Guía Técnica Distribución Eléctrica para Eventos.
La Electricidad se puede definir como la forma de energía que se produce con el movimiento de los electrones de la capa externa de los átomos que hay en la superficie de un material conductor. Ese movimiento de cargas eléctricas es lo que se denomina Corriente Eléctrica y se origina al poner en contacto dos elementos entre los que hay una diferencia de potencial.
Una de las principales características de la Energía Eléctrica es que, salvo pequeñas cantidades, no se puede almacenar, de forma que la producción y suministro debe ser constante y a la vez adecuada a la demanda en cada momento.
La energía eléctrica se obtiene de dos tipos de recursos naturales:
Las denominadas energías renovables, recursos ilimitados que de manera periódica tenemos a nuestra disposición como la radiación solar, el viento o el flujo de las mareas.
Los recursos no-renovables como el carbón, petróleo, gas natural o uranio, que se extraen de la naturaleza y se transportan a los centros de transformación, las Centrales Eléctricas.
Una vez producida en las Centrales Eléctricas, la Energía eléctrica se transporta mediante una extensa y compleja red de distribución. Para facilitar su transporte a grandes distancias se utiliza una tensión elevada para minimizar las pérdidas y reducir los costes de las infraestructuras necesarias. De esta forma, la energía producida va pasando por diferentes centros de transformación y subestaciones, donde mediante el uso de grandes transformadores, se adecua y se garantiza la tensión eléctrica que finalmente llegará a los puntos de consumo.
Según la tensión que soporta el tendido eléctrico en cada etapa, hablamos de tres tipos de redes de transporte y distribución:
Alta Tensión. Son aquellas redes que transportan la energía a tensiones muy elevadas, a partir de 30.000V (30kV) y hasta 400.000V (400kV).
Media Tensión. Aquellas líneas e instalaciones que llevan la corriente eléctrica a una tensión nominal entre 1.000V (1kV) y 30.000V (30kV).[1]
Baja Tensión. Se refiere a aquellas líneas e instalaciones con una tensión nominal inferior a 1.000V (1kV).
Por lo tanto, en el caso de la Distribución Eléctrica para Eventos siempre estamos hablando de instalaciones de Baja Tensión.
En España, el transporte y la distribución de energía eléctrica está regulado por el estado a través de sociedad pública Red Eléctrica Española (REE), que ejerce como operador del sistema y gestor de la red de transporte.
En cambio, las líneas en media y baja tensión pertenecen a cada compañía eléctrica distribuidora, que llevan a cabo la construcción y mantenimiento de las instalaciones de distribución para el consumo gestionando su funcionamiento.
La red de distribución está diseñada para que, cuando haya una interrupción repentina del suministro de energía en un punto cualquiera, sea posible recibir energía procedente de otro centro de producción. De esta forma, aunque la demanda eléctrica no es siempre homogénea, la red está preparada para dar respuesta a variaciones de los niveles de consumo.
[1] En España, el RD 223/2008 establece que las líneas entre 1kV y 30kV entran en la consideración de Alta Tensión - 3ª Categoría.
1.1 Magnitudes Físicas
En primer lugar, vamos a definir las magnitudes físicas fundamentales que tienen relación directa con la Electricidad y los Circuitos Eléctricos:
Tensión Eléctrica o Diferencia de Potencial. Cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos y su unidad es el voltio o volt (V). Por extensión del lenguaje, a veces nos referimos a la Tensión Eléctrica como Voltaje.
Intensidad de Corriente. Es el caudal de corriente, es decir la cantidad de carga eléctrica que recorre un material por unidad de tiempo. Se expresa en culombios por segundo (C/s), unidad que se denomina amperio, ampere o ampère (A).
Resistencia Eléctrica. Es la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor. Como veremos en la Ley de Ohm, la Resistencia puede definirse como la relación entre la Tensión y la Intensidad de Corriente. La unidad de resistencia se mide en ohmios y se expresa con la letra griega omega (W).
