Distribución de la energía eléctrica

La electricidad que llega a nuestras casas normalmente se genera a grandes distancias de nuestros hogares y suele pasar por un proceso de transporte y distribución.

Históricamente, en los comienzos de la electricidad las distribuciones eran muy cortas, ya que solían existir centrales de pequeño tamaño y potencia para los usuarios de alrededor, lo que no requería grandes distancias de cableado. El uso de la corriente alterna permitió grácias al transformador (inventado en 1884) transportar electricidad a grandes distáncias, elevando el voltaje en la central y reduciendolo en los puntos de utilización.

Manteniendo la misma potencia, al elevar el voltaje también se reduce la corriente del circuito y eso permite a las líneas de AT usar conductores se sección mucho mas delgada y también se minimizan las pérdidas eléctricas en el conductor. En cambio, las centrales locales generaban y distribuían electricidad directamente en baja tensión en CA o CC y el tendido eléctrico tenía un alcance bastante corto.

Actualmente existen unas redes primárias de transporte a voltajes de 230 y 400 kV, estas redes recorren las centrales mas importantes y las subestaciones de las principales capitales, conectandolas entre si. En las centrales se suele generar la electricidad a tensiones de entre 6 y 25 kV, que posteriormente se eleva a la tensión de la red a la que se conecta. Las subestaciones que reciben suministro de redes primarias a 230 o 400 kV reducen el nivel de voltaje a 110 o 132 kV y también a 45 o 66 kV para grandes industrias, dando suministro a otras redes secundarias encargadas de dar servicio a zonas donde no llegan las redes primarias.

Las redes de 110 y 132 kV alimentan subestaciones secundarias en donde se reduce la alta tensión a media tensión a niveles normalmente de 20 o 25 kV y de 6, 11 y 15 kV en redes más antiguas. Las redes de media tensión recorren ciudades y pueblos ya que son las encargadas de alimentar los centros de transformación que reducen el nivel de voltaje a BT a tensiones de 130/230 V y 230/400 V, que corresponden a los antiguos voltajes de 127/220 y 220/380 V. Estas redes de BT son las que finalmente dan servicio a viviendas, locales e industrias.

Generación, transporte y distribución de la energía eléctrica

Las posibilidades de conexión a las redes de BT pueden ser servicios monofásicos bifilares de 230 V fase-neutro o fase-fase (según el tipo de red) y servicios trifásicos a 4 hilos de 130/230 V o de 230/400 V según la zona.

Antiguamente existía la posibilidad de conectar 127 V, y también con una tensión de fase a neutro tanto de 127 como de 220 V existía la posibilidad de conectar un servicio llamado doble monofásico, a dos fases y neutro (también conocido como bifásico) usado en instalaciones con muchas cargas monofásicas, que permitía repartir esas cargas a dos fases, reduciendo el amperaje de la línea a la mitad respecto a un cableado monofásico.

Posibles conexiones en redes de ambos voltajes

En una distribución de baja tensión, partiendo del transformador, existe un cuadro de distribución a continuación del transformador para proteger a las salidas con fusibles. Las salidas que salen del CT recorren las calles y en cada edificio existe una acometida eléctrica para su suministro, la forma varía si es red subterránea o aérea.

Esquema de una posble red de distribución pública de baja tensión, tanto rural como urbana.

La acometida es el tramo que se empalma desde la red de distribución hasta la caja general de protección del edificio, a partir de aquí la propiedad y la responsabilidad de las instalaciones pasa de la compañía eléctrica al dueño del edificio. La forma de la instalación también varía si es para un usuario o para varios usuarios.

Para varios usuarios, la línea que comienza en la CGP llega hasta una centralización de contadores en donde comienzan las líneas a cada abonado, llamadas derivaciones individuales. La DI comienza en el embarrado de la centralización, pasa por un fusible por fase y un contador y finalmente se le suma un conductor de toma de tierra a la línea, que termina en el cuadro general de mando y protección (CGMP) del usuario. A partir de este punto comienza la instalación interior.

