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EDITORIAL REVERTÉ

Juan Antonio Yebra Morón

Sistemas Eléctricosde Distribución

Barcelona Bogotá Buenos Aires México

Título de la obraSistemas Eléctricos de Distribución© Juan Antonio Yebra MorónD.R. © 2009

Diseño y formaciónReverté-Aguilar, S.L.www.reverte-aguilar.com

Diseño de cubiertaRogelio Covarrubias Romo

EDITORIAL REVERTÉ, S.A. Loreto 13-15 Local B 08029 Barcelona, España T. (3493) 419.33.36

[email protected] www.reverte.com

ISBN 978-607-7815-00-6 MéxicoISBN 978-84-291-3029-4 España

Primera edición, 2009

Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, la fotocopia o la grabación, sin la previa autorización por escrito del editor.

© REVERTÉ EDICIONES, S.A. DE C.V.

Edición en papel:

Edición ebook (PDF): ISBN 978-84-291-9353-4

PRÓLOGO

El libro que tienes en las manos, aborda técnicamente un tema muy importante para la ingenieríaeléctrica: las Redes Eléctricas de Distribución, el cual, domina ampliamente su autor el Ing. JuanAntonio Yebra Morón, como producto de su amplia experiencia en el ramo y de los estudios propiosde su carrera en Ingeniería Eléctrica, que realizó en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica yEléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Nacional.

Su gran trayectoria laboral de más de 30 años en el sector eléctrico de México, específicamente enla Gerencia de Distribución y Transmisión de la Compañía de Luz y Fuerza del Centro, le concedie-ron la virtud de saber conjugar la teoría con la práctica en sus tareas encomendadas, apoyado desdeluego, en sus estudios de especialización sobre la materia de Distribución Eléctrica, que realizó endiferentes instituciones tanto en nuestro país como del extranjero.

Por ello con el profesionalismo que le caracteriza, impartió la cátedra de Redes de distribución enla misma ESIME, participó como ponente en varios foros y seminarios en México, acumulando unsinnúmero de experiencias y conocimientos sobre el tema abordado en este libro.

Con mucha claridad e inteligencia, el Ing. Yebra, nos ofrece sus valiosos conocimientos sobre lasRedes Eléctricas de Distribución, en una forma ordenada, explícita, actualizada y perfectamente estruc-turada, partiendo de los antecedentes históricos de la distribución eléctrica; pasando por los fundamen-tos y bases teóricas generales, hasta llegar a desglosar ampliamente todas y cada una de las aplicacionesreales, la problemática que sobre la materia a diario enfrentan los profesionales, así como las alternati-vas de solución que requieren durante el proceso de distribución.

Por lo anterior, podemos considerar sin temor a equivocaciones, que el compendio de informacióntécnica que aquí se presenta, es un instrumento de gran utilidad para orientar los esfuerzos de los estu-diantes de Ingeniería Eléctrica y una importante fuente de consulta para los profesionistas involucra-dos en el proceso de distribución de la energía eléctrica.

Ing. Raúl González ApaolazaJunio de 2009.

PREFACIO

La economía de cualquier país gira alrededor de insumos prioritarios para su desarrollo, así como dela capacidad de trabajo de sus ciudadanos y de su preparación cultural y tecnológica, por esta razón elconocimiento de las distintas técnicas que permitan desarrollarse eficientemente, es una necesidadque obliga a los ingenieros a conocer de una manera precisa las técnicas requeridas para llevar a buenfin los procesos requeridos. El manejo adecuado de los sistemas eléctricos no es la excepción, por talmotivo el diseño correcto de los sistemas eléctricos, demanda tener técnicos bien capacitados en eluso de todas las tecnologías que entran en juego para lograr un sistema eficiente, esto por el bien de laeconomía en general y por el de la comodidad de los ciudadanos.

La distribución de energía eléctrica es un tema de gran importancia dentro de los estudios de lacarrera de ingeniería eléctrica y dentro del ejercicio mismo de la profesión, y aún cuando hace algúntiempo todavía se le consideraba como una pequeña rama dentro de este campo del conocimiento,actualmente ya se le puede catalogar como una especialidad con problemas, planteamientos y solu-ciones propias. Este cambio no ha sido espontáneo ni brusco, sino que ha sufrido una evolución cons-tante acorde con los cambios de la tecnología, lo que ha obligado a los especialistas en esta materia aajustarse a nuevas técnicas y al uso de materiales y equipos que les ayuden a cumplir su cometido:distribuir la energía eléctrica de manera óptima.

Este libro es el resultado de más de treinta años de experiencia dentro de la industria eléctrica deMéxico, específicamente dentro de Luz y Fuerza del Centro, en donde tuve la fortuna de laborar,prestando mis servicios en la Gerencia de Distribución y Transmisión y en la Gerencia de la DivisiónPachuca; asimismo, y de forma casi paralela, tuve la oportunidad de impartir la cátedra de Redes deDistribución en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, del Instituto PolitécnicoNacional en México, en donde nació la idea de ordenar los apuntes del curso en un libro bien estruc-turado que le sirviera a los jóvenes estudiantes de la carrera de Ingeniería Eléctrica y a los profesiona-les encargados de las redes de distribución de energía eléctrica, preocupados por conocer las basesteóricas de los problemas que diariamente resuelven.

Para llegar al estado actual de evolución ha sido necesario construir todos y cada uno de los esca-lones de la pirámide con el esfuerzo y la dedicación de un gran número de ingenieros, quienes con sutrabajo desarrollado en empresas eléctricas, en centros de investigación y en universidades resolvie-ron problemas de esta especialidad; del trabajo de estos investigadores recopilado de numerosas

VIII PREFACIO

publicaciones, según puede observarse en la bibliografía, menciono a los siguientes como un pequeñoreconocimiento a su ardua labor: F. H. Buller, C. A. Woodrow, M.H. Mc Grath, Miles Maxwell, Her-mann W. Reichenstein, Luis Torres Casabona y José V. Schmill por su contribución al análisis de losproblemas de las redes de distribución.

Mencionar a todos aquellos ingenieros electricistas con los que trabajé y de los que tuve la oportuni-dad de adquirir algún conocimiento, llenaría muchas paginas, sin embargo, deseo manifestar mi másconsiderado agradecimiento hacia aquellas personas que en un cierto momento fueron mis jefes en laempresa que quiero tanto y a la que le debo todo lo que soy profesionalmente y que me distinguieroncon su confianza y respeto: David Luce Vázquez, Carlos Thompson Durand, Raúl Gallardo Fernández,Enrique Limas Betancourt, Juan Sour Kim, Feliciano N. Espriella Miranda, Joaquín del Castillo Padilla,José Luis Benítez Fuentes, Oscar Luce González, Keneth Smith Jacobo, Mardoqueo Staropolsky Noval-sky, Juan Eibenshutz Hartman, Jorge Gutiérrez Vera, Manuel Marco Aguilar, Roberto Espinosa Lara,Cristóbal Berumen Sigala, Jorge García Ochoa, Humberto Solórzano Araujo, José Cuan Morales, Álva-ro Gaona de la Fuente, José Luis Alegría Iturrioz, Agustín Torres Leal, Manuel Pacheco Merlín, RafaelOrtega Ramírez, Luis Tirado Lázaro, Jaime Martínez Granados y Mario Alberto Ramírez Rico, todosellos de Luz y Fuerza del Centro.