Potencia Eléctrica. Es la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida en un momento determinado por una máquina. La unidad de medida es el vatio o watt (W).
Frecuencia. En Corriente Alterna, es la velocidad fija a la que la corriente cambia de sentido por segundo y se expresa en ciclos por segundo, se mide en hercio (Hz).
1.1.1 La Ley de Ohm
En 1827, el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm formuló una de las leyes básicas sobre electricidad y circuitos eléctricos. La Ley de Ohm introduce el concepto de resistencia eléctrica como factor de proporcionalidad en la relación entre la Diferencia de Potencial y la Intensidad de la corriente eléctrica. Fórmula General de la Ley de Ohm:
Donde (V) se corresponde a la Tensión o Diferencia de Potencial, (R) es la Resistencia del circuito e (I) la Intensidad de la corriente.
1.1.2 Ley de Joule
Consecuencia de esta ley es el denominado “Efecto Joule”, por el cual, si por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques con los átomos que conforman el material conductor elevando su temperatura. En el momento en que la temperatura del material conductor alcanza el equilibrio térmico con el exterior, comienza a disipar energía en forma de calor.
La ley de Joule establece que la Cantidad de Calor (Q)[2], es directamente proporcional al cuadrado de la Intensidad de la corriente(I), la Resistencia (R) del conductor y el Tiempo (T) que fluye la corriente por el conductor:
[2] La cantidad de Calor se mide en Julios (J), la Intensidad en amperios (A), la resistencia en ohmios (W) y el tiempo en segundos (s)
1.2 Corriente Alterna y Corriente Continua
Como hemos visto, la Corriente Eléctrica es el flujo de carga eléctrica que recorre un material conductor que permite el paso de la electricidad a través de este.
Hablamos de Corriente Continua (DC – Direct Current) cuando la corriente eléctrica fluye de un punto a otro siempre en el mismo sentido, como por ejemplo cuando usamos una pila o una batería. La Corriente Continua no implica un valor constante, simplemente el sentido en el que fluye la corriente.
La Corriente Alterna (AC – Alternating Current) es aquella que fluye de un punto a otro cambiado de sentido periódicamente. Es decir, la magnitud y la dirección de la corriente varían cíclicamente y la forma de onda más habitual es la senoidal.
La Corriente Alterna (AC) fue ideada por Nikola Tesla como solución para superar las limitaciones e ineficiencia que suponía emplear la Corriente Continua (DC) para la Distribución de Energía derivadas de la transmisión de potencia.
La Corriente Alterna (AC) permite que los cables conductores sean de menor sección al poder trabajar con altos valores de Tensión que disminuyen proporcionalmente la Intensidad de Corriente, ya que la sección del conducto depende de la sección. Además, como el Efecto Joule depende también de la Intensidad, se minimizan las pérdidas de energía y por tanto es mucho más eficiente. Por la tanto, cuando nos referimos a la Red de Distribución Eléctrica Pública, siempre hablamos de Corriente Alterna (AC).
Pero los valores tanto de Voltaje como de la Frecuencia empleada en las redes de distribución no son los mismos en cada país. En el caso de España, la red pública para uso doméstico funciona con un voltaje entre 220-240V y la red para uso industrial entre 380-400V. La frecuencia empleada para su distribución es de 50Hz.
En la siguiente ilustración se muestra la variación de valores de la Red Eléctrica por países a nivel mundial.
1.2.1 Impedancia
La Impedancia (Z) es la resistencia eléctrica que se genera en un circuito cuando una Corriente Alterna (AC) intenta pasar a través de este. Por lo tanto, es un concepto extendido de la Resistencia (R) donde, además de una magnitud, posee una fase.
Cuando un circuito es alimentado con Corriente Continua, su Impedancia (Z) es igual a la Resistencia (R), lo que se puede interpretar como la Impedancia (Z) con ángulo de fase cero. Se trata de una magnitud bastante compleja y cuyo cálculo se describe mediante funciones de análisis armónico.
