Calibre Optimo Economico Condumex

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Conductores Mexicanos Eléctricos

y de Telecomunicaciones S.A. de

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Colonia Industrial Vallejo

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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 =


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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)


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


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.


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

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