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Laboratorio de sistemas de potencia

 

Power Systems Laboratory

 

Laborat�rio de Sistemas de Energia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: Napoleonbeltran09@gmail.com �

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 13 de noviembre de 2022 *Aceptado: 28 de diciembre de 2022 * Publicado: 18 de enero de 2023

 

        I.            Maestr�a de Investigaci�n en Electricidad, menci�n Sistemas El�ctricos de Potencia, Instituto de Postgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Ecuador.

      II.            Maestr�a de Investigaci�n en Electricidad, menci�n Sistemas El�ctricos de Potencia, Instituto de Postgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Ecuador.

 

Resumen

El presente art�culo se ha desarrollado con el objetivo de identificar la importancia que tienen los laboratorios de sistemas de potencia con los componentes de distribuci�n y carga, para lo cual se emple� un tipo de estudio descriptivo y explicativo con enfoque cualitativo a trav�s de un an�lisis bibliogr�fico-documental, con lo que se obtuvo como resultado que los laboratorios como espacios f�sicos controlados permiten inducir a la experimentaci�n de los estudiantes, logrando poner en pr�ctica los conocimientos te�rico adquiridos en clase, lo que direccionado a los laboratorios de sistemas de potencia permite que los estudiantes aprenden de una manera pr�ctica el comportamiento de la energ�a el�ctrica mediante los componentes de distribuci�n y carga, con la finalidad de brindarles una preparaci�n sobre los fen�menos que se puedan presentar y las posibles soluciones que pueden aplicar de manera que se preparen para su futuro ejercicio profesional.

Palabras clave: Laboratorio; Sistemas el�ctricos de potencia; Distribuci�n; Carga; Energ�a el�ctrica.

 

Abstract

This article has been developed with the objective of identifying the importance that power system laboratories have with the distribution and load components, for which a type of descriptive and explanatory study with a qualitative approach was used through a bibliographic analysis. -documentary, with which it was obtained as a result that the laboratories as controlled physical spaces allow to induce the experimentation of the students, managing to put into practice the theoretical knowledge acquired in class, which directed to the laboratories of power systems allows the Students learn in a practical way the behavior of electrical energy through the distribution and load components, in order to provide them with a preparation on the phenomena that may occur and the possible solutions that can be applied so that they prepare for their future exercise. professional.

Keywords: Laboratory; Electrical power systems; Distribution; Load; Electric power.

 

 

 

Resumo

Este artigo foi desenvolvido com o objetivo de identificar a import�ncia que os laborat�rios de sistemas de pot�ncia t�m com os componentes de distribui��o e carga, para o qual foi utilizado um tipo de estudo descritivo e explicativo com abordagem qualitativa por meio de uma an�lise bibliogr�fica. obteve-se como resultado que os laborat�rios como espa�os f�sicos controlados permitem induzir a experimenta��o dos alunos, conseguindo colocar em pr�tica os conhecimentos te�ricos adquiridos em aula, o que direcionado aos laborat�rios de sistemas de pot�ncia permite aos alunos aprender de forma pr�tica os comportamento da energia el�ctrica atrav�s das componentes de distribui��o e carga, de forma a dot�-los de uma prepara��o sobre os fen�menos que podem ocorrer e as poss�veis solu��es que podem ser aplicadas para que se preparem para o seu exerc�cio futuro.

Palavras-chave: Laborat�rio; Sistemas el�tricos de pot�ncia; Distribui��o; Carregar; Energia el�trica.

 

Introducci�n

De acuerdo con Pickford (2018) el conocimiento cient�fico es desarrollado por profesionales de la ciencia (cient�ficos) con diferentes fines (generalmente no educativos sino informativos); este debe ser apropiado por los docentes para que a partir de la implementaci�n de estrategias did�cticas facilite a los estudiantes la ense�anza y el aprendizaje del mismo.

Portillo (2019) expone que �el proceso de construcci�n de un nuevo concepto en la instituci�n educativa se debe entender como un cambio o desarrollo conceptual de �creencias�, cambio que va desde el estudiante �inexperto� hasta el profesor �experto�� (p. 47). En este proceso, la funci�n que desempe�a el docente, el rol del estudiante y la implementaci�n de las estrategias did�cticas, resultan ser trascendentales para lograr construir ambientes de aprendizaje que se enriquecen por las acciones y el conocimiento que cada uno aporta.

