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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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
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
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
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
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%.
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
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)
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
CABLE DE ENERGÍA
Pérdidas de energía en un cablePérdidas de energía en un cable
a) Conductorb) Aislamientoc) Pantalla metálica y/o cubierta metálica
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=
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
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
Corriente
Corrientemáxima
Carga Carga enen
amperesamperes
75
60
45
Factor de carga = Corriente promedioCorriente máxima
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.
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
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
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
TENSIONES Y CORRIENTES INDUCIDAS EN LAS PANTALLAS METÁLICAS DE CABLES MONOCONDUCTORES
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.
Representación gráfica del calibre optimo
PESOS
ÁREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL
Se: Secciónoptima
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
(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.
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
CABLES VINANEL XXI RoHS M.R. THW-LS/THHW-LS, CT-SRGráfica del Precio vs Sección Transversal
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
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 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
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
= 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
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
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