[ Español ]

Calculation of the most economical magnitude and optimal relationship between the magnitudes of a standard series


Francisco Casariego, I. I.

Applied to the case of electric power leads


INTRODUCTION

In seeking to determine the most economical section of a power line, pipe diameter of a hydroelectric station, capacity of a machine, or ruggedness of a construction, in other words the magnitude of something whose total cost results from two inversely varying addends, the initial or start-up cost and the operating cost, the problem is generally posed assuming a constant current, flow rate or output requirement, i.e. the need to be met, or the service. So by varying the section of line wires, the diameter of the pipe, etc., that is the magnitude, we can calculate the value of the latter which minimizes total cost.

This system, the most widespread and which has given rise to such classic formula as Lord Kelvin's, Bondschu's, Scott's and others', allows us to determine the most economical magnitude, section, diameter, etc., but it is not the most correct method, since it takes as a constant value the service, whose demand generally increases with time, and as a variable the magnitude of the object, which undoubtedly will be constant once chosen.

This method undoubtedly serves to calculate the most economical magnitude for the carrying out of the service envisaged, but tells us nothing about what will happen when this same service varies.

If we consider furthermore, that the posing of a problem obliges us to estimate coefficients that vary across a wide range and whose real values we cannot know a priori, it is clear that all calculation procedures like the one described, which result in a single number, are not good procedures. And particularly, as in this case, if they can be solved mathematically, since what generally happens is that the calculator forgets the estimates and simplifications made on posing the problem and accepts the end result with all its decimal digits as something immutable.

SPECIFIC COST CURVES

If instead of working as described, we take as constants a series of magnitudes, F1, F2, F3,... Fn, and establish for each the equation of total cost per service unit C1/I, C2/I, C3/I,.... Cn/I, in other words the specific cost according to service I, we obtain a series of curves which let us see the problem in its full extension.

THE MOST ECONOMICAL MAGNITUDE

For the purposes of clarification, let us assume that we are trying to calculate the most economical power line to carry a determined amount of energy using the classical (usual) procedure, which takes service as a fixed component.

The magnitude of the line will be dictated by the section of its wires, the quality of its insulation and by its capacity to resist the most adverse stress conditions. And its start-up cost FC will be greater the more these characteristics expand.

Its operating cost VC, however, will be lower, since energy loss is less when wires have a larger section, and maintenance costs will probably likewise be lower when using higher-quality insulation and more resistant support structures.

Estimating the prices of components for the different lines: the cost of the money invested; depreciation period; the average price of energy loss; and the root-mean-square (RMS) intensity corresponding to the transport envisaged, we can plot curves for annual start-up costs FC (fixed costs), and operating costs VC (variable costs) versus the Fn section of each line's wires.

These curves are analogous to FC/Io and VC/Io ( See GRAPHICS ), because, as this procedure takes the RMS intensity Io as constant, dividing by this number only involves a change in the y-axis scale, and does not alter the situation of the minimum value of the sum function and, therefore, that of the most economical magnitude.

The total cost curve C/Io, has a minimum for the Fo value which is, accordingly, the magnitude of the most economical section which solves the problem.

If we plot the specific cost curve C/I corresponding to the wire section line Fo, we can see that the minimum of C/Io=f(F) does not match the minimum of C/I. In other words, the most economical line for a given RMS intensity Io, performs more economically still with a higher intensity Im.

Or, stated more generally and abstractly, the question of the most economical magnitude for a given service tends to give an even more economical result when the service reaches a rather higher value. Of course, for this higher service value there is also a higher magnitude value which gives an even more economical result, and so on.

Perhaps all this becomes clearer if we observe that these two plots, the left one and the right, are intersections of the surface C/I=f(I,F) with planes I=constant and F=constant. And, naturally, the minimum values of these two intersections will not necessarily coincide.

The right-hand plot, the one that we advocate, gives us the annual cost according to RMS intensity, whatever it may be. And if we presuppose a determined increasing law of this intensity in time, we can analyze the economic result over a selected period, and deduce, by plotting curves C/I=f(I) corresponding to several different section lines, which is the most economical over this period, precisely the problem we normally face.

OPTIMAL RELATIONSHIP BETWEEN THE VARIABLES OF A STANDARD SERIES

We can now explore the application of this specific costs system in determining the relationship that should exist between each two consecutive magnitudes within a standard series.

In the example we are looking at, based on the sections of three-phase power line wires, the general formula for the, Annual Specific Cost of each line is:

Cen = [T x (Cn/I) x 0.01]+[3 x 8760 x 0.001 x R x P x (I/Fn)]

In which the variables are:

  Cen = C / I = Annual Specific Cost ( kpta / A km year )

  T = Annual repayment, interest charges and expenses ( % )

  Cn = Total cost of line n construction ( kpta / km )

  I = RMS intensity of each wire ( A )

  R = Resistivity of wires ( Ohm mm² / km )

  P = Cost of energy loss ( pta / kWh )

  Fn = Section of each line n wire ( mm² )

And the constants:

  0.01 , factor to transform the annual % to amount per unit

  3 , number of wires in each line Ln

  8760 , total hours in a year

  0.001, factor to transform Wh into kWh

We take as the smallest section, F1, the regulatory minimum of 10 mm² , and as successive sections 20, 40 and 80 mm², i.e. four sections on a geometric progression of 2.

