocupan, a fin de tener un recordatorio de los mismos, en lo que adefiniciones y frmulas se refiere. Destacamos los conceptos de:

Nivel. Cota. Caudal. Aforo. Carga. Prdida de carga. Salto de agua.7.3.1 NIVEL Y COTA

Por nivel entendemos la horizontalidad constante de lasuperficie de un terreno, o la que adquiere la superficie libre delos lquidos. Tambin interpretamos como tal, la altura o altitudde dichas superficies o de un punto cualquiera respecto deotro u otros puntos de referencia. Los continuos cambios dehorizontalidad, representan sucesivos cambios de nivel odesniveles entre superficies. Recibe el nombre de cota, el valorde la altura a la que se encuentra una superficie o puntorespecto del nivel del mar. (Figura 1.20).

Figura 1.20 Cota en un lugar determinado


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7.3.2 CAUDAL Y AFORORecordemos que caudal, al que llamamos gasto cuando se trata

de un orificio, es la cantidad de lquido expresada en metroscbicos o en litros,, que circula a travs de cada unaconduccin abierta o cerrada en la unidad de tiempo

Frmula:

En la que:

Q = caudal en metros cbicos por segundo (m3/s).Siendo 1 m3 = 1 000 litros.

S = seccin en metros cuadrados (m

2

).v = velocidad del lquido en m/s, a travs de la seccinconsiderada. En definitiva, el espacio recorrido por la masalquida a partir de dicha seccin, en la unidad de tiempo.

Se denomina aforo, a la operacin mediante la que semide el valor de un caudal. Las mediciones se puedenefectuar en funcin de la seccin del conducto, de la velocidadmedia del lquido, de la altura de lmina o calado, de lapresiones en determinados puntos, etc. Segn la naturaleza dela conduccin, existen distintos procedimientos para realizar unaforo. El ms sencillo, consiste en dividir la capacidad de unrecipiente por el tiempo que tarda en llenarse. Las medidas degran complejidad, relacionadas con los caudales que circulanpor ros y canales, se obtienen por medio de flotadores,cronometrando el tiempo que tardan en recorrer una distanciaprefijada; y tambin utilizando vertederos de seccionesconocidas. Para la determinacin de caudales se empleanaparatos tales como tubos Venturi y de Pitot, molinetesdel modelo Woltmann o similares, etc., (figura1.21)

Figura 1.21 Aparatos para la medicin de caudales

Q = S v

Llaves de Paso


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En la figura 1.22, se representan las disposiciones de molinetesen canales y ros, para hallar las velocidades medias de lascorrientes, obtenindose mediciones de gran precisin en poco

tiempo; la colocacin se realiza segn planos, transversales alos sentidos de circulacin del agua, de los que previamente seha calculado sus secciones. Para lograr la mxima fiabilidad delos datos aportados por los molinetes, stos han de situarsesobre barras de gran robustez, siempre que sea factible, a finde evitar vibraciones o deformaciones que repercutirandesfavorablemente en los valores conseguidos.

Figura 1.22 Disposicin de los molinetes en las corrientes de agua.

7.3.3 SALTO DE AGUADenominamos de tal modo, al paso brusco o cada de masas deagua desde un nivel, ms o menos constante, a otroinmediatamente inferior. Numricamente se identifica por ladiferencia de cota, o de nivel, lo que llamamos altura de saltoo salto simplemente, cuyo valor se da en metros (figura 1.23).

Figura 1.23 Salto de agua (Ejemplo : 684m 599m = 85m ).


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Cuando el cauce del ro tiene fuertes desniveles, se formancascadas o cataratas, que representan ejemplos evidentes desaltos naturales; ver figura 1.20. Para fines industriales, y

debido al adecuado control que se puede ejercer sobre el agua,se recurre a los saltos creados por el hombre. Un salto sepuede dedicar a varias aplicaciones, si bien slo nos vamos ainteresar por la que se refiere a la produccin de energaelctrica.

