- Red de energía
eléctrica - Fallos del
sistema - Regulación del
voltaje - Pérdida durante el
transporte - Electricidad
- Conclusión
Generación y transporte de electricidad es
el conjunto de instalaciones que se utilizan para
transformar otros tipos de energía en electricidad y
transportarla hasta los lugares donde se consume. La
generación y transporte de energía en forma de
electricidad tiene importantes ventajas económicas debido
al costo por unidad
generada. Las instalaciones
eléctricas también permiten utilizar la
energía hidroeléctrica a mucha distancia del lugar
donde se genera. Estas instalaciones suelen utilizar corriente
alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje
con transformadores.
De esta manera, cada parte del sistema puede
funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones
eléctricas tienen seis elementos principales:
- La central eléctrica
- Los transformadores, que elevan el voltaje de la
energía
eléctrica generada a las altas tensiones utilizadas
en las líneas de transporte - Las líneas de transporte
- Las subestaciones donde la señal baja su
voltaje para adecuarse a las líneas de
distribución - Las líneas de distribución
- Los transformadores que bajan el voltaje al valor
utilizado por los consumidores.
En una instalación normal, los
generadores de la central eléctrica suministran voltajes
de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las
dificultades que presenta su aislamiento y por el riesgo de
cortocircuitos y sus consecuencias. Este voltaje se eleva
mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000
voltios para la línea de transporte primaria (cuanto
más alta es la tensión en la línea, menor es
la corriente y menores son las pérdidas, ya que
éstas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de
corriente). En la subestación, el voltaje se transforma en
tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible
transferir la electricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de
nuevo con transformadores en cada punto de distribución.
La industria
pesada suele trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los
trenes eléctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios. Para
su suministro a los consumidores se baja más la
tensión: la industria suele trabajar a tensiones entre 380
y 415 voltios, y las viviendas reciben entre 220 y 240 voltios en
algunos países y entre 110 y 125 en otros.
En una central hidroeléctrica, el agua que
cae de una presa hace girar turbinas que impulsan generadores
eléctricos. La electricidad se transporta a una
estación de transmisión, donde un transformador
convierte la corriente de baja tensión en una corriente de
alta tensión. La electricidad se transporta por cables de
alta tensión a las estaciones de distribución,
donde se reduce la tensión mediante transformadores hasta
niveles adecuados para los usuarios. Las líneas primarias
pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000
voltios o más. Las líneas secundarias que van a las
viviendas tienen tensiones de 220 o 110 voltios.
El desarrollo actual de los rectificadores
de estado
sólido para alta tensión hace posible una
conversión económica de alta tensión de
corriente alterna a alta tensión de corriente continua
para la distribución de electricidad. Esto evita las
pérdidas inductivas y capacitivas que se producen en la
transmisión de corriente alterna.
La estación central de una
instalación eléctrica consta de una máquina
motriz, como una turbina de combustión, que mueve un generador
eléctrico. La mayor parte de la energía
eléctrica del mundo se genera en centrales térmicas
alimentadas con carbón, aceite, energía
nuclear o gas; una
pequeña parte se genera en centrales
hidroeléctricas, diesel o provistas de otros sistemas de
combustión interna.
Las líneas de conducción se
pueden diferenciar según su función
secundaria en líneas de transporte (altos voltajes) y
líneas de distribución (bajos voltajes). Las
primeras se identifican a primera vista por el tamaño de
las torres o apoyos, la distancia entre conductores, las largas
series de platillos de que constan los aisladores y la existencia
de una línea superior de cable más fino que es la
línea de tierra. Las
líneas de distribución, también denominadas
terciarias, son las últimas existentes antes de llegar la
electricidad al usuario, y reciben aquella denominación
por tratarse de las que distribuyen la electricidad al
último eslabón de la cadena.
Las líneas de conducción de
alta tensión suelen estar formadas por cables de cobre,
aluminio o
acero recubierto
de aluminio o cobre. Estos cables están suspendidos de
postes o pilones, altas torres de acero, mediante una
sucesión de aislantes de porcelana. Gracias a la
utilización de cables de acero recubierto y altas torres,
la distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el
coste del tendido de las líneas de conducción; las
más modernas, con tendido en línea recta, se
construyen con menos de cuatro torres por kilómetro. En
algunas zonas, las líneas de alta tensión se
cuelgan de postes de madera; para
las líneas de distribución, a menor tensión,
suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres
de acero. En las ciudades y otras áreas donde los cables
aéreos son peligrosos se utilizan cables aislados
subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para
que circule aceite a baja presión.
