Corte de energía
Pérdida de energía eléctrica en una zona

Las luces de los vehículos proporcionaron la única iluminación durante la crisis eléctrica de Ecuador de 2009 .

Un corte de energía (también llamado corte de energía , corte de energía , falla de energía , apagón o pérdida de energía ) es la pérdida del suministro de la red de energía eléctrica a un usuario final .

Existen muchas causas de fallas eléctricas en una red eléctrica. Ejemplos de estas causas incluyen fallas en centrales eléctricas , daños en líneas de transmisión eléctrica , subestaciones u otras partes del sistema de distribución , cortocircuitos , fallas en cascada , funcionamiento de fusibles o disyuntores .

Los cortes de energía son particularmente críticos en sitios donde el medio ambiente y la seguridad pública están en riesgo. Instituciones como hospitales , plantas de tratamiento de aguas residuales y minas generalmente tendrán fuentes de energía de respaldo como generadores de reserva , que se encenderán automáticamente cuando se pierda la energía eléctrica. Otros sistemas críticos, como las telecomunicaciones , también deben tener energía de emergencia. La sala de baterías de una central telefónica generalmente tiene conjuntos de baterías de plomo-ácido como respaldo y también un enchufe para conectar un generador durante períodos prolongados de corte. Durante un corte de energía, hay una interrupción en el suministro de electricidad, lo que resulta en una pérdida de energía en hogares, empresas y otras instalaciones. Los cortes de energía pueden ocurrir por varias razones, incluidas condiciones climáticas severas (como tormentas, huracanes o ventiscas), fallas de equipos, sobrecarga de la red o mantenimiento planificado.

Tipos

Apagón
Falla transitoria

Los cortes de energía se clasifican en tres fenómenos diferentes, relacionados con la duración y el efecto del corte:

  • Una falla transitoria es una pérdida de energía causada generalmente por una falla en una línea eléctrica, por ejemplo, un cortocircuito o una descarga disruptiva. La energía se restablece automáticamente una vez que se elimina la falla.
  • Una caída de tensión es una caída de tensión en una fuente de alimentación eléctrica. El término "caída de tensión" proviene de la atenuación que experimentan las luces incandescentes cuando baja la tensión. Las caídas de tensión pueden provocar un rendimiento deficiente de los equipos o incluso un funcionamiento incorrecto.
  • Un apagón es la pérdida total de energía en una zona extensa y de larga duración. [1] Es la forma más grave de corte de energía que puede ocurrir. Los apagones que son consecuencia de la activación de las centrales eléctricas o que dan lugar a su desactivación son particularmente difíciles de recuperar rápidamente. Los cortes pueden durar desde unos minutos hasta unas semanas, dependiendo de la naturaleza del apagón y de la configuración de la red eléctrica.

Los apagones rotativos ocurren cuando la demanda de electricidad excede la oferta y permiten que algunos clientes reciban energía al voltaje requerido a expensas de otros clientes que no reciben energía en absoluto. Son una ocurrencia común en los países en desarrollo y pueden programarse con anticipación o ocurrir sin previo aviso. También han ocurrido en países desarrollados, por ejemplo, en la crisis de electricidad de California de 2000-2001, cuando la desregulación gubernamental desestabilizó el mercado mayorista de electricidad. Los apagones también se utilizan como medida de seguridad pública, como para evitar que una fuga de gas se incendie (por ejemplo, se cortó la energía en varias ciudades en respuesta a las explosiones de gas de Merrimack Valley ) o para prevenir incendios forestales alrededor de líneas de transmisión mal mantenidas (como durante los cortes de energía de California de 2019 ).

Protección del sistema eléctrico contra cortes de suministro

Las ramas de los árboles provocan un cortocircuito en las líneas eléctricas durante una tormenta. Esto suele provocar un corte de energía en la zona abastecida por estas líneas.

En las redes de suministro eléctrico , la generación de potencia y la carga eléctrica (demanda) deben ser casi iguales cada segundo para evitar sobrecargas en los componentes de la red que puedan dañarlos gravemente. Los relés de protección y los fusibles se utilizan para detectar automáticamente las sobrecargas y desconectar los circuitos que corren el riesgo de sufrir daños.

