SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL MEXICANO 

El sistema eléctrico nacional mexicano se ha desarrollado tomando en cuenta la magnitud y dispersión geográfica de la demanda, así como la localización de las centrales generadoras. En algunas aéreas del país, los centros de generación y consumo de electricidad se encuentran alejados entre sí, por lo que la interconexión se ha realizado de manera gradual, incluyendo proyectos que se justifican técnica y económicamente.

El SEN está constituido por redes eléctricas en diferentes niveles de tensión (Figura 1):

1)   La red troncal se integra por líneas de transmisión  y subestaciones de potencia en muy alta tensión (400 kV y  230 kV), que transportan grandes cantidades de energía entre regiones. Es alimentada por las centrales generadoras y abastece al sistema de subtransmisión, así como a las instalaciones de 400 kV y 230 kV de algunos usuarios industriales

2)  Las redes de subtransmisión en alta tensión (entre 161 kV y 69 kV) tienen una cobertura regional. Suministran energía a las de distribución en media tensión y a las cargas conectadas en esos voltajes

3) Las redes de distribución en media tensión (entre 60 kV y 2.4 kV) distribuyen la energía dentro de zonas geográficas relativamente pequeñas y la entregan a aquellas en baja tensión y a instalaciones conectadas en este rango de voltaje

4) las redes de distribución en baja tensión (240 V o 220 V) alimentan las cargas de los usuarios de bajo consumo

5) La red de la extinta LyFC que suma un total de 74,413 km, de los cuales 40,606 km transmiten en tensiones de 6,6 kV a 400 kV – en este total se incluyen las líneas subterráneas – y 33, 807 km pertenecen a líneas de baja tensión (240 V o 220 V)

Figura 1 Red troncal del sistema eléctrico nacional mexicano

CFE (Comisión Federal de Electricidad) es un órgano del sector gubernamental, responsable de la planeación de la ampliación del sistema eléctrico nacional para proveer el creciente aumento de consumo de energía eléctrica en México.

El aumento en la demanda de energía eléctrica a obligado a CFE a aumentar la longitud de sus líneas de transmisión de alto voltaje para una más efectiva transmisión de energía eléctrica desde los centro de generación hasta el consumidor final.

Para la transmisión y distribución de la energía eléctrica por todo el país, es necesario mejorar no solo la infraestructura necesaria para el desarrollo de operaciones sino también el equipo necesario para elegir el correcto funcionamiento del sistema eléctrico. El equipo tecnológico necesario es el encargado de la adaptación de la energía eléctrica en correspondencia con la demanda de los consumidores. Para resolver estas actividades se exige más esfuerzo de los trabajadores que forman parte de la explotación y el mantenimiento técnico del equipo tecnológico y la existencia de literatura técnica para poder mantener este crecimiento

Antes de comenzar con esta sección el autor quiere aclarar que los sistemas de tierra siempre serán un tema polémico y de amplia discusión, mientras que muchos ingenieros optan por un método otros pueden no coincidir con las mismas ideas. Se aclara que lo que se describe a continuación puede diferir en parte o totalidad ya que son suposiciones basadas en los documentos de CFE que se encuentran en la red, y que hasta la fecha no hay un documento donde se encuentre específicamente cuando aplican, donde están aplicados y qué tipo de sistemas de tierras usa CFE. En cualquier caso, si el lector cuenta con algún documento con que él se puedan respaldar las diferencias y corregirlas, favor de contactar al autor y con gusto se agregara un agradecimiento dirigido a quien nos proporcione dicha corrección en el actual articulo.

REGIMENES DE TRABAJO DEL NEUTRO

De acuerdo a los documentos de CFE encontrados tales como POISE2011 y también artículos del instituto de investigaciones eléctricas (IIE), en México se aplican los siguientes regímenes de trabajo del neutro en diferentes niveles de tensión.

Neutro sólidamente aterrizado

El neutro sólidamente aterrizado es la unión de un conductor de la red eléctrica, comúnmente el neutro del generador, de un transformador de potencia, sin resistencias intermedias. Sin embargo la impedancia de la fuente y la resistencia no intencional en el punto de aterrizamiento deben tomarse en cuenta al estimar el sistema de tierras(Figura 2).

