GUÍA TÉCNICA
GTC
COLOMBIANA
221
2011-11-30
CABLES ELÉCTRICOS.
CÁLCULO DE LA CORRIENTE ADMISIBLE.
SECCIONES
SOBRE
CONDICIONES
DE
FUNCIONAMIENTO. OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA
DE LAS SECCIONES DE LOS CABLES ELÉCTRICOS
DE POTENCIA
E: ELECTRIC CABLES. CALCULATION OF THE CURRENT RATING. SECTIONS ON OPERATING CONDITIONS. ECONOMIC OPTIMIZATION OF POWER CABLE SIZE
CORRESPONDENCIA: esta norma es idéntica (IDT) por traducción de la IEC 60287-3-2:1995
DESCRIPTORES: cables eléctricos; conductor eléctrico; conductores eléctricos; calculo de corriente; cable de potencia.
I.C.S.: 29.060.20
Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435
PRÓLOGO
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo.
La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general.
La GTC 221 fue ratificada por el Consejo Directivo de 2011-11-30.
Esta guía está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales.
A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta guía a través de su participación en el Comité Técnico 140 cables y conductores de potencia y energía.
CABLES DE ENERGÍA Y DE TELECOMUNICACIONES S.A. -CENTELSA- CABLES Y PROCESOS
EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN FABRICA COLOMBIANA DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS -FACELEC-
NEXANS COLOMBIA PROCOBRE
PRODUCTORA DE CABLES LTDA. -PROCABLES-
Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas:
ATLANTIC CABLE S.A. CABLETEC
CARBOQUÍMICA
CENTRALES ELÉCTRICAS DE NORTE DE SANTANDER
CIDET CODENSA
COLREDES DE OCCIDENTE S.A. COMPONENTES TÉCNICOS LTDA. CONALCABLES LTDA.
CONDUBLEX DIELCO LTDA. DIPEL ANDINA DOW
ELECTBUS COLOMBIA LTDA. ELÉCTRICOS DE COLOMBIA S.A. ELECTRIFICADORA DE SANTANDER
ELECTRIFICADORA DEL CARIBE S.A. E.S.P. EMCOCABLES
EMPRESA DE ENERGÍA DE BOYACÁ EMPRESA DE ENERGÍA DE CUNDINAMARCA EMPRESA DE ENERGÍA DEL QUINDÍO FABRICA DE CABLES Y ENCHUFES GEÓN ANDINA
GESTIÓN Y METROLOGÍA INDUCABLES
INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA S.A.
MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA
PHELPS DODGE
PRINCEX C.I COLOMBIA PROTÉCNICA INGENIERÍA SGS
SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO UNIVERSIDAD NACIONAL UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA VIAKON
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.
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RESUMEN
CONTENIDO Página 0. INTRODUCCIÓN ... i 0.1 GENERALIDADES ... i 0.2 ASPECTOS ECONÓMICOS ... ii0.3 OTROS CRITERIOS ... iii
1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN ... 1
2. REFERENCIAS NORMATIVAS ... 2
3. SÍMBOLOS ... 2
4. CÁLCULO DE LOS COSTES TOTALES ... 4
5. DETERMINACIÓN DE LAS SECCIONES ECONÓMICAS DE CONDUCTOR ... 6
5.1 PRIMERA APROXIMACIÓN: RANGO DE CORRIENTES ECONÓMICAS PARA CADA CONDUCTO EN UNA SERIE DE SECCIONES ... 6
5.2 SEGUNDA APROXIMACIÓN: SECCIÓN ECONÓMICA DE CONDUCTOR PARA UNA CARGA DADA ... 7
DOCUMENTOS DE REFERENCIA ... 26
ANEXOS ANEXO A (Informativo) EJEMPLOS DE CÁLCULO DE SECCIONES DE CONDUCTOR ECONÓMICAS ... 10
ANEXO B (Informativo) TEMPERATURA Y RESISTENCIA MEDIAS DEL CONDUCTOR ... 21
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i
0. INTRODUCCIÓN
La norma IEC 60287 se ha dividido en tres partes y secciones de modo que tanto las revisiones, como adiciones puedan realizarse de la manera más conveniente.
Cada parte se ha dividido en secciones que se han publicado como normas independientes.
Parte 1: Ecuaciones de corriente admisible (factor de carga 100 %) y cálculo de pérdidas.
Parte 2: Resistencia térmica.
Parte 3: Secciones sobre condiciones de funcionamiento.
Esta sección (IEC 60287-3-2) era previamente la publicación IEC 61059.