En determinadas circunstancias, la interrupción de un componente de la red puede provocar fluctuaciones de corriente en los segmentos vecinos de la red, lo que puede provocar un fallo en cascada de una sección más grande de la red. Esto puede abarcar desde un edificio hasta un bloque de apartamentos, una ciudad entera o una red eléctrica completa .

Los sistemas de energía modernos están diseñados para resistir este tipo de fallas en cascada, pero pueden ser inevitables (ver más abajo). Además, dado que no hay ningún beneficio económico a corto plazo en prevenir fallas raras a gran escala, los investigadores han expresado su preocupación por la existencia de una tendencia a erosionar la resiliencia de la red con el tiempo, que solo se corrige después de que ocurre una falla importante. [ cita requerida ] En una publicación de 2003, Carreras y coautores afirmaron que reducir la probabilidad de pequeños cortes de energía solo aumenta la probabilidad de cortes más grandes. [2] En ese caso, el beneficio económico a corto plazo de mantener al cliente individual satisfecho aumenta la probabilidad de apagones a gran escala.

En octubre de 2018, el Comité de Energía y Recursos Naturales del Senado celebró una audiencia para examinar el " arranque en negro ", el proceso de restablecer la electricidad después de una pérdida de energía en todo el sistema. El propósito de la audiencia era que el Congreso conociera cuáles son los planes de respaldo en la industria de servicios públicos de electricidad en caso de que la red eléctrica se dañe. Las amenazas a la red eléctrica incluyen ciberataques, tormentas solares y condiciones climáticas severas, entre otras. Por ejemplo, el " apagón del noreste de Estados Unidos de 2003 " se produjo cuando árboles demasiado grandes tocaron líneas eléctricas de alto voltaje. Alrededor de 55 millones de personas en los EE. UU. y Canadá se quedaron sin electricidad, y restaurarla costó alrededor de 6 mil millones de dólares. [3]

Protección de los sistemas informáticos frente a cortes de energía

Los sistemas informáticos y otros dispositivos electrónicos que contienen circuitos lógicos son susceptibles a la pérdida de datos o daños en el hardware que pueden ser causados ​​por la pérdida repentina de energía. Estos pueden incluir equipos de redes de datos, proyectores de video, sistemas de alarma y computadoras. Para proteger los sistemas informáticos contra esto, el uso de un sistema de alimentación ininterrumpida o "UPS" puede proporcionar un flujo constante de electricidad si una fuente de alimentación primaria deja de estar disponible durante un corto período de tiempo. Para protegerse contra sobretensiones (eventos en los que los voltajes aumentan durante unos segundos), que pueden dañar el hardware cuando se restablece la energía, se puede utilizar un dispositivo especial llamado protector de sobretensiones que absorbe el exceso de voltaje.

Restablecimiento del suministro eléctrico tras un corte en una zona extensa

Restablecer el suministro eléctrico después de un corte de suministro en una zona extensa puede ser difícil, ya que es necesario volver a poner en funcionamiento las centrales eléctricas. Normalmente, esto se hace con la ayuda de la energía del resto de la red. En ausencia total de energía de la red, es necesario realizar un arranque en negro para poner en funcionamiento la red eléctrica. Los medios para hacerlo dependerán en gran medida de las circunstancias locales y las políticas operativas, pero normalmente las empresas de transmisión establecerán "islas de energía" localizadas que luego se acoplarán progresivamente entre sí. Para mantener las frecuencias de suministro dentro de límites tolerables durante este proceso, la demanda debe reconectarse al mismo ritmo que se restablece la generación, lo que requiere una estrecha coordinación entre las centrales eléctricas y las organizaciones de transmisión y distribución.

La inevitabilidad del apagón y la sostenibilidad eléctrica

Comparación de la duración de los cortes de energía ( valor SAIDI ), en 2014.

