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Cálculo de intensidad máxima admisible
en cables de potencia


CYMCAP realiza cálculos de intensidad máxima admisible y de aumento de temperatura en instalaciones de cables de potencia. Su precisión ofrece una mayor confiabilidad para modernizar las instalaciones de cables existentes y diseñar nuevas. Tambien aumenta la fiabilidad del sistema y favoriza el uso apropiado de los equipos instalados.

Características del programa

El programa CYMCAP realiza cálculos de intensidad admisible y de aumento de temperatura de instalaciones de cables de potencia. Es importante en la etapa del diseño de las instalaciones eléctricas determinar la intensidad máxima que los cables de potencia pueden soportar sin deteriorar sus propiedades eléctricas.

Estos cálculos se pueden hacer tanto en régimen permanente como en régimen transitorio y se basan en las técnicas analíticas descritas por el método Neher-McGrath y por las normas IEC 287© e IEC 853©.

La versión original del paquete fue desarrollada conjuntamente por Ontario Hydro (Hydro One), la Universidad McMaster y CYME International, bajo el auspicio de la Asociación Eléctrica Canadiense.

La validación de los resultados brindada por el programa CYMCAP proporciona mayor confianza cuando se deben modernizar las instalaciones de cables de potencia existentes y diseñar nuevas instalaciones, maximizando así los beneficios derivados de las considerables inversiones de capital realizadas.



Capacidades analíticas

  • Técnicas iterativas basadas en los métodos Neher-McGrath y en la norma IEC© 287
  • Pleno cumplimiento con las prácticas norteamericanas y conforme con todas las normas IEC 60287©, IEC 60228©, IEC 60853©, etc.
  • Representación gráfica detallada de prácticamente cualquier tipo de cable de potencia. Esta función puede usarse para modificar datos sobre los cables existentes y enriquecer la biblioteca con nuevos cables. Incluye cables unipolares, tripolares, con cintura, en tubo, submarinos, con cubierta y armadura
  • Diversas condiciones de instalación como cables directamente enterrados, con relleno térmico, en ductos enterrados o en bancos de ductos
  • Cables en tubos directamente enterrados o con relleno térmico.
  • Bibliotecas y bases de datos independientes para cables, bancos de ductos, curvas de carga, fuentes de calor e instalaciones
  • Modelado de cables instalados en postes, grupos de cables aéreos, migración de la humedad, fuentes cercanas de calor, disipadores térmicos, etc.
  • Distintos tipos de cables dentro de una instalación
  • Modelación de la superficie terrestre no isotérmica
  • Patrones de carga cíclica según IEC-60853©, incluyendo el desecamiento del suelo
  • Varios cables por fase con modelación precisa de las inductancias mutuas de la cubierta que influencian grandemente las pérdidas por corrientes circulantes provocando la reducción de la intensidad admisible en los cables
  • Se pueden modelar todos los tipos de aterramiento de las pantallas metálicas para configuraciones horizontales o triangulares con modelización explícita de las longitudes menores de sección, distancia desigual entre cables, etc.





Análisis térmico transitorio

El programa contiene una opción de análisis térmico transitorio que permite calcular:
  • La corriente admisible en función del tiempo y de la temperatura
  • La temperatura en función del tiempo y de la intensidad admisible
  • El tiempo requerido para alcanzar una temperatura determinada, en función de la intensidad admisible
  • El análisis de la intensidad admisible y de la temperatura en función del tiempo
  • Los perfiles de carga por circuito definidos por el usuario
  • Distintos tipos de cables por instalación
  • Los circuitos pueden sobre cargarse simultáneamente o uno a la vez



Módulos accesorios de CYMCAP

Instalaciones
Estos módulos permiten evaluar la densidad de flujo magnético en cualquier punto sobre o arriba del suelo de una instalación de cables subterráneos, determinar las impedancias y las admitancias de secuencias directa y homopolar de los cables en una instalación, calcular la capacidad de corriente de cortocircuito admisible, determinar la ubicación óptima de varios circuitos dentro de un banco de ductos en función de las restricciones definidas y calcular la intensidad admisible de dos circuitos que se cruzan.



