Diseño de sistemas eléctricos de voltaje medio

La primera línea de transmisión de corriente alterna se construyó en 1886 en Cerchi (Italia), que transmitía a lo largo de 17 millas a 2.000 V. Para evitar el elevado costo de los conductores necesarios para transmitir una corriente elevada y las pérdidas asociadas a un flujo de corriente elevado, se desarrollaron líneas de transmisión de mayor voltaje. En 1936, se puso en marcha una línea de transmisión de 287 kV en los Estados Unidos: la línea de la presa Hoover a Los Angeles. En la actualidad, en Estados Unidos se suelen utilizar voltajes de hasta 345 kV para la transmisión de energía. Es posible utilizar voltajes más altos, pero hay que analizar cuidadosamente los aspectos económicos porque el precio de los equipos aumenta considerablemente al pasar a un nivel de voltaje más alto. 

Niveles de voltaje

Existen varios motivos para elegir un nivel de voltaje sobre otro para la transmisión eléctrica. El principal motivo es el costo. Con el voltaje más alto, se usa menos cobre para el cableado, pero se invierte más dinero para los equipos eléctricos: es un acto de equilibrio. Otro motivo es la longitud de las líneas. Para líneas eléctricas más largas, tiene sentido utilizar voltajes más altos, pero eso conlleva una mayor distancia entre los cables. A menudo, la decisión se ve afectada por las líneas de transmisión actuales en la zona específica. Utilizar el mismo sistema de voltaje facilita la interconexión de diferentes líneas en una red, y eso podría hacer muy atractivo un determinado nivel de voltaje, aunque los costos inmediatos sean mayores.

Se han estandarizado los niveles de voltaje para que los fabricantes puedan concentrarse en elaborar determinados tipos de equipo. La norma ANSI C84.1 define el Voltaje Medio (MV, Medium Voltage) como "una clase de voltajes nominales del sistema superiores a 1.000 V e inferiores a 100 kV".El IEEE 141 (el Libro Rojo) hace referencia a la norma ANSI C84.1 al reconocer los mismos niveles de voltaje asociados a la gama de MV. De todas las posibilidades de niveles de voltaje entre 1 kV y 100 kV, los voltajes estándar más usados en Estados Unidos son 4.160 V, 12.470 V, 13.200 V, 13.800 V, 24.940 V y 34.500 V para sistemas de cuatro cables y 69.000 V para sistemas de tres cables. También se usan otros sistemas de voltaje, como 2.400 V, 4.800 V, 6.900 V, 8.320 V, 12.000  V, 20.780 V, 22.860 V, 23.000 V y 46.000 V. Algunos voltajes, como 4,1 kV, 6,9 kV y 13,8 kV, coinciden con los voltajes estándar de los motores, por lo que se prefieren.

Según el tamaño del campus, el usuario final puede elegir el nivel de voltaje para distribuir la energía. Al elegir el nivel de voltaje, se deben tomar varias decisiones. Además del costo del proyecto, uno de los aspectos más importantes es la seguridad. Hace años, los electricistas trabajaban de forma habitual con equipos energizados, y no solo con equipos de bajo voltaje (LV; 1.000 V o menos), sino también con equipos de MV. Esta práctica se ha limitado mucho porque es muy peligrosa. Cuando se realiza el mantenimiento en el equipo energizado, la seguridad es la preocupación principal. Para abordar la seguridad, el artículo 110: Requisitos para las Instalaciones Eléctricas de la NFPA: National Electrical Code (NEC) requiere ciertas distancias de trabajo alrededor del equipo eléctrico: cuanto mayor sea el voltaje nominal, mayor será la distancia requerida. El mantenimiento del equipo es otro factor al decidir el nivel de voltaje del sistema eléctrico. Si el equipo de mantenimiento ya está entrenado en determinados equipos de tipo de voltaje, es sensato seguir usando el mismo nivel de voltaje. De lo contrario, se necesitará capacitación adicional.

El uso de un sistema de distribución de MV tiene varias ventajas en comparación con la distribución de LV. El voltaje y la corriente tienen una relación inversa. Dada una determinada demanda de potencia, cuanto mayor sea el voltaje, menor será la corriente, según la ecuación:

P = V x I

Donde P = potencia, V= voltaje e I = corriente.

