red eléctrica
El término coloquial red eléctrica describe una red para la transmisión y distribución de energía eléctrica en la ingeniería de energía eléctrica . Consiste en líneas eléctricas como líneas aéreas y cables subterráneos , así como las instalaciones asociadas, como equipos de conmutación y estaciones de transformación .
Las redes eléctricas grandes, espacialmente adyacentes y conectadas eléctricamente se denominan redes interconectadas , mientras que las redes eléctricas pequeñas y separadas espacialmente se denominan redes de islas . Las redes eléctricas en vehículos y aviones se denominan sistemas eléctricos de vehículos . Un nombre histórico para la red eléctrica es red de iluminación, porque al principio la energía eléctrica se utilizaba casi exclusivamente para la iluminación con lámparas incandescentes .
Tareas
Las redes eléctricas se utilizan para suministrar energía eléctrica a los consumidores y conectar las centrales eléctricas y otros convertidores de energía, por ejemplo, la energía eólica y los sistemas fotovoltaicos . Esto se hace a diferentes niveles de voltaje para reducir las pérdidas de la red. El aumento del voltaje reduce la sección transversal requerida de las líneas eléctricas y el esfuerzo para los dispositivos de conmutación de energía, por otro lado, aumenta el esfuerzo y los costos de aislamiento y separación, es decir, la protección contra descargas disruptivas y corrientes de fuga. La red de alimentación se opera con corriente alterna trifásica y generalmente comprende cuatro niveles de voltaje, por un lado para cubrir largas distancias y por otro lado para ofrecer voltajes amigables para el usuario. La frecuencia de la red en Europa es de 50 Hertz (Hz), en Norteamérica de 60 Hz. Esto hace posible los transformadores transformadores , al mismo tiempo, estas frecuencias son fáciles de generar y utilizar en máquinas eléctricas rotativas . Para ello también se utiliza la red trifásica trifásica , que se puede dividir en corriente alterna monofásica ("corriente doméstica") para algunos de los consumidores finales y gran parte de los electrodomésticos .
La red eléctrica de tracción de varios países funciona con corriente alterna monofásica a una frecuencia de 16,7 Hz. La razón es que los accionamientos eléctricos para locomotoras eran y a menudo siguen siendo motores de bobinado en serie . La formación de chispas en su conmutador solo puede limitarse operando a baja frecuencia .
Las redes de líneas aéreas para la distribución de energía eléctrica también se utilizan para la transmisión de mensajes , en el pasado utilizando métodos de frecuencia portadora en los cables conductores, a través de los cables de tierra o mediante cables de comunicación (principalmente cables de fibra óptica ) tendidos junto con ellos . La transmisión de mensajes la utilizan los propios proveedores de energía o la ofrecen a otros usuarios.
tecnología
Niveles de voltaje
Las redes eléctricas se clasifican según la tensión de funcionamiento a la que transmiten energía eléctrica. Con respecto a las tarifas de uso de la red, en algunos países existe una clasificación según el nivel de red del que se extrae la electricidad.
- Voltaje extra alto : en Europa occidental, por lo general, 220 kV o 380 kV. En Canadá y EE. UU . Se utilizan 735 kV y 765 kV. Existe una extensa red de 750 kV en Rusia , desde la cual las líneas individuales también conducen a Polonia , Hungría , Rumanía y Bulgaria . Una línea de 1150 kV conduce desde la central eléctrica de Ekibastus ( Kazajstán ) hasta la ciudad de Elektrostal (Rusia). Hoy, sin embargo, solo funciona con 500 kV.
- Alto voltaje: 60 kV a 150 kV. En Alemania y Austria, 110 kV se utilizan de forma casi constante. Además, hay líneas con tensión de funcionamiento de 60 kV en Schleswig-Holstein, cerca de Winsen (Aller), cerca de Landesbergen, cerca de Philippsthal y en la antigua red de Städtische Werke Kassel . En Sarre , operaba una red de líneas de 65 kV. En Suiza no existe un valor uniforme en la red de alta tensión.
- Media tensión : 1 kV a 35 kV. Para redes con una alta proporción de líneas aéreas, extensas regiones rurales y nuevas instalaciones, son comunes de 20 kV a 25 kV. En las regiones urbanas donde se ejecutan cables parcialmente subterráneos incluso una realización más antigua de papel y plomo con aluminio o como cable de tierra , se utiliza una tensión media más baja de 10 kV.
