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Visión general
Este informe explica cómo realizar cálculos precisos de la ampacidad de los cables eléctricos industriales de baja tensión (BT) y de los cables eléctricos de media tensión (MT) de Southwire. El término "ampacidad" tiene el mismo significado que "clasificación de corriente".
Southwire Company, LLC, comúnmente conocida como Southwire, es uno de los principales fabricantes norteamericanos de soluciones de alambres y cables. Suministran una amplia gama de productos, incluidos conductores aéreos, cables eléctricos para servicios públicos, cables eléctricos con revestimiento metálico, cables eléctricos para edificios, cables eléctricos industriales y mucho más.
Las hojas de datos de los cables incluían valores de ampacidad estándar para cables genéricos para condiciones fijas, tomados de tablas de consulta sencillas de Southwire directamente de ICEA P-117-734-2016 [ref. 1].
Los valores de ampacidad tomados directamente de las normas no son exactos. Estos valores no tienen en cuenta la construcción real de los cables ni las condiciones reales de instalación.
Modelizamos cientos de estos cables utilizando la construcción real de los cables de las hojas de datos del fabricante (Southwire). Utilizamos el software ELEK Cable HV, basado en IEC 60287 [ref. 2] y CIGRE TB 880 [ref. 3], para realizar los cálculos precisos de ampacidad.
Los valores de ampacidad del software coincidían con los indicados en las hojas de datos para las condiciones de instalación estándar (fijas). A continuación se incluyen tres (3) casos prácticos.
Normas consideradas para los cálculos de ampacidad
Para los cálculos de ampacidad y la comparación de los resultados se han tenido en cuenta las siguientes normas. Sus métodos de cálculo se consideran precisos debido a su modelización térmica detallada, validación empírica, procesos de normalización, correlación con datos de campo y mejoras continuas. Sus metodologías garantizan un diseño y un funcionamiento seguros y eficientes de los sistemas de cables eléctricos en diversas condiciones de funcionamiento.
Norma IEC 60287
La norma IEC 60287 es un conjunto de normas internacionales desarrolladas por la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) para el cálculo de la capacidad de transporte de corriente (ampacidad) de los cables eléctricos. La norma utiliza un modelo de circuito equivalente térmico del cable y del entorno de la instalación para determinar una ampacidad que no supere los límites de temperatura de los cables. Esta norma proporciona un método ampliamente aceptado, al que muchos ingenieros y científicos han contribuido en el pasado y contribuirán en el futuro. Tenga en cuenta que hay situaciones en las que los cálculos recomendados por la CEI no son del todo correctos, por lo que los puntos de orientación del Folleto Técnico 880 de CIGRE [ref. 3] deben aplicarse a los cálculos basados en la CEI.
Método Neher-McGrath
Normas ANSI/ICEA
Las normas ANSI/ICEA hacen referencia a las normas desarrolladas conjuntamente por el American National Standards Institute (ANSI) y la Insulated Cable Engineers Association (ICEA). Esta norma proporciona directrices específicas para la construcción de cables, materiales y requisitos de rendimiento. Esta norma también proporciona procedimientos para probar los cables con el fin de verificar el cumplimiento de los requisitos especificados y recomienda la instalación, manipulación y mantenimiento adecuados de los cables para garantizar un funcionamiento seguro y fiable durante toda su vida útil.
Modelado de cables
Los cables de Southwire se modelizaron tomando información de las hojas de datos de los cables y de las normas ICEA. La información sobre el material, la construcción y el diámetro/espesor de las capas de los cables se extrajo de las hojas de datos, mientras que las normas de la ICEA proporcionaban información sobre las condiciones de instalación (ya que en las hojas de datos se indicaba que las ampacidades citadas se basaban en los valores nominales de la ICEA).
Aunque la ficha técnica contenía la mayoría de los parámetros importantes para modelar los cables, como el diámetro sobre el conductor, el diámetro sobre el aislamiento, el diámetro exterior del cable, etc., no se dan todos los parámetros. En estos casos, hicimos suposiciones lógicas.
A continuación se enumeran las especificaciones y los supuestos generales de cada tipo de capa:
Ajustes generales: Todos los tipos de cables son extruidos y trifásicos. La frecuencia de alimentación se ha ajustado a 60 Hz. La tensión y el número de conductores se modifican según las especificaciones de la hoja de datos.
Conductor: El tamaño, diámetro y material del conductor se han tomado directamente de la hoja de datos. Se utilizaron conductores trenzados de clase 2 para modelar todos los conductores. Los tamaños oscilaban entre 1/0 AWG y 2000 Kcmil.
Pantalla conductora: El diámetro y el grosor de la pantalla del conductor no estaban disponibles en la ficha técnica. Tomando el diámetro del aislamiento y restando el grosor del aislamiento de su diámetro, se obtuvo el diámetro de la pantalla del conductor.