A veces, la distancia no es el problema, sino la cantidad de energía que hay que distribuir. Los edificios residenciales no tienen una gran demanda energética, por lo que el uso de LV les viene bien. Pero los clientes comerciales suelen pedir grandes cantidades de potencia. Supongamos que un determinado cliente necesita 10 MW de potencia (o 12 MVA). Si se distribuye esta energía a LV (480 V, por ejemplo), la planta necesitaría proporcionar casi 14.450 amperios. Es una cantidad enorme de corriente, que requiere una cantidad enorme de cableado. En comparación, los mismos 12 MVA solo producirían aproximadamente 500 amperios a 13,8 kV. Esta solución de menor corriente ofrece al propietario la flexibilidad de suministrar la energía a través del edificio tan cerca de la carga como sea posible y, luego, bajar la energía a LV para su consumo. La elección de distribuir la energía eléctrica a través del MV también ayuda a minimizar las pérdidas de energía, lo que se suma al ahorro de la operación. Lo contrario también es cierto: a menor voltaje, mayor corriente. El sistema de MV suministra la misma cantidad de energía a través de una cantidad menor de corriente en comparación con el LV. Con una menor cantidad de corriente, se puede disponer de conductores más pequeños o menos conjuntos de conductores para distribuir la energía, lo que supone un ahorro importante. Los niveles de corriente más bajos también reducen las pérdidas de potencia y, en consecuencia, la caída de voltaje. La menor caída del voltaje hace que sea posible la distribución de energía a distancias más grandes. Es muy común que en un campus se disponga de un sistema de distribución de 13,8 kV con la bajada de voltaje a 480 V en el edificio y 4.160 V y 480 V en el edificio central de servicios públicos. Si las distancias desde la subestación principal de servicios públicos del campus hasta los edificios individuales son largas, se pueden usar voltajes más altos, pero el sistema de distribución de 13,8 kV es muy común. Otros voltajes comunes son 12,47 kV, 24 kV y 24,9 kV (nominalmente 25 kV).

Diseño del sistema de distribución

Al diseñar un sistema de distribución de MV, se debe prestar especial atención a las dimensiones del equipo, las clasificaciones y los espacios libres. Las dimensiones de los equipos son mayores en los sistemas de MV que en los de LV. Por lo tanto, el espacio dedicado al equipo es muy importante y se debe asignar al comienzo del proceso de diseño. En la tabla 1, se utiliza el mismo fabricante del equipo para comparar los equipos eléctricos de dos sistemas de voltaje muy comunes: 480 V y 13,8 kV. 

Los espacios libres de trabajo alrededor del equipo de MV también son mayores que los del equipo de LV. En el artículo 110 de NEC, se describen los espacios libres mínimos de trabajo alrededor del equipo eléctrico. En la tabla 2, se comparan los espacios libres de trabajo de los dos mismos sistemas de distribución que los mencionados en la tabla 1. 

La condición 1 se cumple cuando hay una parte activa expuesta en un lado, pero no hay partes activas ni conectadas a tierra en el lado opuesto del espacio de trabajo. Si hay piezas activas en ambos lados, la condición 1 se cumple solo si las piezas están protegidas con materiales aislantes. La condición 2 se aplica cuando hay partes activas expuestas en un lado del espacio de trabajo y partes conectadas a tierra en el otro, teniendo en cuenta que el hormigón, el ladrillo y las baldosas están conectados a tierra. La condición 3 es el peor escenario con piezas activas en ambos lados del espacio de trabajo. 

Si el equipo de MV está en el exterior, por lo menos debe estar confinado en una cerca que, según el nivel de voltaje, debe tener un mínimo de 10 pies de distancia de las piezas activas o del recinto. En el caso de un sistema de 13,8 kV nominal, el espacio libre debe ser de 15 pies. Consulte el artículo 110.31 del NEC para obtener más detalles.

El equipo de MV no tiene la misma flexibilidad que el equipo de LV. En los sistemas de LV, hay disyuntores de todos los tamaños, y los más grandes están equipados con unidades de protección contra sobrecorriente de fácil ajuste. En los sistemas de MV simples, se pueden usar los interruptores con fusibles para la protección, que se comercializan en muchos tamaños. Sin embargo, en sistemas de distribución de MV complejos, como en las instalaciones de misión crítica, los interruptores de MV son necesarios. El disyuntor más pequeño para un sistema de 13,8 kV nominal (equipo de conmutación de 15 kV) tiene una capacidad de 1.200 amperios. El siguiente tamaño es de 2.000 amperios y, luego, de 3.000 amperios. Como se mencionó antes, la gran ventaja de los sistemas de MV es que la corriente es baja, pero, en este momento, no existe ningún disyuntor lo suficientemente pequeño para estos sistemas. Sin embargo, existen interruptores de 630 amperios para los sistemas de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, International Electrotechnical Commission). A este disyuntor lo llamamos disyuntor "tonto". Se lo llama así porque no está dotado de ninguna inteligencia y no sabe cuándo debe solucionar una falla. Por ese motivo, se usan relés. Los relés ofrecen excelentes capacidades y esquemas de protección, pero eso no quita que el disyuntor de MV más pequeño, de 1.200 amperios, sea muy a menudo demasiado grande para la cantidad de corriente que pasa. Esta falta de flexibilidad tiene consecuencias financieras que se deben considerar.

