Cálculo Capacidad Térmica de Conductores En Líneas Eléctricas

Vamos a comentar el cálculo de conductores para líneas aéreas, o también conocido como cálculo de capacidad térmica de conductores asociado el diseño de líneas eléctricas de media y alta tensión, el objetivo del presente texto es explicar el principio de equilibrio térmico o balance de calor de un conductor desnudo a fin de determinar la capacidad del conductor dicho de otra forma determinar la máxima transmisión de potencia en líneas de transmisión

El balance térmico se basa principalmente en el equilibrio entre el calor ganado y el calor perdido, es decir, la suma del calor ganado es debido a la radiación solar más las pérdidas por efecto Joule, ver imagen en color rojo. Recordar que el efecto Joule está relacionado directamente a la corriente que circula a través del conductor y su parámetro de resistencia. El calor ganado tiene que ser equivalente a la potencia calorífica disipada por convección, asociado al efecto del viento, más la potencia calorífica disipada por radiación emitida propiamente por el conductor desnudo.

Podemos intuir que existen agentes externos o parámetros climatológicos asociados a la zona específica del proyecto, y también parámetros específicos del conductor que seleccionemos, que afectarán la capacidad de corriente del conductor.

Existe una norma internacional en la cual se explica detalladamente el procedimiento del cálculo de capacidad, esta norma es la IEEE 738. La cual hace referencia a la ganancia por radiación solar más la ganancia por efecto joule tiene que ser equivalente a las pérdidas por convección y a las pérdidas por radiación, todos estos parámetros están asociados a diversas variables como el ángulo de incidencia de los rayos del sol, la altitud, el área proyectada por unidad de longitud, la densidad del aire. También tenemos el diámetro del conductor, la temperatura ambiente la velocidad del viento, etc.

Para calcular este equilibrio térmico, primero debemos definir muy bien las variables asociadas a las condiciones climatológicas del proyecto, y también conocer los parámetros electromecánicos de cada conductor que seleccionemos.

A continuación se presentan los pasos a seguir para el cálculo térmico según la norma IEEE 738. Aquí en IEO se ha desarrollado una aplicación web que realiza rápidamente los cálculos de límites térmico en conformidad con la norma IEEE 738 (Herramienta web cálculo de conductor eléctrico para línea de transmisión).

Identificar los factores de entrada: los factores que se deben tener en cuenta para el cálculo térmico son el diámetro del conductor, la longitud del conductor, la corriente que fluye a través del conductor, la temperatura ambiente y la velocidad del viento.

En el caso de conductor seleccionado debemos saber:

• Tipo de conductor: ejemplo ACSR ACSR Drake 795
• Diámetro, en el caso de Drake aproximadamente  0.02813 [mm]
• Temperatura máxima de trabajo del conductor, ejemplo dependiendo de la normativa local 75 [°C]
• Resistencia del conductor a la temperatura máxima, según catálogo, 8.688e-05 [Ohm/m]
•  Resistencia del conductor a la temperatura mínima, según catálogo,  7.283e-05 [Ohm/m] a 25.0 [°C]

De la línea y ubicación del proyecto debemos tener los siguientes datos:

• Latitud, ejemplo 30.0 [°]
• Azimut de la línea, ejemplo 90.0 [°]
• Altura de ubicación , ejemplo a nivel del mar 0.0 [m.s.n.m.]
• Temperatura ambiente, ejemplo 40.0 [°C]
• Angulo que incide en viento en el eje del conductor, ejemplo 90.0 [°]
• Velocidad del viento, ejemplo 0.61 [m/s]
• Grado de contaminacion: Limpia
• Dato Horario Hora, ejemplo 11.0 [hrs] y Día del Año (de 1 a 365) , ejemplo 161.0, día de mayor incidencia solar.

Con los valores anteriores y las formulas indicadas por el standard IEEE 738, se deben calcular:

• Qs: Calentamiento por efecto solar
• Qc: enfriamiento por acción del viento
• Qr: enfriamiento por radiación térmica
• Qj (I2R):  calentamiento por efecto Joule

Con los calores de calentamiento y enfriamiento se procede despejar la corriente de límite térmico.

Finalmente, verificar que la temperatura del conductor esté dentro de los límites seguros: la norma IEEE 738 establece los límites seguros de temperatura para los conductores desnudos de línea aérea. Es importante verificar que la temperatura calculada del conductor esté dentro de estos límites para garantizar la seguridad y la confiabilidad del sistema eléctrico.

En resumen, el cálculo térmico según la norma IEEE 738 es esencial para garantizar la seguridad y la confiabilidad del sistema eléctrico al permitir determinar la temperatura de los conductores desnudos de línea aérea y prevenir posibles fallas debido a sobrecalentamiento. Al seguir los pasos establecidos en la norma, los ingenieros eléctricos pueden calcular la temperatura del conductor de manera precisa y garantizar que los conductores estén funcionando dentro de los límites seguros.