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Tecsup Virtu@l Dimensionamiento y selección de conductores eléctricos

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UNIDAD VI

Evaluación Económica


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Índice

Unidad VI: “EVALUACIÓN ECONÓMICA”

1. INTRODUCCIÓN............................................................................................... 32. OBJETIVOS ...................................................................................................... 33. CONTENIDO DE CURSO.................................................................................... 3

3.1.CONformación de las redes ............................................................................ 33.2 EFICIENCIA EN LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ELECTRICIDAD................... 4

3.2.1. MÉTODOS PARA REDUCIR LAS PÉRDIDAS ELÉCTRICAS .................... 43.3 SECCIÓN ECONÓMICA ................................................................................... 6

3.4APLICACIÒN................................................................................................104. RESUMEN .......................................................................................................135. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN ............................................................146. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN ..............................15


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UNIDAD VI

“EVALUACIÓN ECONÓMICA”

1. INTRODUCCIÓN

Dado los elevados costos de la electricidad, es que presentamos la última unidad delpresente curso con la finalidad que sea de mucha utilidad en la evaluación técnicoeconómica de sus redes y sus cargas, respectivamente.

2. OBJETIVOS

Aplicar una metodología para que Ud. encuentre los siguientes costos:- Costos de inversión.

- Costos de pérdidas.

- Tiempo de retorno de la inversión (TRI).

3. CONTENIDO DE CURSO

3.1. CONFORMACIÓN DE LAS REDES

Las pérdidas energéticas en los sistemas eléctricos están concentradosesencialmente en dos grandes rubros:

Los alimentadores (conductores eléctricos).

Cargas:• Máquinas rotativas.• Transformadores de distribución y potencia.• Cargas diversas.

Fig. 6.1 Esquema unifilar de la ubicación del TGF1.

Cable tipo NYY 35 mm²

CARGAS DIVERSAS

TGF1.

BARRA EN BAJA

TENSION 460 VOLTIOS

60 HZ

ZONA EN ESTUDIO RED DE DISTRIBUCION

Longitud del conductor 180 m


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Claro está que ahorraremos energía en la medida que las cargas sean:• Motores, generadores y sus sistemas de acoplamiento eficientes.• Transformadores eficientes.• Controladores electrónicos de velocidad eficientes.• Bombas y ventiladores eficientes.• Implementación de procesos eficientes (automatización).• Sistemas de iluminación eficientes.• Sistemas de refrigeración y aire acondicionado eficientes.• Eficientes computadoras con procesadores rápidos y eficaces.

A continuación, analizaremos la eficiencia de los alimentadores para hacer unaEVALUACIÓN ECONÓMICA que nos permita encontrar una sección óptima.

Una estrategia de optimización de la eficiencia que utiliza la electricidad en losdistintos sectores es: focalizar los esfuerzos para cuantificar los valores reales deconsumo y pérdidas que se presentan en las empresas.

En los diversos sectores industriales manufactureros podemos encontrar que el usofinal de la energía es como sigue:

Tabla 6.1. SECTORES Y USOS FINALES

Sector consumidor Uso finalFuerza motriz.Iluminación.

IndustriaManufacturera

Minería ClimatizaciónIluminación.ClimatizaciónResidencialRefrigeraciónIluminación.ClimatizaciónGran ComercialRefrigeraciónIluminación.ClimatizaciónComercio menorRefrigeración

3.2 EFICIENCIA EN LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ELECTRICIDAD

Las pérdidas eléctricas en los sistemas de distribución interna de electricidadconstituyen, para el usuario, un consumo importante, pero no está destinado asatisfacer los requerimientos reales de sus instalaciones productivas o de servicios.

La reducción de las pérdidas, producto de la selección de máquinas rotativas,transformadores, alimentadores, etc. en base a un criterio de eficiencia y unóptimo manejo de la energía reactiva, entre otras medidas, permitirá disponer deun sistema eficiente de distribución de electricidad.

3.2.1 MÉTODOS PARA REDUCIR LAS PÉRDIDAS ELÉCTRICAS

Teniéndose en cuenta que las pérdidas producidas en los alimentadores(conductores eléctricos) perjudican la economía del producto final ysiendo nuestro tema, el estudio de la minimización de las mismas, es quea continuación presentamos diversos métodos que lograrán optimizar laoperación de las cargas.A continuación presentamos los siguientes métodos.