La protección contra fallas para los sistemas de MV es importante por las implicaciones de una falla de protección. Un disyuntor de 1.200 amperios nominal a 480 V podría soportar cerca de 1 MVA de energía (si tiene una capacidad de 100 y está cargado). En comparación, un disyuntor de 1.200 amperios a 13,8 kV podría soportar más de 28 MVA. Como podemos ver, el disyuntor de MV suministra una carga mucho mayor, por lo que es fundamental que se proporcione protección. Debido a este gran impacto en el sistema de distribución a partir de una sola falla, la fiabilidad del sistema se convierte en una pieza importante del esfuerzo de diseño. IEEE 493-2007: el diseño de Industrial Power Systems (el libro dorado) es un buen recurso para el análisis de fiabilidad. Según estos análisis y las necesidades del cliente, se podría incorporar la redundancia al sistema. La redundancia puede ser N + x (donde x puede ser 1, 2 o cualquier número) o 2N. En un sistema 2N, se necesitan dos fuentes de energía para cada equipo; cada una de ellas debe poder soportar toda la carga (consulte la Figura 1). En caso de falla en el lado "A", la energía sigue estando disponible a través del lado "B". Cuando el lado A no está disponible, el sistema no es 2N hasta que el lado A vuelve a estar en servicio. Es importante tener en cuenta la redundancia en cualquier nivel de voltaje, pero adquiere especial importancia en los sistemas de MV porque se suministran grandes cantidades de energía y podrían perderse. Con el mismo ejemplo, el disyuntor de 1.200 amperios a 480 V podría soportar cerca de 1 MVA, y a 13,8 kV podría soportar más de 28 MVA. Perder 28 MVA podría tener un efecto mucho mayor que perder 1 MVA de energía.

En sistemas eléctricos grandes y complejos, la protección de un sistema de MV puede diseñarse fácilmente con relés, pero puede complicarse y debe pensarse con cuidado. Hay muchos tipos de esquemas de protección y, por lo general, un sistema robusto tiene muchos tipos de relés y funcionalidades diferentes comprometidos. Cada tipo de relé tiene un número dedicado, al igual que cada dispositivo de protección, representado en la norma ANSI/IEEE C37.2, lo que facilita el diseño y también la comprensión de los diseños de otras personas. Un relé de protección del diferencial (87) suma las corrientes entrantes y las compara con la suma de las corrientes salientes. Este tipo de protección está entre las más comunes porque es de rápida acción. La protección diferencial se aplica a la barra colectora principal del equipo y la zona que abarca todos los interruptores. La protección del diferencial también se puede proporcionar con transformadores de MV y alimentadores de longitud significativa. Otros tipos comunes de protección son sobrecorriente (51), instantánea (50), sobrevoltaje (59), subvoltaje (27), energía inversa (32) y muchos más. Una excelente fuente de protección de los sistemas eléctricos es la norma IEEE 242-2001: Protección y coordinación de los sistemas eléctricos comerciales e industriales. 

En la última década, se hicieron esfuerzos para centralizar la protección del equipo de MV. Los relés separados envían señales a un dispositivo central, que procesa la información y decide qué acción, en su caso, debe llevarse a cabo para evitar disparos molestos. La señal puede enviarse de un lado a otro mediante un cableado de fibra o de forma inalámbrica. Esta tecnología se desarrolló primero en Europa, y la norma que la cubre es IEC 61850: Automatización de servicios eléctricos. Esta tecnología es prometedora, pero aún no se ha generalizado.

Los transformadores de distribución de MV también suelen ser más grandes y más caros que los de LV. Debido al impacto que un mal funcionamiento del transformador podría tener para todo el sistema, se hace más hincapié en la protección de los transformadores de MV. Además de la protección de sobrecorriente habitual que podrían recibir los transformadores de LV, los transformadores de MV reciben un relé térmico (49) para controlar la temperatura del aceite, un interruptor de presión (63) para controlar la presión del tanque de aceite y un interruptor de nivel de líquido (71) para controlar el nivel de aceite (consulte la Figura 2). Todos estos relés dispararían el disyuntor, lo que genera un valor preestablecido de los respectivos parámetros que estén fuera de los intervalos aceptables. Para aclarar, algunos transformadores de LV podrían tener todos estos niveles de protección, pero en los transformadores de MV, esta protección es rutinaria.