El aceite proporciona una protección temporal contra el
agua, que
podría producir fugas en el cable. Se utilizan con
frecuencia tubos rellenos con muchos cables y aceite a alta
presión (unas 15 atmósferas) para la
transmisión de tensiones de hasta 345
kilovoltios.
Cualquier sistema de distribución
de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para
proteger los generadores, transformadores y las propias
líneas de conducción. Suelen incluir dispositivos
diseñados para regular la tensión que se
proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del
sistema.
Los cortacircuitos se utilizan para proteger
todos los elementos de la instalación contra
cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de
conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes
interruptores que se activan de modo automático cuando
ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala
produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el
que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco
eléctrico entre sus terminales. Para evitar este arco, los
grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger los
generadores y las secciones de las líneas de
conducción primarias, están sumergidos en un
líquido aislante, por lo general aceite. También se
utilizan campos magnéticos para romper el arco. En
tiendas, fábricas y viviendas se utilizan pequeños
cortacircuitos diferenciales. Los aparatos eléctricos
también incorporan unos cortacircuitos llamados fusibles,
consistentes en un alambre de una aleación de bajo punto
de fusión;
el fusible se introduce en el circuito y se funde si la corriente
aumenta por encima de un valor predeterminado.
En muchas zonas del mundo las
instalaciones locales o nacionales están conectadas
formando una red. Esta
red de conexiones
permite que la electricidad generada en un área se
comparta con otras zonas. Cada empresa aumenta
su capacidad de reserva y comparte el riesgo de
apagones.
Estas redes son enormes
y complejos sistemas compuestos y operados por grupos diversos.
Representan una ventaja económica pero aumentan el riesgo
de un apagón generalizado, ya que si un pequeño
cortocircuito se produce en una zona, por sobrecarga en las zonas
cercanas se puede transmitir en cadena a todo el país.
Muchos hospitales, edificios públicos, centros comerciales
y otras instalaciones que dependen de la energía
eléctrica tienen sus propios generadores para eliminar el
riesgo de apagones.
Las largas líneas de conducción
presentan inductancia, capacitancia y resistencia al
paso de la corriente
eléctrica. El efecto de la inductancia y de la
capacitancia de la línea es la variación de la
tensión si varía la corriente, por lo que la
tensión suministrada varía con la carga acoplada.
Se utilizan muchos tipos de dispositivos para regular esta
variación no deseada. La regulación de la
tensión se consigue con reguladores de la inducción y motores
síncronos de tres fases, también llamados condensadores
síncronos. Ambos varían los valores
eficaces de la inductancia y la capacitancia en el circuito de
transmisión. Ya que la inductancia y la capacitancia
tienden a anularse entre sí, cuando la carga del circuito
tiene mayor reactancia inductiva que capacitiva (lo que suele
ocurrir en las grandes instalaciones) la potencia suministrada
para una tensión y corriente determinadas es menor que si
las dos son iguales. La relación entre esas dos cantidades
de potencia se llama factor de potencia. Como las pérdidas
en las líneas de conducción son proporcionales a la
intensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el
factor de potencia tenga un valor lo más cercano posible a
1. Por esta razón se suelen instalar grandes condensadores
en los sistemas de transmisión de electricidad.
La energía se va perdiendo desde la central
eléctrica hasta cada hogar de la ciudad por:
- RESISTIVIDAD: Que provoca que la corriente
eléctrica no llegue con la misma intensidad debido a la
oposición que presenta el conductor al paso de la
corriente. La resistencia que ofrece el cable depende de
su:
-Diámetro o área de la sección
transversal. La conductividad disminuye al disminuir el grosor
del cable (a mayor diámetro, menor número del
cable)
-Material con que está hecho
-Longitud. La conductividad de un cable es inversamente
proporcional a la longitud y la resistencia es directamente
proporcional a la longitud.
-Cambios de temperatura
que sufre. Al paso de la corriente, la resistividad se ve
incrementada ligeramente al aumentar su temperatura.