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OPTIMIZAR LA SECCIÓN DEL CONDUCTOR.

Para optimizar la sección de un conductor en un proyecto ya realizado,seguir las siguientes alternativas:

a. Reemplazar los conductores definidos por las normas vigentes denuestro país (capaces de soportar el calentamiento máximo asociadoa la carga prevista y de asegurar una caída de tensión inferior al límiteestablecido por las normas), por otros de mayor calibre (en la medidaque el costo del conductor no supere el valor monetario de laspérdidas).

b. Agregar alimentadores en paralelo a los ya existentes siguiendo lanormatividad vigente, obteniéndose un conductor final de mayor

sección.

c. Incrementar el nivel de tensión de distribución como sigue:

- Si las máquinas pueden trabajar en 220 / 380 voltios, se cambiaparatrabajar a 380 voltios. La corriente de carga habrá disminuido en37% respecto a la nominal. La nueva corriente será 0,57% In.

- Si las máquinas pueden trabajar en 220 / 440 voltios, se cambiaparatrabajar en 440 Voltios. La corriente de carga habrá disminuido en50% respecto a la nominal. La nueva corriente será 0,5% In.

d. Agregar bancos de condensadores completamente automatizadoslos mismos que, según su instalación, toman los siguientes nombres:

- Compensación localizada o individual.- Compensación sectorizada.- Compensación centralizada.


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10 11 121 2 3 ….

4 5 61 2 31M

COMPENSACION LOCALIZADA

COMPENSACION SECTORIZADA

CARGAS DIVERSAS

COMPENSACION CENTRALIZADA

Fig. 6.2 Esquema unifilar de la compensación reactiva

Banco de condensadores

1

El objetivo es mejorar el factor de potencia, liberando de esta manerauna porcentaje importante de la carga reactiva a los conductoreseléctricos principales y así mejorar la capacidad de transporte de lasredes.

e. Equilibrar la corrientes de las fases del sistema trifásico paracontarcon un sistema balanceado.

f. Seleccionar para el proyecto, transformadores modernos, conPÉRDIDAS GARANTIZADAS, normalizados por la IEC e IEEE. Sontransformadores eficientes y presentan bajos niveles de pérdidas.

3.3 SECCIÓN ECONÓMICA

Cuando un proyecto es nuevo, se recomienda encontrar la sección económica (áreatransversal más adecuada de los conductores eléctricos) que a corto plazo nosproporciona ahorro de energía, pero a mediano y largo plazo obtendremos ventajaseconómicas en el sistema eléctrico.

Presentamos a continuación una metodología que nos va ha permitir:• Encontrar la sección adecuada del alimentador.• Disminuir considerablemente las pérdidas producidas en él.• Producir ventajas económicas y de operación.


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La sección económica se obtiene con la siguiente expresión:

qw = {q1 . q2 . hv . St (V1 – V2) / (P1 – P2) . p}1/2 mm²

Costos $/año

q1 qw q2

Sección de los conductores mm²

Fig. 6.3 Costos anuales, de pérdidas y servicio de capital.

Fig. 6.4 Valor medio de horas de pérdidas hv vs tiempo de utilización hb

AutorVerlags

Frankfurt /main.

SIEMENS


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Donde:qw: Sección económica.q1: Es la sección mínima de los conductores, determinada por la capacidad

de carga o la caída de tensión.q2: Sección máxima de los conductores según lista de precios del

fabricante.V1: Pérdidas en el cable para la potencia de transmisión requerida, que

pueden ser obtenidos a partir de la fig.6.5 y de las tablas de capacidadde carga en amperios del fabricante.

V2: Idem V1.hv: Número de horas de pérdidas según la fig. 6.4 ó de la tabla 6.3.St: Costos de la energía eléctrica.P1: Precios actuales de los cables correspondientes a las secciones de los

conductores q1 y q2 en las mismas condiciones económicas.P2: Idem P1.P: Factor de servicio del capital. p = (T + 1) / 100%T: Tasa anual de amortizaciones según tabla 6.3.

El factor de servicio del capital se considera, además, un 1% en concepto demantenimiento y reparación.

POTENCIA DE PéRDIDASSECCION DELOS CONDUCTORES Q

INTENSIDAD i ENLOS CONDUCTORES

Fig 6.5. Potencia de pérdidas en cables de tres conductores , con armadura, cargados simetricamente.

