Post on 10-Aug-2015
Asesoría Técnico Comercial
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Conductores Mexicanos Eléctricos
y de Telecomunicaciones S.A. de
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Colonia Industrial Vallejo
México, D.F., C.P. 02300
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Selección del calibre optimo
(económico) como una
alternativa para el ahorro de
energía eléctrica
CFE 0023744585
GENERACIÓN POR FUENTE
GENERACIÓN POR FUENTE
41.93%
8.18 %2.97 % 4.28 %
0.09 %
TOTAL: 100 %
HIDRÁULICA
HIDROCARBUROS
CARBÓN
GEOTERMIA
NUCLEAR
EÓLICA
PRODUCTORES INDEPENDIENTES
33.22 %
9.34 %
FUENTE: CFE-ABRIL-2010
En México se generan 350.4 millones de toneladas de CO2 provienen de actividades energéticas, 29% de la generación de electricidad (101.3 millones de ton).Fuente: SENER
Los retos de la eficiencia energética para los próximos años:Los retos de la eficiencia energética para los próximos años:
� Tendencia a incrementarse el consumo de energía eléctrica.
� Las políticas derivadas del cambio climático tenderán a reducir las emisiones de CO2 a la mitad en los próximos 40 años.
� Se desarrollarán estándares de eficiencia energética y programas públicos para incentivar el uso de productos y sistemas cada vez más eficientes, en armonía con el medio ambiente.
DISTRIBUCIÓN EN BAJA TENSIÓN
GENERACIÓN
G T T T
T T T
T
T T
13.8 kV 20 kV
SUBTRANSMISIÓN
400 kV230 kV
115 kV69 kV
23 kV ó 13.8 kV
DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN
127 V
127 V
4.16 kV
220 V
Oportunidades de ahorro de energía y los conductores eléctricos
TRANSMISIÓN
DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN
13.8 kV
1.- Capacidad de conducción de corriente2.- Caída de tensión Calculo tradicional3.- Cortocircuito (calibre técnico)
4.- Selección del calibre optimo.
Calculo Gasto de Calibretradicional operación optimo
(Costo cables) (Costo perdidas por calor) (ahorro de energía)
Para la selección del área de sección transversal de un conductor eléctrico se realizan los siguientes cálculos:
En los conductores eléctricos al igual que en una máquina eléctrica, se generan pérdidas eléctricas en sus diferentes elementos, dependiendo de su construcción:
CABLE DE BAJA TENSIÓN
Pérdidas de energía en un cable
a) Conductorb) Aislamiento
CABLE DE ENERGÍA
a) Conductorb) Aislamientoc) Pantalla metálica y/o cubierta metálica
Pérdidas de energía en un cable
Pérdidas en el conductor
i i
Calor Efecto Joule = I2R
CALOR GENERADO EN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POR EFECTO JOULE
RcIcWc 2=
Pérdidas en el conductor
Wc = I2 x RCA x 10-3 x L x N x H x Fp..........kWh/año
donde:I = Corriente demandada por la carga
RCA = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura de operación del cable en ohms/km
L = Longitud del circuito en kmN = Número de cables del sistemaH = Horas efectivas de operación del sistemaFp = Factor de pérdidas;Fp = 0.3Fc + 0.7 (Fc)2
Fc = Factor de carga por unidad
i
t
máx.
prom.