- Baja tensión : 230 V / 400 V. Otras tensiones bajas también son habituales en la industria, por ejemplo 500 V o 690 V.
Los voltajes máximo, alto y bajo están estandarizados en gran medida para Europa Occidental. En el caso de voltaje medio, el ajuste posterior a voltajes estándar puede llevar demasiado tiempo, ya que una gran cantidad de cables subterráneos viejos con voltajes máximos de funcionamiento inconsistentes tendrían que ser reemplazados. La mayor parte de los costes de inversión se incurre en los niveles de media y baja tensión, en los que se inmoviliza alrededor del 70% de los costes totales de la red eléctrica. El nivel de alto voltaje (110 kV) representa alrededor del 20% y el nivel de voltaje máximo (220/380 kV) el 10%.
Función de las redes individuales
- La red de transmisión utiliza transmisión trifásica de alto voltaje (DHÜ, HVAC ). Distribuye la energía generada por las centrales e inyectada a la red a nivel nacional a los transformadores de potencia cercanos a los principales puntos de consumo. También está conectado a la red internacional a través de las llamadas líneas de acoplamiento.
- La red de distribución , que generalmente se opera con 110 kV en Europa, proporciona la distribución aproximada de energía eléctrica. Las líneas conducen a diferentes regiones, áreas metropolitanas a sus subestaciones o grandes empresas industriales . Se cubre un requisito de potencia de 10 a 100 MW.
- La red de media tensión distribuye la energía eléctrica a las estaciones transformadoras distribuidas regionalmente o instalaciones más grandes como hospitales o fábricas. Los servicios públicos municipales , que también operan plantas de energía más pequeñas, a menudo también con calor y energía combinados , alimentan su electricidad a la red de voltaje medio.
- Las redes de baja tensión se encargan de la fina distribución. La baja tensión se transforma en Europa a los habituales 230 V / 400 V y, por tanto , se abastece a particulares , pequeñas empresas industriales , comercios y administraciones . Estas líneas también se conocen como la última milla . Los sistemas fotovoltaicos pequeños, por ejemplo privados, alimentan el exceso de energía a este nivel de voltaje bajo.
Regulacion de voltaje
Los transformadores de distribución en la red de media tensión tienen generalmente una relación de transformación fija. Para poder mantener la tensión de red en el consumidor más o menos constante a pesar de las grandes fluctuaciones de carga que se producen en el transcurso de un día, la relación de transformación de los transformadores de potencia entre la red de alta y media tensión (por ejemplo, 110 kV / 20 kV) se puede variar dentro de ciertos límites. Para ello, se conducen varias tomas al exterior desde el devanado primario. Un interruptor especialmente construido, el llamado interruptor de paso , le permite cambiar entre las tomas sin tener que apagar el transformador. Este proceso se llama regulación de voltaje . Para que muchos dispositivos funcionen correctamente, la tensión de red debe mantenerse dentro de límites estrechos. Las interferencias pueden provocar tensiones demasiado altas o demasiado bajas .
Líneas DC
También existen líneas con corriente continua de alto voltaje para la transmisión a largas distancias, en particular cables submarinos en forma de transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC).
Conexión de las redes eléctricas entre sí
Las redes eléctricas con diferentes niveles de voltaje se conectan a través de transformadores instalados en subestaciones . El flujo de corriente a través de las redes y hacia las redes con el mismo nivel de tensión se realiza a través de la aparamenta . Las redes eléctricas con diferentes frecuencias o número de fases o las redes eléctricas que no están sincronizadas entre sí se pueden acoplar entre sí a través de sistemas HVDC o combinaciones de motor / generador.
Red interconectada
Varias plantas de energía y centros de clientes se combinan en una red interconectada, ya que esto permite que la diferencia local entre la oferta y la demanda de energía instantánea se equilibre mejor dentro de la red. Las redes interconectadas representan, por tanto, el polo opuesto a las redes de islas .
Una red interconectada tiene las siguientes ventajas:
- el sistema de energía se vuelve más estable, ya que la sobrecapacidad y la subcapacidad se absorben o pueden igualar,
- intercambiando energía, las fluctuaciones de carga pueden compensarse mejor a corto plazo que simplemente regulando las centrales eléctricas, y
- aumenta la fiabilidad operativa de la red.
