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Conductores Mexicanos Eléctricos y de Telecomunicaciones S.A. de C.V. Av. Poniente 140 # 720 Colonia Industrial Vallejo México, D.F., C.P. 02300 Ing. Julio Cesar Téllez Rodarte Asesor Técnico Comercial Teléfono: (0155) 5328-2964 Fax: (0155) 5587-5124 México, D.F., C.P. 02300 http://catalogo.condumex.com.mx

Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

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Conductores Mexicanos Eléctricos

y de Telecomunicaciones S.A. de

C.V.Av. Poniente 140 # 720

Colonia Industrial Vallejo

México, D.F., C.P. 02300

Ing. Julio Cesar Téllez Rodarte

Asesor Técnico Comercial

Teléfono: (0155) 5328-2964

Fax: (0155) 5587-5124

México, D.F., C.P. 02300

http://catalogo.condumex.com.mx

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Selección del calibre optimo Selección del calibre optimo

como como una alternativa para el una alternativa para el

ahorro de energía eléctricaahorro de energía eléctricaahorro de energía eléctricaahorro de energía eléctrica

CFE 0023744585

Page 3: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA DE GENERACIÓN MW DE GENERACIÓN MW

39 624 MW de CFE 11 457 MW de productores independientes

HIDROELÉCTRICAS

TERMOELÉCTRICAS

CARBOELÉCTRICAS

23 474 MW

FUENTE: CFE-ABRIL-2010

11 135 MW

2 600 MW

964 MW 1 364 MW

85 MW

TOTAL: 51 081 MW

CARBOELÉCTRICAS

GEOTERMOELÉCTRICAS

NUCLEOELÉCTRICAS

EOLOELÉCTRICAS

Page 4: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

GENERACIÓN POR FUENTE GENERACIÓN POR FUENTE

41.93%

HIDRÁULICA

HIDROCARBUROS

CARBÓN

8.18 %2.97 % 4.28 %

0.09 %

TOTAL: 100 %

GEOTERMIA

NUCLEAR

EÓLICA

PRODUCTORES INDEPENDIENTES

33.22 %

9.34 %

FUENTE: CFE-ABRIL-2010

Page 5: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

Capacidad instalada mundial de Capacidad instalada mundial de generación eléctricageneración eléctrica

La capacidad mundial instalada en el año 2003 fue de 3,626 GW, lo que significó unincremento de 3.3% con respecto al año anterior. Ca be señalar que desde 1990 a 2002,la capacidad instalada mundial de energía eléctrica se ha incrementado en 787 GW conuna tasa promedio anual de 2.2%. Sin embargo, la capacidad instalada mundial no hacrecido a la par que el consumo de energía eléctric a mundial , la cual registró uncrecimiento promedio anual para el mismo periodo de 2.9%.

Page 6: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

GENERACIÓN

G TT TT TT13.8 kV

20 kV

SUBTRANSMISIÓN

400 kV230 kV

115 kV69 kV

23 kV ó 13.8 kV

Oportunidades de ahorro de energía y los conductores eléctricos

TRANSMISIÓN

DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN

DISTRIBUCIÓN EN BAJA TENSIÓN

TT TT TT

TT

TT TT

23 kV ó 13.8 kV

DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN

127 V

127 V

4.16 kV

220 V

13.8 kV

Page 7: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

1.- Capacidad de conducción de corriente2.- Caída de tensión Calculo tradicional3.- Cortocircuito (calibre técnico)

Para la selección del área de sección transversal de un conductor eléctrico se realizan los siguientes cálculos:

4.- Selección del calibre optimo.

Calculo Gasto de Calibretradicional operación optimo

(Costo cables) (Costo perdidas por calor) (ahorro de energía)

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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 cablePérdidas de energía en un cable

a) Conductorb) Aislamiento

Page 9: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

CABLE DE ENERGÍA

Pérdidas de energía en un cablePérdidas de energía en un cable

a) Conductorb) Aislamientoc) Pantalla metálica y/o cubierta metálica

Page 10: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

Pérdidas en el conductor

i i

CALOR GENERADOCALOR GENERADO EN EL CONDUCTOREN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POR EFECTO JOULEDE UN CABLE POR EFECTO JOULE

Calor Efecto Joule = I2R

RcIcWc 2=

Page 11: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

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 cargaI = 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

Page 12: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

Horas efectivas en las que se presentan las Horas efectivas en las que se presentan las pérdidas de energía de acuerdo con la operaciónpérdidas de energía de acuerdo con la operación

eléctrica de una instalación en particulareléctrica de una instalación en particular

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

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

Page 13: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

Corriente

Corrientemáxima

Carga Carga enen

amperesamperes

75

60

45

Factor de carga = Corriente promedioCorriente máxima

3060

= 0.5 = 50 %

Corrientepromedio

TiempoTiempoenen

horashoras1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

30

15

Ciclo diario de carga

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CALOR GENERADO EN EL AISLAMIENTO DEL CABLE POR EFECTO JOULE

Vo2 Ra C f 2π1

δ tan =

Vo

Pérdidas en el dieléctrico

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 e s igual al voltaje de fase a tierra del

sistema, 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.

Page 15: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

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: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

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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 metálicaIp = 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

Page 17: Conferencia 1-Seleccion Del Calibre Optimo Como Una Alternativa Para El Ahorro de Energia Electrica-CONDUMEX

donde:I = Corriente que circula en el conductor en amperes

Cables monoconductores en arreglo trébol

I2 Xm2

Xm2 + Rp2Ip =

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

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TENSIONES Y CORRIENTES INDUCIDAS EN LAS PANTALLAS METÁLICAS DE CABLES MONOCONDUCTORES

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Las pérdidas totales del sistema son:

W = W + W + W ...........................kWh/añoWT = 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.

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Representación gráfica del calibre optimo

PESOS

ÁREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL

Se: Secciónoptima

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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 /kmoperación 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

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(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

A =

SELECCIÓN DEL CALIBRE OPTIMO

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.

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G = Pendiente de la recta; precios vs área de los cables

G = (P2 - P1)/(S2 - S1)

SELECCIÓN DEL CALIBRE OPTIMO

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

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CABLES VINANEL XXI RoHS M.R. THW-LS/THHW-LS, CT-SRGráfica del Precio vs Sección Transversal

250275300325350375400425450475500

Precio/mPesos

0255075

100125150175200225250

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Secciónmm2

Precios de lista CondumexFebrero 2010

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CABLES DE ENERGIA VULCANEL XLP 5 KV, 100% N.A. Conductor de Cobre

Gráfica del Precio vs Sección Transversal

700770840910980

10501120119012601330140014701540

Precio/mPesos

070

140210280350420490560630700770

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Secciónmm2

Precios de lista CondumexFebrero 2010

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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 kWP = 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 trébolTemperatura ambiente = 40 °C

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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

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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 norma14.20 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

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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

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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

= 0.017241 / 0.784 = 0.02199 ohm-mm2/m

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

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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)

.......................mm2

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

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EJEMPLO DEL CALCULO DE UN CALIBRE OPTIMO

Pérdidas en pesos

$ Wc = Wc x P .............................$/año

$ Wc = 31 075 x 0.4031 = 12 526 $/año

RESUMENRESUMEN

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

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420000455000490000525000560000595000630000665000700000735000770000805000840000875000

INVERSION

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

-350000

3500070000

105000140000175000210000245000280000315000350000385000420000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

N

EN

PESOS

AÑOS

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