Fc
Horas efectivas en las que se presentan las pérdidas de energía de acuerdo con la operación
eléctrica de una instalación en particular
Tipo de operación: Horas efectivas:
Equipo que trabaja ocasionalmente 0 - 500Carga irregular durante un turno 500 - 1 500Carga irregular en varios turnos 1 500 - 3 500Carga uniforme en varios turnos 3 500 - 7 000Carga plena ocasionalmente conectada 7 000 - 8 000Carga plena conectada permanentemente 8 760
Ejemplos:Un día = 24 horas x 365 días (un año) = 8 760 horas
16 horas x 365 días (un año) = 5 840 horas16 horas x 230 días = 3 680 horas
Corrientepromedio
Corrientemáxima
Carga en
amperes
Tiempoen
horas1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
75
60
45
30
15
Factor de carga = Corriente promedioCorriente máxima
3060
= 0.5 = 50 %
Ciclo diario de carga
CALOR GENERADO EN EL AISLAMIENTO DEL CABLE POR EFECTO JOULE
δ tan C f 2π VoRaVo
Wd 22
==donde:
Wd = Calor generado en el aislamiento, en W/m
Vo = Voltaje al que está sometido el aislamiento
que es igual al voltaje de fase a tierra del sistem a, en V.
C = Capacitancia del cable, en F /m
f = Frecuencia del sistema, en Hz (60 Hz)
Ra = Resistencia de aislamiento, en Ohm-m
tan δδδδ = Factor de pérdidas del aislamiento, sin unidades.
Vo
Pérdidas en el dieléctrico
θθθθδδδδ
I c I
I r V
IrTan Ic====δδδδ
donde:SIC = Constante dieléctrica
da= Diámetro sobre aislamientodc = Diámetro bajo aislamiento
0.0241 x SIC x 10-6
log (da/dc)C = ....................F/km
Valores de la tan δδδδ y de la SIC para diferentes aislamientos
Aislamiento tan δ SIC
Vulcanel EP 0.015 2.9Vulcanel XLP 0.001 2.4Vinanel XXI (THHW -LS) 0.110 8.0
Pérdidas en el dieléctrico
Wd = 2¶ x F x C x Eo2 x tanδ x 10-3 x L x N x H.......kWh/año
donde:F = Frecuencia en hertzEo = Tensión al neutro en volts
tanδ = Factor de pérdidas del aislamientoL = Longitud del circuito en kmN = Número de cables del sistemaH = Horas efectivas de operación del sistemaC = Capacitancia del cable en F/km
Pérdidas en las pantallas o cubiertas metálicas
Wp = Ip2 x Rp x 10-3 x L x N x H x Fp..........kWh/año
donde:Ip = Corriente que circula en la pantalla o cubierta metálicaRp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación del
cable (-10 °C), en ohms/kmL = Longitud del circuito en kmN = Número de cables del sistemaH = Horas efectivas de operación del sistemaFp = Factor de pérdidas;Fp = 0.3Fc + 0.7 (Fc)2
Fc = Factor de carga por unidad
i
t
máx.
prom.
Fc
donde:I = Corriente que circula en el conductor en amperes
Rp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación del cable -10 °C, en ohms/km
Xm = Reactancia mutua entre conductor y pantalla o cubierta metálica.
Xm = 0.0754 ln (S/ro)S= Espaciamiento entre centros de cablesro = Radio medio de la pantalla
Cables monoconductores en arreglo trébol
I2 Xm2
Xm2 + Rp2Ip =
TENSIONES Y CORRIENTES INDUCIDAS EN LAS PANTALLAS METÁLICAS DE CABLES MONOCONDUCTORES
Software disponible para estos y otros calcúlos en: http://catalogo.condumex.com.mx
Las pérdidas totales del sistema son:
WT = Wc + Wd + Wp ...........................kWh/año
Estas pérdidas evaluadas en términos económicos y sumadas a los costos por mantenimiento, representan los costos totales de operación del sistema de cables.
Representación gráfica del calibre optimo
ÁREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL
Se: Secciónoptima
PESOS
SELECCIÓN DEL CALIBRE OPTIMO
GSo= I x n x H x P x Fp x A x 10-3
.......mm2
donde:I = Corriente que circula en el conductor en amperes= Resistividad del metal del conductor a la temperatura de
operación ohm-mm2 /kmn = Número de cables activos en el sistemaH = Número de horas de operación al añoP= Costo de la energía en $/kWh
A = Factor para convertir a valor presente los costos de las pérdidas de energía ocurridos durante “N” años a una tasa de interés “i”
Fp = Factor de pérdidas Fp = 0.3Fc + 0.7 (Fc)2
(1 + i)N - 1(1 + i)N x i
donde:i = Tasa de interés admisible.