Análisis
Estos módulos permiten realizar varios análisis de interés por las instalaciones de cables como. evaluar la inducción magnética en cualquier punto sobre o arriba del suelo de una instalación de cables subterráneos, determinar las impedancias y las admitancias de secuencias directa y homopolar de los cables en una instalación, calcular la capacidad de corriente de cortocircuito permisible, determinar la ubicación óptima de varios circuitos dentro de un banco de ductos en función de las restricciones definidas y calcular la intensidad admisible de dos circuitos que se cruzan.



Múltiples bancos de ductos y rellenos

El módulo accesorio Múltiples Bancos de Ductos y Rellenos (MDB) permite determinar la intensidad máxima admisible de los cables instalados en los bancos de ductos vecinos y/o con rellenos de diferentes resistividades térmicas. Presenta una solución única que combina los métodos de cálculo normalizados con los no normalizados. El módulo calcula los valores de T4 (resistencia térmica externa del cable) empleando el método de elementos finitos y luego determina la intensidad admisible en régimen permanente (o temperatura de funcionamiento) de la instalación de cables con el método de resolución normalizado de la CEI.

El módulo presenta varias facilidades de modelación, por ejemplo:

  • La modelación de un número ilimitado de áreas rectangulares con distintas resistividades térmicas
  • La modelación de hasta tres bancos de ductos subterráneos en una sola instalación
  • La modelación de una fuente o disipador de calor en la instalación
  • El cálculo de la intensidad en régimen permanente o de la temperatura máxima admisible
  • El cálculo de la respuesta transitoria y de las capacidades de transporte de los cables para regímenes de carga cíclicos y de sobrecarga de emergencia
  • El cálculo de la capacidad térmica de los cables instalados en zanjas con relleno

Cables en túneles

Este módulo opcional permite al usuario determinar la corriente y la temperatura en régimen permanente y calcular la respuesta transitoria y las capacidades de transporte de los cables para regímenes de carga cíclicos y de sobrecarga de emergencia en túneles sin ventilación. Nótese que solo se consideran cables con carga uniforme, idénticos y que llevan la misma carga. Este módulo accesorio admite una gran variedad de instalaciones de cables unipolares (en capas o en tresbolillo) y tripolares. Sus características principales son:

  • Modelación de una gran variedad de métodos de instalación: tendidos en el suelo, colgados de soportes fijados a una pared, en soportes para cables de tipo escalera o en bandejas portacables
  • Los cables y grupos de cables pueden ser unipolares o tripolares. Los cables unipolares pueden estar dispuestos en capas (verticales u horizontales) o en triangulo (tresbolillo)
  • Cálculo de la intensidad permanente admisible o de la temperatura. Régimen de carga cíclica usando factores diarios, semanales y anuales. Cálculo de régimen de sobrecarga de emergencia



Cables en zanjas

La capacidad térmica de los cables instalados en zanjas de cables no rellenas o rellenas es determinada por medio de los módulos CYMCAP/UNF y CYMCAP/MDB, respectivamente.

Se entiende por zanja una excavación larga y angosta bajo la superficie del suelo con paredes, piso y techo de hormigón. Los cables pueden estar instalados directamente en el suelo, colgados de soportes fijados a la pared o instalados en bandejas portacables. La zanja puede rellenarse con un material que ofrezca un buen aislamiento térmico o dejarse sin relleno (con aire). El mecanismo de transferencia del calor difiere entre estos dos tipos de zanjas y debe procesarse independientement.

Zanjas sin relleno

Al principio, la única opción para dimensionar las instalaciones de cables en zanjas no rellenas era la norma CEI. Este método calculaba la capacidad de los cables como con los cables instalados al aire libre pero la temperatura dentro de la zanja debe calcularse según la norma IEC 60287-2-1©. Este módulo ha sido mejorado significativamente y ofrece tres opciones a parte de la norma CEI para modelizar una instalación dada de zanjas: los métodos 1 y 2 de Slaninka y el método Anders-Coates.