Esquema de una instalación de enlace para varios usuarios

Esquema de una instalación de enlace para varios usuarios, con contadores ubicados en el interior de la vivienda/local o en el rellano junto a la puerta. Este montaje ya no se realiza, pero existen muchas instalaciones así.

Esquema de una instalación de enlace para varios usuarios en la que existen mas de 15 usuarios por planta, lo que aconseja ubicar una centralización por planta. Este montaje normalmente se realiza en edificios grandes.

Para un usuario único la acometida llega hasta el cuadro de protección y medida (CPM), que incorpora los fusibles y la base para el contador. De la CPM sale la DI hasta el CGMP, el conductor de toma de tierra puede proceder de otro punto de la instalación.

Esquema de una instalación de enlace para un único usuario

Para usuarios de mayor potencia, existen modelos de CPM provistos de bases fusibles mas grandes, y algunos modelos incluso forman un equipo de medida con transformadores de intensidad para medida indirecta, y la acometida puede ser exclusiva desde el cuadro de BT del transformador, si la potencia lo hace necesario. Algunos usuarios de BT pueden llegar a requerir un transformador exclusivo para ellos.

Otros usuarios debido a su gran demanda de energía eléctrica, contratan la electricidad en media tensión con el contador midiendo la línea de MT. La ventaja es que la electricidad resulta mas económica, pero por contra hay que pagar el mantenimiento y revisión periodica de las instalaciones de MT, que son propiedad del usuario. Estas instalaciones tienen una zona para operaciones de la compañía eléctrica, en donde se encuentran las celdas con los interruptores de línea (normalmente en anillo) y un interruptor que permite cortar la línea hacia el abonado. Línea que sale de este interruptor una vez sale de la zona de compañía da servicio al interruptor automático de MT y a la celda de medida, que contiene transformadores de medida, de intensidad y de tensión, a los que se conecta el contador de energía. A partir de este punto puede existir un único transformador o pueden instalarse celdas con interruptores y fusibles para las líneas de MT hacia los transformadores del usuario.

Contadores de energía eléctrica

En esta entrada voy a hablar de los contadores eléctricos. Estos aparatos se instalan al inicio de cada instalación para contabilizar el consumo de energía eléctrica, sin embargo pueden tener muchas variantes, además de la evolución por la que han pasado estos aparatos.

Compañía de Contadores - BTR - años 1920-30

Los contadores eléctricos hasta hace poco se han construído de forma electromecánica, cuyo funcionamiento se basa en el electromagnetismo. Dentro del contador hay una bobina de hilo muy delgado y miles de vueltas encargada de medir la tensión y otra bobina que rara vez tiene mas de 10 vueltas y su grosor depende del amperaje máximo que soporte el contador. Ambas bobinas inducen un cámpo electromagnético sobre un disco de aluminio que gira con una velocidad proporcional al consumo. Un iman permanente hace de freno sobre el disco a fin de regular y estabilizar la velocidad. El disco en su eje tiene un tornillo sin fin que mueve el engranaje de un integrador numérico que registra en consumo en kWh. El concepto de energía activa viene de consumir (o generar) una potencia durante un tiempo, por eso la medida se expresa en kWh y su fórmula es energía = a potencia x tiempo.

AEG - J6 - Años 1960

El integrador de un contador suele tener como mínimo 5 cifras enteras, aunque lo mas habitual es 6 o 7 para los últimos modelos, sin embargo podemos encontrar modelos muy antiguos con sólo 3 y 4 cifras. Muchos contadores incluyen decimales en sus contadores, aunque no en los de potencias muy altas. En modelos muy antiguos pueden verse integradores de 2 decimales. Pueden encontrarse contadores muy antiguos (80 o 100 años) que miden en HwH, que corresponde a hectovátioshora, para convertir esta lectura a kWh debe dividirse entre 10.

Riesa - SM 14 - Años 1990

Esquema eléctrico y mecánico de un contador

Hoy en dia los contadores que se instalan son digitales multifunción y la energía se mide con circuitos electrónicos. El contador electrónico mide el voltaje de red con una derivación de línea hacia un circuito específico mientras que la corriente se hace pasar por un shunt o un pequeño transformador de corriente, para finalmente, ser medida por otro circuito. Existe otro circuito que recoje esos datos y los transforma en el dato final de energía consumida. Los contadores digitales tienen muchas mas posibilidades que los electromecánicos, pues se pueden programar para medir mas de una tarifa o período horario, y también pueden medir energía reactiva.