Asimismo, deseo manifestar mi agradecimiento de una manera muy especial al ingeniero Enrique Villa-nueva Landeros, Exdirector de la Compañía de Luz y Fuerza del Centro, al ingeniero Jorge Gutierrez Vera,actual Director General de Luz y Fuerza del Centro; al ingeniero Raúl González Apaolaza, Exdirector delMETRO en la ciudad de México y Exsecretario de Educación Publica del Estado de Hidalgo, al Ing. Gil-berto Enríquez Harper jefe de la Unidad de Ingeniería Especializada, de la Comisión Federal de Electrici-dad; así como a los ingenieros: José Luis Benítez Fuentes, Manuel Marco Aguilar, Manuel MartínezZúñiga, Andrés Chávez Sañudo y Cesar Osorio Hernández, que ocuparon puestos muy importantes en Luzy Fuerza del Centro, ex jefes directos y/o amigos míos, que siempre vieron algo de valor en mi persona, queme prodigaron ayuda académica y profesional, y quienes con su ejemplo de trabajo han señalado el caminode esfuerzo y dedicación que debe seguir todo profesional a lo largo de su vida activa. De igual manera todomi agradecimiento a los Doctores en Ingeniería Eléctrica: Jaime Ávila Rosales (qepd), Daniel Olguín Sali-nas, Ricardo Mota Palomino, Alfredo Nava Segura, Isaac Jiménez Lerma, Raúl Velásquez y Adrián IndaRuiz, así como al M. en C. Miguel Ángel Ávila Rosales y al Ing. Manuel Bravo, con quienes tuve oportuni-dad de convivir en la Sección de Graduados de la ESIME del IPN. Asimismo, deseo agradecerle al Ing.Ernesto Ponce Jiménez, compañero de trabajo en la Dirección de Tecnología Educativa, de la Secretaría DEEducación Pública de Hidalgo, por su invaluable ayuda en la digitalización y observaciones a esta obra.

Finalmente, deseo agradecer la amistad y el respaldo profesional de los siguientes ingenieros, queestoy seguro les llenará de orgullo y alegría la edición de este libro y de los que siempre he recibidoinnumerables muestras de afecto: Felipe Pérez Flores, Felipe Martínez Cruz, Ernesto Mota Palomino,Alberto Riancho Rodríguez, Germán Porraz Sánchez, Sergio Carranza Ramírez, Armando Basave Car-vajal, José Arzate Barbosa, Pedro Yebra Morón, Pedro Torres Lemaire, Jorge Lerma Guapo, AlfonsoÁvila Ramírez, Julio Luna Castillo, Alfredo García Macias, Jorge Chapa de la Torre, Ángel Larios SanJuanico, Juan Botello Barrón, Salvador Polo Yánez, Alfredo Juárez Torres, Cecilio Vera Espinosa,Pedro Velarde López, Bruno Chávez Aguilar, Rubén López Aguilera, Carlos Escudero Pérez y Gui-llermo Alger Pineda, con una atenta disculpa para todos aquellos compañeros a los que por el momentono recuerdo su nombre, pero que también me han dado su amistad y afecto.

Juan Antonio Yebra MorónJunio de 2009

Índice de contenidos

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII

Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución . . . . . . . . . 1

1.1 Definición de un sistema de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivo de la distribución de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Antecedentes históricos en Alemania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6 Antecedentes históricos en Japón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7 Antecedentes históricos en la República Mexicana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.8 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Capítulo 2 Clasificación y elementos constitutivos de

los sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1 Clasificación de los sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Principales elementos constitutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Líneas primarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

X Índice de contenidos

2.4 Transformadores de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5 Redes secundarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6 Acometidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.7 Montajes principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.8 Estructuras principales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


Capítulo 3 Características de la carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Carga Eléctrica, Demanda y Demanda Máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Factor de Demanda y Factor de Utilización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4 Factor de Carga y Factor de Pérdidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.5 Factor de diversidad, Factor de coincidencia y Diversidad de la carga. . . . . . . . 50

3.6 Demanda Coincidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.7 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59


Capítulo 4 Cálculo de Alimentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2 Impedancias de secuencia de alimentadores aéreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3 Capacidad de conducción de alimentadores aéreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.4 Alimentadores con carga concentrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.5 Alimentadores con carga distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.6 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90


Capítulo 5 Cálculo de corto circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2 Tipos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.3 Factores que influyen en la severidad de la falla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Índice de contenidos XI

5.4 Corrientes de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.5 Técnicas para limitar las corrientes de corto circuito en sistemas de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.6 Sistemas en por unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.7 Impedancia de la fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.8 Impedancia de la falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.9 Procedimiento de cálculo de corrientes de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.10 Fórmulas para cálculos de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.11 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.12 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Capítulo 6 Cables aislados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137

6.1 Antecedentes históricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6.2 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.3 Conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.4 Aislamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

6.5 Pantallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.6 Cubiertas protectoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6.7 Esfuerzos electrostáticos en cables aislados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.8 Pérdidas dieléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.9 Capacidad de conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.10 Comportamiento de los cables aislados ante corrientes de corto circuito . . . . 169

6.11 Resistividad térmica del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.12 Selección de niveles de aislamiento de cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

6.13 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183


Capítulo 7 Compensación de potencia reactiva en líneas de

distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189

7.1 Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

7.2 Alimentador con carga concentrada en su extremo final . . . . . . . . . . . . . . . . 191

7.3 Efecto de la compensación de potencia reactiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

XII Índice de contenidos

7.4 Alimentador con carga uniformemente distribuida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.5 Alimentadores con cargas distribuidas al azar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7.6 Alimentadores con dos bancos de capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

7.7 Alimentadores con n bancos de capacitores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

7.8 Ahorros monetarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

7.9 Comentarios sobre el factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215


Capítulo 8 Transformadores de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . .217

8.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

8.2 Selección de la capacidad de un transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

8.3 Características generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

8.4 Conexiones de transformadores trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

8.5 Ferrorresonancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

8.6 Corrientes circulantes en un devanado delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

8.7 Protección contra sobretensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

8.8 Protección contra sobrecorrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

8.9 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239


Capítulo 9 Protección contra sobretensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . .241

9.1 Sobretensiones en sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

9.2 Clasificación de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

9.3 Origen y características de las descargas atmosféricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

9.4 Efecto de las descargas atmosféricas en los sistemas aéreos de distribución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

9.5 Breve historia de los apartarrayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

9.6 Elementos de protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

9.7 Términos asociados con apartarrayos autovalvulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

9.8 Protección de circuitos aéreos de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

9.9 Protección de equipo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Índice de contenidos XIII

9.10 Coordinación de Aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

9.11 Protección de acometidas aerosubterráneas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

9.12 Métodos alternos para proteger acometidas aerosubterráneas. . . . . . . . . . . . 276

9.13 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279


Capítulo 10 Protección contra sobrecorrientes . . . . . . . . . . . . . . . .283

10.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

10.2 Protección con relevadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

10.3 Protección con fusibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

10.4 Protección con restauradores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

10.5 Protección con seccionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

10.6 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321


1.1 Definición de un sistema de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivo de la distribución de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Antecedentes históricos en Alemania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica. . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6 Antecedentes históricos en Japón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7 Antecedentes históricos en la República Mexicana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.8 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

CAPÍTULO 1Fundamentos de los sistemas de distribución

2 Capítulo 1 Fundamentos de los sistemas de distribución

1.1 Definición de un sistema de distribución

1.2 Objetivo de la distribución de energía eléctrica

1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas 3

distribución éstas deben construirse y operarse con personal especializado que realice estas acti-vidades con calidad y de manera confiable. Cabe señalar que una red eléctrica bien diseñada,construida, mantenida y operada, es garantía de un buen servicio para el cliente.