N = Vida útil del cable o periodo de amortización requerido
Los costos de operación se dan en forma continua durante la vida útil del cable, por lo que el análisis económico se debe realizar considerando que los egresos (pérdidas en los cables) se realizan en tiempos diferentes.
Los costos de las pérdidas en los cables crean “anualidades” que son una serie de pagos realizados durante un periodo.
Las técnicas de análisis “valor presente” nos permiten comparar los egresos que se realizan a través del tiempo respecto a una base común, que es el tiempo presente.
A =
SELECCIÓN DEL CALIBRE OPTIMO
G = Pendiente de la recta; precios vs área de los cables
G = (P2 - P1)/(S2 - S1)
P1 = Precio del cable inicial (calibre técnico)P2 = Precio del cable comparativoS1 = Sección transversal del cable inicial (calibre técnico)S2 = Sección transversal del cable comparativo
SELECCIÓN DEL CALIBRE OPTIMO
CABLES VINANEL XXI RoHS M.R. THW-LS/THHW-LS, CT-SRGráfica del Precio vs Sección Transversal
0255075
100125150175200225250275300325350375400425450475500
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
Precio/mPesos
Secciónmm2
Precios de lista CondumexFebrero 2010
CABLES DE ENERGIA VULCANEL XLP 5 KV, 100% N.A. Conductor de Cobre
Gráfica del Precio vs Sección Transversal
070
140210280350420490560630700770840910980
10501120119012601330140014701540
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Precio/mPesos
Secciónmm2
Precios de lista CondumexFebrero 2010
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
Se requiere alimentar los motores del molino de crudo en una planta cementera. Calcular el calibre técnico y optimo con los datos siguientes:
T = 4 160 voltsL = 100 metrosP = 1 620 kWFactor de potencia = 0.8 Amortización = 10 añosTasa de interés = 19.15% Anual (Interés bancario)Costo de la energía = $ 0.4031 por cada kWhFactor de carga = 100 %; Factor de pérdidas ((0.3x1)+(0.7x12)) = 1Horas en servicio = 8 760Instalación en soportes continuos tipo charola, arreglo de cables en trébol, pantalla aterrizada en 1 punto.Temperatura ambiente = 40 °C
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
a) Calibre técnico
Capacidad de corriente
La corriente demandada por la carga es de:
I = 1 620/1.732 x 4.16 x 0.8 = 281.05 amperes
De acuerdo al tipo de instalación (Tabla 310-67), y basados en la norma NOM-001, los posibles calibres son:
3/0 AWG.............290 A (Se escoge) 4/0 AWG.............335 A
Caída de tensión
V = 1.732 x I x L x Z........................volts
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
Caída de tensión
V = 1.732 x I x L x Z........................volts
V = 1.732 x 281.05 x 0.1 x 0.2919 = 14.20 volts
4 160 V.........100%14.20 V.........X X = 0.34 % cumple con norma
Con objeto de facilitar el cálculo solo incluiremos estos cálculos y para las pérdidas solo las del conductor central.