- CAPACITANCIA: Porque a medida que se transfiera
más carga al conductor, el potencial del conductor se
vuelve más alto, lo que hace más difícil
transferirle más carga. El conductor tiene una
capacitancia determinada para almacenar carga que depende del
tamaño y forma del conductor, así como de su
medio circundante.
ns La energía
eléctrica se ha convertido en parte de nuestra vida
diaria. Sin ella, difícilmente podríamos
imaginarnos los niveles de progreso que el mundo ha alcanzado,
pero ¿qué es la electricidad, cómo se
produce y cómo llega a nuestros hogares?
Ya vimos que la energía puede ser conducida de un
lugar o de un objeto a otro (conducción). Eso mismo ocurre
con la electricidad. Es válido hablar de la "corriente
eléctrica", pues a través de un elemento conductor,
la energía fluye y llega a nuestras lámparas,
televisores, refrigeradores y demás equipos
domésticos que la consumen.
También conviene tener presente que la
energía eléctrica que utilizamos está sujeta
a distintos procesos de
generación, transformación, transmisión y
distribución, ya que no es lo mismo generar
electricidad mediante combustibles fósiles que con
energía
solar o nuclear. Tampoco es lo mismo transmitir la
electricidad generada por pequeños sistemas eólicos
y/o fotovoltaicos que la producida en las grandes
hidroeléctricas, que debe ser llevada a cientos de
kilómetros de distancia y a muy altos voltajes.
Pero ¿qué es la electricidad? Toda
la materia
está compuesta por átomos y éstos por
partículas más pequeñas, una de las cuales
es el electrón. Un modelo muy
utilizado para ilustrar la conformación del átomo (ver
figura) lo representa con los electrones girando en torno al
núcleo del átomo, como lo hace la Luna alrededor de
la
Tierra.
El
núcleo del átomo está integrado por
neutrones y protones. Los electrones tienen una carga
negativa, los protones una carga positiva y los neutrones, como
su nombre lo indica, son neutros: carecen de carga positiva o
negativa. (Por cierto, el átomo, según los antiguos
filósofos griegos, era la parte más
pequeña en que se podía dividir o fraccionar la
materia; ahora sabemos que existen partículas
subatómicas y la ciencia ha
descubierto que también hay partículas de
"antimateria": positrón, antiprotón, etc., que al
unirse a las primeras se aniquilan
recíprocamente).
Pues bien, algunos tipos de materiales
están compuestos por átomos que pierden
fácilmente sus electrones, y éstos pueden pasar de
un átomo a otro. En términos sencillos, la
electricidad no es otra cosa que electrones en movimiento.
Así, cuando éstos se mueven entre los átomos
de la materia, se crea una corriente de electricidad. Es lo que
sucede en los cables que llevan la electricidad a su hogar: a
través de ellos van pasando los electrones, y lo hacen
casi a la velocidad de
la luz.
Sin embargo, es conveniente saber que la electricidad
fluye mejor en algunos materiales que en otros. Antes vimos
que esto mismo sucede con el calor, pues en
ambos casos hay buenos o malos conductores de la energía.
Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de la
corriente eléctrica depende y se mide por su grosor,
longitud y el metal de que está hecho. A menor resistencia
del cable, mejor será la conducción de la
electricidad en el mismo. El oro, la plata, el cobre y el
aluminio son excelentes conductores de electricidad. Los dos
primeros resultarían demasiado caros para ser utilizados
en los millones de kilómetros de líneas
eléctricas que existen en el planeta; de ahí que el
cobre sea utilizado más que cualquier otro metal en las
instalaciones eléctricas.
La fuerza
eléctrica que "empuja" los electrones es medida en
Voltios. (La primera pila eléctrica fue inventada
por el científico italiano Alejandro Volta, y en su honor
se le denominó "Voltio" a esta medida eléctrica).
En México
utilizamos energía eléctrica de 110 voltios en
nuestros hogares, pero en la industria y otras actividades se
emplean, en ciertos casos, 220 voltios e incluso voltajes
superiores para mover maquinaria y grandes equipos. En
países europeos lo normal es el uso de 220 voltios para
todos los aparatos eléctricos del hogar.