Partiendo de la energa potencial del agua almacenada oestancada en el embalse, en el instante que las masas delquido saltan o descienden de un nivel superior a otro inferior,a travs de conducciones dispuestas a tal fin, aquella setransforma en energa cintica que, a su vez, se transforma en

energa mecnica por medio de la turbina. La presencia dedichas manifestaciones de energa, la cintica y la mecnica, sehace patente por el trabajo hidrulico obtenido, como resultadode la cada de las masas de agua recorriendo unos espaciosdefinidos; peso de las masas de agua, en kg, por altura delsalto, en m; el cual se transforma en el trabajo mecnicoconseguido en el eje de la mquina.

Ahora bien tcnicamente, es ms lgico referirse a potenciassuministradas, as podemos hablar de potencia de un salto opotencia de una turbina, cuyos valores son prcticamentelos mismos si prescindimos de conceptos tales como prdidasde carga, rendimientos, etc.

Frmula: Expresando la potencia del salto en CV, tenemos:

En la que:

P = potencia en CV.Q = caudal en m3/s.

H = altura del salto en m.1 000 = cantidad de litros de agua ( kg) en un m3.75 = proviene de la equivalencia existente entre el CV y elkgm/s, como unidades de potencia.

As:

75

HQ1000P =

dondede

Pkgm/sQH1.000

CV1kgm/s75


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Siendo 1 kW = 1,36 CV, la expresin de la potencia en kW es:

El aprovechamiento de un salto, ms que a la velocidad delagua, se debe a la presin que sta puede ejercer en el puntode toma, desde donde desciende hacia la turbina, obtenindose

el trabajo deseado. Se hace imprescindible completar elpresente apartado con dos expresiones particulares queamplan la idea general. Son, respectivamente, las de saltobruto y salto til.

7.3.4 SALTO BRUTOSe conoce como salto real o salto total, representndose conla letra H.

En valor numrico equivale a la diferencia entre el nivel de lasuperficie del agua embalsada y el nivel, aparentementeuniforme, de la corriente de agua que se establece una vez questa ha recorrido todas las conducciones que salvan el salto deagua. (Figura 1.24)

Figura 1.24 Representacin del salto bruto H y del salto til H.

75

HQ1000P =

75x1,36

HQ0001PkW =


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7.3.5 SALTO TILTambin denominado salto neto. Lo identificamos con la letra

H.

Corresponde a un valor menor que el del salto bruto, ya que seobtiene restando de ste todas las prdidas de carga o altura Jque se originan en la totalidad del recorrido, como muestra lafigura 1.24.

Dichas prdidas se deben a las turbulencias y rozamientos delagua en las entradas de las tuberas, paredes de todo tipo deconduccin, vlvulas, codos, ngulos, cambios de seccin yorificios de salida, etc.

7.3.6 EMBALSELa idea de embalse est suficientemente comprendida, noobstante vamos a hacer las siguientes puntualizaciones.

Un embalse, resulta de almacenar todas las aguas que afluyendel territorio sobre el que est enclavado, identificado comocuenca vertiente, con el fin de poderlas encauzar para unaadecuada utilizacin segn las necesidades exigidas por lainstalacin.

Conviene recordar que se llama cuenca de un ro, a lasuperficie receptora de las aguas cadas que loalimentan; bien por el libre discurrir de stas sobre el suelo,proceso de escorrenta inmediata, o por infiltraciones. Dichasuperficie se mide en kilmetros cuadrados (km2), referidos a laproyeccin horizontal de la misma.

Las dimensiones de un embalse, dependen de los caudalesaportados por el ro embalsado y sus afluentes, de los perodosde avenidas o estiajes y, fundamentalmente, de las

caractersticas de produccin de la central para la cual seforma.

Una explotacin se considera como de almacenaje, reserva oregulacin si est provista de un gran embalse, siendo idneapara suministrar la carga de punta. Todo lo contrario sucedecon las explotaciones de agua corriente en las que se hacepasar constantemente, tal y como se presenta, todo el caudalde agua del ro a travs de las turbinas, por lo que se utilizanpara satisfacer la carga de base, no disponindose, en estasinstalaciones, de reserva de energa.