Pérdidas
Wc = I2 x RCA x 10-3 x L x N x H x Fp.........................kWh/año
Wc = (281.05)2 x 0.2646 x 10-3 x 0.1 x 3 x 8760 x 1 = 54 988.83 kWh/año
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
Pérdidas en pesos
$ Wc = Wc x P .............................$/año
$ Wc = 54 926.55 x 0.4031 = 22 166 $/año
EL CALIBRE TÉCNICO 3/0 AWG CUMPLE CON LO REQUERIDO
b) Calibre optimo
So = I x n x H x P x A x 10-3
G..............mm 2
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
b) Calibre optimo
G = (P2 - P1/ S2 -S1)
Si usamos como base el calibre técnico y empezamos nuestro análisis económico con el calibre 250 kcmil veamos lo que sucede:
G = (214.6 – 158.5) / (127 - 85.1) = 1.33 $ / m / mm2
(1 + i)N - 1
(1 + i)N x iA = A = ((1 + 0.1915)10 - 1) / ((1 + 0.1915)10 x 0.1915)
A = 4.3163
= 0.017241 / 0.784 = 0.02199 ohm-mm2/m
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
b) Calibre optimo
So = I x n x H x P x A x 10-3
G
So = 281.05 x ((( 0.02199 x 1 x 8760 x 0.4031 x 4.31 x 10-3 ) / 1.33)½)
So = 281.05 x 0.5003 = 140.6 mm2
140.6 mm2 = 300 kcmil (152 mm2)
Pérdidas
Wc = I2 x RCA x 10-3 x L x N x H x Fp.........................kWh/año
Wc = (281.05)2 x 0.1497 x 10-3 x 0.1 x 3 x 8760 x 1 = 31 075 kWh/año
.......................mm2
EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO
Pérdidas en pesos
$ Wc = Wc x P .............................$/año
$ Wc = 31 075 x 0.4031 = 12 526 $/año
RESUMEN
CALIBRE COSTO TOTAL PERDI DAS COSTO DEDEL CABLE DE ENERGÍA LAS PERDID AS
$ kWh/año $/año
TÉCNICO (3/0) 47 550 54 988 22 166Optimo (300) 74 310 31 075 12 526
Están considerados los 3 cables del sistema (Fases: A, B y C) y longitud de 100 m c/u
-350000
3500070000
105000140000175000210000245000280000315000350000385000420000455000490000525000560000595000630000665000700000735000770000805000840000875000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
INVERSION
EN
PESOS
AÑOS
COMPARACION ENTRE EL CALIBRE TECNICO Y EL ECONOMICOCalibre Técnico: 1 x 3/0 AWG 5 kV
Calibre Económico: 1 x 300 kCM 5 kV
TECNICO
ECONOMICO
AHORRO
OPTIMO
OPTIMO
Calibre optimo:1x300 kcmil 5 kV
• Reducir las pérdidas por efecto Joule en los conductores y por tanto, se reduce el costo de operación de los sistemas eléctricos a lo largo de su vida útil.
• Reducción de la quema de combustibles fósiles en plantas generadoras de la CFE.
• Protección al medio ambiente mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (CO2) por la quema de combustibles fósiles.
• Reducir las pérdidas por efecto Joule en los conductores y por tanto, se reduce el costo de operación de los sistemas eléctricos a lo largo de su vida útil.
• Reducción de la quema de combustibles fósiles en plantas generadoras de la CFE.
• Protección al medio ambiente mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (CO2) por la quema de combustibles fósiles.
Se presentan las bases técnicas y extractos del contenido de una propuesta de norma mexicana para la determinación de las designaciones óptimas de conductores eléctricos cuyos beneficios son:
Se presentan las bases técnicas y extractos del contenido de una propuesta de norma mexicana para la determinación de las designaciones óptimas de conductores eléctricos cuyos beneficios son:
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
DESARROLLODESARROLLO
En el desarrollo de la propuesta de norma nacional participaron los fabricantes afiliados a la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas (CANAME) en su Sección VI, Conductores, y la Asociación Civil PROCOBRE.
La propuesta de norma está basada en la norma mexicana NMX-Z-013/1-1977 “Guía para la redacción, estructuración y presentación de las normas mexicanas”.
Toma en consideración la norma internacional: IEC 60287-3-2 am 1, ed 1 - “Electric cables - Calculation of the current rating - Part 3-2: Sections on operating conditions -Economic optimization of power cable size. 1996.