Seg�n Espinosa (2016):

Es de vital importancia implementar las pr�cticas de laboratorio en el aula de clase como estrategia did�ctica para lograr la construcci�n del conocimiento cient�fico escolar, ya que estas pueden llegar a mediar entre el conocimiento del estudiante, del docente y el saber cient�fico para lograr desarrollar en los educandos habilidades investigativas (observaci�n de los fen�menos, predicci�n e hip�tesis, medici�n, dise�o experimental) y destrezas manipulativas (manejo de material de laboratorio y realizaci�n de montajes experimentales) (p. 2).

En concordancia con la informaci�n precedente, resulta importante el uso de laboratorios para fomentar el esp�ritu investigativo, innovador y creativo de los estudiantes, adem�s de que a trav�s de las pr�cticas se fortalece el conocimiento te�rico adquirido en las aulas. A este respecto Pozo (2017) manifiesta que los laboratorios de sistemas de potencia para la educaci�n superior en la formaci�n de profesionales enmarcados en las ramas relacionadas con la electricidad, se constituyen como una herramienta de gran importancia con la cual deben de contar las universidades de manera que puedan maximizar el nivel de calidad de la oferta acad�mica.

Bajo este contexto, la premisa principal de este trabajo se centra en identificar la importancia de un laboratorio de sistemas de potencia con los componentes de distribuci�n y carga, esto visto como un espacio f�sico contralado en el cual los estudiantes puedan poner en pr�ctica los conocimientos te�ricos adquiridos durante el proceso formativo en las aulas de clase.

 

Laboratorios

De acuerdo con L�pez & Tamayo (2017) se define que:

La actividad experimental es uno de los aspectos clave en el proceso de ense�anza y aprendizaje de las ciencias tanto por la fundamentaci�n te�rica que puede aportar a los estudiantes, como por el desarrollo de ciertas habilidades y destrezas para las cuales el trabajo experimental es fundamental, asimismo, en cuanto al desarrollo de ciertas habilidades del pensamiento de los estudiantes y al desarrollo de cierta concepci�n de ciencia derivada del tipo y finalidad de las actividades pr�cticas propuestas (p. 146)

Por lo expuesto, se establece entonces que las pr�cticas de laboratorio tienen un alto grado de importancia en cuanto a su valor para potenciar objetivos relacionados con el conocimiento conceptual y procedimental, aspectos relacionados con la metodolog�a cient�fica, la promoci�n de capacidades de razonamiento, concretamente de pensamiento cr�tico y creativo, y el desarrollo de actitudes de apertura mental y de objetividad y desconfianza ante aquellos juicios de valor que carecen de las evidencias necesarias.

Seg�n D�az (2018) �las pr�cticas de laboratorio brindan a los estudiantes la posibilidad de entender c�mo se construye el conocimiento, c�mo trabajan los cient�ficos, c�mo llegan a acuerdos y c�mo reconocen desacuerdos� (p. 65). Por lo tanto, se denota que el trabajo de laboratorio favorece y promueve el aprendizaje, pues le permite al estudiante cuestionar sus saberes y confrontarlos con la realidad, poniendo en juego sus conocimientos previos para verificarlos mediante las pr�cticas. Por lo que la pr�ctica experimental es un instrumento que promueve los objetivos conceptuales, procedimentales y actitudinales que debe incluir cualquier dispositivo pedag�gico.

Por otra parte, Rivas (2019) refiere que:

La pr�ctica de laboratorio es el tipo de clase que tiene como objetivos instructivos fundamentales que los estudiantes adquieran las habilidades propias de los m�todos de la investigaci�n cient�fica, ampl�en, profundicen, consoliden, realicen, y comprueben los fundamentos te�ricos de la asignatura mediante la experimentaci�n empleando los medios de ense�anza necesarios, garantizando el trabajo grupal en la ejecuci�n de la pr�ctica (p. 33)

Por lo tanto, se denota que esta forma organizativa persigue objetivos muy similares a los de las clases pr�cticas, lo que la diferencia es la fuente de que se valen para su logro. En las pr�cticas de laboratorio los objetivos se cumplen a trav�s de la realizaci�n de experiencias programadas con el apoyo de un manual.