Todos los productores deben trabajar sincrónicamente dentro de un sistema de red. La corriente alterna trifásica provoca mayores pérdidas de transmisión en los cables, por lo que no se utiliza, por ejemplo, con cables submarinos de más de 30 km de longitud. En Europa Central y Occidental, se opera una red europea en el área de la Unión para la Coordinación de Transmisión de Electricidad (UCTE) ; los asuntos organizativos fueron asumidos en 2009 por la ENTSO-E .
Red de alimentación
Una red de alimentación es una red de energía especialmente diseñada para recibir y enviar electricidad a partir de energías renovables, que está conectada a la red de suministro, a menudo también a la red de transmisión , y no está configurada y operada por el operador de la red sino por el operador. de los sistemas energéticos. En el área de control alemana de 50 hercios , se designan dos subestaciones como proyectos piloto. En la subestación Altentreptow-Nord y Wessin, solo se alimenta energía eólica a la red de transmisión. A diferencia de la red de suministro público, las redes de alimentación son menos redundantes y están diseñadas para menos horas de carga completa y, por lo tanto, se pueden configurar de forma rápida y económica. Las redes de alimentación sirven en particular para mejorar la integración del sistema de energías renovables en el sector eléctrico. Un ejemplo es la red de alimentación de Enertrag en Uckermark .
distribución
La energía eléctrica sólo puede ser transmitida en estas cantidades por el alambre a través de líneas de alta tensión - líneas aéreas y cables subterráneos . Ambos sistemas tienen ventajas y desventajas.
Los costos más bajos, así como la localización y rectificación de errores más fáciles, hablan a favor del uso de líneas aéreas. Las líneas aéreas están expuestas a influencias ambientales (por ejemplo, tormentas), pueden afectar la apariencia del paisaje y, en casos raros, pueden poner en peligro a las personas, los animales y la propiedad.
Hay diferentes tipos de mástiles de líneas aéreas . Para problemas especiales en la construcción de líneas al cruzar obstáculos, vea cruces de líneas aéreas .
Los cables subterráneos requieren menos espacio, están mejor protegidos de las influencias ambientales y son más aceptados por la población. Sin embargo, su construcción es significativamente más cara; El esfuerzo de mantenimiento en caso de defectos es elevado y existen problemas técnicos cuando las líneas subterráneas de alta tensión superan determinadas longitudes de cable. Por ejemplo, la disipación de calor de las líneas aéreas está garantizada por el aire circundante, pero no en el caso de los cables subterráneos. Otros problemas surgen de la enorme potencia reactiva , que a su vez se debe a la alta capacidad del cable.
La red eléctrica alemana tiene alrededor de 1,8 millones de kilómetros de largo (a partir de 2014). Los kilómetros de la red se distribuyen entre las distintas tensiones de la red de la siguiente manera:
- 1.156.800 km de nivel de baja tensión
- media tensión 509.900 km de
- 96,300 km de nivel de alta tensión
- 35.000 km de redes de alta tensión
En 2003, alrededor del 71% se había enterrado. Una comparación con el valor de 1993 - alrededor del 64% - muestra la tendencia a expandir la distribución de energía subterránea como resultado de la expansión de la línea en el área de redes de baja tensión y, en algunos casos, de media tensión. En el rango de voltaje alto y particularmente alto, los sistemas de cables subterráneos apenas juegan un papel en términos de longitud.
La red eléctrica debe adaptarse continuamente a la expansión de las energías renovables y los cambios resultantes en la distribución regional de los sistemas energéticos. En relación con los retrasos en la expansión de la red, esto conduce a cargas de la red, que los operadores de red deben intervenir para estabilizarlas y rectificarlas. Esto afecta a la red de transmisión y, en menor medida, a la red de distribución. Las medidas de gestión de reexpedición y alimentación necesarias para ello costaron alrededor de 1.400 millones de euros en 2017 (alrededor de 880 millones de euros en 2016, alrededor de 1.100 millones de euros en 2015). Estos costos son parte de los cargos de la red.