Aislamiento: Se disponía del diámetro, el grosor y la temperatura máxima de funcionamiento del aislamiento. El tipo de aislamiento se fijó en XLPE o EPR en función de las especificaciones del fabricante. Las propiedades del aislamiento, como la permitividad relativa, la resistividad térmica, la capacidad calorífica específica y la temperatura máxima de cortocircuito, se configuran automáticamente en el software en función del tipo de aislamiento.
Pantalla aislante: El diámetro de la pantalla de aislamiento estaba disponible. Si se ajusta el diámetro de la pantalla aislante en el software, se ajustará automáticamente el grosor. El material se ajusta siempre al tipo semiconductor extruido.
Pantalla/Cinta de blindaje: A partir de la ficha técnica del fabricante, sabemos que para la pantalla se utiliza cinta de cobre con un solapamiento del 25% y un grosor de 0,005 pulgadas. Para los cables unipolares, se disponía del número de hilos y el grosor de la pantalla.
Conductor de puesta a tierra: El conductor de puesta a tierra se excluyó del modelo en el software.
Relleno: Siempre se utilizó un tipo de material personalizado. El espesor se fijó en 0 y, para ajustarse a la hoja de datos, la temperatura máxima de cortocircuito se fijó en 250oC .
Aglutinante: El diámetro y el grosor del ligante se calcularon a partir del diámetro y el grosor de la cubierta, de forma similar a la pantalla del conductor. Según la ficha técnica, la temperatura máxima de cortocircuito es de 250oC .
Cubierta: El grosor y el diámetro de la cubierta figuraban en la ficha técnica. Dependiendo de lo especificado, se utilizó PVC o polietileno para el material de la cubierta.
Cálculos de ampacidad
Los cables se modelaron en el software utilizando la hoja de datos del modelo de cable proporcionada por Southwire y se verificaron utilizando el valor de ampacidad proporcionado en la hoja de datos del fabricante. Los valores de ampacidad de la hoja de datos se tomaron directamente de la norma ANSI/ICEA P-117-734 [ref. 1].
Los cálculos de ampacidad de dicha norma se realizaron con el programa informático CYMCAP versión 5.3 Rev 2. La metodología utilizada para los cálculos en CYMCAP se basa en Neher-McGrath y en la norma IEC 60287.
La versión 2016 de la norma ANSI/ICEA P-117-734 es anterior a la publicación de la norma CIGRE TB 880 (2023). Por lo tanto, los valores de ampacidad de la norma (proporcionados por el software CYMCAP) no son exactos porque no se calcularon utilizando las mejores prácticas.
Los cálculos de ampacidad proporcionados por el software ELEK Cable HV también se basan en Neher-McGrath e IEC 60287. Además, el software está actualizado para ajustarse al folleto técnico 880 del CIGRE [ref. 3].
Hemos modelizado los cables en el software con la mayor precisión posible a partir de la información facilitada. Hemos validado aproximadamente el modelo comparando nuestra ampacidad calculada con la de la hoja de datos extraída de las normas ICEAP.
Condiciones generales
Las condiciones de instalación y los cálculos de ampacidad de los cables Southwire se basan en la norma ICEA P-117-734-2016 [ref. 1]. A continuación se proporcionan las normas para las instalaciones:
Resistividad térmica = 0,9 K.m/W. [ICEA, Sección: 3.1.4]
Temperatura máxima del conductor = 90oC y 105oC para cables de 15 y 35 kV. [ICEA, sección: 3.1.5].
Temperatura ambiente de la tierra para cables enterrados directamente = 25oC [ICEA, Sección: 3.1.5].
Profundidad de enterramiento = 36 pulgadas (3 pies). [ICEA, Sección: 3.1.12]
Configuración de conductos: [NFPA70, Sección: 315.60, 350.60]
Temperatura ambiente de la tierra = 20oC
Resistividad térmica = 0,9 K.m/W.
Material = PVC
Profundidad de enterramiento = 36 pulgadas (3 pies)
Condición de instalación para circuito único directamente enterrado = Plano/al tacto [ICEA, Figura.3, Sección.7].
Condición de instalación para circuito único enterrado en conducto = Trébol/tocado [ICEA, Figura.7, Sección.7].
Resultados
Los cables utilitarios e industriales se modelan a partir de la biblioteca de cables Southwire. La construcción depende del tipo de uso. A continuación se comentan algunos de los cables más destacados y los resultados de los cálculos.
