Procedimiento para calcular cables de Alta y Extra Alta Tensión
Alfredo Alfaro
Para los proyectos en México, estoy buscando el procedimiento para calcular el tamaño de los circuitos eléctricos en cables en Alta y Extra Alto Tensión, por ejemplo en 230 kV banco de ductos.
¿Tenemos algún estándar, especificación o procedimiento sobre los cálculos de cables de alto y extra alto voltaje?
¿Cómo podemos calcular la caída de voltaje en HV(alta tensión) y EHV (extra alta tensión)?
¿Cómo podemos calcular la ampacidad en HV y EHV?
¿Hay alguna consideración particular sobre el nivel de cortocircuito en HV y EHV?
De antemano gracias por su ayuda.
José Luis Falcon
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Alfredo Alfaro León
Gracias por tu respuesta José Luis,
Ahora la demanda que se tienen en carga y capacidad en las plantas industriales nos obliga a realizar cálculos, instalaciones y especificar en estos niveles de tensión (sin ser una instalación propia de CFE).
En el proyecto de Tula Coque (Arranque Temprano) PEMEX nos solicitaba realizar un diseño de la subestación en 230kV y se requiere calcularlo, uno de ellos el cable en una galería tipo CFE.
Otro reto era el proyecto del extinto Aeropuerto, pero bueno esa es otra historia.
Ahora con la nuevas reformas (Codigo de Red) quería analizar el calculo y consideraciones de los cables de Alta y Extra Alta Tensión por la demanda de nuestros clientes
chu...@gmail.com
Alfredo Alfaro León
Muchas gracias, el primer documento es excelente para el diseño y la construcción de las líneas en alta tensión…es de mucha utilidad ¡¡¡
El segundo documento entra más a detalle de los conductores y las capacidades de conducción.... tambien esta muy bueno.
He recibido muchos correos con grandes aportaciones e información muy relevante de los compañeros… a todos muchas gracias.
Pero la interrogante sigue siendo: ¿Tenemos algún estándar, especificación o procedimiento sobre los cálculos de cables de alta y extra alta tensión?
Un compañero del foro me dijo por correo: “Tengo entendido que para los cálculos que necesitas no hay método normalizado, solo hay Teória electromagnetica y arrastrar el lápiz”.
Rober Bad
omar graterol
¿Tenemos algún estándar, especificación o procedimiento sobre los cálculos de cables de alto y extra alto voltaje? Depende de los cálculos a los que te refieras; en todo caso, pensando en que el problema que estas planteando está relacionado con la selección del cable a utilizar, además de características de aislamiento, instalación, y otras propias de estos cables y su nivel de tensión (230 kV), el procedimiento más conocido e importante, se refiere al cálculo de la ampacidad de los cables (Máxima corriente permitida en un cable en condiciones de operación y del sitio, en forma continua, sin pasar los límites de temperatura que afecten la vida del aislamiento o integridad del cable conductor de potencia). En este sentido si te puedo informar que existen documentos o estándares internacionales, y procedimientos de cálculo, entre los cuales están:
1. Neher-McGrath. Método original que data del año 1957, y que ha sido la base de normas y la gran mayoría de los procedimientos existentes. Este método está basado en funciones de transferencia de calor de los componentes o materiales del cable y su relación con el medio ambiente y terreno donde estén instalados los circuitos. La ecuación básica de este método, se incluye a continuación:
2. IPCEA – Publicación Nro. P-46-426. Conocido en el ambiente de estos cálculos como “El libro Negro” o base de muchos trabajos de ingeniería en esta área. Estos libros, publicados por la “Insulated Power Cable Engineering Asociation”, también basada en el método “Neher – Mc Grath”, contiene innumerables tablas con todos los datos requeridos para estos cálculos, con la ampacidad calculada para valores estándar de temperatura, resistividades, etc, para tamaños de cables desde el 8 AWG, hasta 3000 MCM (kcmil), y tensiones desde 0-1 kV hasta 161 kV (Datos de copia en mi poder), también están incluidos todos los factores que entran en el calculo, datos de cables, de conductos eléctricos, resistividad térmica de terrenos, etc.
