D.Sc. Ing. Oscar Julian Peña Huaringa
Universidad de Ingeniería FIEE-UNI
openah@uni.edu.pe; openah@unsa.edu.pe; opena@esan.edu.pe; oscar@ptsys.com.pe

Citar: J. PAIME, 2025, 3, 56-64
14 junio de 2025

Resumen

Este artículo explica cuáles son los factores que determinan la cargabilidad de los cables subterráneos en redes de media tensión. Las consideraciones y los resultados del cálculo de la capacidad, realizando un análisis comparativo entre el cálculo en base a los estándares IEC 60287 e IEC 60853, el modelamiento y simulación en el software Cymcap y los resultados obtenidos por un software alternativo creado en Visual Studio y programado en Visual Basic.

Como aplicación se toman los tipos de cables, las condiciones de cargabilidad y las capacidades normadas de una empresa de distribución eléctrica del Perú, explicando los resultados y proponiendo algunas alternativas para la incrementar la ampacidad basado en los resultados de la simulación.

I Introducción

Las redes de distribución eléctrica de media tensión están compuestas por alimentadores, los cuales pueden ser cable o conductores, los cables pueden ser aéreos o subterráneos. Dependiendo de la geografía en las ciudades se emplean en su mayoría cables subterráneos. La ampacidad se refiere a la máxima corriente que un conductor puede transportar sin sobrecalentarse. Y la cargabilidad hace referencia a la variación de la ampacidad evaluada en el tiempo.  Determinar la ampacidad de un cable de media tensión en operación es de vital importancia para los ingenieros de planeamiento, proyectos y operaciones. En este artículo se presenta un análisis de los factores que determinan la cargabilidad de los cables subterráneos. Entre los factores más representativos tenemos: la profundidad de instalación, resistividad térmica del terreno, temperatura de ambiente, temperatura de operación nominal del conductor y el factor de carga.

En su mayoría las empresas de distribución eléctrica tienen información acerca del amperaje que pasa a través de los alimentadores, estos valores son comparados con las capacidades normadas y de esta manera se evalúa el factor de utilización de las redes y la sobrecarga. Sin embargo, las capacidades normadas se dan para las condiciones más críticas de funcionamiento de la red, en ese sentido es necesario realizar la evaluación de la cargabilidad de los cables, debido a su importancia para el diseño, mantenimiento y asignación de las cargas en los alimentadores. Además, tener bien definidas las capacidades de los cables contribuye al aprovechamiento óptimo de las instalaciones existentes y al planeamiento adecuado de las inversiones a realizarse.

En este artículo se toman los tipos de cables, las condiciones de cargabilidad de una empresa de distribución. Los tipos de cables analizados son los N2XSY, estos son unipolares con aislamiento XLPE instalados en 10kV y 22,9kV.

Se calculan las capacidades en base a los estándares IEC 287 “Cálculo de intensidad admisible” [1] e IEC 853 “Cálculo de las capacidades de transporte de los cables para regímenes de carga cíclicos y sobrecarga de emergencia” [2].

En [3] se hace hincapié en que los cálculos de la IEC consideran resistencia interna como si fuera una constante y que la resistencia térmica de las diferentes capas del conductor no se ven afectadas por el incremento de la corriente. En [4] se propone un método con elementos finitos que da resultados más precisos de la evolución térmica cuando se incrementa el amperaje que pasa por el cable. En [5] se analiza cómo influye la cubierta metálica en la ampacidad de los cables de potencia. En [6] se da una visión integral de como la ampacidad del conductor se puede ver afectada por condiciones externas al conductor y toma en consideración mediciones de laboratorio de la resistividad térmica del terreno. En [7] se describe el impacto de la conductividad térmica del terreno en los cálculos de ampacidad, introduciendo la idea de modificar las características del backfill para aumentar la conductividad térmica y sugiere hacer un análisis costo beneficio.

En [8] se analiza la influencia en algunos tramos de conductores de BT enterrados a menor profundidad, da una idea del impacto de instalaciones donde existe paralelismo e invita a evaluar distintos escenarios en las condiciones de instalación de los cables de potencia.

En [9] y [10] se hace énfasis en las ventajas de realizar los cálculos asociados a la ampacidad empleando el método de elementos finitos. En [11] se comparan los métodos de cálculo de ampacidad.

El software Cymcap que emplea elementos finitos para mejorar la precisión de los cálculos.

Se desarrolla un software alternativo en Visual Studio y programado en Visual Basic.

Luego se realiza un análisis comparativo entre los cálculos realizados, explicando los resultados.

Finalmente se proponen alternativas para incrementar la capacidad.

Más detalles en el documento adjunto.

https://doc.uni75paime.org/Cargabilidad_de_cables_subterraneos_de_Media_Tension.pdf

VI Conclusiones

En este artículo podemos destacar las siguientes conclusiones:

·         El análisis de la cargabilidad de cables y su formulación matemática se basan en la transferencia de calor.

·         Los factores que determinan la cargabilidad de un cable son: su diseño, construcción, el medio que lo rodea, las características de su instalación y la demanda.

·         El terreno donde son instalados los cables juega un papel relevante en la determinación de la capacidad. A mayor resistividad térmica, menor capacidad.