Para Uo / Un 0.6/1 kv y 3.6 / 6kv para una tempera-tura máxima admisible de los conductores de 80°C

Tabla 6.2. TIEMPO DE VIDA ÚTIL DE LOS CONDUCTORES DEBAJA Y MEDIA TENSIÓN

CONDUCTOR SEGÚN EL NIVEL DE TENSIÓN VIDA ÚTILBAJA TENSIÓN 25 AÑOS

MEDIA TENSION 35 AÑOS


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Tabla 6.3. Número de horas de pérdidas para distintas modalidades deservicio

Modalidadde servicio Ejemplo hv h / año. APROX.

Ocasional Accionamientos de control,servomotores, máquinas agrícolas Hasta 500

Carga irregulardurante un turno ocarga uniformetemporalmente

Máquinas herramientas,accionamientos de bombas,calefacción de locales.

500 a 1 500

Carga irregular enservicio de variosturnos

Máquinas herramientas, calefacciónindustrial.

1 500 a 2 5001 500 a 3 500

Carga uniforme enservicio de variosturnos

Calefacción industria química,centrales eléctricas de carga básica 3 500 a 7 000

Plena carga,desconexión sóloocasionalmente

Drenaje y ventilación de minas 7 000 a 8 000

hv es el número de horas de pérdidas aproximadamente h / año.

Tabla 6.4 Tasas de amortización T en tantos por ciento del valor deadquisición

Tipo deinterés

%

Período de amortización, en años 10 15 20 25 30 35

Tasa de amortización, en tantos por ciento

0,003,003,25

3,503,754,00

4,254,504,75

5,005,506,00

7,008,00

9,0010,00

10,00011,73211,873

12,02412,17612,329

12,48312,63812,794

12,95013,26713,587

14,23814,903

15,58216,275

6,6678,3778,529

8,6838,8388,994

9,1529,3119,472

9,6349,96310,296

10,97911,683

12,40613,147

5,0006,7226,878

7,0367,1967,358

7,5227,6887,855

8,0248,3688,718

9,43910,185

10,95511,746

4,0005,7435,904

6,0676,2336,401

6,5716,7446,919

7,0957,4557,823

8,5819,368

10,18111,017

3,3335,1025,268

5,4375,6095,783

5,9606,1396,321

6,5056,8817,267

8,0598,883

9,73410,608

2,8574,6544,825

5,0005,1775,358

5,5415,7275,916

6,1076,4976,897

7,7238,580

9,46410,369


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3.4 APLICACIÓN

Conductores tipo N2XSY 3 x 1 x 70 mm2

Tensión nominal 10 kVTensión de catálogo 6/15 kVCorriente de carga 200 A

Secciones:q1 = 70 mm2 tabla en mm2

q2 = 240 mm2 tabla en mm2

q1.q2 = 16 800

• Pérdidas (para este cable, su factor de corrección es 1,03 por diseño)Luego de la figura 6.5.

Para 70 mm2 con 200 A V1 = 40Para 240 mm2 con 200 A V2 = 12

(V1 – V2) fc = (40 – 12) 1,03 = 28,8

• Precio actual del cable $ / Km

P1 = 30 600

P2 = 74 100

P2 – P1 = 43 500

• Número de horas de pérdidas al año de la tabla 6.3

hv = 2 200

• Precio de la energía (St) $ / Kmh = 0,09 Costo Internacional

• Costo de las pérdidas en el cable

hv x St = 2 200 x 0,09 = 198

• Tasa de amortización (% / año). Ver tabla 6.4

Escogemos 8% y 35 años y encontramos 8,58 = T.

• Factor de servicio del capital

p = (T + 1)/100 = 0,095 8


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Luego:

qw = {[16 800 x 28,8 x 198] / [43 500 x 0,095 8 ]}1/2 qw = 152 mm2

Evaluación económica del proyecto N°4 de la unidad IV

Cable calculado 3 x 1 x 25 mm2

Longitud ....................... 180 m

Pérdidas = Up x I = 10,69 x 103,2 = 1 103,2 vatios

Costo de pérdida de energía = S/. 0,260 7 / kWh

Luego: 1 103,2 kW x 0,260 7 S/. / kWh.