De acuerdo con Beneitone (2019) �en las pr�cticas de laboratorio predominan la observaci�n y la experimentaci�n en condiciones de laboratorio, lo que exige la utilizaci�n de m�todos y procedimientos espec�ficos para el trabajo� (p. 59). En relaci�n con esto, es significativa la contribuci�n de los m�todos y procedimientos utilizados en el desarrollo de habilidades generales de car�cter intelectual y docente; y, fundamentalmente en la formaci�n y desarrollo de habilidades propias de cada asignatura que utilice esta forma de organizaci�n del proceso de ense�anza-aprendizaje.

La preparaci�n de las pr�cticas de laboratorio exige al docente una atenci�n especial a los aspectos organizativos, ya que su realizaci�n se basa fundamentalmente, en la actividad individual o colectiva de los alumnos de manera independiente.

 

Sistemas el�ctricos de potencia

Seg�n Mujal (2018) �un sistema el�ctrico de potencia es una herramienta de conversi�n y transporte de energ�a. Est� compuesto por todas las m�quinas, aparatos, redes, procesos y materiales utilizados para la generaci�n, transmisi�n y distribuci�n de energ�a el�ctrica� (p. 17). El manejo de la energ�a el�ctrica en los sistemas de potencia se hace principalmente en la forma conocida como corriente alterna.

De acuerdo con Wildi (2019) se identifica que en la entrada del sistema, la energ�a que se encuentra disponible en la naturaleza es transformada de diversas formas (hidr�ulica, e�lica, por combusti�n de f�siles, nuclear, solar, geot�rmica) en energ�a el�ctrica. La �ltima etapa en este proceso de generaci�n lo representa el generador el�ctrico.

Una vez generada la energ�a el�ctrica, seg�n Kothari (2018) inicia el proceso de transmisi�n, que consiste en el transporte de grandes bloques de energ�a desde los centros de generaci�n hasta los centros de utilizaci�n. Ya disponible la energ�a el�ctrica en los pueblos y ciudades, los usuarios finales son habilitados mediante el proceso de distribuci�n.

Los sistemas de potencia el�ctrica se componen de l�neas de transmisi�n de alto voltaje que alimentan a una red de mediano voltaje (MV) por medio de subestaciones. A este respecto Montecelos (2017) refiere que �en Am�rica, estas redes de mediano voltaje operan generalmente entre los 2.4 KV (kilovoltios) y 69 KV. A su vez, estas redes abastecen a millones de sistemas de bajo voltaje independientes que funcionan entre 120V y 600V� (p. 74).

Comenzando con la planta de generaci�n, cada parte de un sistema el�ctrico de potencia utiliza subestaciones de mediano voltaje, unidades que contienen como componentes principales: transformadores; cortacircuitos; interruptores de conexi�n; interruptores de conexi�n a tierra; relevadores y dispositivos de protecci�n (Coto, 2017).

Las l�neas de transmisi�n de acuerdo con Yebra (2021) poseen todas las propiedades de los elementos b�sicos de un circuito (resistencias, capacitores, bobinas y las conexiones entre todos ellos). Para el an�lisis y estudio de las l�neas de transmisi�n, mediante un proceso de abstracci�n, todos estos elementos se consideran concentrados, aunque en la realidad estas propiedades est�n distribuidas a trav�s de toda la red. Por lo tanto, el estudio de las l�neas de transmisi�n de un sistema el�ctrico de potencia es el paso inicial para comprender a profundidad el comportamiento ondulatorio de dicho sistema.

Por su parte Torres (2018) expone que:

A pesar de que la teor�a fundamental de la transmisi�n de energ�a describe su propagaci�n en t�rminos de la interacci�n de campos el�ctricos y magn�ticos, el ingeniero el�ctrico especializado en sistemas de potencia, estar� m�s interesado en analizar la raz�n de cambio de la energ�a con respecto al tiempo en t�rminos de diferencia de potencial (voltaje) y de la intensidad (corriente). Esta es la definici�n de potencia el�ctrica cuya unidad de medida es el Watt (p. 89).