El nacimiento de las redes eléctricas en el mundo comprende el lapso de 1860 a 1885, época enque se logró conjuntar los distintos componentes de un sistema eléctrico ya existentes, o inventarlos que se requirieron en ese periodo, a fin de poder armar una red de distribución que pudieraalimentar la carga comprendida por: el alumbrado, la calefacción y los motores eléctricos de lasciudades más importantes del mundo de aquellos años. Derivado de esto se inició una nuevaindustria, la industria eléctrica que sería columna vertebral del desarrollo económico del mundo.Los pioneros en la construcción de los generadores eléctricos fueron: Ritchie, Saxton y Clarke enla Gran Bretaña, Pixii en Francia, Siemens en Alemania y Pacinotti en Italia, quienes realizaronintentos por desarrollar generadores de corriente directa con imanes permanentes, pero desafor-tunadamente sólo pudieron generar pequeñas corrientes, debido a la limitada potencia de los ima-nes. La mejora a este diseño rudimentario se presentó en 1866 cuando se inventó la dinamo, ungenerador que utiliza electroimanes para generar un campo magnético más intenso. No menosde seis diseños fueron creados por inventores de diferentes países: Wilde, Varley and Wheatstoneen Inglaterra, Siemens en Berlín y Farmer en los Estados Unidos. Wilde hizo la siguiente profe-cía: “La transformación de la energía mecánica en otras formas de energía, a gran escala, conestos simples medios encontrará nuevas aplicaciones destinadas a la vida diaria de millones deseres humanos”. Adicionalmente, fue Zenobe Thephile Gramme, de Bélgica, quien inventó unadinamo más eficiente que las anteriores en el año de 1870, y a quien también se le atribuye haberiniciado el uso de motores eléctricos para fines industriales y el primer sistema de alumbradopúblico con lámparas de arco en el año de 1878. Finalmente, en el año de 1878, Thomson yHouston en los Estados Unidos y Wilhelm Siemens en Alemania construyeron generadores aunmás eficientes que el construido por Gramme. En el año de 1881 la Compañía Siemens estable-ció la primera estación generadora en el pequeño poblado de Godalming en el sur de Inglaterra.Así durante los últimos 20 años del siglo XIX, en la medida en que la máquina eléctrica secimentó como un producto comercial, la industria de manufactura se consolidó en la forma degigantescas organizaciones.

Todos los generadores anteriormente descritos eran máquinas de corriente directa; sinembargo, esta tecnología tenía la desventaja de no poder transmitir la energía a grandes distan-cias, al no poder elevar la tensión y reducir las pérdidas por efecto Joule. La solución a este pro-blema se encuentra en la aplicación del transformador, máquina inventada de maneraindependiente por Faraday y Henry en 1831 y que trabaja con corriente alterna. Con esta idea enmente John Gibbs de Inglaterra y Lucien Gaulard de Francia, en forma conjunta, desarrollaron ypatentaron un “sistema de distribución de corriente alterna”, basado en el transformador decorriente alterna. En el año de 1885 las patentes fueron compradas por George Westinghouse,conocido hombre de negocios y fabricante de equipo eléctrico de los Estados Unidos de Nortea-mérica, quien desafió exitosamente a Edison con su sistema de corriente directa. El éxito de la

1.3 Antecedentes históricos de las redes eléctricas


corriente alterna como medio para generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica quedó con-solidado con la aplicación de los campos eléctricos rotatorios en los generadores de corrientealterna, y por la invención de los motores de corriente alterna del Croata, nacido en Estados Uni-dos, Nikola Tesla. Para mediados de la década de 1890, era claro que la corriente alterna habíaganado la batalla; la energía eléctrica producida en grandes cantidades y transmitida a grandesdistancias, había encontrado una gran cantidad de aplicaciones y era la base de la operación de ungran número de industrias.

Entre las primeras y más obvias aplicaciones de la energía eléctrica estaba el alumbrado. Desde1808 Humphry Davy en Inglaterra, había desarrollado exitosamente la lámpara de arco; pero, nofue sino hasta 1860 que se tuvo un diseño capaz de competir con las lámparas de petróleo paraalumbrado público, siendo en el año de 1878, en la ciudad de Paris, donde se aplicó la lámpara dearco por primera vez, desplazando al alumbrado con gas. Sorprendentemente, en el mismo año,Siemens en Alemania, también desarrolló un diseño exitoso de una lámpara de arco. Pero el diseñodesarrollado por el inventor norteamericano Charles F. Brush, fue más barato y mas robusto que losde los inventores europeos, y fue rápidamente introducido en la mayoría de las grandes ciudades deNorteamérica y de Europa. Las lámparas de arco fueron usadas ampliamente en: alumbrado públi-co, grandes tiendas, edificios públicos, fábricas, etc. Debido a que su luz era muy intensa para elalumbrado de casas habitación, la lámpara de arco no fue usada para este propósito, hueco quefinalmente fue llenado con la lámpara incandescente de Edison. En Inglaterra en 1878, Joseph Wil-son Swan desarrolló un bulbo de vidrio herméticamente sellado, similar al desarrollado y patentadopor Edison en los estados Unidos de América en 1879.

Los trenes y tranvías fueron de las primeras aplicaciones de la electricidad. En el año de 1879Siemens y Halske realizaron una demostración de un tren eléctrico en la “Exposición de Comer-cio de Berlín”; un año más tarde, Edison realizó experimentos en su laboratorio en Menlo Park,en New Jersey. Posteriormente, en el año de 1880, Frank Sprague, en los Estados Unidos deNorteamérica, desarrolló el trolley para llevar la energía desde una subestación de potencia a unvehículo con un potente motor eléctrico como medio de transporte. Durante la década de 1890,Estados Unidos y Alemania tomaron el liderazgo en lo que se refiere a la electrificación de sustrenes y tranvías. La otra aplicación importante de la electricidad se llevó a cabo en las indus-trias. Los primeros motores usaban corriente directa, y tenían severas limitaciones, hasta que en1885, Nikola Tesla desarrolló los motores de corriente alterna que probaron ser mas confiables,eficientes y baratos.

