Cálculo de cables de alimentación a una electrolinera de 50 kW

Con el objeto de fomentar la infraestructura para recarga rápida de vehículos eléctricos el Gobierno ha redactado un nuevo borrador del anteproyecto de Ley de Cambio Climático y Transición Energética, en el que, se recoge la eventual obligación de instalar electrolineras de 50 kW en estaciones de servicio existentes así como en las de nueva construcción.

En este nuevo escenario subrayar que el Gobierno tiene también previsto allanar los trámites legales para facilitar la instalación de los nuevos puntos de recarga.

Abordamos en este artículo el cálculo de los cables para la alimentación eléctrica.

Primeramente señalar que las instalaciones de recarga en exterior y de potencia superior a 10 kW requieren proyecto así como las de modo de carga 4 sin límite de potencia (disposición final segunda del RD 1053/2014).

Si el transformador de la gasolinera no tiene potencia suficiente, habrá que ampliarlo, lo que implica de derechos económicos frente a la distribuidora.

Si hay que ampliar el transformador, hay que calcular un nuevo CGMP, con una salida para los 50 kW, y recalcular los poderes de corte de los interruptores de las salidas actuales, a buen seguro sirven los mismos, pero para hacerlo bien, hay que calcular las intensidades de cortocircuito aguas abajo del transformador y comprobarlo.

Supondremos potencia disponible suficiente en el centro de transformación de 160 kVA de la gasolinera para el caso que nos ocupa.

Cálculo de sección por intensidad admisible

Tenemos los siguientes datos de partida:

U = 400 V (trifásica)

Potencia = 50 kW

cos ϕ = 0,9

L = 45 m

Cable de alimentación tipo Afumex Class 1000 V (AS)

Tendido bajo tubo y enterrado

Obtenemos la intensidad de corriente:

Elegimos interruptor automático de 100 A de intensidad nominal y calculamos la sección para tal intensidad de corriente con la norma UNE-HD 60364-5-52.

El sistema de instalación es D1 (tabla A.52.3):

Y en la tabla C.52.2.bis podemos ver que la primera sección que supera los 100 A es 35 mm2. Hay que entrar por XLPE3 dado que se trata de corriente trifásica y cable termoestable (temperatura máxima de conductor = 90 ºC en régimen permanente)

Si el cable estuviera en zona ATEX además hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones:

→ Descarga de un 15 % (ITC-BT 29, 9.1.) –> I de partida 80/0,85 = 94 A

→ Clase Cca-s1b,d1,a1 (Afumex (AS))

→ Tubo según características ITC-BT 29, 9.3.

Calculo de sección por caída de tensión

La caída de tensión admisible desde transformador de distribución propio es 6,5 % (ITC-BT 19, 2.2.2):

Para secciones pequeñas no es necesario emplear la fórmula de caída de tensión que considera la reactancia.

Este cálculo no tiene en cuenta la línea entre el transformador y el cuadro general de mando y protección pero sabiendo que es muy corta (unos metros) y que la sección por caída de tensión es muy baja y alejada del valor mínimo por intensidad admisible (35 mm²), el cálculo es aceptable.

Calculo de sección por cortocircuito

Tenemos los siguientes datos de transformador y necesitamos calcular las impedancias de línea y transformador para poder obtener el cortocircuito mínimo y comprobar que nuestra protección se activa en caso de cortocircuito mínimo.

Para el cálculo de la impedancia (máxima) de línea tomamos la resistencia a 145 ºC (GUIA-BT 22, pto. 1.2)

R₁₄₅ = R₂₀ · (1+α·(145-20)) = 0,554 x (1+ 0.00393 x (145-20)) = 0,826 Ω/km

R = 0,826 Ω /km x 0,045 km = 0,037 Ω

Para el cálculo de la reactancia tomamos 0,08 Ω/km (UNE-HD 60364-5-52, anexo G) (supuestos cables a tresbolillo si se suponen en un mismo nivel el valor sería 0,1 Ω/km)

X = 0,08 Ω/km x 0,045 km = 0,0036 Ω

La impedancia de línea quedará:

