Los sistemas eléctricos de potencia son responsables de generar, transmitir y distribuir energía eléctrica desde las plantas generadoras hasta los consumidores finales, incluyendo hogares, empresas e industrias.
En este artículo, se presentará una forma de mapear las condiciones para que un transformador de potencial inductivo (TPI), en especial los de clase 36 kV, puedan operar en la condición de ferroresonancia y cómo es posible evitar que el equipo entre en colapso térmico y eléctrico en caso de este evento.
Función de transferencia
El pionerismo en la generación de energía hidroeléctrica en Brasil se debió a la construcción de la Usina de Marmelos en Juiz de Fora. Hace más de 120 años, este hito inauguró la era de la conversión electromecánica de energía a través del método hidráulico, convirtiéndose en la forma más difundida de generación de energía en Brasil dada su alta potencial hidroeléctrico y su geografía única, además de allanar el camino para que Brasil se convirtiera en uno de los principales productores de energía hidroeléctrica en el mundo.
La Usina de Marmelos aceleró el desarrollo de la técnica de generación de energía hidroeléctrica en Brasil, abriendo las puertas a un sector que se convertiría en esencial para el crecimiento económico del país. El proyecto utilizaba la fuerza de las aguas del río Paraibuna, que atraviesa la Zona da Mata mineira y desemboca en la costa fluminense. El uso de turbinas importadas de Estados Unidos en la Usina de Marmelos marcó la primera vez que la conversión de energía mecánica en energía eléctrica ocurrió de manera tan significativa en el país.
Las etapas del SEP
1. Generación de energía
El subsistema de generación de energía eléctrica es el punto de partida de los sistemas eléctricos de potencia. Las plantas eléctricas son la base de este proceso y pueden clasificarse según la fuente de energía que utilizan. En Brasil, la capacidad instalada del SEP es de 211,000 megavatios, y esta capacidad se divide en diferentes fuentes:
Plantas hidroeléctricas: Responsables del 51.4% de la capacidad instalada.
Plantas termoeléctricas: Con una contribución del 19.7%.
Plantas eólicas: Con el 12.9% de la capacidad instalada.
Plantas solares: Contribuyendo con el 5% de la capacidad instalada.
Micro/Mini Generación Distribuida: 11%
2. Transmisión de energía
Las líneas de transmisión pueden ser aéreas o subterráneas, diseñadas para minimizar pérdidas de energía.
Hay un gran esfuerzo en el diseño de líneas de transmisión a través de proyectos eléctricos y mecánicos, buscando una estructura robusta y minimización de pérdidas. Las líneas de transmisión suelen operar a alta y extra alta tensión para minimizar las pérdidas. Otras consideraciones, como la interacción de los campos eléctricos, las inductancias mutuas, las influencias externas, el nivel de cortocircuito y la definición de la forma de las torres, son necesarias para que el sistema funcione de la manera más eficiente posible.
Este subsistema es responsable de transportar la energía eléctrica desde las plantas hasta los centros de consumo. Las líneas de transmisión son elementos clave en este proceso y desempeñan un papel fundamental en la eficiencia del sistema.
En Brasil, la extensión total de las líneas de transmisión del SEP es impresionante, cubriendo alrededor de 1.2 millones de kilómetros. El uso de materiales de alta conductividad eléctrica y la selección de rutas que minimizan la longitud son estrategias adoptadas para lograr este objetivo.
Las líneas de transmisión, dada su extensión, también han permitido la interconexión de todo el sistema eléctrico de potencia del país, formando el Sistema Interconectado Nacional, a través del cual es posible realizar un balance energético más inteligente y mejorado, mejorando la eficiencia energética. Dado que el equilibrio entre generación y carga es la base fundamental del funcionamiento del SEP.
3. Distribución de energía
El subsistema de distribución es la etapa final del SEP. Aquí es donde la electricidad llega a los consumidores finales. Las redes de distribución son responsables de satisfacer las necesidades específicas de los consumidores, ya sean aéreas o subterráneas. Estas redes de distribución se dividen en redes primarias, que suministran energía a grandes consumidores, y redes secundarias, que suministran energía a consumidores residenciales y comerciales.
La distribución, generalmente a cargo de empresas concesionarias locales, consiste en toda la estructura de entrega de la demanda energética en todos los niveles de consumo. Las líneas de transmisión llegan a centros de distribución, generalmente a través de subestaciones de distribución, donde los transformadores regulan los niveles de tensión para la entrega de energía, y desde donde se derivan los troncos de alimentación y, posteriormente, las ramas. La energía aún circula a una tensión más alta en la red primaria de distribución, y los transformadores de menor tamaño regulan nuevamente el nivel de tensión para entregar de manera confiable y eficiente la energía a los consumidores.
4. Consumo
Después de todas estas etapas, la electricidad se entrega a los consumidores, atendiendo a una demanda considerable. En 2023, el consumo de energía eléctrica en Brasil alcanzó los 625.6 mil millones de kilovatios-hora.