Esta explosión innovadora proporcionó la base para la creación de nuevas industrias encarga-das de la manufactura de equipo eléctrico para la propia industria y de aparatos para los hogares,así como de equipo y máquinas eléctricas para realizar la generación, transmisión y distribución.En los Estados Unidos las venas anuales de la industria de manufactura eléctrica creció de unacantidad despreciable en 1880 a más de 100 millones de dólares en 1990; en Alemania, en 1882,el número total de empleados en la industria eléctrica también era despreciable, pero para el añode 1895 llegaba a 15,000 y para 1907 a 50,000. De todo esto se concluye que a pesar de queInglaterra inicialmente tomó un liderazgo importante en los avances científicos y tecnológicos dela electricidad, fueron en los 20 últimos años del siglo XIX Estados Unidos y Alemania quienestomaron la delantera, dejando a Francia y a Inglaterra en un plano secundario. Cabe señalar queel éxito de los Estados Unidos y Alemania, más que en el aspecto de los inventos se centró en el

1.4 Antecedentes históricos en Alemania 5

desarrollo comercial que llevaron a cabo. Este desarrollo fue sobresaliente en ciudades del estede Norteamérica y en Alemania en la ciudad de Berlín.

Por lo que se refiere a Alemania, fue la ciudad de Berlín a la que se le consideró la capital eléctri-ca de Europa, conocida como “la Elektropolis”, por su gran desarrollo tecnológico, en el periodocomprendido de 1890 a 1913. En esos años la industria eléctrica de Berlín fue el motor quemovió la economía de Alemania. En 1895 Berlín tenía el 52% del total del número de empleadosde Alemania, y el 50 % en 1936. Dos gigantescas empresas dominaban la industria eléctrica:Siemens & Halske, S&H, fundada en 1840, y Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft tambiénconocida como AEG.

El que la ciudad de Berlín haya alcanzado este status no fue un accidente, sino, el producto demás de 50 años de planeación de parte del Estado Alemán. Bajo el control de Federico el Grande,Prusia buscó ampliar su poder industrial y militar a través del fortalecimiento sistemático de sueducación tecnológica. En el año de 1778 se fundó la Academia de Minas de Berlín, y la Acade-mia de Berlín en 1789, la que más tarde llegaría a ser la Universidad Técnica de Charlottenburg.Éstas tenían una marcada tendencia humanista, especialmente en la enseñanza de Filosofía; sinembargo también se enseñaba Física y Química desde su inicio. Posteriormente, en 1814, se ini-ció la enseñanza del conocimiento técnico, y en 1827 la enseñanza de las matemáticas. A media-dos de la década de 1820, Berlín tenía el sistema de educación técnica más efectivo del mundo.

Además del grupo de científicos alemanes que realizaron aportaciones valiosas a la ciencia,como Gauss y Weber, una figura muy reconocida a nivel mundial es Werner Von Siemens, hom-bre con gran espíritu de lucha que fue factor principal para este desarrollo tecnológico Naciócerca de Hanover en 1816, hijo de un campesino que tuvo 14 hijos, quien era jefe de una familiade escasos recursos. Once de sus hermanos más tarde trabajarían con él en la empresa que fundó.Llegó a Berlín en 1834, a la edad de 17 años, y en virtud de carecer de los medios económicospara pagarse una educación técnica, se enroló en el ejército, en donde cursó estudios técnicos enla Escuela de Artilleros, en donde obtuvo el grado equivalente a una educación universitaria. Fueen el año de 1846, cuando laboraba en el ejército con el grado de teniente, que llegó a entrar encontacto con el telégrafo eléctrico, que era un elemento de mucha importancia para el ejércitoprusiano, por razones de seguridad nacional. Fue en esa época que Siemens conoció a JohanHalske, técnico de la Sociedad de Física de Berlín, y juntos decidieron formar la sociedad Sie-mens &Halske, compañía que resultó ser muy fructífera por la unión de las habilidades de ambossocios. Halske era un técnico muy hábil, cuya capacidad se consideraba que estaba entre la quetiene un relojero y un ingeniero mecánico; por su parte Siemens era un hombre con una graninventiva.

Los primeros negocios de Siemens &Halske se basaron casi exclusivamente en las exigenciasdel Gobierno Prusiano, los ferrocarriles y el telégrafo. Les tomó 20 años, hasta 1866, entre otros,inventar una dinamo eficiente. Siemens inmediatamente comprendió la importancia de suinvento, y la calificó como el pivote de una gran revolución tecnológica. En 1878, Siemens desa-rrolló una lámpara de arco eléctrico; en 1879, un prototipo de un tren eléctrico, que fue exhibido

1.4 Antecedentes históricos en Alemania


en la exposición de Berlín, y en 1881 puso en servicio el primer tranvía eléctrico. Fue en estemomento cuando empezó la verdadera expansión de la empresa: entre 1881 y 1890, la plantillalaboral creció de 870 a 3,000 empleados. Una característica fundamental, que desde su iniciomanifestó esta empresa, fue el anteponer los logros científicos y técnicos sobre las gananciaseconómicas.

En ese tiempo apareció en escena la empresa Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft, AEG,fundada por el ingeniero Emil Rathenau, perteneciente a una familia de gente de negocios deBerlín, nacido en 1838. Desde el inicio vislumbró la magnitud que representaba la lámparaincandescente de Edison, y le compró los derechos para usarla en Alemania. Su interés originalse centró en las redes de distribución y en las instalaciones eléctricas; pero también comprendióque necesitaba la experiencia de Siemens en la fabricación de equipo eléctrico. De esta maneraen 1887 se firmó un acuerdo de colaboración en el que fundamentalmente S&H se comprometíaa suministrar el equipo eléctrico, y en trabajar en forma coordinada para llevar a cabo la electrifi-cación de Alemania. A partir de ese momento la empresa AEG se concentró en lo referente aldesarrollo de la tracción y el alumbrado eléctrico. El paso de la distribución con corriente directaa corriente alterna, creo una segunda revolución tecnológica, ya que la energía podía ahora trans-mitirse a grandes distancias, lo cual fue demostrado en la Exposición Electrotécnica de Frankfurten 1891. Fue la empresa AEG en Europa la que realizó las innovaciones críticas de los motores ygeneradores de corriente alterna, y de los transformadores, tan necesarios para la distribución deenergía eléctrica. La primera subestación de potencia construida en Berlín, estaba prácticamentejunto a la fábrica de AEG. De hecho la empresa distribuidora de energía eléctrica, la “CompañíaEléctrica de Berlín”, BEW, fue propiedad de AEG hasta el año de 1915 cuando se vendió algobierno municipal.