Potencia de respaldo

Los sistemas de distribución de MV ofrecen las mismas ventajas que los de la red pública también en el lado de la potencia de respaldo. Por ejemplo, un sistema de 13,8 kV se puede respaldar con generadores de 13,8 kV. La potencia de respaldo que producen los generadores puede distribuirse tan fácilmente como sea posible cerca de la carga, como el lado de la compañía eléctrica. Según el tipo de diseño del sistema de distribución, a menudo es necesario poner en paralelo estos generadores de MV para respaldar todo el sistema.

Hay que tener en cuenta varios aspectos a la hora de poner en paralelo los generadores de MV. El primero es la fiabilidad. Por ejemplo, si se necesitan cuatro generadores para dar soporte al sistema de potencia en caso de falla total de la compañía, la siguiente decisión es la escala de redundancia. Si se necesita N + 1, tendríamos que emplear cinco generadores, y se necesitarían cuatro de los cinco en cualquier momento. La fiabilidad (disponibilidad) de este sistema es de 0,999. Si se acepta una menor fiabilidad, solo podrían utilizarse cuatro generadores en caso de una disponibilidad de 0,96. Para obtener detalles sobre cómo calcular la fiabilidad de los sistemas de potencia, consulte el Libro Dorado de IEEE.

Otra decisión es la forma en que el sistema auxiliar interactúa con los servicios públicos. En muchos casos, basta con una transición abierta, en la que el sistema auxiliar se desconecta de la carga antes de que la red de servicios públicos se conecte a ella. Las transiciones abiertas son más fáciles y sencillas de aplicar. En algunos casos, se necesita una transición cerrada, en la que el sistema auxiliar de potencia y el sistema de potencia de los servicios públicos están en paralelo durante un plazo muy corto, en general, unos pocos ciclos. 

Hay ejemplos de sistemas de transición cerrada en hospitales y centros de datos. La transición cerrada añade complejidad al sistema de distribución porque los controles y relés tendrían que incluir más zonas de control.

Además, debido a la conexión en paralelo entre la red eléctrica y la potencia de respaldo, la disponibilidad de la corriente de cortocircuito aumenta el peor escenario de que se produzca una falla en el momento de la transición cerrada. Este aumento de la carga de fallas podría empujar la clasificación de los equipos de conmutación a la siguiente clasificación estándar más alta, lo que podría repercutir en los costos de forma significativa (consulte la Figura 3).

Un sistema de MV respaldado por generadores de respaldo también requiere una gran atención a la conexión a tierra y a la protección contra fallas a tierra. La conexión a tierra de los sistemas eléctricos es un tema amplio y no se tratará aquí, excepto para dirigir al lector a dos buenos recursos: IEEE 142-1991: Conexión a Tierra de los Sistemas de Potencia Comerciales e Industriales, e IEEE C37.101: Guía para la Protección de Conexión a Tierra de Generadores.

Ventajas y desventajas del voltaje medio

Los sistemas de distribución de MV tiene muchas ventajas en comparación con las distribuciones del LV, pero también tienen algunas desventajas. La elección debe ser el resultado de un cuidadoso análisis, en el que el costo y la seguridad sean los factores predominantes. Las ventajas de los sistemas de MV incluyen el uso de mucho menos cobre en forma de conductores más pequeños y menos juegos de conductores, menos pérdidas de energía, menor caída de voltaje y, como resultado, la distribución de mucha más capacidad de energía a la carga. Las desventajas de los sistemas de MV incluyen el mayor tamaño de los equipos, los mayores espacios libres de trabajo necesarios en torno a los equipos eléctricos, las mayores inversiones en capacitación y los mayores períodos de mantenimiento para reparar los equipos.

Independientemente de estas ventajas e inconvenientes, a veces no es posible distribuir en LV, en cuyo caso se utiliza la distribución en MV (consulte la Figura 4). En estos casos, debe prestarse especial atención a la seguridad de los trabajadores mediante la elaboración de procedimientos detallados sobre el mantenimiento de los equipos de MV. La seguridad del personal que no es de mantenimiento también debe considerarse bien. La forma más eficaz de garantizar la seguridad es cerrar con llave las puertas de las zonas donde se alojan los equipos de MV y no permitir la entrada de personal no autorizado.