1.2.2 Distorsión Armónica
Los armónicos son frecuencias múltiplos de una frecuencia fundamental y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el múltiplo de esa frecuencia fundamental.
De igual forma que ocurre en los fenómenos acústicos, en los sistemas de Corriente Alterna (AC), al tratarse de ondas senoidales, también pueden aparecer armónicos de corriente que generan efectos negativos.
Como la red pública en España usa como frecuencia fundamental 50Hz, es posible que se generen armónicos en 100Hz, 150Hz, 200Hz o frecuencias superiores.
En cuanto a los tipos de equipos que generan corrientes de carga armónicas podemos destacar:
Fuentes de alimentación de funcionamiento conmutado (SMPS) como las que usan las luminarias y Pantallas LED.
Estabilizadores electrónicos de dispositivos de iluminación como los balastros para lámparas fluorescente o luminarias con lámpara de haluro metálico.
Los dispositivos SAI – Sistemas de Alimentación Ininterrumpida, tanto pequeños sistemas monofásicos, como sistemas trifásicos.
Los Motores de velocidad variable como los utilizados en sistemas de Rigging.
1.3 Potencia Aparente Vs Potencia Activa
Definíamos la Potencia Eléctrica como la energía entregada o absorbida por un elemento o dispositivo en un momento determinado. Cuando hablamos de circuitos de Corriente Continua (DC), la Potencia (P), es proporcional a la Intensidad de Corriente (I) y a la Tensión (V):
Pero cuando hablamos de circuitos de Corriente Alterna (AC), interviene el denominado Factor de Potencia como relación entre la Potencia Activa (P) y la Potencia Aparente (S).
Potencia Activa
La Potencia Activa es la potencia que realmente se consume en un circuito eléctrico y representa la energía que puede requerir un dispositivo de nuestro montaje para su funcionamiento.
La Potencia Activa, por lo tanto, el Consumo Máximo de un equipo se expresa en vatios (W) o en kilovatios (kW). En algunos equipos, el Consumo Máximo viene expresado en Amperios ya que la Potencia Activa necesaria dependerá de la Tensión del circuito. Como ya hemos visto, la Tensión y Frecuencia de la Red Eléctrica depende de cada país y los fabricantes usan fuentes de alimentación para sus equipos que pueden trabajar desde 110V a 220V y a 50Hz y 60Hz.
Con lo cual, si en la ficha técnica de un equipo, el Consumo Máximo viene expresado en Amperios, aplicaremos la fórmula anterior, de forma que un equipo con un Consumo Máximo de 10A, con una Tensión en la Red Eléctrica de 240V, su Consumo máximo será de 2400W o 2,4kW:
Potencia Aparente
La Potencia Aparente (S) es la suma vectorial de la Potencia Activa (P) y la Potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes, que se denomina Potencia Reactiva (Q).
Aunque no es exactamente lo mismo, para los cálculos de distribución eléctrica en un evento, asumimos que el Factor de Potencia se corresponde con el coseno de φ. Por lo tanto, para tener una referencia de la Potencia Activa en una acometida:
Donde el coseno de φ tendría un valor teórico entre 0 y 1 en función de la Impedancia (Z). Como referencia para el cálculo de Potencia Activa de una acometida, los valores estándar que usaremos serán:
· cos φ = 0,93 cuando el suministro eléctrico proviene de la Red Pública
· cos φ = 0,80 cuando el suministro eléctrico proviene de un Generador o Grupo Electrógeno.
La unidad de Potencia Aparente (S) es el voltamperio (VA), también denominado voltio-amperio, volt-ampere, voltamperio y voltio-amperio.
Para Generadores y Grupos Electrógenos habitualmente se usa el múltiplo kilovoltiomperio (kVA) que se deletrea como “ka-ve-a”.