La norma CEI no toma en cuenta la resistividad térmica del suelo y de la cubierta de la zanja. El método 1 de Slaninka toma en cuenta la resistividad de la cubierta de la zanja. El método 2 de Slaninka considera además el suelo alrededor de la zanja. El método Anders-Coates agrega a estos parámetros la velocidad del viento encima de la zanja. Con todas las opciones, el usuario puede escoger si la zanja está expuesta a la irradiación solar o a la sombra. Estos métodos se basan en investigaciones en el terreno por partes independientes y publicadas en revistas científicas.

Zanjas con relleno

El módulo CYMCAP/MDB trata las zanjas con relleno como si fueran múltiples bancos de ductos. El programa CYMCAP calcula la capacidad de los cables en zanjas rellenas usando.

  • El método de elementos finitos para calcular la resistencia térmica externa del cable T4
  • Las normas de la CEI para calcular eficazmente la intensidad máxima admisible

El módulo brinda también varias posibilidades:

  • Cálculo de la temperatura y de la intensidad admisible en cables de carga desigual, como de costumbre
  • Facilidades para desplazar las zanjas hacia abajo y modelar zanjas asimétricas
  • Se considera la carga cíclica por medio del uso de los factores de carga



Cables en canalizaciones entubadas

El módulo accesorio Cables en canalizaciones entubadas (MCAS) permite al usuario calcular la intensidad máxima permanente admisible de los cables con carga desigual y/o la temperatura de los cables instalados en una o más canalizaciones entubadas no magnéticas. En el programa CYMCAP, se entiende por canalización entubada un conducto largo no magnético lleno de aire dentro del cual se pueden instalar cables directamente o dentro de pequeños ductos. Las canalizaciones entubadas se pueden sumergir en agua, instalar sobre el lecho marino o enterrar. Las canalizaciones entubadas y los ductos solo se pueden rellenar con aire.

El módulo ofrece varias facilidades de modelación entre las cuales se pueden destacar:

  • Diversos medios de enterramiento: submarino o subterráneo son posibles
  • Modelación de cualquier número de canalizaciones entubadas en paralelo en la misma instalación
  • Modelación de cualquier número de ductos dentro de una o varias canalizaciones entubadas a la vez
  • Modelación de cualquier número de circuitos dentro de una canalización entubada o ducto
  • Circuitos al interior de canalizaciones y de tubos que pueden estar constituidos de varios cables por fase
  • Varios materiales (incluso materiales metálicos no magnéticos) están disponibles para modelar ductos y canalizaciones entubadas (PVC, polietileno, cerámica, metales no magnéticos, etc.)
  • Tamaño de los ductos y canalizaciones entubadas ilimitado



Optimizador de bancos de ductos

El módulo accesorio Optimizador de bancos de ductos es un módulo que permite determinar la ubicación óptima de los distintos circuitos contenidos en un banco de ductos. En particular, el módulo puede recomendar varias configuraciones dentro del banco de ductos con el fin de:

  • Maximizar la intensidad admisible total en el banco de ductos, es decir la suma de las intensidades admisibles de todos los circuitos
  • Minimizar la intensidad admisible total en el banco de ductos, es decir la suma de las intensidades admisibles de todos los circuitos
  • Maximizar la corriente admisible de cualquier circuito
  • Minimizar la corriente admisible de cualquier circuito



Para un banco de ductos de 3 x 4 con tres conductores dispuestos en tresbolillo y un circuito trifásico (una fase por ducto) existen 665 280 combinaciones posibles. El algoritmo matemático elaborado del módulo impide el cálculo repetitivo de los casos equivalentes. En consecuencia, la solución se obtiene muy eficientemente. La condición mostrada en la parte derecha de la figura muestra las posiciones de los cables que maximizan la corriente total admisible.