Criticidad autoorganizada

Se ha argumentado, basándose en datos históricos [4] y modelos informáticos [5] [6] , que las redes eléctricas son sistemas críticos autoorganizados . Estos sistemas presentan perturbaciones inevitables [7] de todos los tamaños, incluso del tamaño del sistema completo. Este fenómeno se ha atribuido al aumento constante de la demanda/carga, a la economía de funcionamiento de una empresa eléctrica y a los límites de la ingeniería moderna. [8]

Aunque se ha demostrado que la frecuencia de los apagones se reduce si se opera más lejos de su punto crítico, generalmente no es económicamente viable, lo que hace que los proveedores aumenten la carga promedio con el tiempo o actualicen con menos frecuencia, lo que hace que la red se acerque a su punto crítico. Por el contrario, un sistema que pasa el punto crítico experimentará demasiados apagones que darán lugar a actualizaciones en todo el sistema que lo llevarán por debajo del punto crítico. El término punto crítico del sistema se utiliza aquí en el sentido de física estadística y dinámica no lineal, que representa el punto en el que un sistema experimenta una transición de fase ; en este caso, la transición de una red estable y confiable con pocos fallos en cascada a una red muy esporádica y no confiable con fallos en cascada comunes. Cerca del punto crítico, la relación entre la frecuencia de los apagones y el tamaño sigue una distribución de ley de potencia . [6] [8]

Los fallos en cascada se vuelven mucho más comunes cerca de este punto crítico. La relación de ley de potencia se ve tanto en datos históricos como en sistemas modelo. [8] La práctica de operar estos sistemas mucho más cerca de su capacidad máxima conduce a efectos magnificados de perturbaciones aleatorias e inevitables debido al envejecimiento, el clima, la interacción humana, etc. Mientras están cerca del punto crítico, estos fallos tienen un mayor efecto en los componentes circundantes debido a que los componentes individuales soportan una carga mayor. Esto da como resultado que la carga mayor del componente que falla tenga que redistribuirse en mayores cantidades a través del sistema, lo que hace más probable que fallen componentes adicionales no directamente afectados por la perturbación, lo que desencadena fallas en cascada costosas y peligrosas. [8] Estas perturbaciones iniciales que causan apagones son aún más inesperadas e inevitables debido a las acciones de los proveedores de energía para prevenir perturbaciones obvias (cortar árboles, separar líneas en áreas ventosas, reemplazar componentes viejos, etc.). La complejidad de la mayoría de las redes eléctricas a menudo hace que la causa inicial de un apagón sea extremadamente difícil de identificar.

Los líderes rechazan las teorías de sistemas que concluyen que los apagones son inevitables, pero sí están de acuerdo en que es necesario cambiar el funcionamiento básico de la red. El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica defiende el uso de funciones de red inteligente , como dispositivos de control de energía que emplean sensores avanzados para coordinar la red. [9] Otros abogan por un mayor uso de cortafuegos de corriente continua de alto voltaje (HVDC) controlados electrónicamente para evitar que las perturbaciones se propaguen en cascada a través de las líneas de CA en una red de área amplia . [10]

Modelo OPA

En 2002, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), el Centro de Investigación de Ingeniería de Sistemas de Energía de la Universidad de Wisconsin (PSerc), [11] y la Universidad de Alaska Fairbanks propusieron un modelo matemático para el comportamiento de los sistemas de distribución eléctrica. [12] [13] Este modelo se conoce como el modelo OPA, una referencia a los nombres de las instituciones de los autores. OPA es un modelo de falla en cascada. Otros modelos de falla en cascada incluyen Manchester, falla oculta, CASCADE y Branching. [14] El modelo OPA se comparó cuantitativamente con un modelo de redes complejas de una falla en cascada : el modelo Crucitti–Latora–Marchiori (CLM), [15] mostrando que ambos modelos exhiben transiciones de fase similares en el daño promedio de la red (desprendimiento de carga/demanda en OPA, daño de trayectoria en CLM), con respecto a la capacidad de transmisión. [16]

Mitigación de la frecuencia de cortes de energía

A menudo se ha demostrado que los efectos de intentar mitigar las fallas en cascada cerca del punto crítico de una manera económicamente viable no son beneficiosos y, a menudo, incluso son perjudiciales. Se han probado cuatro métodos de mitigación utilizando el modelo de apagón OPA : [2]