3. NFPA 70-1996, National Electrical Code® (NEC®) – el cual desde 1975 acepto el método de Neher-McGrath y basado en este método ha venido agregando tablas, lo único que por su orientación solo incluye cables hasta 35 kV.
4. IEEE-835 – 1994 (Rev.2006) - IEEE Standard Power Cable Ampacity Tables, contiene tablas más actualizadas que el libro negro, incluyendo cables desde 600 V. hasta 500 kV.
5. IEEE-399-1997 - IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis, que dedica una sección (Chapter 13 Cable ampacity studies), que además de las tablas incluye un ejemplo de cálculo que ilustra el método, también basados en el método de NEHER MC Grath, en este estándar se presenta el método de cálculo manual, el cual solo recomiendan para las etapas iniciales del proyecto, y también incluyen un procedimiento general para el desarrollo de estos cálculos en etapas más avanzadas de la ingeniería, o definitivos, en un programa de computación.
6. IEC-60287 - Electric cables - Calculation of the current rating – Que contiene los siguientes volúmenes, y que tratan todos los aspectos del cálculo de la capacidad de corriente de los cables en estado estable (ampacidad).
IEC 60287-1-1:2006
IEC 60287-1-1:2006/AMD1:2014
IEC 60287-1-2:1993
IEC 60287-1-3:2002
IEC 60287-2-2:1995
IEC 60287-2-3:2017
IEC 60287-3-1:2017
IEC 60287-3-2:2012
IEC 60287-3-3:2007
Como se puede ver esta norma está bastante actualizada y es muy completa; de la cual como referencia o guía del procedimiento de cálculo de la ampacidad, logre obtener un documento, basado en una tesis de grado, cuya sección del cálculo de la ampacidad basada en esta norma mencionada, logre traducir, y que incluyo anexo "Theory on Calculating Ampacity" a esta nota. El mismo se puede utilizar como guía para un cálculo manual, pero hay que obtener los valores y factores de otros documentos, en especial del fabricante de cables.
¿Cómo podemos calcular la caída de
voltaje en HV (alta tensión) y EHV (extra alta tensión)? Bueno, este si es un cálculo más “tradicional o conocido”,
el cual una vez conozcas la ampacidad del cable, que ya debes haber seleccionado,
y por supuesto las corrientes de diseño, puedes basado en su impedancia por
unidad de longitud, cuyos valores de resistencia, reactancia capacitiva y/o
inductiva, puedes obtener de los catálogos de los fabricantes, y conociendo la
longitud de la instalación, solo aplicas la fórmula que puede ser:
Vd = Idiseño (A)* Zcable (Ω /m) * Longitud (m)
¿Cómo podemos calcular la ampacidad en HV y EHV?. Ya se explicaron los diferentes métodos, no obstante el punto de partida para la ampacidad, según la corriente de diseño y factores estándar, puede ser obtenida de los catálogos de los fabricantes, y luego puedes adaptar aplicando los factores por ellos recomendados, para los parámetros que no sean estándar, entre ellos temperatura ambiente, resistividad térmica del terreno, separación entre los cables a instalar, arreglo de instalación, etc.
¿Hay alguna consideración particular sobre el nivel de cortocircuito en HV y EHV? La consideración particular para la selección de estos cables, es que la pantalla debe estar diseñada para el nivel de cortocircuito calculado, en este caso puedes basarte en las recomendaciones sobre la pantalla y sus especificaciones, en la IEEE-575 que tu mencionas. También es importante considerar las fuerzas dinámicas que se originan para las corrientes de C.C. en condiciones sub-transitorias, fuerzas radiales y fuerzas tangenciales que pueden también afectar la integridad de los cables, cuando las mismas superan la resistencia mecánica del trenzado del cable, especialmente de la pantalla.