A este respecto es importante destacar que los sistemas de potencia funcionan con generadores trif�sicos, por lo que el estudio de la potencia el�ctrica requiere de destrezas para el an�lisis fasorial.

Adem�s Conde (2017) expresa que �a pesar de que el sistema de potencia est� expuesto en forma constante a perturbaciones, cambio en las cargas, cortocircuitos, fallas de equipos y operaciones incorrectas, el mismo mantiene casi siempre su estado estacionario� (p. 91). Esto es debido a las dimensiones relativas del sistema de potencia frente a las cargas y generadores conectados al mismo, as� como tambi�n a las acciones realizadas por los sistemas de protecci�n y control.

En este contexto se puede decir que, en el proceso de explotaci�n normal de los sistemas el�ctricos de potencia ocurren cambios en forma permanente, los cuales son compensados por los sistemas de control.

Por otro lado, Jim�nez (2019) explica que pueden aparecer defectos, faltas, perturbaciones y reg�menes anormales de funcionamiento de los diferentes elementos del sistema, los cuales pueden conducir a interrupciones del servicio a los consumidores, reducci�n de la calidad de la energ�a o da�os en los equipamientos.

Para hacer frente a estos eventos se dise�an sistemas de protecci�n que r�pidamente detectan las condiciones anormales de funcionamiento desencadenando las acciones necesarias para desenergizar lo m�s r�pido posible el equipo en falta o para retornar al sistema el�ctrico a otro punto de funcionamiento estable, lo m�s r�pido posible.

 

Materiales y m�todos

Este trabajo se desarrolla bajo los lineamientos del tipo de investigaci�n descriptivo y explicativo, con enfoque cualitativo debido a que se procedi� a realizar un an�lisis con el cual se profundiz� sobre la relaci�n de los laboratorios como herramientas t�cnico � pedag�gicas, para el fortalecimiento de los conocimientos de los estudiantes mediante la simulaci�n de fen�menos y comportamientos en base a un tema definido que pudieran acontecer en la vida real, que para el caso del presente estudio corresponde al laboratorio de sistemas de potencia enfocado en los componentes de distribuci�n y carga, todo esto mediante un an�lisis bibliogr�fico-documental.

 

Resultados y discusi�n

Arg�ello et al., (2016) mediante el estudio realizado indican que la simulaci�n en tiempo real de sistemas el�ctricos de potencia es una herramienta tecnol�gica que permite simular el comportamiento de las variables el�ctricas y obtener resultados en el mismo per�odo de tiempo en el que evolucionar�a el fen�meno analizado. Es as� que los objetivos establecidos para la implementaci�n del referido laboratorio consisten en estudiar los problemas de los sistemas el�ctricos de potencia que se pudieran presentar tanto a largo como a mediano plazo; proporcionar una herramienta para el mejoramiento acad�mico de la Universidad, perfeccionando los procesos operativos del sistema el�ctrico de potencia; y, desarrollar metodolog�as de an�lisis y pruebas de equipos el�ctricos que se vayan a conectar en el Sistema Nacional Interconectado.

A trav�s del estudio desarrollado por Villamil & Zapata (2017) se tuvo como enfoque principal la creaci�n de un espacio para que los estudiantes tengan una aproximaci�n al �mbito laboral mediante las pr�cticas desarrolladas en laboratorio, sobre los conocimiento adquiridos en las aulas de clase y de esta manera fortalecer su formaci�n acad�mica. Es as� que mediante el presente trabajo se dot� al estudiantado de una gu�a de laboratorio y dise�os que proporcionan bases para que estos puedan personalizar sus propios dise�os en temas relacionados con trasferencias autom�ticas en lazo abierto, sistemas de compensaci�n reactiva a trav�s de bancos de condensadores, manipulaci�n de rel�s de protecci�n, controles de arrancadores directos, arrancadores estrella-triangulo, arrancadores con inversi�n de giro, entre otros.