Es indudable que la distribución de energía eléctrica no hubiera crecido de la manera tan vertigi-nosa como lo hizo, no sólo en los estados Unidos sino en el mundo, sin la presencia de ThomasAlva Edison. Edison nació el 11 de febrero de 1847 en la pequeña ciudad de Milán, en el estadode Ohio. A los ocho años y medio de edad realizó su primera incursión por la escuela, la que fueun fracaso, ya que su profesor lo tildó de “estéril e improductivo”. Aseveración bastante alejadade la real capacidad del niño quien tan sólo 26 años después proyectaría y construiría la primerared de distribución del mundo. Se le considera como el inventor más grande que ha visto elmundo, iluminó para siempre la noche del hombre; fue un ser polifacético, inventó el fonógrafo,convirtió al telégrafo en un instrumento maravilloso, he hizo del teléfono el aparato practico queutilizamos. Durante la primera guerra mundial diseñó aparatos defensivos para detectar torpedosy cambiar automáticamente el rumbo de los buques amenazados, diseño las primeras casas pre-construidas, fabricó la primera muñeca parlante, diseñó luces portatiles para los bomberos y pre-sagió el advenimiento de la era nuclear.

1.5 Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica

1.5 Antecedentes históricos en Estados Unidos de Norteamérica 7

La historia de la distribución de energía eléctrica empezó en Estados Unidos de Norteaméricay en el mundo, el último día del año de 1879, cuando Thomas Alva Edison mostró al público elprimer sistema eléctrico instalado en su laboratorio de Menlo Park, Dearbon Michigan. Edisonrealizó esta demostración después de haber inventado la lámpara incandescente, investigaciónque culminó felizmente el 19 de octubre de 1879 y que recibió la patente número 223898. Coneste invento las lámparas de arco se volvieron obsoletas ya que no podían competir con la nuevalámpara inventada por Edison.

Posteriormente Edison continuó sus investigaciones tecnológicas y sus esfuerzos para comer-cializar su sistema eléctrico y es así como en mayo de 1880 instala el sistema de alumbrado delbarco de vapor “Columbia”. También construyó la red eléctrica del alumbrado de la ciudad deLondres, Inglaterra, en la primavera de 1882. Pero, sin lugar a dudas, su máximo logro es laconstrucción de la planta eléctrica y el sistema de distribución de la ciudad de Nueva York, quefue puesto en operación el 4 de septiembre de 1882. Esta planta y el sistema de distribución pos-teriormente se convirtieron en la empresa “Edison Electric Illuminating Company” que dio lugara cientos de empresas de iluminación eléctrica en los Estados Unidos de Norteamérica, la queposteriormente se convirtió en la empresa actualmente conocida como “Consolidated EdisonCompany”.

La Edison Electric Illuminating Company originalmente tuvo 59 usuarios y 400 lámparas dealumbrado, y en diciembre de 1884 ya contaba con casi 500 usuarios y más de 11,000 lámparasde alumbrado público. Las ganancias de ese año ascendieron a 33,233.81 dólares.

A medida que Edison trabajaba para comercializar su invento, encontró que los fabricantes desu época no podían suministrarle los materiales eléctricos que requería. Consecuentemente, tuvoque crear sus propias compañías que le proporcionaran los materiales necesarios para su empresaeléctrica la Electric Tube Company, la Edison Machine Works y otras empresas complementa-ron a la Edison Lamp Company para proporcionar el equipo y materiales necesarios para la Edi-son Electric Illuminating Company ubicada en el 255-257 de Pearl Street en la ciudad de NuevaYork. Más tarde las diversas operaciones de manufactura serían consolidadas en un complejoindustrial cerca de Schenectady, New York, desde donde la Edison General Electric (posterior-mente la General Electric) operaría y crecería.

Después de que Edison puso en funcionamiento su planta de generación con corriente directa,en Pearl Street, otros empresarios establecieron compañías que se dedicaron a la fabricación dematerial y equipo eléctrico, utlizando otros diseños de equipo como la lámpara eléctrica delinglés Joseph Swan. Esas empresa fueron, por mencionar sólo a las más importantes, la Thomp-son-Houston Company, la Brush Electric Company, la Waterhouse Electric of Hartford, la UnitedStates Electric Company y la Westinghouse Electric and Manufacturing Company, que estuvie-ron entre las empresas líderes en el suministro de equipo eléctrico a las compañías de ilumina-ción eléctrica. Fue un periodo de excitante crecimiento, ya que todas las ciudades, negocios yplantas industriales buscaban modernizarse con la nueva fuente de energía. El rápido crecimientode la utilización de la electricidad obligó a los ingenieros a buscar otras fuentes de generaciónpara abastecer las crecientes necesidades de los usuarios.

Máquinas de vapor, que utilizaban carbón, fueron empleadas para mover las dínamos eléctri-cas en Pearl Street y en otras compañías de iluminación. El uso de las caídas de agua para generarelectricidad fue reconocido en esos años, pero tenía dos serias limitaciones:


1. Los lugares más adecuados para generar electricidad estaban distantes de los centros de utili-zación.

2. El alto costo de construcción de las estaciones generadoras no podía justificarse financiera-mente.

La idea de obtener la energía de las Cataratas del Niágara unió a ingenieros y financieros en elprimer proyecto de utilizar una caída de agua para generar electricidad. Y así, a medida que elproyecto se movía de una idea a una realidad, se libraba una guerra entre la corriente directa y lacorriente alterna, marcando el principio del fin del sistema de corriente directa de Edison.

La transmisión con corriente alterna había sido probada y aprobada en Portland Oregon, enTelluride Colorado, en Italia y en Frankfurt Alemania, en el año de 1891. El mejoramiento deltransformador en Europa en 1882, por Gaulard y Gibbs, después del invento de Joseph Henry, en1838, allanó el camino a la transmisión a altas tensiones. Ya que las tensiones de corriente directano podían amplificarse y estaban limitadas a la capacidad de la dinamo, la transmisión de energíaa grandes distancias requería conductores de gran diámetro para conducir la corriente. En esascircunstancias los conductores de cobre hubieran sido muy costosos para sistemas como el delNiágara si se hubiera utilizado la corriente directa.

William Stanley, en los Estados Unidos, con apoyo de la Westinghouse avanzó en el diseñodel transformador y realizó dos mejoras importantes que permitieron los sistemas de alta tensión:

1. Desarrolló la conexión en paralelo de los transformadores, de manera que se pudo manejarmás potencia.

2. Diseñó una forma para que los transformadores fueran autorregulables y al trabajar juntosmantuvieran el nivel de tensión deseado.

Stanley demostró la factibilidad de la corriente alterna en Great Barrington, Massachussets, el6 de marzo de 1886 donde transmitió electricidad en una línea de una milla de longitud a 3,000volts. Para obtener el capital requerido para construir la planta generadora de Niágara y la líneade transmisión a Búfalo, se seleccionó la corriente alterna, en vez de la corriente directa. Edisonpeleó vigorosamente la decisión pero no pudo convencer al comité de las bondades de lacorriente directa.

El río Niágara fue utilizado para mover generadores eléctricos y en el año de 1895 la potenciade ese río se utilizó a 20 millas de distancia en la ciudad de Búfalo, Nueva York. La energía setransmitió a 10,000 volts de corriente alterna. Se construyeron otros sistemas de generaciónhidroeléctrica cerca de Pórtland, Oregon y Redlands en el sur de California. El Sistema de Cali-fornia utilizó un generador trifásico.