Topologias de red
Las redes eléctricas están estructuradas de diferentes formas. La topología se basa en varios criterios como el nivel de tensión, las condiciones de contorno espacial, los costes operativos o la seguridad del suministro. Los tipos de redes más importantes son:
Red de radiación
La red se alimenta desde un punto de alimentación central, las líneas individuales, denominadas líneas de conexión, corren radialmente a los puntos de consumo individuales. Las redes de bajo voltaje a menudo se diseñan en esta topología . La ventaja radica en el bajo esfuerzo de planificación, la resolución de problemas simple y los bajos requisitos de protección de la red. La desventaja es una baja seguridad de suministro, ya que si falla un ramal, todos los consumidores conectados a él sufren un corte de energía .
Red de anillo
Las redes de anillo se alimentan desde uno o más puntos, los consumidores individuales se alimentan en forma de una línea de anillo: por lo tanto, un consumidor puede ser abastecido desde dos lados a través del anillo. En el caso de un defecto técnico, se puede abrir el anillo alrededor del punto de falla, de modo que los consumidores puedan continuar abasteciéndose lejos del punto de falla. La ventaja es una mayor seguridad de suministro, la desventaja es la mayor calificación del personal de mantenimiento, ya que la activación de una sección de red en el anillo requiere la activación de varios puntos de conmutación. Una forma especial, con mayor fiabilidad, es una red de anillo doble en la que dos redes de anillo son espacialmente paralelas: cada consumidor puede entonces, opcionalmente, ser alimentado por una de las dos redes de anillo. Las redes en anillo se utilizan en redes de baja tensión más grandes, especialmente en áreas urbanas, en redes de media tensión y en el nivel de la red de distribución de 110 kV, donde las líneas de doble anillo suelen abastecer a varias subestaciones subordinadas .
Red de malla
Las redes mesh representan redes en anillo generalizadas, generalmente se alimentan en varios puntos y los consumidores se distribuyen en una red que tiene varios nodos y sucursales. Los puntos de consumo individuales generalmente se alimentan a través de dos o más líneas; la forma específica depende principalmente de los requisitos de rendimiento y las condiciones espaciales. Con el diseño apropiado, una red en malla ofrece la mayor seguridad de suministro, pero requiere una protección de red significativamente más compleja . También debe haber métodos para controlar los flujos de energía individuales en las ramas individuales, las líneas de conexión dentro de la red, ya que cada línea solo tiene una capacidad de transporte limitada. Las redes malladas se utilizan, entre otras cosas, en redes de transmisión con alta y máxima tensión, como el nivel de 380 kV. Las redes conectadas suelen ser una combinación espacial de varias redes de malla.
Condiciones de la red
En el contexto de la operación de la red, se hace una distinción entre los diferentes estados de la red, que proporcionan información sobre si la red de suministro puede cumplir con su tarea de distribución de energía eléctrica. En las reglas para el funcionamiento de la red de redes de transmisión, se hace una distinción entre cuatro estados de red diferentes, que se recorren de arriba a abajo en caso de fallas:
- El estado seguro de la red es el caso normal deseado y se caracteriza por el hecho de que se cumplen los valores límite eléctricos permitidos, se cumple el criterio N-1 en toda la red, hay suficiente potencia de control disponible para poder compensar fluctuaciones de carga, y todos los consumidores pueden ser abastecidos.
- El estado de la red en peligro significa que si bien se puede abastecer a todos los consumidores, no se garantizan otros criterios como el cumplimiento del criterio N-1 o la disponibilidad de suficiente potencia de control.
- El estado perturbado de la red también se caracteriza por el hecho de que no se puede abastecer a todos los consumidores. Hay cortes de energía regionales .
- El estado crítico de la red se caracteriza por el hecho de que existe un alto riesgo de grandes cortes de energía y son necesarias acciones inmediatas, como separar la red en subredes individuales.
Operador de red
Operador del sistema de transmisión (TSO)
En el ámbito de las redes de alta tensión, las redes de los operadores de sistemas de transmisión individuales están conectadas a la red nacional a través de líneas de alta tensión .
Alemania
Cuatro operadores de red (TSO, operador del sistema de transmisión) están activos en Alemania; han unido fuerzas para formar la red de control de red alemana : Amprion , TransnetBW , Tennet TSO y 50Hertz Transmission .
Suiza
La red eléctrica suiza es de gran importancia para el comercio de electricidad de Europa occidental; tradicionalmente sirve como un centro para equilibrar la demanda máxima y la producción máxima en los principales países de Europa continental. En 2009, la red en el sentido más estricto se escindió de las empresas de suministro de energía individuales (EVU) en las denominadas empresas de red y se transfirió al operador de red de transporte nacional (TSO) Swissgrid .