Guapucal (2021) en su trabajo de investigaci�n se propuso presentar un dise�o de un m�dulo did�ctico para el estudio de coordinaci�n de protecciones el�ctricas de sistemas de potencia para el nuevo laboratorio, con la finalidad de brindar accesibilidad a los estudiantes para el manejo de los dispositivos disponibles dentro del laboratorio y para proyectos futuros de investigaci�n relacionados con los sistemas el�ctricos, y en espec�fico sobre este trabajo sobre las protecciones. Con lo cual se prev� que el uso de diferentes paquetes computacionales para el an�lisis del comportamiento de los sistemas de potencia es esencial en el �rea de ingenier�a el�ctrica, con la finalidad de que durante el ejercicio profesional laboral se garantice la continuidad y calidad del suministro de energ�a el�ctrica en todos sus niveles.

Mediante el estudio desarrollado por Salvador (2020) se promovi� la implementaci�n del sistema de monitoreo en tiempo real con simulaci�n predictiva fue realizada en el laboratorio de Energ�as Renovables y Smart Grid de la Universidad de Ingenier�a y Tecnolog�a (UTEC), para lo cual se integraron componentes f�sicos (M�dulos de dispositivos de campo Lucas N�lle) y software de simulaci�n de sistemas el�ctricos de potencia (ETAP Real Time). Con lo cual se lleg� a la conclusi�n de que a trav�s de un laboratorio se pueden realizar simulaciones predictivas que contengan un alto grado de precisi�n y confiabilidad sobre el sistema el�ctrico ante cambios y perturbaciones.

Rada et al., (2020) a trav�s de su trabajo de investigaci�n desarroll� 4 gu�a de laboratorio para un curso de sistemas de potencia, con lo cual se busc� entre otros aspectos, familiarizar a los estudiantes con el software de simulaci�n; resolver los problemas que se pudieran presentar en el flujo de carga; evaluar la confiabilidad y hacer la compensaci�n de potencia reactiva; todo esto sobre la base de que los sistemas de potencia son los encargados de transmitir grandes bloques de energ�a desde los centros de generaci�n hasta los centros de consumo, por tanto los estudiantes como futuros profesionales requieren tener el conocimiento pr�ctico de su funcionamiento mediante las simulaciones realizadas en el laboratorio.

 

Conclusi�n

Los laboratorios son espacios dise�ados para realizar actividades experimentales, basadas en las teor�as aportadas a los estudiantes mediante las clases otorgadas en las aulas de clase, con la finalidad de reforzar el conocimiento adquirido, permitiendo adem�s desarrollar habilidades del pensamiento y las concepciones sobre la ciencia que se derivan del tipo y finalidad de las actividades pr�cticas que se han realizado.

Con respecto a los sistemas el�ctricos de potencia, estos se configuran como una herramienta de conversi�n y transporte de energ�a el�ctrica, la cual es manejada principalmente en la forma de corriente alterna. Se encuentra compuesto por todo un conjunto de m�quinas, aparatos, redes, procesos y materiales cuyo prop�sito es la generaci�n, transmisi�n y distribuci�n de la energ�a el�ctrica. En alusi�n al componente de distribuci�n se constituye por el conjunto de l�neas a�reas, cables subterr�neos y subestaciones de tensiones de 132 kV e inferiores, mediante los cuales la energ�a el�ctrica es llevada hasta los consumidores finales, mientras que el componente de carga est� conformado por un conjunto de cargas individuales de diferentes tipos, como son industrial, comercial y residencial, de esta manera estas se pueden clasificar adem�s en lineales y no lineales.

Los laboratorios de sistemas de potencia, son espacios controlados donde los estudiantes de carreras afines a la electricidad pueden poner en pr�ctica los conocimientos te�ricos adquiridos en las aulas de clases, haciendo un �nfasis en los componentes de distribuci�n y carga, pueden experimentar de forma directa el comportamiento del fluido el�ctrico y c�mo funcionan cada uno de los elementos que los conforman de manera que se puede reproducir determinados fen�menos en los que deben analizar y reaccionar para la soluci�n inmediata de un problema y de esta manera prepararse para su futuro profesional.

 

Referencias

1.      Arg�ello, G., Cepeda, J., Echeverr�a, D., Falcones, S., & Layana, J. (2016). Desaf�os en la implementaci�n de un laboratorio de simulaci�n digital en tiempo real de sistemas el�ctricos de potencia. Revista T�cnica "Energ�a"(12), 239-250. Recuperado el 18 de julio de 2021, de http://revistaenergia.cenace.org.ec/index.php/cenace/article/view/49/47

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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