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
Estructura de la propuesta de norma NMX-J
Contenido de la propuesta de norma:
1.- INTRODUCCIÓN
2.- OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN
3.- DEFINICIONES
4.- REFERENCIAS
5.- SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
6.- MÉTODO DE CÁLCULO DE LA DESIGNACIÓN ÓPTIMA DE CONDUCTORES6.1 GENERALIDADES6.1.1 Cables de baja tensión6.1.2 Cables de media tensión6.2 CÁLCULO DE LOS COSTOS TOTALES.6.2.1 Costo de la instalación del cable (CI)6.2.2 Costo de la operación de los cables (CJ)
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
6.2.2.1 Cálculo de las pérdidas del conductor6.2.2.2 Cálculo del costo de las pérdidas del conductor.6.2.2.3 Cálculo del costo de la energía considerando “n” años de operación a
valor presente.6.2.3 Cálculo del costo total6.3 FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO LA DESIGNACIÓN ÓPTIMA.6.3.1 Generalidades6.3.2 Método de cálculo
7.- DETERMINACIÓN DE LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO2 Y CÁLCULO DE BEP´s.
7.1 Generalidades7.1.1 Emisión equivalente de CO2 por energía disipada en forma de calor en la operación
de los conductores.7.2 Método de cálculo de la reducción de emisiones de CO2 por el uso de la designación
óptima de conductores.7.3 Emisiones de CO2 por energía consumida en la fabricación del conductor.7.4 Cálculo del consumo de hidrocarburos (BEP) debido a las pérdidas generadas por los
cables.
8.- BIBLIOGRAFÍA
9.- CONCORDANCIA CON NORMAS INTERNACIONALES
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
10.- APÉNDICES:- APÉNDICE A (informativo). Tipos de aislamientos y usos de cables de baja
tensión usados en México acorde a la norma oficial mexicana de instalaciones eléctricas NOM-001-SEDE.
- APÉNDICE B (informativo). Capacidad de corriente de conductores eléctricos.
- APÉNDICE C (informativo). Factores de corrección por agrupamiento.
- APÉNDICE D (informativo). Tabla de valores de resistencias eléctricas de conductores en corriente continua a 20 °C.
- APÉNDICE E (informativo). Fórmulas para el cálculo de la resistencia en corriente alterna en conductores eléctricos.
- APÉNDICE F (informativo). Horas efectivas de operación.
- APÉNDICE G (informativo). Precios de referencia de conductores eléctricos.
- APÉNDICE H (informativo). Ejemplo de cálculo de una designación óptima para un cable de baja tensión.
NORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMASNORMA PARA LA DETERMINACIÓN DE DESIGNACIONES ÓPTIMAS
ESTADO ACTUAL DE LOS DOCUMENTOS NORMATIVOSESTADO ACTUAL DE LOS DOCUMENTOS NORMATIVOS
PT-NMX-J-XXXX- Conductores – Método para determinar la designación óptima de conductores
eléctricos.
En el mes de junio de 2011 el CONANCE (Comité de Normalización de ANCE) decidió inscribir
el tema en el Suplemento del Programa Nacional de Normalización 2011 (SPNN 2011). Creó un
Grupo de Trabajo para atender el tema y convertirlo en norma NMX-J.
En julio el CT 20 de ANCE informó a CONANCE que cuenta con la capacidad para desarrollar
esta norma. Con la publicación del SPNN 2011 en el DOF, inician los trabajos en ANCE para
contar con norma NMX-J.
IEC 60287-3-2 am 1, ed. 1. Actualmente está en votación por los países miembros de IEC en etapa CCDV, la segunda
enmienda de la norma (am 2 ed.1). Dentro de los cambios está la inclusión de la evaluación de las
pérdidas dieléctricas de los cables, se incluyen cables con tensiones arriba de 127 kV y se agrega
también el poder evaluar el impacto ambiental en la selección de la designación óptima, haciendo
referencia a la IEC-TR 62127:2007 (Environmental Statement Specific to IEC TC 20 Electric
Cables). Fecha de publicación de esta nueva norma: (como enmienda) junio 2012.
Condumex Sector Cableswww.condumex.com
Gerencia Técnica ComercialTeléfono: 5328-2964
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