0.1 GENERALIDADES
El procedimiento generalmente utilizado para la selección de la sección del conductor de un cable permite determinar la sección mínima admisible, con lo cual se reduce al mínimo el costo de la inversión inicial en el cable. En dicho procedimiento no se tiene en cuenta el costo de las pérdidas que se producen durante la vida de servicio del cable.
El creciente costo de la energía, junto con las altas pérdidas de energía producidas a consecuencia de las temperaturas de funcionamiento que permiten los nuevos materiales aislantes (por ejemplo 90 °C para el XLPE y el EPR), obliga en la actualidad a considerar la selección de la sección de los cables con unos criterios económicos más amplios. En lugar de minimizar únicamente el costo inicial, se debe minimizar también la suma del costo inicial y del costo de las pérdidas a lo largo de la vida económica del cable. Debido a esta última condición, un cable con sección de conductor mayor que la que se escogería sobre la base del mínimo costo inicial, producirá unas pérdidas de energía menores para la misma corriente y resultará, considerado a lo largo de su vida económica, mucho menos caro.
Los costos de las futuras pérdidas de energía que se producirán durante la vida económica del cable se pueden calcular realizando las estimaciones adecuadas del crecimiento de la carga y el costo de la energía. La sección de conductor más económica se consigue cuando se minimiza la suma de los costos futuros de las pérdidas de energía y el costo inicial de compra e instalación.
El ahorro en el costo global, cuando se escoge una sección del conductor mayor que la determinada por las limitaciones térmicas, proviene de la considerable reducción del costo de las pérdidas por efecto Joule comparado con el aumento del costo de compra. Para los valores de los parámetros financieros y eléctricos empleados en esta norma, que no son excepcionales, el ahorro en el costo combinado de compra y de operación es del orden del 50 % (véase el literal A.6 en el Anexo A). Los cálculos para períodos financieros mucho más cortos pueden presentar un esquema similar.
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ii
Una característica todavía más importante, demostrada mediante ejemplos, es que la cuantía del ahorro posible no depende críticamente de la sección del conductor cuando éste se halla en la región de valores económicos, véase la Figura A.3. Esto tiene dos implicaciones:
a) La incidencia de los errores en los datos financieros, particularmente aquéllos que determinan los costos futuros, es pequeña. Aunque resulta ventajoso buscar datos de la máxima exactitud posible, se pueden lograr considerables economías empleando datos basados en estimaciones razonables.
b) Se puede valorar en su justa medida la importancia de otras consideraciones relativas a la elección de la sección del conductor que se presentan en los aspectos económicos globales de una instalación, tales como las corrientes de falla a tierra, la caída de tensión y la racionalización de la sección, sin perder una parte demasiado importante de los beneficios que implica la elección de una sección económica.
0.2 ASPECTOS ECONÓMICOS
Para poder combinar los costos de compra e instalación con el costo de las pérdidas de energía que surgen durante la vida económica del cable, es necesario expresarlos en valores económicos comparables, es decir, valores referidos a un mismo punto en el tiempo. Resulta práctico utilizar la fecha de compra de la instalación como dicho punto y referirse al mismo como al "presente". De ese modo los costos "futuros" de las pérdidas de energía se convierten a sus "valores presentes" equivalentes. Esto se realiza por el procedimiento de depreciación, estando la tasa de depreciación ligada al costo de los préstamos monetarios.
En el procedimiento aquí mencionado se ha omitido la inflación, dado que ésta afectará tanto al costo de los préstamos como al de la energía. Si dichos elementos se consideran sobre el mismo período de tiempo y el efecto de la inflación es aproximadamente el mismo para ambos, la elección de una sección económica se puede realizar satisfactoriamente sin introducir la complicación adicional de la inflación.
Para calcular el valor presente de los costos de las pérdidas es necesario escoger los valores apropiados de evolución futura de la carga, los aumentos anuales del precio del kWh y las tasas anuales de depreciación a lo largo de la vida económica del cable, que puede ser de 25 años o más. No es posible dar en esta norma ninguna orientación sobre dichos aspectos ya que los mismos dependen de las condiciones y de las limitaciones financieras de cada instalación. Sólo se dan las fórmulas apropiadas; el proyectista y el usuario son quienes deberán convenir los factores económicos a emplear.
Las fórmulas propuestas en esta norma son de aplicación inmediata, pero al aplicarlas se debe tener presente la suposición de que los parámetros financieros permanecen inalterados durante la vida económica del cable. Sin embargo, los comentarios anteriores sobre el efecto de la exactitud de estos parámetros también son aplicables aquí.