·         Respecto a las características del cable los factores que más influyen en la capacidad son la resistencia DC del conductor a 20°C y las perdidas dieléctricas, mas no así la precisión en los espesores de las capas del cable para cada sección analizada.

·         Respecto a la instalación de los cables podemos afirmar que estos pierden capacidad a medida que son instalados a mayor profundidad.

·         Los valores calculados con el software Cymcap son más precisos por la utilización del método de elementos finitos.

·         Respecto a la configuración propuesta para los cables N2XSY levantar el cable central 5 cm es equivalente a separar 20 cm los cables entre sí. Incrementando la capacidad de conducción de la terna en 4.67%.

·         El factor de agrupamiento disminuye a medida que se agregan más ternas, se recomienda emplear más de 15 ternas en salida de subestaciones. debido a que la contribución de calor de los cables de los extremos sobre el cable central se hace cada vez más pequeña.

·         Los resultados de amperaje obtenidos con el software alternativo (programado en Visual Basic, compilado y graficado en Visual Studio) tienen un error porcentual aceptable (<4%) tomando como referencia los valores obtenidos bajo las mismas consideraciones de diseño que nos da el software CYMCAP, tanto para régimen de carga permanente y régimen de carga cíclico.

Referencias

[1]    IEC 60287-1-2:2023 Electric cables - Calculation of the current rating - Part 1-2: Current rating equations (100 % load factor) and calculations of losses - Sheath eddy current loss factors for two circuits in flat formation.

[2]    IEC 60853-3:2002 Calculation of the cyclic and emergency current rating of cables - Part 3: Cyclic rating factor for cables of all voltages, with partial drying of the soil.

[3]    D. Cardenas “Thermal-conductive model algorithm for the accurate calculation of temperatures in electrical power conductor” Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería 2020.

[4]    P. Wang et al., "Dynamic Thermal Analysis of High-Voltage Power Cable Insulation for Cable Dynamic Thermal Rating," in IEEE Access, vol. 7, pp. 56095-56106, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2913704

[5]    M. Rasoulpoor, M. Mirzaie S. M. Mirimani "Electrical and Thermal Analysis of Single Conductor Power Cable Considering the Lead Sheath Effect Based on Finite Element Method" Iranian Journal of Electrical & Electronic Engineering, Vol. 12, No. 1, March 2016.

[6]    Rubén Jaramillo-Vacio "Determinación de capacidad de conducción en líneas subterráneas: Estudio de sensibilidad paramétrica" IEEE - RVP AI Reunión de Verano de Potencia July 2018.

[7]    Monika Rerak, Paweł Ocłoń “The effect of soil and cable backfill thermal conductivity on the temperature distribution in underground cable system” 4th Scientific and Technical Conference on Modern Technologies and Energy System Vol. 13 Feb. 2017.

[8]    L. Exizidis, V.Chatziathanasiou, B. Hennuy “Thermal analysis of underground cable crossings at various crossing angles” 9th Mediterranean Conference on Power Generation, Transmission, Distribution and Energy Conversion March 2014.

[9]    Murat Karahan, H Selcuk Varol, Ozcan Kalenderli “Thermal Analysis of Power Cables Using Finite Element Method and Current carrying Capacity Evaluation” International Journal of Engineering Education pp. 1158-1165, January 2009.

[10]  R. Hechavarría, et al., “Cálculo numérico de las propiedades térmicas efectivas de un compuesto por elementos finitos” Ingenius, no.18 pp. 14-20, Dic 2017.

[11]  C. Bates, K. Malmedal and D. Cain, "Cable Ampacity Calculations: A Comparison of Methods," IEEE Rural Electric Power Conference, pp. 81-87, April 2015, doi: 10.1109/REPC.2015.13.

[12]  Rubio C. M “La relación entre resistividad térmica, humedad y un suelo arenoso pedregoso” Spanish Journal of Soil Science: SJSS Vol. 6 no. 2, pp.  123 – 132, March 2016.

[13]  O. E. Gouda, A. Z. El Dein and G. M. Amer, "Effect of the Formation of the Dry Zone Around Underground Power Cables on Their Ratings," in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, no. 2, pp. 972-978, April 2011, doi: 10.1109/TPWRD.2010.2060369.

[14]  L. Maderey, A. Jiménez Principio de hidrogeografía, estudios del ciclo hidrológico, México: Universidad Autónoma de México, 2005. www.diplomado-sig.igeograf.unam.mx/instituto/publicaciones/libros/hidrogeografia/

[15]   A. Puy Influencia de la temperatura en el límite líquido para suelos con diferentes índices de plasticidad, España: Universidad Politécnica de Catalunya, 2005. http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3282/5/53973-5.pdf

[16]  G. Newton, “Understanding the Neher-McGrath Calculation and the Ampacity of Conductors” January 2000.

[17]  G. Anders, Rating of Electric Power Cables in Unfavorable Thermal Environment.  New Jersey, EEUU: Wiley-IEEE Press, 2005.

[18]  M. Madrigal, Análisis armónico en Sistemas de Potencia, México: Instituto tecnológico de Morelia, 2003.

[19]  Microsoft. (17 de 12 de 2023). Microsoft Visual Studio. Obtenido de https://visualstudio.microsoft.com/es/

[20] CYME - CYMCAP Software versión 8.2 Obtenido de: https://my.cyme.com