Así como se miden y se pesan las cosas que
usamos o consumimos normalmente, también la energía
eléctrica se mide en Watts-hora. El Watt es una
unidad de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para
efectos prácticos, en nuestra factura de
consumo de
energía eléctrica se nos cobra por la cantidad de
kiloWatts-hora (kWh) que hayamos consumido durante un
periodo determinado (generalmente, dos meses). Un
kiloWatt-hora equivale a la energía que
consumen:
- Un foco de 100 watts encendido durante diez
horas - 10 focos de 100 watts encendidos durante una
hora - Una plancha utilizada durante una hora
- Un televisor encendido durante veinte
horas - Un refrigerador pequeño en un
día - Una computadora
utilizada un poco más de 6 horas y media
Recuerde que "kilo" significa mil, por lo que un
"kiloWatt"-hora equivale a mil Watts-hora. En los campos de la
generación y consumo de electricidad, se utilizan los
megaWatts (MW), equivalentes a millones de Watts; los gigaWatts
(GW), miles de millones; y los teraWatts (TW), billones de
Watts).
¿Cómo se genera la
electricidad?
Hasta aquí hemos visto que la electricidad fluye
a través de los cables, generalmente de cobre o aluminio,
hasta llegar a nuestras lámparas, televisores, radios y
cualquier otro aparato que tengamos en casa. Pero
¿cómo se produce la electricidad y de dónde
nos llega?
Veamos, pues, cómo se genera la electricidad que
consumimos en el hogar, pero antes es conveniente señalar
que hay varias fuentes que se
utilizan para generar electricidad: el movimiento del agua
que corre o cae, el calor para producir vapor y mover
turbinas, la geotermia (el calor interior de la Tierra),
la energía nuclear (del átomo) y las
energías renovables: solar, eólica (de los
vientos) y de la biomasa (leña, carbón,
basura y
rastrojos del campo).
También es importante saber que en México
el 75% de la electricidad se genera a base de combustibles
fósiles utilizados en plantas o centrales
termoeléctricas (que producen calor y vapor para mover
los generadores), las cuales consumen gas natural,
combustóleo y carbón. (Si la central consume
carbón, se le denomina carboeléctrica).
"Dual" es un término que se aplica a las plantas que
pueden consumir indistintamente dos de estos
combustibles.
La mayoría de las plantas generadoras de
electricidad queman alguno de esos combustibles fósiles
para producir calor y vapor de agua en una caldera. El vapor es
elevado a una gran presión y llevado a una turbina,
la cual está conectada a un generador y cuando
éste gira, convierte ese movimiento giratorio en
electricidad. Después de que el vapor pasa a
través de la turbina, es llevado a una torre de
enfriamiento, donde se condensa y se convierte nuevamente en agua
líquida para ser utilizada otra vez en la caldera y
repetir el proceso
indefinidamente. (Ver el diagrama).
Existen termoeléctricas llamadas de "ciclo
combinado"; en ellas, los gases
calientes de la combustión del gas natural que pasaron por
la turbina pueden volverse a aprovechar, introduciéndolos
a calderas que
generan vapor para mover otra turbina y un segundo
generador.
En todos los casos, la turbina está unida por su
eje al generador, el cual contiene un rotor bobinado que gira
dentro de un campo
magnético estacionario con espiras (embobinado) de un
largo y grueso cable. Cuando giran el eje de la turbina y el
magneto que está dentro del generador, se produce una
corriente de electricidad en el cable. ¿Por qué?
Esto se explica por el llamado electromagnetismo, que
descrito en términos sencillos consiste en lo siguiente:
cuando un cable o cualquier material conductor de electricidad se
mueve a través de un campo magnético -cortando
líneas de fuerza magnéticas-, se produce una
corriente eléctrica en el cable.
Para una mejor comprensión, se puede decir que un
generador es como un motor
eléctrico, pero al revés: en vez de usar
energía eléctrica para hacer girar el motor, el eje
de la turbina hace girar el motor para producir electricidad. La
electricidad producida en el generador alcanza unos 25 mil
voltios. En la planta ese voltaje es elevado a 400 mil voltios
para que la electricidad pueda viajar a largas distancias a
través de cables de alta tensión y, después,
mediante transformadores que reducen el voltaje, llega a nuestros
hogares, escuelas, industrias,
comercios, oficinas, etc.
Las plantas nucleares utilizan la energía nuclear
-del átomo- para producir calor que convierte el agua en
el vapor necesario para mover las turbinas y los generadores.