Valorar las ventajas del neutro sólidamente aterrizado es necesario para definir el nivel de aterrizamiento, el cual se provee al sistema eléctrico. Una buena manera para resolver este problema es comparar el valor de la corriente de cortocircuito monofásica a tierra con la corriente trifásica a tierra. Mientras más grande sea el valor de la corriente monofásica a tierra con respecto a la trifásica, entonces será más grande el nivel de aterrizamiento del sistema eléctrico. A diferencia del neutro sólidamente aterrizado, el autor supone que el neutro aislado solo se utiliza en los niveles de tensión de 115 kV, 230 kV y 400 kV.

Figura 2

Neutro sólidamente aterrizado

En México se recomienda usar el neutro sólidamente aterrizado en los siguientes casos:

1) En las redes de baja tensión (600 V y menos), donde la desconexión de algún circuito dañado es permisible o donde no hay posibilidades de aislar el corto circuito a tierra en redes con alta resistividad en el suelo.

2) En las redes de media y alta tensión (arriba de 15 kV), para permitir el uso de equipo con un nivel de aislamiento a tierra menor que la tensión entre líneas.

3) En las redes de media y alta tensión se aplica donde se desea un alto valor de corriente de cortocircuito a tierra, para proveer una correcta selectividad a las protecciones por relevadores en largos alimentadores de distribución, donde una cuestión importante es la preocupación debido a los arcos eléctricos y peligrosos gradientes de potencial en el entorno de trabajo del personal.

NEUTRO ATERRIZADO CON RESISTENCIA

En las redes aterrizadas a través de resistencia, el neutro del transformador o generador se aterriza a través de una resistencia. Un sistema típico aterrizado a través de resistencia se muestra en la figura 3. Comúnmente la resistencia tiene un valor significativamente más grande en magnitud, que la reactancia del sistema en el lugar de ubicación de la resistencia. Por lo tanto la corriente monofásica de corto circuito a tierra es limitada por el mismo resistor. 

Figura 3 Neutro aterrizado con resistencia

En México las razones para limitar las corrientes de corto circuito por medio de resistencia son:

1) Para disminuir los efectos de quemado y fundido en los equipos eléctricos. Tales como, equipos de distribución de energía, transformadores, cables y maquinas rotatorias.

2) Diminución de esfuerzos electrodinámicos en los circuitos y aparatos por los cuales fluye la corriente de corto circuito.

3) Reducción de explosión o arco eléctrico para el personal, el cual puede encontrarse accidentalmente en las inmediaciones de la falla a tierra.

4) Para disminuir la caída abrupta de tensión causado por el surgimiento y liberación de la falla a tierra.

También se aplican dos tipos de aterrizamiento por resistencia. Resistencias de alta o baja impedancia las cuales se diferencian por la magnitud de la corriente de corto circuito a tierra la cual permiten fluir. Aunque no existen estándares de corrientes de corto circuito a tierra para definir estos dos tipos, en la práctica es una clara diferencia.

Prácticamente en la mayoría de los casos en México se aplica el aterrizamiento con resistencia de gran valor óhmico en los bloques de generación donde el neutro del generador de conecta a través de una resistencia de alto valor óhmico para obtener  corriente de corto circuito en los límites de 2-10 A. Esto se explica ya que las corriente de corto circuito de más de 10 A pueden provocar arcos en espacios confinados.

A diferencia de la resistencia de alta impedancia, la resistencia con baja impedancia se aplica solamente en la industria para proteger las bobinas de los estatores en maquinas rotatorias importantes contra posibles daños a tierra. Comúnmente el aterrizamiento con una baja resistencia se destina para la limitación de la corriente de corto circuito a tierra en los intervalos de 100 A y 1000 A, de los cuales 400 A son los típicamente usados.

ESQUEMA  GENERAL DEL SISTEMA ELECTRICO NACIONAL MEXICANO

Al elegir el esquema de alimentación eléctrica de la industria, se toma en cuenta sus aplicaciones tecnológicas, potencia eléctrica, cantidad de energía que consumirá, tensión, planos y las condiciones bajos las cuales será conectada la empresa como consumidor. La petición obtenida de la empresa (inversionista) o al ser encargada a terceros, la compañía suministradora (CFE) proporcionara las especificaciones bajos las cuales la se podrá conectar al consumidor.