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Un embalse de amplia cabida, que recoge el agua duranteperodos pluviomtricos favorables, puede cubrir las demandasde energa en pocas deficitarias de lluvias, dentro de ciertos

lmites. Del concepto de capacidad de un embalse (figura1.25), distinguimos:

Figura 1.25 Capacidad de un embalse.

Capacidad tilSe refiere a la capacidad de agua embalsada por encima dela entrada de agua hacia la central.

En definitiva, se trata del volumen de agua disponible paracubrir la demanda de la instalacin para la que se destina elembalse.

Capacidad totalTotalidad del volumen de agua acumulada, es decir, la tilms la no utilizable.

La capacidad de un embalse, se expresa en:

Metros cbicos (m3). Hectmetros cbicos (hm3).

En todo embalse existen prdidas de agua, debidas a causasnaturales, como son la evaporacin producida en la superficie ylas filtraciones originadas a travs del terreno.

Durante el perodo de llenado de un embalse, ha de llevarseacabo una rigurosa inspeccin, a fin de comprobar lasdeformaciones progresivas de la presa, provocadas en cadaestado de carga por la fuerza del agua. Se tienen que dar losmrgenes de tiempo necesarios para que la presa se adapte

paulatinamente, de modo que la deformacin sea lenta.Para la


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conservacin de los embalses, ha de realizarse la vigilanciaoportuna con la finalidad de:

1. Sacar y eliminar los cuerpos extraos, principalmente losacumulados en zonas de captacin de agua hacia lasturbinas.

2. Comprobar la existencia de posibles arrastres odesprendimientos de terreno en las laderas, determinandosi son debidos a la accin de las lluvias o del agua delpropio embalse. La repoblacin de las zonas afectadas,contrarresta tales efectos.

3. Controlar los acarreos depositados en el fondo, retirndolossi se considera oportuno, al objeto de evitar elalmacenamiento de barro, lodo, cieno, etc., fenmeno

conocido como atarquinado, especialmente perjudicial enlos lugares donde se toma el agua para las turbinas y enaquellos otros donde estn situados los desagues delembalse.

4. Detectar la salida, en la superficie del agua, de burbujas degas metano, tambin llamado gas de los pantanos. Esto seobserva cuando se produce, bruscamente, un descensoconsiderable del nivel del agua, lo cual provoca unadestruccin masiva de la fauna existente en el embalse,con los riesgos ecolgicos que ello comporta.

A lo largo de un ro y de sus afluentes, se pueden crear tantosembalses como sea conveniente, para obtener el mximorendimiento de las aguas que proporciona la cuenca en la queestn radicadas tales fuentes de energa hidrulica. Elloconduce al aprovechamiento de una zona determinada,identificndose como aprovechamientohidroelctrico si elfin, para el que se destinan las aguas embalsadas, es el deproduccin de energa elctrica.

7.3.7 PRESASLlama la atencin, el modo indiscriminado con que, laspersonas no familiarizadas con las instalaciones hidrulicas,utilizan las expresiones salto, presa, embalse, central,incidiendo, en ocasiones, en falsas interpretaciones,confundiendo entre s la idea que pertenece a cada trmino.Indudablemente que, corresponde al tcnico, el correctoempleo y entendimiento de los mismos.

Por todos es sabido que la existencia de las corrientes de agua,a las que llamamos ros, arroyos, etc., se deben al movimientocontinuo y descendente de grandes masas de agua, como

consecuencia de la cada de stas a travs de los sucesivosdesniveles del terreno, desde el punto de nacimiento hasta el


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de desembocadura de dichas corrientes, lo que constituye elcauce de las mismas.

Hemos mencionado las centrales que funcionan con caudalesfluentes, en las que se aprovechan, instantneamente, lascorrientes naturales de los ros, previa creacin de pequeossaltos; y aquellas otras para las que el agua es embalsada conindependencia de su inmediata utilizacin o no.