Campos magnéticos

El módulo opcional Campos Magnéticos (EMF) es un módulo accesorio del programa CYMCAP. Después de efectuar la simulación de la intensidad permanente admisible o de la temperatura de los cables, el módulo calcula la densidad del flujo magnético en cualquier punto sobre o arriba del terreno donde están instalados de cables subterráneos. La salida es un gráfico (o una tabla) de la densidad del flujo magnético en función de la posición. Las funciones de modelación son las siguientes:

  • Enfoque bidimensional de hilo delgado de longitud infinita
  • Consideración de las corrientes variables en el tiempo que producen un vector magnético elípticamente polarizado
  • Las corrientes en un circuito trifásico pueden estar desbalanceadas (en magnitud y en fase)
  • Se supone que todos los medios son homogéneos, isótropos y lineares
  • Las corrientes inducidas no se toman en cuenta



Cálculo de la impedancia de los cables

El módulo accesorio de Cálculo de las impedancias de los cables (Zmat) determina los parámetros eléctricos de los cables necesarios para llevar a cabo estudios de flujo de carga y de cortocircuito en redes a la frecuencia industrial (50/60 Hz). El cálculo de las impedancias se efectúa después de una simulación exitosa de la intensidad admisible o de la temperatura en régimen permanente. Los resultados finales de Zmat son las impedancias y admitancias de secuencia directa y homopolar para todos los cables presentes en la instalación.

Todas las matrices de impedancia y de admitancia se presentan en el reporte. Primero las matrices primitivas por circuito por componente metálico, las matrices de aterramiento, seguidas de las matrices de fase y de circuito y finalmente las matrices de los componentes simétricos resultantes. Las funcionalidades disponibles son:

  • Cálculo de las impedancias de secuencia para todos los cables presentes en una instalación
  • Cálculo de las admitancias de secuencia de todos los cables presentes en una instalación
  • Posibilidad de considerar varios cables por fase
  • Posibilidad de representar uno o varios neutros y tomarlos en cuenta en los cálculos
  • La resistividad eléctrica finita del suelo puede ser modificada



Capacidad de corriente de cortocircuito permisible en los cables

El modulo accesorio SCR de CYMCAP calcula la capacidad de corriente de cortocircuito permisible en los cables. El método implementado se describe en la norma CEI 949© (1988) “Cálculo de las intensidades de cortocircuito térmicamente admisibles, teniendo en cuenta los efectos del calentamiento no adiabático”. El programa CYMCAP calcula los valores de corriente en condiciones adiabáticos y no adiabáticos. El módulo ofrece dos posibilidades según los datos de entrada conocidos:

  • El cálculo de la corriente máxima de cortocircuito que un componente de cable puede transportar en función del tiempo de cortocircuito y de la temperatura inicial y final
  • El cálculo de la temperatura final que un componente de cable determinado puede alcanzar para una corriente de cortocircuito, una temperatura inicial y un intervalo de tiempo determinados


El cálculo del valor nominal de cortocircuito puede efectuarse para todas las capas metálicas soportadas por el programa CYMCAP:

  • Conductor
  • Pantalla
  • Pantalla reforzada
  • Neutro concéntrico / Alambre de deslizamiento
  • Armadura



Cruces de circuitos

El módulo accesorio Cruces de circuitos (Xing) permite al usuario determinar la intensidad máxima admisible de dos circuitos que se cruzan.

Cuando dos circuitos se cruzan, cada uno se comporta como una fuente de calor para la otra. La cantidad de calor generada, la distancia vertical entre los circuitos que se cruzan y el ángulo de cruce son parámetros importantes que influencian la intensidad máxima admisible de los circuitos que se cruzan. En la ausencia de cálculos que toman en cuenta el cruce de cables, la práctica general es usar el resultado conservador que supone que los circuitos están instalados paralelamente. En este caso la interacción térmica es máxima. Se vuelve mínima cuando los circuitos se cruzan en ángulo recto. El enfoque conservador reduce innecesariamente ambos circuitos. El módulo Cruces de circuitos permite aumentar hasta el 20 % la intensidad máxima admisible de los cables en comparación a la intensidad máxima admisible conservadora obtenida considerando los circuitos como si estuviesen en paralelo. Las funciones de modelización son:

  • Posibilidad de modelar dos circuitos que se cruzan en la misma instalación
  • Se soporta el cruce de cables para los cables directamente enterrados, los conductos enterrados y los tubos enterrados.
  • El método empleado para calcular la intensidad máxima admisible es conforme con la norma IEC 60287-3-3©.



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