Tipo de cable 1 - 25 kV AL 100% TRXLPE Full Neutral LLDPE
Descripción: Conductor Simple, 260 Mils Polietileno Retardante de Arbol Cruzado, 100% Nivel de Aislamiento, Neutro Concéntrico Completo, Cubierta de Polietileno Lineal de Baja Densidad (LLDPE). Sin silicona
Hoja de datos: SPEC 81141
| Tensión (kV) | Número de conductores | Número de fases | Frecuencia (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 1 | 3 | 60 |
Condiciones de instalación:
Suposiciones:
-
Pantalla y diámetro del conductor calculados a partir del grosor y diámetro del aislamiento.
-
Diámetro de la pantalla del conductor calculado a partir del diámetro y grosor del aislamiento.
-
Espesor de la pantalla de aislamiento calculado a partir del diámetro de la pantalla de aislamiento.
-
Espesor y diámetro de la pantalla calculados a partir del espesor y diámetro de la camisa.
-
Se supone que el factor de longitud de la pantalla es 1,05.
Conclusiones:
Las ampacidades en el software ELEK Cable HV coinciden estrechamente con las de ICEAP. La mayor diferencia es del 2,74% para un conductor AWG 1 (sólido) y la coincidencia más cercana es para un conductor AWG 4/0 con una diferencia del 0,76%. En todos los casos, ELEK Cable HV Software tiene una clasificación ligeramente superior a la de ICEAP.
| Tamaño del conductor (AWG/Kcmil) | Ampacidad en ICEAP (A) | Ampacidad en el software ELEK Cable HV (A) | Diferencia ( % ) |
|---|---|---|---|
| 1 (Sólido) | 170 | 174.79 | 2.74 |
| 1 | 170 | 175.04 | 2.88 |
| 1/0 (Sólido) | 195 | 198.22 | 1.62 |
| 1/0 | 195 | 197.85 | 1.44 |
| 2/0 | 220 | 224.79 | 2.13 |
| 3/0 | 250 | 253.73 | 1.47 |
| 4/0 | 285 | 287.18 | 0.76 |
| 250 | 307 | 313.42 | 2.05 |
| 350 | 365 | 370.13 | 1.39 |
Cable tipo 2 - CU Comprimido 8 kV NLEPR Aislamiento 133% IL Cubierta SIM-PVC. MV 105 - Clasificado para bandeja - Resistente a la luz solar
Descripción: Tipo MV-105 Monoconductor de cobre, 140 mils de caucho etileno propileno sin plomo (NL-EPR) 133% de nivel de aislamiento, blindaje de cinta, cubierta de cloruro de polivinilo (PVC) SIMpull, doble clasificación UL/CSA
Ficha técnica: SPEC 46271
| Tensión (kV) | Número de conductores | Número de fases | Frecuencia (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 8 | 1 | 3 | 60 |
Condiciones de instalación:
Para los productos industriales, Southwire sigue las normas NFPA70-2023 [4] para la instalación en conductos. La única diferencia notable es que la temperatura del aire ambiente en conductos se establece en 20oC .
Suposiciones:
No se facilitaron los diámetros de los conductos. Se supuso que el diámetro coincidía con los valores nominales actuales.
Diámetro de la pantalla del conductor calculado a partir del diámetro y grosor del aislamiento.
Espesor de la pantalla de aislamiento calculado a partir del diámetro de la pantalla de aislamiento.
El factor de longitud de la pantalla especificado es 1,01.
Se supone que la anchura de la cinta de la pantalla es de 2 pulgadas.
Se supone que el número de cintas es 2.
Se supone que el factor de longitud de la pantalla es 1,05.
Conclusiones:
La ampacidad en ICEAP es ligeramente superior a la del software ELEK Cable HV. Las excepciones son los conductores de 750 Kcmil y 1000 Kcmil, en los que la ampacidad del software ELEK Cable HV es superior a la de ICEAP. Las respuestas coinciden estrechamente con una diferencia media del 1,4%.
| Tamaño del conductor (AWG/Kcmil) | Ampacidad en ICEAP (A) | Ampacidad en el software ELEK Cable HV (A) | Diferencia ( % ) |
|---|---|---|---|
| 2 | 165 | 162.50 | 1.52 |
| 1 | 185 | 184.46 | 0.29 |
| 1/0 | 215 | 209.91 | 2.37 |
| 2/0 | 245 | 238.59 | 2.61 |
| 3/0 | 275 | 271.42 | 1.30 |
| 4/0 | 315 | 312.13 | 0.91 |
| 250 | 345 | 341.72 | 0.95 |
| 350 | 415 | 410.26 | 1.14 |
| 500 | 500 | 498.01 | 0.40 |
| 750 | 610 | 612.71 | -0.44 |
| 1000 | 690 | 696.24 | -0.90 |
Cable tipo 3 - CU Comprimido 15 kV Aislamiento NLEPR 100% IL Cubierta de PVC negro. MV 105 - Clasificado para bandeja - Resistente a la luz solar
Descripción: Tipo MV-105 Tres conductores de cobre, 175 mils de caucho etileno propileno sin plomo (NL-EPR) 100% de nivel de aislamiento, blindaje de cinta, cubierta de cloruro de polivinilo (PVC), doble clasificación UL/CSA. Sin silicona
Ficha técnica: SPEC 46401
| Tensión (kV) | Número de conductores | Número de fases | Frecuencia (Hz) |  |
|---|---|---|---|---|
| 15 | 3 | 3 | 60 |
Suposiciones:
No se facilitaron los diámetros de los conductos. Se supuso que el diámetro coincidía con los valores nominales actuales.