Por lo que he revisado ETAP se encuentra limitado en calculo en cables hasta 115kV.... que método, algoritmo, norma, standard existe entonces ????? Estuve revisando la versión del ETAP -12.6 que yo tengo y en verdad solo veo cables hasta 115 kV, pero creo que agregando cables a la librería, puedes hacer los cálculos para los cables de 230 kV. El programa solo necesita tener las características del cable según su formato. Puedes consultar esto con los fabricantes de cables y el soporte que puedas tener del ETAP.
"IEEE Std 575 Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated 5 kV through 500 kV." Sin commentaries
Nota: También incluyo un catálogo de un fabricante, que tiene bastante información, incluyendo procedimiento de cálculo.
Saludos, Omar Graterol
Ingeniero electricista – Maracaibo – Zulia – Venezuela
Telf. 58-261-7436648
Cel. 58-414-6338693
Alfredo Alfaro León
Alfredo Alfaro León
Juan Sardón
- Se detecta la necesidad de llevar más potencia a una SE existente o nueva.
- Se realizan los estudios eléctricos (fundamentalmente estabilidad flujo de potencia) de transmisión de la red de AT donde se dictamina la posibilidad de un nuevo electroducto. De ahí salen cotas máximas a la impedancia de la línea.
- Con los requisitos de potencia, nivel de tensión e impedancia máxima se procede al cálculo del cable. Para ello se emplea la norma IEC 60287 con todos sus apartados. La normativa local impone condiciones de profundidades mínimas, niveles de campo (no es problema) según el niel de tensión. El comitente impone formas constructivas, por ejemplo, cañero subterráneo hormigonado y fundamentalmente el cable a emplear, siempre en construcción unipolar con vaina de cobre, plomo o aluminio, también el sistema de puesta a tierra (cross-bonding, single point, solid bonding). Todo esto influye en el cálculo térmico.
- La configuración geométrica, sistema de puesta a tierra y el tipo de cable fundamentalmente determinan la impedancia resultante. Se verifica.
- La caída de tensión es simplemente para ver si el transformador al cual se alimenta o el generador al que se conecta tiene la regulación suficiente. No es un gran problema.
- Elegida configuración geométrica, tipo de cable, se procede a calcular tensiones inducidas en pantallas y corrientes de vaina en situación normal y cortocircuito. Se verifica el diseño del cable.
- Con el dato del trazado y tipo de instalación, se calculan los esfuerzos de tendido.
- Con las corrientes de cortocircuito, se calculan los cables de PAT y tipo de instalación.
- Se eligen empalmes y terminales.
omar graterol
Alfredo, saludos.
Espero que con las respuestas que as recibido, incluyendo la del ingeniero Juan Sardón, hayas aclarado tu duda sobre el cálculo y selección del cable de alta tensión para tu proyecto en México.
En relación con mi aporte anterior, y por el aprecio mostrado, seguí buscando información, y encontré una página del método "Neher Mc Grath", en la cual publicaron un ejemplo en imagen, de un cálculo de un cable de alta tensión en 230 kV, que corresponde con la necesidad planteada por ti en tu nota original, pero con las formulas visibles, las cuales logre extraer del archivo en imagen y pasar a una hoja Excel, cuya copia completamente operativa anexo a la presente.
Espero que esta hoja según el método Neher Mc Grath, te pueda servir como guía, en la cual puedes ver todos los pasos del cálculo, formulas y datos requeridos, destacando que los datos requeridos, están en el archivo con "Letra Azul", los cálculos intermedios en "Letra Negra", y el resultado final resaltado en amarillo con "Letra Roja".
Solo hay un par de datos o valores estimados en el ejemplo original, que no logre estimar cuyas celdas están resaltadas con color anaranjado. Si alguien del foro, conoce el proceso para estimar estos valores, y nos pueden hacer llegar esa información, será bienvenida.
Los valores que no logre estimar son:
Temperatura de la pantalla Valor estimado según ejemplo 78,777 oC
Temperatura media del ducto Valor estimado según ejemplo 73,578 oC
Anexo como lo indiqué la hoja de cálculo de Ampacidad.
Saludos, Omar Graterol
Ingeniero Electricista
Maracaibo - Zulia - Venezuela
Tlf. 58-261-7436648