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Dimensionamiento Económico y Ambiental de los Conductores Eléctricos (Parte 1)

La función de un cable de potencia es conducir la energía eléctrica desde la fuente hasta el punto de utilización de forma eficiente y ambientalmente amigable. Sin embargo, debido a su resistencia eléctrica, el cable disipa en forma de calor (denominado pérdida joule) una parte de la energía transportada.

Para compensar aquellas pérdidas es necesario generar energía adicional lo que a su vez produce un aumento de emisión de gases con efecto invernadero en la atmósfera (CO2).

Asimismo, la energía disipada por estos cables se convierte en un aumento en los costos operativos del equipo que está siendo alimentado y de la instalación eléctrica como un todo. Este aumento financiero se extiende por toda la vida útil del proceso involucrado.

La forma más adecuada de disminuir las pérdidas joule y las emisiones de CO2 sería aumentando la sección nominal de los conductores eléctricos. Sin embargo, esto significa aumentar el costo inicial del cable, sus accesorios, líneas eléctricas y mano de obra de instalación. Es fácil comprender que, después de ser instalado, es mucho más difícil y caro incorporar las mejoras en un circuito.
El punto central en este asunto es identificar una sección del conductor que reduzca el costo de la energía desperdiciada, sin incurrir en costos iniciales excesivos de compra e instalación de un cable.

Pérdida joule en la frecuencia fundamental

En nuestro primer capítulo veremos cómo se calcula la pérdida de energía (joule) en un conductor a partir de su resistencia eléctrica, de la corriente del proyecto máxima prevista para el circuito y del tiempo que esa corriente circula por el conductor. El cálculo se obtiene con la siguiente fórmula:

nexans 1

Una vez teniendo todas las variables, cuanto mayor sea la resistencia (ρ) mayor será la pérdida de energía (Ε) en esta frecuencia.

La norma NCh 2625.Of2001 establece que los valores de las resistividades a 20 grados C del cobre y del aluminio son 18,35·10-9 y 30,3·10-9 Ω·m respectivamente. Estos no son los valores reales de estos materiales, pero sí valores corresponden a valores de compromiso escogidos para que las resistencias de los conductores puedan ser calculadas directamente de la sección nominal del conductor.

Entonces, considerando un conductor de cobre de sección Ѕ y un conductor de aluminio de sección 1,4Ѕ, ambos de la misma longitud y recorridos por la misma corriente durante el mismo tiempo, se tiene los siguientes valores para el cálculo de la pérdida de energía joule:

 

nexans 2

Pérdida joule en presencia de corriente armónica

La pérdida joule en las corrientes armónicas pueden ser impactar de forma importante los costos operativos de las instalaciones. Para calcular cuánto se pierde primero se debe calcular el valor de la resistencia eléctrica en cada frecuencia (Rh ) presente en el espectro armónico. En seguida, se calcula la pérdida joule para cada resistencia a partir de la ecuación Ε(h)=Rh ·lh 2 ·Δt, donde lh es la corriente armónica de orden h. En los circuitos donde existe la presencia del conductor neutro también se debe calcular la pérdida en ese conductor, siempre que el valor de la corriente armónica no neutra sea significativo.

Rh es el valor de la resistencia del cable en una frecuencia dada y difiere del valor de la resistencia en corriente continua normalmente presentada en los catálogos proporcionados por los fabricantes. Eso se debe principalmente al fenómeno conocido como efecto superficial, donde la corriente alterna de mayor frecuencia tiende a circular predominantemente por la superficie exterior del conductor, causando así una disminución en la sección efectiva del conductor y aumentando la resistencia eléctrica aparente del cable.

La siguiente gráfica muestra una forma de obtener el valor de la resistencia en corriente alterna, en función de la frecuencia a partir del valor de la resistencia en corriente continua.

nexans 3

Por su parte, en la siguiente tabla se pueden apreciar los valores de la resistencia en corriente continua:

nexans 4

 

En el segundo capítulo de “Dimensionamiento económico y ambiental de los conductores eléctricos” hablaremos de la norma NCh 2625.Of2001 y las formulas que determinan el área de la sección transversal óptima para la carga exigida y entonces seleccionar la sección nominal del conductor más próxima.

Ver  Dimensionamiento Económico y Ambiental de los Conductores Eléctricos (Parte 2)

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