El factor de longitud del tendido especificado es 1,01.
Diámetro de la pantalla del conductor calculado a partir del diámetro y grosor del aislamiento.
Espesor de la pantalla de aislamiento calculado a partir del diámetro de la pantalla de aislamiento.
Se supone que la anchura de la cinta de la pantalla es de 2 pulgadas.
Se supone que el factor de longitud del tendido es 1,01.
Para el relleno, la resistividad térmica se mantuvo en 5 K.m/W, ya que la resistividad térmica media de los rellenos de papel es de 5 K.m/W.
Capa personalizada utilizada para Binder con material personalizado. La resistividad térmica de la cinta de policristal es de 2,5 K.m/W.
Diámetro del aglutinante calculado a partir del diámetro y el grosor de la chaqueta.
El factor de longitud del revestimiento se especificó en 1,01.
Conclusiones:
La modelización de este cable es muy precisa, ya que la diferencia media de ampacidad es del 0,8%, mientras que el cable más parecido tiene una diferencia del 0,05% y la diferencia más alta es del 1,65%. En todos los casos, la clasificación de ICEAP es ligeramente superior.
| Tamaño del conductor (AWG/Kcmil) | Ampacidad en ICEAP (A) | Ampacidad en el software ELEK Cable HV (A) | Diferencia ( % ) |
|---|---|---|---|
| 2 | 160 | 159.92 | 0.05 |
| 1 | 185 | 183.78 | 0.66 |
| 1/0 | 210 | 208.91 | 0.52 |
| 2/0 | 235 | 231.12 | 1.65 |
| 3/0 | 270 | 265.70 | 1.59 |
| 4/0 | 305 | 302.06 | 0.97 |
| 250 | 335 | 330.53 | 1.33 |
| 350 | 400 | 397.99 | 0.50 |
| 500 | 485 | 479.71 | 1.09 |
| 750 | 585 | 582.58 | 0.41 |
Conclusiones
La ampacidad de los cables fabricados por Southwire se ha calculado utilizando el software ELEK Cable HV. En primer lugar, los cables se modelaron basándose en las propiedades indicadas en las hojas de datos. Las hojas de datos del fabricante también incluían un conjunto de valores de ampacidad para condiciones de instalación estándar. Estos valores se tomaron de las normas ICEAP, basadas en un conjunto estándar (fijo) de condiciones de instalación utilizando la norma IEC 60287 y los métodos de cálculo de Neher-McGrath.
Los valores de ampacidad de las hojas de datos de los cables se utilizaron para validar que los cables se habían modelizado correctamente. Los valores de ampacidad calculados con el software ELEK Cable HV se aproximaban a los de las hojas de datos, lo que verificaba que la modelización se había realizado correctamente.
Se consiguió una diferencia inferior al 3 % entre la ampacidad dada por los modelos de software y las hojas de datos en todos los tipos de cable.
Sin embargo, los valores de ampacidad proporcionados por el software ELEK Cable HV deben considerarse más precisos que los indicados en la hoja de datos. La principal ventaja de la modelización es que el software puede proporcionar resultados precisos de ampacidad para condiciones de instalación no estándar.
Referencias:
[1] ANSI/ICEA P-117-734-2016, "Ampacities For Single-Conductor Solid Dielectric Power Cable 15 kV Through 35 kV" (Ampacidades para cables de alimentación dieléctricos sólidos de un solo conductor de 15 kV a 35 kV).
[2] IEC 60287:2023 Serie SER. Cables eléctricos - Cálculo de la intensidad nominal.
[3] CIGRE B1 Insulated Cables Technical Brochure. "Ejemplos de clasificación de cables de potencia para verificación de herramientas de cálculo". Referencia 880. Septiembre 2022
[4] NFPA70-2023. "Código eléctrico nacional".
[5] POLYPRES S.A., "POLYGLASS: Polietileno en Ultra Alto Peso Molecular (UHMW-PE)", Alfarrasí, Valencia, España.
[6] Neher, J. H.; McGrath, M. H. (octubre de 1957). "El cálculo de la elevación de temperatura y la capacidad de carga de los sistemas de cables".
[7] Software ELEK Cable HV, V6.5.