En las especificaciones técnicas se indican: los puntos de unión(subestación, central o línea de transmisión); los valores permisibles de desviación en la calidad de energía al consumidor, los valores permisibles de influencia del consumidor a la red eléctrica y los requisitos de control de calidad de energía; valores calculados de corto circuito, coordinación de protecciones, conexiones, aislamiento y protección contra sobretensiones; recomendaciones acerca del consumo de energía reactiva y energía y regímenes de trabajo de los equipos de compensación; requisitos para la medición de energía y su calidad.

Las instalaciones eléctricas que producen, transforman, distribuyen y consumen energía, se dividen en instalaciones eléctricas de más de 1kV y hasta 1 kV. Las instalaciones eléctricas con una tensión de  hasta 1 kV de corriente alterna de realizan con neutro sólidamente aterrizado. Las instalaciones de más de 1 kV se dividen en instalaciones en redes con un neutro efectivamente aterrizado (con grandes corriente de corto circuito).

La medida principal de los consumidores eléctricos es su potencia nominal y  la naturaleza de su corriente. Todos los consumidores de energía eléctrica que trabajan desde la red se puede dividir por su tipo de corriente en tres grupos: Corriente alterna de frecuencia industrial de 60 Hz, corriente alterna de baja o alta frecuencia, corriente directa. La mayoría de los consumidores industriales de energía eléctrica trabajan con corriente alterna trifásica con una frecuencia de 60 Hz.

El primer y principal grupo  de consumidores de energía eléctrica son los motores (maquinas rotatorias). En las instalaciones que exigen regulación de velocidad en el proceso de trabajo, se utilizan variadores de CA (motores asincrónicos con una potencia de 0.4-630 kW y motores sincrónicos hasta 30 MW).  Los motores de corriente alterna no regulables son el principal tipo de consumidor de energía eléctrica en la industria, que representan alrededor del 70% de la potencia total.

De acuerdo a la NOM-001-SEDE-2012, articulo 430-7(B) se considera como un motor un dispositivo con una potencia de 0.373 kW y más, los motores de menor potencia se consideran como medios de automatización y en las estadísticas no se consideran.

Con tensiones de hasta 1 kV y potencias de hasta 100 kW económicamente aplican motores asincrónicos, y cuando son más de 100 kW se aplican sincrónicos;  Con tensiones de 10 kV y potencias de hasta 630 kW se aplican motores asincrónicos, 450 kW y más se aplican sincrónicos. Los motores asincrónicos con rotor devanado se aplican en unidades con condiciones pesadas de arranque, en unidades de conversión y elevadores de minas.

Los diferentes tipos de instalaciones electrotermias comprenden el segundo grupo de consumidores. Estos son los hornos de resistencia de acción directa e indirecta, de arco y de inducción, instalaciones de calentamiento dieléctrico, de galvanización.

Y por último, el grupo obligatorio de consumo eléctrico, se comprende por la iluminación. Las instalaciones de iluminación con focos incandescentes, luminiscentes, de arco, de mercurio, de sodio, de xenón se aplican en todas las industrias para iluminación interior y exterior. La densidad específica de carga de iluminación en la industria depende de la normatividades vigentes.

Figura 4  Niveles de tensión del sistema eléctrico nacional

Teóricamente y prácticamente es posible distinguir los siguientes niveles de tensión del sistema eléctrico nacional (figura 4):

El primer nivel (1NV) – Consumidor de energía eléctrica independiente es el aparato o mecanismo, instalación, unidad multi-motor u otro grupo de consumidores relacionados tecnológicamente o territorialmente y que forman un solo equipo con una sola capacidad nominal(indicada por el fabricante); alimentación por una línea( un consumidor independiente de energía eléctrica puede ser un transformador, convertidor, que transforma la misma energía pero con diferentes parámetros de tensión, tipo de corriente, frecuencia y que alimenta comúnmente un bloque especifico), se alimentan de transformadores con conexiones delta-estrella, que significa que trabajan con neutro sólidamente aterrizado.