La retencin del agua tiene como objetivo primordial crear unsalto de agua, que se logra mediante la construccin, sobre elcauce de un ro y transversalmente a ste, de una presa, lacual, adems, puede emplearse para almacenar el agua, dandoorigen a un embalse o lago artificial, conocido tambin como

pantano artificial.Por lo tanto, presa es toda estructura que acta como barrera,interrumpiendo la libre circulacin del agua a travs de suscauces normales, dependiendo su configuracin de la orografadel lugar de asentamiento.

Se construyen para conseguir una doble finalidad:

1. Obtener una elevacin del nivel del agua, formando undesnivel en el cauce de un ro, que hemos denominado

salto. Cuanto ms elevada sea la altura de ste, mayorespodrn ser las potencias obtenidas en la central alimentadapor el mismo.

2. Crear un depsito, de grandes dimensiones, paraalmacenar y regular la utilizacin del agua, constituyendoen definitiva el embalse propiamente dicho, cuyacapacidad de volumen de agua embalsada est en funcinde las alturas de agua alcanzadas.

Una de las principales aplicaciones, para la que se destinan laspresas, es la produccin de energa elctrica, si bien se utilizan

en otras funciones vitales, como son el abastecimiento de aguaa poblaciones, riegos, regulacin y distribucin de caudales endeterminadas cuencas, etc.

8. SISTEMA DE TRANSMISIN Objetivo: Interconectar los centros de generacin con los centros de consumo. Constitucin: est conformado por las lneas de alta tensin (A.T.) que

permiten transportar grandes volmenes de energa.

Esto en el mismo sistema de potencia o entre dos o ms sistemas de potencia(empleando sistemas de interconexin).


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Estructura: tiende a obtener una estructura de lazo cerrado (mallada).Nota: La energa puede ser enviada, generalmente en cualquier direccindeseada, sobre los varios enlaces del sistema de transmisin, de modo quecorresponda a la mejor operacin tcnica-econmica.

Figura 1.26

9. SISTEMA DE DISTRIBUCIN Objetivo: permitir integrar a todos los usuarios al sistema de potencia

cumpliendo con el objetivo final de la prestacin de servicio.

Constitucin: est conformado bsicamente por redes de media tensin(M.T.).

Estructura: radial.


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Figura 1.27


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10. OBJETIVO DEL SISTEMA DE POTENCIAGenerar energa elctrica en cantidades suficientes, en las centrales ms

adecuadas, transmitirla en grandes cantidades a los centros de carga y luegodistribuirla a los usuarios, en la forma y calidad apropiada; al mnimo costoposible, tanto ecolgico como econmico. En otras palabras los requisitos que sedeben de cumplir son:

Suministrar energa elctrica a todo cliente que lo solicite. Ser capaz de adaptarse a la demanda de los usuarios que es continuamente

variable y no controlable. Suministrar energa elctrica con una calidad de servicio adecuada que se

mida en trminos de: Tensin y frecuencia constante.

Continuidad del servicio. Suministrar energa elctrica a mnimo costo tanto econmico como ecolgico. Ofrecer garanta a la seguridad de las personas, tanto a las que laboran con el

sistema como al pblico en general.

11. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIN1. Mencione las partes fundamentales de un sistema de potencia2. Las turbinas pelton se caracterizan por emplearse en:

Saltos pequeos y caudales grandes Saltos grandes y caudales pequeos Saltos grandes y caudales grandes Ninguno a los anteriores

3. Estimar la potencia en KW a obtener en una central hidroelctrica de lassiguientes caractersticas:

Q = 20 m3/sHu = 300 m

4. Por qu razn las lneas de transmisin son en alta tensin5. Establezca la diferencia entre los sistemas de transmisin y los sistemas de

distribucin

12. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIN1. Generacin, Transformacin y Transmisin.2. (b)3. 58,8 MW4. Para reducir las prdidas de efecto Joule5. Los sistemas de transmisin manejan mayor volumen de potencia, y su

configuracin es en anillo, mientras que los sistemas de distribucin manejan

menores volmenes de energa y son de caracterstica radial. Los primerostransmiten en tensiones altas, mientras que los segundos distribuyen en

Unidad 1 Sep

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