Aún con la promesa de disminuir los costos de inversión al utilizar la corriente alterna, el pro-yecto del Niágara no hubiera sido posible si no se hubiera encontrado un uso adicional a la ener-gía eléctrica. Sí se hubiera utilizado la energía únicamente durante la noche para el alumbrado,no se hubiera justificado la inversión. El proyecto fue posible al proporcionar electricidad a losindustriales así como al sistema de transporte eléctrico de las ciudades.

La producción de aluminio y la fabricación de carborundum se establecieron cerca de la ciudadde Búfalo debido a la necesidad de utilizar la electricidad generada en el Niágara para desarrollarlos procesos químicos. Además, la disponibilidad del motor de corriente alterna desarrollado por

1.6 Antecedentes históricos en Japón 9

Nikola Tesla, así como la invención del motor de corriente directa hicieron posible la mecanizaciónde muchas fábricas textiles y de otras industrias. De esta manera los ingenieros y los hombres denegocios estuvieron de acuerdo en sustituir los hornos de carbón, que movían las máquinas devapor, por los limpios motores eléctricos. En el hogar, también se incrementó el uso de la electrici-dad; en el año de 1893 se introdujeron la plancha eléctrica y el tostador eléctrico. Curiosamente, elmovimiento de liberación femenina empezó a fines del siglo XX cuando los aparatos eléctricos des-cargaron a las mujeres del trabajo tedioso y pesado.

Otros aparatos eléctricos que mejoraron la calidad de la vida en el hogar fueron el ventiladoreléctrico y la máquina de coser. Muy pronto los ingenieros electricistas de esa época fabricaron lacalefacción eléctrica y una serie de aparatos eléctricos para la cocina y para realizar labores delimpieza en las casas. La disponibilidad de la electricidad en el hogar proporcionó la oportunidadde crear muchas empresas destinadas a producir aparatos eléctricos para el hogar, esa tendenciaha continuado hoy en día.

Para comprender la manera en que se desarrolló la industria eléctrica en Japón es convenienteanalizar la evolución de Toshiba una empresa muy exitosa en el ramo eléctrico. Esta empresa ini-ció sus actividades importando tecnología de la General Electric de los Estados Unidos, siempreha mantenido una estrecha relación comercial con el gobierno de su país, suministró material deguerra durante la segunda conflagración mundial y al término de ésta, de manera muy discreta, seencaminó hacia la fabricación de productos electrónicos. La empresa Tokio Shibaura ElectricCorporation, mejor conocida como Toshiba, es famosa a nivel mundial por ser líder en la fabrica-ción de computadoras personales. Nació en el año de 1939 como resultado de la unión de laempresa Shibaura Engineering Works Corporation y la Tokyo Electric Corporation. La ShibauraEngineering Works Corporation la inició el señor Hisashige Tanaka, cuando a la edad de 75 años,fue invitado por el Gobierno Japonés para que fabricara material y equipo para la industria deltelégrafo, en el año de 1873. Con la aprobación del Ministerio de Industria, el señor Tanakaabrió un taller y una fábrica en Tokio, la cual cumplió su cometido hasta su muerte en el año de1881. Posteriormente su yerno abrió una nueva fabrica en la zona de Shibaura, en Tokio, endonde se dedicó a suministrar las necesidades de material y equipo al ministerio de Marina y alde Comercio. Posteriormente por problemas de dinero la empresa fue adquirida en 1893 por elbanco Mitsui que la bautizó con el nombre de Shibaura Engineering Works.

La empresa Shibaura Engineering Works no prosperó sino hasta después de 1900, cuandoconcentró sus actividades en la fabricación de maquinaria eléctrica. Ganó mucho prestigiodurante la guerra con Rusia en 1904, y en el año de 1906 estableció una oficina de investigación,que fue el origen del “Laboratorio Tsurumi”, abierto en 1944. Sus principales productos fueron:bombas, generadores, motores transformadores y dispositivos para alumbrado. Al término de laguerra con Rusia, la empresa se dedicó también a la tecnología de la generación hidroelectrica,por lo que en el año de 1909 realizó un convenio con la General Electric de los Estados Unidospara complementar su tecnología en este renglón.

1.6 Antecedentes históricos en Japón


La sociedad Tokyo Electric Corporation (también conocida como Tokio Denki KabushikiKaisha) fue la otra empresa que dio origen a la actual compañía Toshiba, ésta fue fundada en1890, con un capital de solo 2000 yenes y con ocho socios capitalistas. Su objetivo inicial princi-pal fue producir focos de buena calidad para Japón. Su primer foco producido en 1890 duró úni-camente dos horas. Pero para el año de 1893 la compañía producía 2500 focos mensualmente ytenía solamente 30 trabajadores. En el año de 1899 abrió un departamento de investigación defocos eléctricos, el cual fue el antecesor del “Laboratorio Matsuda de Toshiba inaugurado en elaño de 1947. En el año de 1907 la compañía desarrolló un complejo de fabricas en Kawasaki, endonde con tecnología de General Electric de los Estados Unidos empezó a fabricar: transforma-dores, focos de tungsteno y sockets. En el año de 1912 empezó la fabricación de aparatos eléctri-cos. Durante la Primera Guerra Mundial, con las importaciones restringidas la empresa sediversificó y fabricó equipos de rayos X y watthorímetros. En 1920 su capital era de 10 millonesde yenes y tenía 3000 empleados. Para 1937 la compañía tenía 12,000 empleados y seis fábricas.

En 1938 la “Ley de Movilización Nacional” prohibió la producción de aparatos eléctricospara darle prioridad a la producción de guerra, así como dar lugar a conglomerados corporativosy fortalecer las acciones de racionalización. Tanto la Shibaura Engineering Works Corporación,como la Tokyo Electric Corporation mantuvieron estrechas relaciones con la General Electric delos Estados Unidos. En julio de 1939 nació la compañía Tokyo Shibaura Electric Corporation(Toshiba), con un capital de 87 millones de yenes y 24,000 empleados. La nueva empresa seconvirtió en un gran productor de máquinas y aparatos eléctricos en Japón, con sus oficinas prin-cipales en Tokio. Para finales del siglo XX esta empresa se había convertido en la principalempresa enfocada en la producción de aparatos electrónicos para la tecnología de la información.

Durante la última década del siglo XIX empezaron a funcionar en la República Mexicana las pri-meras plantas generadoras de energía eléctrica para usos industriales, y fue a principios del sigloveinte cuando se construyeron las primeras líneas de transmisión importantes para abasteceralgunos centros mineros con la energía generada en plantas hidroeléctricas alejadas de los mis-mos centros.

En la región de Necaxa, en el Estado de Puebla, el ingeniero estadounidense Fred S. Pearsonal visitar la región en el año de 1900, trazó los planes preliminares para aprovechar en gran escalalos recursos hidráulicos de la cuenca de Necaxa para la generación de energía eléctrica y transmi-tirla a centros importantes de consumo, como lo eran el Distrito Federal y la región minera de ElOro, en el Estado de México. Terminados los estudios, el Sr. Pearson se dirigió a varios capitalis-tas canadienses amigos suyos para obtener la ayuda financiera requerida. De esta manera seconstituyó “The Mexican Light and Power Company” según carta patente del 10 de septiembrede 1902, del Secretario de Estado del Canadá, con un capital inicial de 12 millones de dólares.Dicha sociedad obtuvo contrato concesión del Gobierno Mexicano, con fecha 24 de marzo de1903 para el aprovechamiento de las aguas de los ríos Tenango, Necaxa y Xaltepuxtla en elEstado de Puebla, con el fin de generar energía eléctrica.