  • Aumenta el número crítico de fallas que causan apagones en cascada: se ha demostrado que disminuye la frecuencia de apagones más pequeños, pero aumenta la de apagones más grandes.
  • Aumentar la carga máxima de cada línea eléctrica: se ha demostrado que aumenta la frecuencia de apagones más pequeños y disminuye la de apagones más grandes.
  • Combinación de un número crítico creciente y una carga máxima de líneas: se ha demostrado que no tiene un efecto significativo en ninguno de los dos tamaños de apagón. Se prevé que la pequeña reducción resultante en la frecuencia de apagones no valga la pena el costo de la implementación.
  • Aumentar el exceso de energía disponible para la red: se ha demostrado que disminuye la frecuencia de apagones más pequeños, pero aumenta la de apagones más grandes.

Además de que cada estrategia de mitigación tiene una relación costo-beneficio con respecto a la frecuencia de apagones pequeños y grandes, el número total de eventos de apagones no se redujo significativamente con ninguna de las medidas de mitigación mencionadas anteriormente. [2]

AE Motter propuso un modelo complejo basado en red para controlar grandes fallas en cascada (apagones) utilizando únicamente información local . [17]

En 2015, el Sr. Saleh presentó una de las soluciones propuestas para reducir el impacto de los cortes de energía. [9]

Indicadores clave de desempeño

Los servicios públicos se miden según tres indicadores de desempeño específicos:

Véase también

Grandes cortes de electricidad

Referencias

  1. ^ Petermann, Thomas; Bradke, Harald; Lüllmann, Arne; Poetzsch, Maik; Riehm, Ulrich (2011). Qué sucede durante un apagón: consecuencias de un corte de energía prolongado y de gran alcance . Berlín: Oficina de Evaluación de Tecnología del Bundestag alemán. doi :10.5445/IR/1000103292. ISBN 978-3-7322-9329-2.
  2. ^ abc Carreras, BA; Lynch, VE; Newman, DE; Dobson, I. (2003). "Evaluación de mitigación de apagones en sistemas de transmisión de energía" (PDF) . 36.ª Conferencia internacional de Hawái sobre ciencias de sistemas . Hawái. Archivado desde el original (PDF) el 1 de abril de 2011.
  3. ^ Kovaleski, Dave (15 de octubre de 2018). "Audiencia del Senado examina la capacidad de la industria eléctrica para restablecer el suministro eléctrico tras apagones en todo el sistema". Daily Energy Insider . Consultado el 23 de octubre de 2018 .
  4. ^ Dobson, I.; Chen, J.; Thorp, J.; Carreras, B.; Newman, D. Examinando la criticidad de los apagones en modelos de sistemas de energía con eventos en cascada. 35.ª Conferencia Internacional Anual de Hawái sobre Ciencias de Sistemas (HICSS'02), 7 al 10 de enero de 2002. Big Island, Hawái. Archivado desde el original el 12 de septiembre de 2003 . Consultado el 17 de agosto de 2003 .
  5. ^ Carreras, BA; Lynch, VE; Dobson, I.; Newman, DE Dinámica, criticidad y autoorganización en un modelo para apagones en sistemas de transmisión de energía (PDF) . Conferencia internacional de Hawái sobre ciencias de sistemas, enero de 2002, Hawái. Archivado desde el original (PDF) el 21 de agosto de 2003.
  6. ^ ab Hoffmann, H.; Payton, DW (2014). "Supresión de cascadas en un modelo crítico autoorganizado con propagación no contigua de fallas" (PDF) . Caos, solitones y fractales . 67 : 87–93. Bibcode :2014CSF....67...87H. doi :10.1016/j.chaos.2014.06.011. Archivado (PDF) desde el original el 4 de marzo de 2016.
  7. ^ Carreras, BA; Newman, DE; Dobson, I.; Poole, AB (2000). Evidencia inicial de criticidad autoorganizada en apagones del sistema eléctrico (PDF) . Actas de la Conferencia Internacional de Hawái sobre Ciencias de Sistemas, 4 al 7 de enero de 2000, Maui, Hawái. Archivado desde el original (PDF) el 29 de marzo de 2003 . Consultado el 17 de agosto de 2003 .
  8. ^ abcd Dobson, Ian; Carreras, Benjamin A.; Lynch, Vickie E.; Newman, David E. (2007). "Análisis de sistemas complejos de series de apagones: Fallas en cascada, puntos críticos y autoorganización". Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science . 17 (2): 026103. Bibcode :2007Chaos..17b6103D. doi : 10.1063/1.2737822 . PMID  17614690.
  9. ^ ab Saleh, MS; Althaibani, A.; Esa, Y.; Mhandi, Y.; Mohamed, AA (octubre de 2015). Impacto de la agrupación de microrredes en su estabilidad y resiliencia durante los apagones. Conferencia internacional de 2015 sobre redes inteligentes y tecnologías de energía limpia (ICSGCE). págs. 195–200. doi :10.1109/ICSGCE.2015.7454295. ISBN 978-1-4673-8732-3.S2CID25664994  .​
  10. ^ Fairley, Peter (2004). "The Unruly Power Grid" (La red eléctrica rebelde). IEEE Spectrum . 41 (8): 22–27. doi :10.1109/MSPEC.2004.1318179. S2CID  19389285 . Consultado el 24 de junio de 2012 .
  11. ^ "Power Systems Engineering Research Center". Junta de Regentes del Sistema Universitario de Wisconsin. 2014. Archivado desde el original el 12 de junio de 2015 . Consultado el 23 de junio de 2015 .
  12. ^ Carreras, BA; Lynch, VE; Dobson, I.; Newman, DE (2002). "Puntos críticos y transiciones en un modelo de transmisión de energía eléctrica para apagones en cascada" (PDF) . Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science . 12 (4): 985–994. Bibcode :2002Chaos..12..985C. doi :10.1063/1.1505810. ISSN  1054-1500. PMID  12779622. Archivado (PDF) desde el original el 5 de marzo de 2016.
  13. ^ Dobson, I.; Carreras, BA; Lynch, VE; Newman, DE (2001). "Un modelo inicial para la dinámica compleja en apagones del sistema eléctrico". Actas de la 34.ª Conferencia Internacional Anual de Hawái sobre Ciencias de Sistemas . pág. 710. doi :10.1109/HICSS.2001.926274. ISBN 978-0-7695-0981-5.S2CID 7708994  .
  14. ^ Nedic, Dusko P.; Dobson, Ian; Kirschen, Daniel S.; Carreras, Benjamin A.; Lynch, Vickie E. (2006). "Criticidad en un modelo de apagón por falla en cascada". Revista internacional de sistemas de energía y potencia eléctrica . 28 (9): 627. Bibcode :2006IJEPE..28..627N. CiteSeerX 10.1.1.375.2146 . doi :10.1016/j.ijepes.2006.03.006. 
  15. ^ Crucitti, P.; Latora, V.; Marchiori, M. (2004). "TModel for cascading failures in complex networks" (PDF) . Physical Review E . 69 (4 Pt 2): 045104. arXiv : cond-mat/0309141 . Bibcode :2004PhRvE..69d5104C. doi :10.1103/PhysRevE.69.045104. PMID  15169056. S2CID  3824371. Archivado desde el original (PDF) el 24 de abril de 2017.
  16. ^ Cupac, V.; Lizier, JT; Prokopenko, M. (2013). "Comparación de la dinámica de fallas en cascada entre modelos centrados en la red y de flujo de potencia". Revista internacional de sistemas de energía y potencia eléctrica . 49 : 369–379. Bibcode :2013IJEPE..49..369C. doi :10.1016/j.ijepes.2013.01.017.
  17. ^ Motter, Adilson E. (2004). "Control en cascada y defensa en redes complejas". Physical Review Letters . 93 (9): 098701. arXiv : cond-mat/0401074 . Código Bibliográfico :2004PhRvL..93i8701M. doi :10.1103/PhysRevLett.93.098701. PMID  15447153. S2CID  4856492.
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