Enel - CERM1 - Siglo XXI

El orden de los conductores en los bornes de los contadores no siempre ha sido el mismo:

Bornes según normas IEC - Asimétrico

Bornes según normas BSS - Simétrico

Antiguamente se fabricaban tanto bajo las normas IEC como las BSS, pero a partir de finales de los años 1970 y principios de los 80 pasó a usarse en España y en Europa únicamente los bornes según normas IEC.

Contador monofásico

Interior de un contador (Landis & Gyr - CG1) en donde se observa el interior con la bobina de corriente, la de tensión y el imán de freno.

El contador monofásico está diseñado para medir energía eléctrica en derivaciones de 2 conductores activos, normalmente fase y neutro. Tiene una bobina que mide tensión y otra que mide la intensidad, lo que compone un sistema de medida. Suelen fabricarse para corrientes de hasta 60 A y tensiones de 110 a 240 V.

Esquemas de conexión

Una variante del contador monofásico es el contador de doble bobina amperimétrica, en el que la bobina de corriente se divide en dos mitades para que pueda ser atravesada por ambos conductores de línea. Esto está especialmente indicado para medir suministros de dos fases, en los que interesa medir la corriente que pasa por cada conductor de manera individual.

Esquemas de conexión del contador monofásico

En América se utiliza mucho este tipo de contador cuando la distribución de BT procede de un transformador monofásico con toma media (3 hilos).  Constructivamente, el neutro nunca para por el contador. Si se conecta una carga entre una fase y neutro por el contador sólo pasa corriente por una de las dos bobinas amperimétricas y el contador mide la carga sólo en esa fase.

Contador de doble bobina en distribución monofásica

Contadores americanos para 2 y 3 hilos. Monofásico, 2F+N red monofásica, 2F+N red trifásica.

Contador doble monofásico

AEG - B11

Este tipo de contador, también llamado bifásico, se había llegado a usar bastante en España, aunque hoy en dia no se usa, sin embargo en otras partes del mundo es muy utilizado por sus ventajas. Antiguamente cuando se contrataba electricidad, a partir de cierto límite en en suministro monofásico existía esta opción para poder utilizar conductores mas delgados, y a la vez disponer de mas potencia.

CdC - TB7

Consiste en dos sistemas de medida (equivalente a dos contadores monofásicos) que miden individualmente la corriente y la tensión, de cada fase. Su razón de ser es la de dividir la carga de un suministro monofásico entre dos fases, para utilizar 3 conductores de rección mas reducida que usando sólo fase y neutro, ya que la potencia del circuito queda repartida. Es un paso intermedio entre el suministro monofásico en donde una potencia mediana puede requerir conductores muy gruesos y el trifásico en donde una potencia mediana puede ser equivalente a un amperaje reducido, lo que haría saltar el limitador de potencia contratada al mínimo desequilibrio. La lectura total es la suma de lo que miden ambos sistemas de medida.

Lo mas habitual al pensar en este contador es ubicarlo en instalaciones de 127/220 V, sin embargo también era utilizado en redes de 220/380 V.

Como ejemplo práctico, tenemos 11,5 kW que corresponden a 50 A con monofásica a 230 V. Con la opción de usar dos fases y neutro para repartir carga, tan sólo necesitaríamos 25 A por fase para lograr esos 11,5 kW.

Esquemas de conexión del contador doble monofásico

Contador trifásico

AEG - C111 (4 hilos)

Este tipo de contador tiene dos variantes, el de 3 hilos y el de 4 hilos.

El contador trifásico a 3 hilos es constructivamente igual que el doble monofásico, ya que tiene dos sistemas de medida, con las bobinas de tensión conectadas entre fases. La lectura total es la suma de ambas. Este contador se solía utilizar para suministros únicamente de fuerza cuando antiguamente se separaban los consumos de alumbrado y fuerza, ya que normalmente en los de alumbrado se utilizaba la tensión de fase y neutro, mientras que en los de fuerza se usaba la tensión entre fases, por lo que el neutro era prescindible. Este tipo de contador puede medir cargas monofásicas y cargas desequilibradas.