1.7 Antecedentes históricos en la República Mexicana

1.7 Antecedentes históricos en la República Mexicana 11

Obtenida la concesión, se iniciaron en Necaxa las obras de construcción del sistema hidráuli-co, que en su fase final quedó constituido por cinco vasos de almacenamiento con diques de arci-lla y material rocoso y 40 kilómetros de túneles, con una caída total de 443 metros. En el año de1905 se puso en servicio la primera unidad de 5,000 kilowatts en la planta de Necaxa y en el mesde diciembre del mismo año llegó a la Ciudad de México y a El Oro la energía generada en esaplanta al entrar en operación las líneas de transmisión Necaxa-México y México-El Oro, con unatensión de 60,000 volts que posteriormente se cambió a 85,000 volts en el año de 1910.

Es interesante mencionar, también como dato histórico, que The Mexican Light and PowerCo. Ltd. adquirió el 19 de junio de 1903, las propiedades y el control de la compañía inglesa“Mexican Electric Works, Ltd”, entrando en posesión de la concesión que ésta disfrutaba desde1896 (otorgada a los señores Siemens y Halske), según la cual operaban una planta de vapor,máquinas de émbolo, de 4,800 kilowatts en Nonoalco, Ciudad de México, para vender en lamisma ciudad, la energía eléctrica generada. Esta planta se amplió en el año de 1925 al ponerseen servicio el primer generador de 5,000 kilowatts; las máquinas de émbolo fueron retiradas en1928 y a partir de esa fecha, Nonoalco sufrió importantes ampliaciones hasta alcanzar la capaci-dad de 80,000 kilowatts en el año de 1947, con cinco unidades turbogeneradores.

A través del tiempo, The Mexican Light and Power Co. Ltd. adquirió o creó nuevas socieda-des que formaron el grupo de Compañías Subsidiarias que se encargaron de generar y distribuirla energía eléctrica en el Distrito Federal y estados circunvecinos. De esta manera el 26 de juniode 1905 se creó “The Mexican Electric Co. Ltd”., con un capital inicial de 6 millones de dólares,cuya finalidad era atender el Distrito Federal. Posteriormente esta empresa adquirió el derecho degenerar energía eléctrica en el Estado de México con las plantas hidroeléctricas de Villada, Fer-nández Leal, Tlilan, Alameda, Chiluca y Madín. También adquirió las plantas termoeléctricas deSan Lázaro de 2,240 kilowatts y Verónica de 840 kilowatts. Estas dos últimas plantas operaronhasta 1920, año en que se retiraron de servicio.

En el año de 1910 The Mexican Light and Power Co. Ltd., adquirió el control de la CompañíaEléctrica Irrigadora en el Estado de Hidalgo y los bienes y concesiones de ésta fueron aportadosa la Cía. Irrigadora de Luz y Fuerza del Estado de Hidalgo, que se constituyó el 13 de mayo deese año de 1910, la que cambió su denominación a Compañia de Luz y Fuerza de Pachuca, S.A.Las plantas que se operaban eran las hidroeléctricas de Elba, con 3,696 kW, Juandó con 3,600kW y Cañada con 1,215 kW, en el Distrito de Tetepango, Hgo., utilizando aguas procedentes delas obras del desagüe del Valle de México. Los principales centros de consumo eran la Ciudad dePachuca Hgo y las zonas mineras, industriales y agrícolas del mismo Estado de Hidalgo.

A principio de la década de los años ‘20s., The Mexican Light and Power Co. Ltd., adquiriólas propiedades y el control de la “Compañía Hidroeléctrica del Río de la Alameda, SA.”, la que,desde principios del siglo XX, disfrutaba de una concesión para aprovechar, con fines de produc-ción de energía eléctrica, las aguas del Río de la Alameda, entre los distritos de Tenancingo yMalinalco, Estado de México. Por otra parte, la misma Compañía del Río de la Alameda operaba,desde el año de 1922, una planta generadora, con motores de petróleo combustible, instalada enun punto conocido como El Olivar, en el Distrito Federal, con capacidad de 2,240 kW, segúnconcesión otorgada por el Gobierno Mexicano a la propia Compañía. Para recibir en el D.F. laenergía procedente de la Planta de la Alameda, cuya capacidad era de 8,880 kW. se construyó


una línea de transmisión de 60,000 volts entre esa planta y El Olivar, que entró en servicio en elaño de 1923.

Todas las instalaciones antes mencionadas pasaron a ser propiedad de la Compañía MexicanaMeridional de Fuerza, S.A., que se constituyó con fecha 5 de abril de 1924, como una nueva subsi-diaria de The Mexican Light and Power Co. Ltd. Debe mencionarse, además que, en agosto de1932, la Compañía Meridional adquirió de la Compañía de Luz y Fuerza Eléctrica de Cuernavaca,S.A., en liquidación, las instalaciones con que se suministraba servicio eléctrico a la población deCuernavaca, Estado de Morelos, las que incluían a la planta hidroeléctrica de Las Fuentes, queusaba las aguas del Río Chapultepec, con una capacidad de 264 kW. La misma Compañía Meridio-nal, después de adquirir las instalaciones de Cuernavaca, construyó una derivación de la línea detransmisión Alameda-El Olivar, a esta ciudad, a fin de suministrar el servicio en forma más ade-cuada para las necesidades de la época

En julio del año de 1928. The Mexican Light and Power Co. Ltd., adquirió las acciones repre-sentativas del capital de la Compañía de Luz y Fuerza Eléctrica de Toluca, S.A., que sería la últimade las Compañías Subsidiarias con funciones de generación y venta de energía eléctrica. Deacuerdo con diferentes concesiones otorgadas tanto por el Gobierno Federal como por el del Estadode México, la Compañía de Toluca estaba autorizada para utilizar como fuerza motriz, las aguas delRío de San Simonito, en las jurisdicciones de Tenango y San Pedro Zictepec, Edo. De México, asícomo las aguas del Río Verde, entre los linderos de la Hacienda de la Gavia y el punto llamadoJunta de Temascaltepec. Las plantas que la Compañía de Toluca empezó a operar en 1928 fueronlas de Zictepec, Zepayautla, San Simón y Temascaltepec. Las tres primeras de estas plantas teníanuna capacidad conjunta de 2614 kW y la de Temascaltepec con una capacidad de 2336 kW fue laúnica planta de la empresa que operó, desde su origen, a la frecuencia de 60 Hertz, mientras el restodel Sistema de la Empresa operaba 50 Hertz; por lo tanto, Temascaltepec formaba entonces unpequeño sistema separado, para alimentar, con una línea de 44,000 volts a una región minera.