El segundo nivel (2NV) – Tablero de distribución y puntos de distribución con una tensión de hasta 1 kV de corriente alterna y hasta 1.5 kV de corriente directa, tableros de control y tableros de estaciones de control, tableros de fuerza, tableros de acometidas, equipos encapsulados, este nivel también trabaja con régimen de neutro sólidamente aterrizado, no en casos especiales cuando los tableros están destinados para salas de operaciones, según la NOM-001-SEDE-2012  estos tableros deben trabajar con neutro aislado.

Tercer nivel (3NV) – Tableros de baja tensión en las subestaciones de transformación 13.8/0.22 kV o 34.5/0.444 kV o el mismo transformador(al analizar el siguiente nivel, se toma en cuenta la carga del transformador con las perdidas), esto es el límite entre los regímenes del neutro y los niveles de tensión.

Cuarto nivel (4NV) – Las barras de la subestación de distribución 115 kV, 220 kV o 400 kV, este nivel trabaja con el régimen de neutro aislado al igual que el nivel 5.

Quinto nivel (5NV) – Barras de la subestación elevadora principal, subestación regional etc., este nivel trabaja con el régimen de neutro aislado y es la frontera entre niveles de tensión del quinto y sexto nivel.

Sexto nivel (6NV) – Es el límite de la empresa o compañía suministradora de energía eléctrica. De acuerdo al instituto de investigaciones eléctricas, en este nivel los generadores trabajan con un neutro a través de una gran resistencias para mantener las corrientes de corto circuito en los márgenes de 2-10 A para el correcto trabajo de la protección con relevadores, y el resto de los neutros de los otros transformadores trabajan con un neutro sólidamente aterrizado.

Según el instituto de investigaciones eléctricas, la selección del régimen del neutro en el sistema eléctrico repercute en la confiabilidad de los equipos y por lo tanto para limitar la corriente de corto circuito de fase a tierra, se utilizan varios métodos entre los cuales son: aterrizamiento con baja resistencia, aterrizamiento con alta resistencia y a través de un transformador zigzag. El más común utilizado en una planta industrial, donde las cargas son conectadas directamente al bus de distribución es el aterrizamiento con baja resistencia. La resistencia de puesta a tierra para tensiones de operación de 13.8 kV es del orden de 13 Oms. La corriente de falla a tierra es limitada prácticamente por la resistencia a tierra, por lo que para este valor de resistencia la corriente de falla será aprox. de 615 A.

Cuando se tienen varias fuentes de potencia, por ejemplo dos o más generadores y una acometida externa con transformadores en paralelo, se presentan dificultades de coordinación y selectividad de las protecciones cuando se tienen más de dos neutros conectados a tierra. es una práctica común en algunas plantas industriales en México, utilizar un bus de puesta a tierra y aterrizado en un solo neutro de las fuentes. Los otros neutros permanecen flotados. En teoría el método es adecuado ya que la coordinación de protecciones es más simple, efectuándose en forma radial.

Uno de los graves problemas que puede presentarse utilizando el método de aterrizar una sola fuente, es debido a que en caso de alguna falla la fuente aterrizada puede salir de servicio por la operación del interruptor principal. En estas condiciones el sistema queda flotado momentáneamente, lo que puede provocar sobre tensiones transitorias de gran magnitud del orden de hasta seis veces la tensión a tierra.

Para evitar este tipo de riesgos de operación, se deben mantener como mínimo dos puntos aterrizados de las fuentes. Los transformadores de potencia de la acometida externa, pueden aterrizarse con una resistencia a tierra común a los dos neutros. Los neutros de los generadores se pueden conectar en la misma forma. Se pueden utilizar protecciones a tierra direccionales para evitar operar incorrectamente los interruptores.

Se indica que cuando se tienen dos fuentes de alimentación, las dos fuentes se deben operar con su neutro aterrizado, que para este caso se utiliza el aterrizamiento con baja resistencia; para evitar sobretensiones transitorias debido a que el sistema eléctrico de potencia quede flotando, se deben mantener como mínimo dos  puntos aterrizado de las fuente de generación o transformadores de enlace con la red pública.