Z = R + jX = 0,037 + 0,0036j

Vamos con la impedancia de cortocircuito del transformador:

Hemos visto que la impedancia de cortocircuito en tanto por cierto según la placa de características del transformador es del 4,5 %.

u_cc (%) = 4,5 %

Aplicando la fórmula que relaciona la caída de tensión porcentual de cortocircuito (u_cc (%)) con la impedancia de cortocircuito del transformador (Zcc):

Y para obtener la resistencia de los arrollamientos empleamos Pk potencia de pérdidas por efecto Joule…

Pk = 3Rcc·In²

Aplicando el teorema de Pitágoras:

Zcc = Rcc + jXcc = 0,016 + 0,042j

Suponiendo un descenso de la tensión de alimentación del 20 %, según recoge la GUIA-BT-ANEXO 3 (consecuencia de un descenso grande de la impedancia de carga hace más relevante la impedancia de la alimentación (transformador) de ahí el descenso de la tensión de alimentación durante el cortocircuito):

Siendo el interruptor automático de curva C, su funcionamiento está asegurado para 10 veces la intensidad nominal del mismo:

10 x 100 = 1000 < 2642 A

Por tanto, con la sección de 35 mm² (3 fases + neutro) se cumple el criterio también del cortocircuito y es la sección solución.

La línea no precisa de conductor de protección. Para este caso pensaremos en una red de tierra propia para la electrolinera con los componentes necesarios (pica/s, conductores…) que aseguren una adecuada conexión.

Justificación económica del aumento de sección por intensidad admisible

En el cálculo por intensidad admisible nos hemos tomado la licencia de aumentar la sección de los conductores dado que entendemos el sobrecoste inicial de la línea quedará amortizada en breve por reducción de las pérdidas por efecto Joule en la misma. Si observamos la tabla de intensidades admisibles la sección de 25 mm² soporta 96 A > 80 A.

Considerando el coste unitario de los cables Afumex Class 1000 V (AS):

1×25 → 2,05 €/m

1×35 → 2,82 €/m

Tendremos el siguiente montante a amortizar con la factura eléctrica:

4 x 45 m x 2,82 €/m = 507,6 €

4 x 45 m x 2,05 €/m = 369 €

————

138,6 €

Calculemos ahora la diferencia de pérdidas por efecto Joule considerando una media de 5 horas de funcionamiento al día del cargador a su potencia nominal. Por supuesto se pueden hacer estimaciones según los criterios de cada proyectista.

E_P = 3 · (R₂₅– R₃₅) · I² · L · t /1000

Donde:

E_P(kWh)

R (Ω/km)

I (A)

L (km)

t (h)

Empleamos valores de resistencia a 70 ºC por ejemplo (UNE EN 60228 o catálogo Prysmian BT). Se trata de un cálculo aproximado y a plena potencia es un valor no lejano a la realidad.

Tomamos un año de tiempo de funcionamiento (5 x 365 = 1825 h):

E_P = 3 x (0,934 – 0,663) x 80² x 0,045 x 1825/1000 = 427,31 kWh

Si suponemos una tarifa de de 0,12 €/kWh podemos calcular el ahorro anual:

A = 427,31 kWh/año x 0,12 €/kWh = 51,28 €/año

Ahora podemos conseguir el plazo de amortización de la sección superior:

Am = 138,6 € / 51,28 €/año = 2,7 años

Vemos que se trata de un plazo muy corto con otras ventajas colaterales:

Prolongación de la vida útil de la línea al soportar inferior temperatura por ir menos cargada
Reducción de emisiones de CO2* al ahorrar energía por tener menor efecto Joule
Reducción de la caída de tensión
Posibilidad de aumentar la corriente que transporta la línea en un futuro
…

*Al fabricar un cable de mayor dimensión se emite más CO₂ pero como ya hemos demostrado en otros artículos esas emisiones son muy pequeñas en relación con las que se ahorran por reducción del efecto Joule. Es decir, la amortización ecológica de la sección mayor es muy rápida.

Lisardo Recio Maíllo

Product Manager

Prysmian Group