Hay dos aproximaciones para el cálculo de la sección económica, basadas en los mismos conceptos financieros. La primera, en la que se consideran una serie de secciones de conductores, consiste en calcular un rango de corrientes económicas para cada una de las secciones de conductor previstas para las condiciones particulares de la instalación de que se trate y seguidamente seleccionar la sección cuyo rango económico contenga el valor de carga requerido. Esta aproximación es apropiada cuando se consideren diversas instalaciones similares. El segundo método, que puede resultar más adecuado cuando se trate de una sola instalación, consiste en calcular la sección óptima para la carga requerida y después seleccionar la sección de conductor normalizada más próxima.
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0.3 OTROS CRITERIOS
Se deberán considerar también otros criterios, como por ejemplo la corriente de cortocircuito y su duración, la caída de tensión y la racionalización de la sección del cable. Sin embargo, un cable escogido para que tenga una sección de conductor económica puede muy bien ser también satisfactorio desde estos otros puntos de vista, por lo que al dimensionar el cable puede ser conveniente proceder en el siguiente orden:
a) calcular la sección económica del conductor;
b) comprobar por los métodos indicados en las Normas IEC 60287-1, IEC 60287-2 y IEC 60853 que la sección calculada por a) sea la adecuada para transportar la carga máxima esperada al final del período económico sin que la temperatura de su conductor supere el valor máximo permitido;
c) comprobar que la sección del cable seleccionado pueda soportar con seguridad las corrientes de cortocircuito y de falla a tierra esperadas para las duraciones correspondientes;
d) comprobar que la caída de tensión al final del cable permanezca dentro de límites aceptables;
e) comprobar otros criterios apropiados a la instalación.
Para completar el campo de la selección económica, se deberán sopesar correctamente las consecuencias de la interrupción del suministro. Puede ser necesario emplear una sección de conductor mayor que la requerida por las condiciones normales de carga y/o la sugerida por la selección económica, o para adaptarse a la red.
Las consecuencias financieras de tomar una decisión errónea ponderada por un factor de probabilidad pueden igualmente entrar en las componentes de costo. Sin embargo, esto implica entrar en el campo de la teoría de la decisión, lo que está fuera del ámbito de esta norma.
Así pues, el dimensionado económico de cables es sólo un aspecto del panorama económico global del sistema y puede quedar relegado por otros factores económicos importantes.
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CÁLCULO DE LA CORRIENTE ADMISIBLE.
SECCIONES SOBRE CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO. OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA DE LAS SECCIONES
DE LOS CABLES ELÉCTRICOS DE POTENCIA
1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta guía proporciona un método para la selección de una sección de cable teniendo en cuenta la inversión inicial y el costo futuro de las pérdidas de energía durante la vida económica del cable.
NOTA 1 No se recomienda emplear el método indicado en esta norma para aquellos cables que trabajen a tensiones del sistema iguales o superiores a las siguientes (véase la Norma IEC 60287-1-1):
Tipo de cable Tensión del sistema U0
kV Cables aislados con papel impregnado:
tipo sólido 38 tipo rellenos de aceite o de gas a presión 63,5 Cables con otro tipo de aislamiento:
Caucho 18
EPR 63,5
PVC 6
PE (HD Y LD) 127 XLPE (sin relleno) 127 XLPE (con relleno) 63,5
NOTA 2 Se está considerando la introducción de modificaciones en el método dado en esta norma con el fin de tener en cuenta las pérdidas dieléctricas.
No se han incluido en esta norma aspectos tales como el mantenimiento, las pérdidas de energía en los sistemas de ventilación forzada ni los costos de la energía según las horas del día.
En el Anexo A se ofrece un ejemplo de la aplicación del método a un sistema de suministro hipotético.
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2. REFERENCIAS NORMATIVAS
Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica únicamente la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento normativo referenciado (incluida cualquier corrección).
IEC 60228:1978, Conductores de cables aislados.
IEC 60287-1-1:1994, Cables eléctricos. Cálculo de la intensidad admisible. Parte 1: Ecuaciones de intensidad admisible (factor de carga 100 %) y cálculo de pérdidas. Sección 1: Generalidades.
IEC 60287-2-1:1994, Cables eléctricos. Cálculo de la intensidad admisible. Parte 2: Resistencia térmica. Sección 1: Cálculo de la resistencia térmica.
IEC 60853, Cálculo de las capacidades de transporte de los cables para regímenes de carga cíclicos y sobrecarga emergencia.
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