Austria
En Austria, la red de transmisión nacional es operada por Austrian Power Grid (APG).
Cooperación europea
El 16 de abril de 1958, las redes eléctricas de Alemania, Francia y Suiza se interconectaron por primera vez cerca de la ciudad suiza de Laufenburg am Rhein bajo el control de EGL .
En 2007, los operadores de sistemas de transmisión europeos responsables de la operación de la red interconectada de alta tensión formaron la asociación ENTSO-E ; antes de eso había seis asociaciones antiguas ("ETSO"). Al hacerlo, estaba reaccionando al tercer paquete del mercado interior de la energía de la Comisión Europea ; esto fue adoptado en 2009. ENTSO-E también representa a los operadores de red frente a la Comisión.
Operador de red de distribución (DSO)
Además de los operadores del sistema de transmisión, existe una gran cantidad de redes de distribución. En Alemania hay alrededor de 900 operadores de redes de distribución más pequeños que suministran electricidad a los consumidores finales.
Los operadores de red reciben tarifas de uso de la red por el servicio " Transferencia de electricidad del productor de electricidad al consumidor". La Agencia Federal de Redes fija los precios de este servicio en Alemania .
Redes eléctricas de los ferrocarriles
Las empresas ferroviarias operan otra red de suministro de energía en Alemania, Suiza y Austria . El DB Energie opera la mayor red de 110 kV interconectado en Alemania. Utiliza corriente alterna monofásica . La red de líneas aéreas tiene una longitud aproximada de 7.600 km de líneas eléctricas de tracción . A diferencia de la red nacional, la frecuencia de la red en la red de corriente de tracción es de 16,7 Hz. La Rübelandbahn utiliza una frecuencia de red de 50 Hz y se alimenta directamente de la red eléctrica pública.
Además, también hay pequeñas redes eléctricas regionales como Mariazeller Bahn en Austria, que funciona con corriente alterna monofásica y una frecuencia de 25 Hz . Este ferrocarril tiene su propia pequeña red de 27 kV.
En los demás países, los ferrocarriles eléctricos se abastecen de energía de la red eléctrica pública. En el caso de los ferrocarriles de corriente continua mediante rectificadores en las subestaciones, en ferrocarriles operados con corriente alterna monofásica a una frecuencia de 50 Hz, las fases del sistema trifásico en la subestación se separan y alimentan individualmente a diferentes tramos de la línea.
Red costa afuera, conexión a la red interconectada en tierra
El suministro de energía en rápido crecimiento para la industria eólica marina con las tres estaciones de alimentación Büttel, Dörpen y Dörpen West se puede ver en el mapa de las turbinas eólicas marinas.
historia
La guerra actual fue una disputa alrededor de 1890 sobre si el voltaje de CC favorecido por Thomas Alva Edison o el voltaje de CA favorecido por George Westinghouse era la tecnología más adecuada para el suministro a gran escala de los Estados Unidos de América con energía eléctrica y la construcción. de las redes eléctricas.
literatura
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- Plataforma tecnológica europea SmartGrids (Comisión Europea) 2007:
- Agenda de investigación estratégica para las redes eléctricas europeas del futuro (PDF, 96 S.; 2,1 MB)
- Visión y estrategia para las redes eléctricas europeas del futuro (PDF, 44 S.; 1,8 MB)
enlaces web
- Redes eléctricas : información de la Oficina Federal de Energía (Suiza)
- Swissgrid , red eléctrica en Suiza
tarjetas
- ENTSO-E , mapa de la red interconectada de Europa y África del Norte.
- Mapas de las redes eléctricas de diferentes países , Global Energy Network Institute (inglés)
- Mapa de la red eléctrica mundial , todas las líneas. Todavía irregular, editable y en crecimiento. (123map GmbH, OpenStreetMap )
- Mapa de la red eléctrica mundial , todas las líneas. Todavía irregular, editable y en crecimiento.
- Mapa de la red eléctrica de Austria
Evidencia individual
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- ^ VSE: Estabilidad de la red: La "Estrella de Laufenburg" lo cambió todo . ( strom.ch [consultado el 7 de septiembre de 2020]).