Costo de la energía perdida = S/. 0,287 6 / kWh

En un período de 8 horas diarias, durante un año, tenemos que las pérdidas son:

S/. 840 / año = $ 240 (tipo de cambio: S/. 3,50)

El costo del cable NYY de 25 mm2 = $ 795

Con el fin de ahorrar dinero cambiamos el alimentador principal a:

• Cable tipo NYY 35 mm2

• Ahora: Up = 10,69 x (25/35) = 7,64 V• Pérdidas = 7,64 x 103,2 = 0,788 kW

Si analizamos en un período de un año solo las pérdidas producidas en elalimentador

Tenemos un período 8 horas diarias un año.

• 0,788 x 0,260 7 = 0,205 4 S/ h• Pérdidas = S/. 600 / año = $ 171,43 (tipo cambio S/ 3,50)

Costo del cable NYY 35 mm2 = $ 1 075

Diferencia del costo de los cables = $ 1 075 (35 mm2) – 795 (25 mm2) = $ 280

Diferencia de pérdidas = $ 240 (35 mm2) – 171,43 (25 mm2) = $ 68,6

Cable recomendado 3 x 1 x 35 mm2


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TRI = Costo de la INVERSIóN / cOSTO DEL AHORRO.

TRI = 280 / 68,6 = 4,08 aÑOS.

TENER EN CUENTA QUE SOLAMENTE SE HAN ANALIZADO LAS PÉRDIDAS EN ELALIMENTADOR, FALTANDO EVALUAR LA MEJORA EN SU RENDIMIENTO DE TODASLAS CARGAS, INCLUYENDO A LOS SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO.

ASIMISMO, LA CAPACIDAD DEL CONDUCTOR SE INCREMENTA, PUDIENDOATENDER A MÁS CARGAS Y/O TENER DISPONIBILIDAD FUTURA.


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4 RESUMEN

Las ventajas económicas serán más notorias a medida que la corriente de carga sea másgrande. Se demuestra que a partir de 200 amperios, por ejemplo, el tiempo derecuperación de la inversión es menor de 03 años.

La evaluación económica de los conductores consiste en seleccionar un conductor quesatisfaga al sistema técnica y económicamente.

Cuando el proyecto es nuevo se tiene la oportunidad de seleccionar el conductor óptimo(las pérdidas son mínimas).

Cuando está instalado el proyecto nos queda como alternativa:• Aumentar conductores en paralelo.• Instalar bancos de condensadores localizados.• Realizar el balance de cargas.

Como podemos notar en el ejemplo anterior, solamente en 04 años se cancela el costodel incremento de la sección del conductor.

Finalmente podemos afirmar, que siendo el tiempo de vida útil para las NYY de 25 añostendremos 21 años ahorrando energía.


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5 PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿En qué consiste la evaluación económica de los conductores eléctricos?

2. ¿Cuál es la expresión para encontrar la sección económica de conductores?

3. ¿Qué medidas deben tomarse para el dimensionamiento de conductores cuandorecién se está diseñando un proyecto?

4. ¿Qué medidas se deben tomar para ahorrar energía en los conductores, cuando estosya están trabajando?

5. ¿Cómo se halla el TRI?


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6 RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1. Consiste en hallar la sección de un conductor eléctrico que reúna las siguientescaracterísticas:• Cumpla con la norma de la caída de tensión < ± 5%• Las pérdidas producidas en él sean mínimas.• La sección del conductor debe ser la adecuada para satisfacer a y b.

2. qw = {[q1 . q2 . hv . St (V2 – V1)] / (P2 – P1) . p }1/2

3. Debe respetarse lo siguiente:• Un conductor está bien dimensionado cuando su Up < 2,5%.• Un conductor está óptimamente diseñado cuando Up < 2%• Cuando la densidad de corriente eléctrica (J) < 3 A / mm2, entonces decimos que

un alimentador está óptimamente dimensionado.

4. Repotenciar la sección de los alimentadores, instalando más conductores en paralelo.Hacer la compensación reactiva localizada para que los condensadores alimentendirectamente a las cargas y así los alimentadores queden mucho más holgados.Hacer un balance de cargas para eliminar las corrientes circulantes.Elimina los armónicos de las redes.

5. El tiempo de retorno de la inversión (TRI) se calcula:TRI = Costo de la inversión / costo del ahorro.El costo de la inversión = costo del cable recomendado – costo del cable calculado.El costo del ahorro = costo de las pérdidas (cable calculado) – costo de las pérdidas(cable recomendado).

FIN DE LA UNIDAD

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