Cómo funcionan
El funcionamiento del SEP se basa en los principios de la electricidad y el electromagnetismo. La electricidad se produce mediante una fuerza motriz debido al giro de una máquina primaria, que puede ser una turbina hidráulica, un motor de combustión interna o una turbina eólica. Esta fuerza motriz hace girar un generador, que produce una corriente eléctrica alterna. La corriente eléctrica se transmite luego por las líneas de transmisión hasta los centros de consumo.
En subestaciones de transmisión, la tensión de la corriente eléctrica se eleva, lo que permite que se transporte a largas distancias con menores pérdidas. En las subestaciones de distribución, la tensión se reduce a niveles adecuados para el consumo residencial y comercial.
Control y monitoreo
Los sistemas eléctricos de potencia son complejos y altamente integrados, requiriendo un nivel avanzado de control y monitoreo. Un sistema informático monitorea el rendimiento del SEP y toma medidas correctivas cuando es necesario. Además, una red de sensores recopila datos sobre el estado del sistema, contribuyendo al mantenimiento y mejora de la red eléctrica.
Importancia de los Sistemas Eléctricos de Potencia
Los sistemas eléctricos de potencia son esenciales para el desarrollo económico y social. Permiten el acceso a la electricidad, una fuente de energía limpia y eficiente, para personas y empresas. Sin sistemas eléctricos de potencia robustos, la vida moderna tal como la conocemos sería imposible.
Datos estadísticos de ONS (Operador Nacional del Sistema)
Los datos estadísticos del Operador Nacional del Sistema (ONS) ofrecen una visión precisa de la generación del sistema eléctrico de potencia (SEP) en Brasil, en el año 2023.
Generación nacional
La capacidad instalada del SEP brasileño es verdaderamente notable, alcanzando la marca de 211,141 megavatios. Esta capacidad se divide en diversas fuentes de generación, siendo la hidroeléctrica dominante, representando el 51.4% de la capacidad total.
Siguiendo de cerca, tenemos la generación termoeléctrica con un 19.7%, mientras que la eólica y la solar contribuyen con un 12.9% y un 5%, respectivamente.
Además de la Generación Distribuida, que consiste en micro y mini generadores, que pueden ser instalados por consumidores residenciales que ayudan en la generación del sistema a través del despacho de energía excedente. En este momento, la generación distribuida representa el 11% de la capacidad total, siendo la mayor parte de la generación distribuida proveniente de energía eólica y solar a través de proyectos residenciales con medidores bidireccionales que permiten el flujo de potencia en ambas direcciones, es decir, permiten la inyección de potencia del consumidor a la red.
Este equilibrio entre diferentes fuentes de generación muestra la diversificación de la matriz eléctrica brasileña y su creciente compromiso con fuentes renovables.
Datos estadísticos de la ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica)
Los datos estadísticos de la Agencia Nacional de Energía Eléctrica (ANEEL) ofrecen una visión completa de los sistemas eléctricos de potencia (SEP) en Brasil, en el año 2023.
Infraestructura
El SEP brasileño es un gigante en términos de infraestructura de transmisión. Con una impresionante extensión de 1.2 millones de kilómetros de líneas de transmisión, Brasil asegura que la electricidad se transporte eficazmente desde las plantas generadoras hasta los centros de consumo en todo el país.
Las redes de distribución también cubren aproximadamente 10 millones de kilómetros, garantizando que la electricidad llegue a los consumidores finales de manera eficiente. Su gran extensión es fundamental para satisfacer las diversas necesidades de los consumidores, desde hogares hasta grandes industrias.
Consumo de energía
El consumo de energía eléctrica en Brasil en 2023 alcanzó la marca de 625.6 mil millones de kilovatios-hora. Esto refleja el papel fundamental de la electricidad en la vida moderna y en la economía brasileña, además, la electricidad representa aproximadamente el 30% del consumo total de energía en Brasil, destacando su relevancia en el panorama energético nacional.
Brasil no solo se destaca como uno de los mayores productores de energía eléctrica del mundo, ocupando el octavo lugar a nivel mundial, sino también como el quinto mayor consumidor de energía eléctrica en América Latina.
Línea de Transmisión de Itaipu:
Reconocida como la más grande del mundo, se extiende por aproximadamente 750 kilómetros conectando la Usina Hidrelétrica de Itaipu al sistema eléctrico brasileño. Con una capacidad instalada de 14,000 megavatios, Itaipu es verdaderamente una maravilla de la ingeniería, ubicada en la frontera entre Brasil y Paraguay.
Red de distribución de energía de São Paulo:
Con la misión de atender a una población de 12 millones de personas, esta es la mayor red de distribución de energía eléctrica de Brasil. Juega un papel vital al garantizar que la electricidad llegue de manera efectiva a un área altamente poblada e industrializada.