Otras plantas aprovechan el agua caliente o el vapor proveniente
del interior de la Tierra (geotermia), sin necesidad de emplear
combustible fósil o nuclear (uranio).
¿Qué son los sistemas de
transmisión eléctrica?
Uno de los grandes problemas de
la electricidad es que no puede almacenarse, sino
que debe ser transmitida y utilizada en el momento mismo que se
genera. Este problema no queda resuelto con el uso de
acumuladores o baterías, como las que utilizan los coches
y los sistemas fotovoltaicos, pues sólo son capaces de
conservar cantidades pequeñas de energía y por muy
poco tiempo. Conservar
la electricidad que producen las grandes plantas
hidroeléctricas y termoeléctricas es un reto para
la ciencia y la
tecnología. En algunos lugares, se
aprovechan los excedentes de energía eléctrica o la
energía solar para bombear agua a depósitos o
presas situados a cierta altura; el agua después se
utiliza para mover turbinas y generadores, como se hace en las
plantas hidroeléctricas.
En cuanto se produce la electricidad en las plantas, una
enorme red de cables tendidos e interconectados a lo largo y
ancho del país, se encargan de hacerla llegar, casi
instantáneamente, a todos los lugares de consumo: hogares,
fábricas, talleres, comercios, oficinas, etc. Miles de
trabajadores vigilan día y noche que no se produzcan
fallas en el servicio;
cuando éstas ocurren, acuden, a la brevedad posible, a
reparar las líneas para restablecer la energía. A
tal efecto, hay centros de monitoreo, estratégicamente
situados, para mantener una vigilancia permanente en toda la red.
A veces, los vientos, las lluvias y los rayos, entre otras
causas, afectan las líneas de transmisión, las
cuales deben ser revisadas y reparadas por los técnicos,
ya sea en las ciudades o en el campo.
Ya vimos que cada uno de los generadores de las plantas
hidroeléctricas y termoeléctricas producen
electricidad de unos 25 mil voltios. ( Recuerde que el Voltio
es la medida de la fuerza con que fluye la electricidad y
debe su nombre a Alejandro Volta, un científico italiano
que inventó la primera pila eléctrica). Ese voltaje
inicial es elevado, en las propias instalaciones de la planta,
hasta unos 400 mil voltios, pues la energía
eléctrica puede ser transmitida con una mayor eficiencia a
altos voltajes. Es así como viaja por cables de alta
tensión y torres que los sostienen, a lo largo de cientos
de kilómetros, hasta los lugares donde será
consumida.
Del estado de Chiapas a la ciudad de México un
avión comercial tarda más de una hora en llegar. La
electricidad cubre ese trayecto en una fracción de
segundo, pues viaja prácticamente a la velocidad de la
luz. Antes de llegar a nuestros hogares, oficinas,
fábricas, talleres y comercios, el voltaje es reducido en
subestaciones y mediante transformadores cercanos a los lugares
de consumo. En las ciudades, el cableado eléctrico puede
ser aéreo o subterráneo. Para hacer llegar la
electricidad a islas pobladas, se utilizan cables
submarinos.
Cuando la electricidad entra a nuestra casa, pasa por un
medidor. La "lectura" del
medidor generalmente la efectúa (cada dos meses) un
empleado de la compañía que nos proporciona el
servicio eléctrico en nuestro hogar, oficina, taller,
etc. El medidor marca la cantidad
de kiloWatts-hora que consumimos cada día en iluminación, refrigeración, aire
acondicionado, televisión, radio, etc. Es
importante que usted también conozca cómo hacer la
"lectura" de su medidor y los datos que
contiene su factura por consumo de electricidad
Las plantas transforman la energía con alto
voltaje en energía con medio voltaje por medio de
subestaciones, después pasan a los transformadores y la
transforman en energía de bajo voltaje para que llegue a
las casas. En el camino se va perdiendo energía debido a
varios factores. En la casa se utilizan watts por comodidad para
realizar los pagos en la CFE, ya que se mide la cantidad de
transferencia de energía en un determinado tiempo, ya que
el volt se refiere únicamente a la circulación de
la corriente sin especificar el tiempo en que ocurre, por lo que
es mas difícil cobrar. A cada casa le corresponde un
determinado voltaje (constante), aunque no se utilice todo, ya
que los watts que consumen los aparatos eléctricos
varía.
IRAZÚ RIVADENEYRA DÍAZ