Entre los años de 1929 y 1931, la Compañía de Toluca obtuvo concesiones para dar servicio,primero, a la ciudad de Iguala, Estado de Guerrero, donde existía una pequeña planta termoeléc-trica que adquirió la Compañía y después, a la población de Taxco, en el mismo Estado, cerca dela cual se instaló la Subestación Pichagua, alimentada por una línea de 60,000 volts desde laplanta de Alameda. La región de Iguala quedó entonces alimentada por líneas de 20,000 voltsque partían de la misma Subestación Pichagua. El principal centro de consumo dentro del territo-rio servido por la Compañía de Toluca, lo constituía la propia Ciudad de Toluca, que habría detener posteriormente un notable desarrollo, al formarse importantes zonas industriales, las querequirieron modificaciones básicas en las redes alimentadoras del servicio eléctrico.

Por otra parte en la década de los veintes, al mismo tiempo que la Compañía de Luz y FuerzaMotriz S.A. aumentaba su capacidad de generación de energía eléctrica para transmitirla a loscentros de consumo, fue necesario ampliar las redes de distribución que hicieran llegar la energíaa los usuarios. El principal centro de consumo era y ha continuado siendo, el Distrito Federal y,en particular, la Ciudad de México, donde la Empresa ha efectuado ininterrumpidamente lasobras de distribución más importantes. En aquella época, la tensión de distribución primaria, queera de 3 kV, pronto se cambió a 6 kV. En el centro de la Ciudad de México se empezaron a cons-truir las primeras redes de distribución subterránea, en parte con el sistema de “red automática”en la baja tensión, que aseguraba la mayor continuidad de servicio. Esta zona de red automática

1.8 Referencias bibliográficas 13

iría aumentando gradualmente en extensión, a través del tiempo, sufriendo modificaciones consi-derables como el cambio de voltaje de toda la red de distribución a 23 kV que se inició en 1968con la Red Central y se continuó a todas las redes subterráneas y aéreas de la ciudad.

Finalmente, se tiene la creación de la Comisión Federal de Electricidad, la CFE, por decretodel 14 de agosto de 1937, como una dependencia del Gobierno Federal con patrimonio propio ycon el objeto fundamental de “organizar y dirigir un sistema nacional de generación, transmisióny distribución de energía eléctrica, basado en principios técnicos y económicos, sin propósitos delucro y con la finalidad de obtener, con un gasto mínimo, el mayor rendimiento posible en bene-ficio de los intereses generales”. La Comisión Federal de electricidad inició el desarrollo del“Sistema Miguel Alemán” con la construcción de la planta de Ixtapantongo, cuya primera unidadentró en servicio en 1944, junto con la línea de transmisión de 150,000 volts entre Ixtapantongo yel Distrito Federal.

Entre los años de 1947 y 1957 la Comisión Federal de Electricidad completó el desarrollo delSistema Miguel Alemán, instalando dos unidades más en la planta de Ixtapantongo y constru-yendo las plantas del Durazno, San Bartolo, Santa Bárbara y Tingambato, así como la segundalínea de transmisión de 150,000 volts para llevar la energía de Tingambato a la subestación Tax-queña, con lo cual la capacidad total del sistema Miguel Alemán llegó a 352,000 kW. Esta capa-cidad habría de estar conectada al sistema general de la Compañía de Luz y Fuerza Motriz S.A.hasta después de 1960, cuando la CFE terminó la construcción de la planta hidroeléctrica deMazatepec y de la línea de 220,000 volts a la subestación Magdalena, para su interconexión almismo sistema de la Compañía de Luz y Fuerza Motriz S.A.

Con la creación de la Comisión Federal de Electricidad, se inició una nueva etapa en la histo-ria de la electrificación del país, ya que su instauración dio origen al nacimiento del sistema eléc-trico más grande de México, al adquirir muchas empresas que en forma independiente generabany distribuían su propia energía, e interconectarlas para formar una red de transmisión a nivelnacional. Actualmente la Comisión Federal de Electricidad y Luz y Fuerza del Centro son las dosempresas estatales encargadas de generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica que necesitanmás de cien millones de mexicanos para realizar la labor productiva que se requiere en la Repú-blica Mexicana.

Feliciano N. Espriella Miranda, “Historia y Desarrollo de la Compañía de Luz y Fuerza del Centro, S.A.,octubre de 1994.

R. M. Webler, “Growth of the Electric Power Industry”, The line, 79/1, published by Mc Graw-EdisonCompany, pp. 9-19.

Distribution Systems, Electric Utility Engineering Reference Book, volume 3, by Westinghouse ElectricCo.

Sir Peter Hall, Cities in Civilization, editorial Pantheon Books, New York.

Ronald W. Clark, “Tomas Alva Edison, editorial EDAMEX, 1979.

M. Cousins, “Edison toute une vie d’inventions”, Gallimard.

1.8 Referencias bibliográficas

2.1 Clasificación de los sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Principales elementos constitutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Líneas primarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Transformadores de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5 Redes secundarias de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6 Acometidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.7 Montajes principales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.8 Estructuras principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.9 Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

CAPÍTULO 2Clasificación y elementos constitutivos

de los sistemas de distribución

16 Capítulo 2 Clasificación y elementos constitutivos de los sistemas de distribución

Por la forma en que se construyen los sistemas de distribución se pueden clasificar en:

1. Sistemas aéreos.2. Sistemas subterráneos.3. Sistemas mixtos.

Los sistemas aéreos tienen soportados en postes de concreto y acero, los conductores de la redprimaria y secundaria, así como los transformadores. Los sistemas subterráneos son aquellos enque las instalaciones se ocultan bajo tierra, en algunas ocasiones las subestaciones MT-BT (demedia a baja tensión) se instalan al nivel del suelo en locales o gabinetes. En los sistemas mixtosla red primaria está soportada en postes y la red secundaria se oculta bajo el suelo.

Los principales elementos constitutivos de un sistema de distribución son:

1. Líneas primarias.2. Transformadores de distribución.3. Líneas secundarias.4. Acometidas.5. Equipo de medición.

Las líneas primarias de distribución son los cables encargados de conducir la energía desde lassubestaciones de potencia hasta los transformadores de distribución. La estructura de una líneaprimaria de distribución se forma con: troncales y ramales. Los troncales de la red primaria sonlos cables de mayor capacidad que transmiten la energía. Están formados por conductores degruesos calibres, siendo común emplear cables de 4/O AWG, 336 KCM y hasta 795KCM encables de aluminio. Los ramales son los cables que se derivan de los troncales y a ellos se conec-tan, normalmente, los transformadores de distribución y servicios privados suministrados enmedia tensión. Normalmente los ramales son de calibre menor al de los troncales, empleándosecalibres de 1/O, No. 2, No. 4, No. 6 AWG de acuerdo a la densidad de carga.

Los alimentadores primarios normalmente se estructuran en forma radial; en un sistema deeste tipo la forma geométrica del alimentador semeja la de un árbol en el que el grueso de la ener-gía se transmite a lo largo del troncal derivándose la energía a la carga a lo largo de los ramales.Ver figura 2.1.

2.1 Clasificación de los sistemas de distribución

2.2 Principales elementos constitutivos

2.3 Líneas primarias de distribución

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