1.4 Sistema Monofásico y Sistema Trifásico
En 1882, los estudios de Nicola Tesla sobre el “Principio del Campo Magnético Rotatorio” permitieron el desarrollo de sistemas de distribución eléctrica polifásicos para un uso mucho más eficiente de los conductores en la distribución y además mejorar el rendimiento de los transformadores utilizados.
En España, en el ámbito doméstico disponemos de enchufes y tomas de corriente Monofásicas, pero la distribución eléctrica hasta nuestros hogares se realiza a través de Sistemas Trifásicos, que también tienen un uso industrial donde gran parte de la maquinaria pesada funciona con motores para esta Tensión.
En el caso de los Eventos, solo utilizan realmente Sistemas Trifásicos algunas maquinas industriales para catering (como hornos y armarios calientes), y los motores o polipastos eléctricos de cadena usados en Rigging.
Para el resto de los equipos se utilizan Cuadros de Distribución que convierten una acometida de Sistema Trifásico en líneas Monofásicas independientes y añadiendo los sistemas de protección que veremos más adelante.
Conviene señalar que hay equipos, por ejemplo: racks de amplificación de Sistemas de P.A., que en su composición incluyen su propio sistema de distribución eléctrico y aunque se conectan a una acometida Trifásica, en realidad las etapas de potencia que lo componen requieren alimentación Monofásica. Es decir, en lugar de usar un cuadro de distribución externo, el propio rack cuenta con un sistema de distribución interno que está diseñado para que el consumo entre fases esté compensado.
Sistemas Monofásicos
En Corriente Alterna (AC), los Sistemas Monofásicos son aquellos donde la producción, distribución y consumo de energía eléctrica está formado por una única corriente o Fase (F) que retorna por el cable Neutro (N) que cierra el circuito. Es el sistema habitual en el ámbito doméstico en España.
Teniendo en cuenta que la Toma de Tierra (E - Earth) es un conductor destinado a descargar la tensión en caso de fallo, si medimos con un Voltímetro en una acometida de corriente monofásica, los valores correctos de lectura en España (230V/50Hz):
Entre Fase (F) y Neutro (N) serían 230V.
Entre Neutro (N) y Tierra (E) el valor debería tender a cero
Entre Fase (F) y Tierra (E), el valor debería ser cercano a 230V, de lo contrario será un síntoma de defectos en el aislamiento eléctrico de la instalación.
Como ya hemos visto, el cálculo de la Potencia Activa (P) en un Sistema Monofásico sería:
Sistemas Trifásicos
Los Sistemas Trifásicos están compuestos por tres Corrientes Alternas denominadas Fases (R, S. T), de igual frecuencia y amplitud, pero con la oscilación desfasada entre ellas de 120º. El circuito se completa con un Neutro (N) común para las tres Fases y la Toma a Tierra (E). En este caso, los valores de lectura correctos en España (400V/50Hz) con un voltímetro, serían:
Entre cada una de las Fases (R), (S) y (T) el valor sería 400V
Entre cualquiera de las Fases (R, S, T) y Neutro (N) el valor sería de 230V
Entre Fase (F) y Tierra (E), el valor debería ser cercano a 230V, de lo contrario será un síntoma de defectos en el aislamiento eléctrico de la instalación.
Entre el Neutro (N) y Tierra (E), el valor de lectura debe tender a cero.
En un Sistema Trifásico, la Potencia Activa (P) se calcula mediante la siguiente fórmula:
Un concepto fundamental a la hora de diseñar la distribución eléctrica de un evento es que la carga eléctrica de las fases de un Sistema Trifásico debe estar compensada para aprovechar toda la potencia disponible en la línea y evitar sobre cargas en el Neutro (N), que pueden hacer saltar los sistemas de protección.
En el siguiente gráfico observamos como se distribuye la tensión en las fases de un sistema trifásico equilibrado. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120°:
Distribución Eléctrica para Eventos
Cuaderno Técnico para Directores Técnicos y Organizadores de Eventos.
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