Las compañías eléctricas pronto se dieron cuenta de que con la fase directa (sin medir) de estos contadores los abonados podían obtener energía de manera ilícita, por lo que pronto cayeron en desuso para usarse únicamente contadores trifásicos de 4 hilos, aunque no se usara el neutro. Sin embargo, para medida en abonados de MT y AT, se siguió utilizando hasta hace relativamente poco.

AEG - C11 (4 hilos)

El contador trifásico a 4 hilos dispone de 3 elementos de medida que miden individualmente cada fase, por lo tanto, puede medir fases con cargas desequilibradas. Estos tres elementos de medida tienen sus bobinas de tensión conectadas entre una fase y el neutro, en estrella. Normalmente los contadores electromecánicos disponían de dos discos unidos por un eje, sobre los cuales actúan dos elementos de medida en un disco y el tercer elemento de medida y el imán de freno. La lectura total es la suma de cada elemento de medida.

En baja tensión, estos contadores permiten la utilización simultánea de receptores trifásicos y monofásicos, tanto entre fase y neutro como entre fases. Se fabrican tanto para medida directa, con un límite de 80 o 100 A, como para medida indirecta.

Esquemas de conexión del contador trifásico de 4 hilos

Medida de la energía reactiva

Hasta ahora todos los contadores que hemos mencionando sólo miden energía activa, que es la que produce trabajo útil. Sin embargo existen muchas instalaciones con cargas inductivas (bobinas, motores, etc) que producen el efecto de consumir mas corriente de lo que correspondería, debido a que las cargas inductivas adelantan la onda de corriente con respecto a la de tensión. Esto supone un perjuício para las líneas eléctricas debido a que queda muy limitada la energía activa disponible, por eso las compañías eléctricas miden reactiva penalizando a los usuarios con medidas de reactiva muy alta (bajo factor de potencia) e incluso premian con descuentos a aquellos abonados con medidas de reactiva nulas o muy reducidas (alto factor de potencia). La energía reactiva se mide en KVARh.

Equipo de medida con contadores de activa y reactiva (AEG)

El contador de reactiva electromecánico antiguamente era un contador específico que se instalaba al lado y aguas abajo del de activa. Este contador se fabricaba trifásico para 3 y 4 hilos y monofásico, aunque este último era bastante poco común, también se fabricaba para medida tanto directa como indirecta, y se instalaban de las mismas tensiones y corriente que el activa. Para la medida de la reactiva se desfasa la tensión y la corriente 90º, este desfase se consigue con dos métodos. El primero consiste en una bobina instalada en serie con la bobina de tensión para los de 2, 3 y 4 hilos (una bobina por sistema de medida), esta bobina es ajustable y adelanta la tensión 90º. El segundo método consiste en conectar las 3 bobinas de tensión de un contador de 4 hilos en triangulo, de manera que las bobinas se alimentan de las dos fases que no mide la bobina de corriente del mismo elemento de medida, y así se consigue el desfase necesario. También existía un método parecido para el trifásico de 3 hilos.

Hoy en día para este tipo de medidas se instala un único contador multifunción que mide energías activa y reactiva. Además de dar la lectura de reactiva, indican la potencia reactiva instantánea en kVAR y el ángulo de Cos de phi, entre otras cosas.

Contador multifunción Ziv

Medida indirecta

Existen instalaciones que debido a su elevada potencia, se realiza la medida de la energía de manera indirecta con transformadores de intensidad en BT y transformadores de intensidad y de tensión en MT y AT. El contador normalmente viene calibrado o programado para mostrar la lectura real según la relación de los transformadores de medida. Cuando se instalaban contadores electromecánicos, muchas veces también se utilizaban contadores directos de 5 A en los que se indicaba con una etiqueta al lado del integrador la relación por la que tenía que multiplicarse la lectura de este.

Medida con transformadores de intensidad en BT (indirecta o semi indirecta)

Medida con transformadores de tensión e intensidad en MT y AT (indirecta)