We estimate the construction costs Cn of these four lines as:

  38, 58, 92, and 155 kpta / km respectively. ( 1963 ! )

We set annual amount T at 17 %

The average price of energy loss P, is 0.60 pta / kwh

And the resistivity of copper R, 17.8 Ohm mm² / km

From these data we obtain the curves of figure 2, whereby we can deduce that up to 16 A RMS intensity, the most economical is the 10 mm² line; between 16 and 30 A, the 20 mm² line; from 30 to 56 A, the 40 mm² line, and from 56 A onwards, the 80 mm² line.

It may seem strange, but the reality is that this series of just four sections covers the field of intensities up to 120 A, with theoretical maximum cost increases, in relation to the envelope of all possible curves, of 5 % solely at the points corresponding to 16, 30, 56 and 120 A (note the constancy of the increases with the geometric progression chosen).

Would it be economical to reduce the progression ratio, in order to reduce these theoretical increases, and thereby secure a greater number of sections?

In a specific case like, for instance, an electrical power distribution company, it would not be hard to compare the total cost incurred by these random increases, with the known cost of the fixed assets needed to store a greater number of sections in its warehouses.

It is likely that even this series would be less economical that another with a larger interval, for example of 10, 30 and 90 mm² (progression ratio 3) or perhaps 10, 40 and 160 (ratio of 4), whose maximum theoretical increases, in relation to the envelope, would be around 15 % .

We should not forget, furthermore, that these curves were obtained by giving each coefficient a fixed numerical value more or less close to its real value.

If we had taken the alternative route of starting from a list of probable values for each coefficient and establishing each series of the same by making every possible combination, each curve would have an infinite number of variants, and plotting it would be like working with a wide paintbrush instead of a sharp pencil.

The intersection points would not be so precise, and nor would the costs, and we would see even more clearly how unnecessary it is to have a lot of sections.

Looking at the case of underground power cables, we can deduce the need for a greater interval in section series, since the decrease in their number via nationwide standardization would undoubtedly bring down prices and enhance their availability beyond today's.

Would it not be preferable to have a small variety of sections in warehouses rather than a wide variety just in catalogues ?

CONCLUSIONS

The following conclusions can be drawn from these deliberations:

1) When calculating the most economical magnitude of something whose start-up and operating costs vary inversely, as tends to happen, the problem should be analyzed by means of specific cost curves, since this system offers an economic result for any given period of time, even though the service magnitude may vary, as nearly always occurs.

2) With specific cost curves we can determine the optimal relationship between two consecutive values in a standard series of magnitudes in order to obtain the most economical efficiency.

3) This most economical interval is generally much larger than may initially appear. In the case of standardization of power line wires, we can affirm that the optimal section series should be a geometrical progression in the ratio of 2 or 3.




[ English ]

Determinación de la magnitud más económica y de la relación óptima entre las magnitudes de una serie normalizada.


Francisco Casariego, I. I.

Aplicación al caso de conductores de líneas eléctricas


GENERALIDADES

Cuando se trata de determinar la sección más económica de una línea eléctrica, o el diámetro de la tubería de una central hidráulica, o la potencia de una máquina, o el grado de robustez de una construcción, es decir, la magnitud de algo cuyo coste total se compone de dos sumandos, el coste de establecimiento y el coste de explotación, que varían inversamente, se suele plantear el problema suponiendo constante la intensidad que ha de circular por la línea, el caudal que ha de pasar por la tubería, el trabajo que ha de realizar la máquina, etc., es decir, la necesidad a cubrir, o sea el servicio, y variando entonces la sección de los conductores de la línea, el diámetro de la tubería, etc., es decir la magnitud, se llega a determinar el valor de ésta que hace mínimo el coste total.

Este sistema, que es el más usual y en el que están basadas fórmulas tan clásicas como la de Lord Kelvin, la de Bondschu, la de Scott y otras, aunque permite determinar la magnitud, sección, diámetro, etc., más económica, no es el método más correcto ya que en él se toma como constante el servicio, que en general crece con el tiempo, y como variable la magnitud de la cosa, la cual sin duda será constante una vez elegida.

Este método sirve indudablemente para calcular la magnitud más económica para realizar el servicio previsto, pero no nos permite conocer lo que sucederá cuando ese servicio varíe.

Si nos fijamos además, en que al plantear cualquier problema nos vemos obligados a estimar coeficientes que oscilan entre amplios márgenes y cuyos valores reales no podemos conocer a priori, comprenderemos que todos los procedimientos de cálculo como el descrito, que nos dan como resultado un solo número, no son buenos procedimientos. Y, sobre todo, si son también como éste, susceptibles de resolverse matemáticamente, ya que en la mayoría de los casos, el calculista se olvida de las estimaciones y simplificaciones que hizo al plantear el problema y toma como inamovible el resultado final con todos sus decimales.

LAS CURVAS DE COSTES ESPECIFICOS

Si en vez de operar de la manera indicada tomamos como constantes una serie de magnitudes, F1, F2, F3,... Fn, y establecemos para cada una de ellas la ecuación del coste total por unidad de servicio C1/I, C2/I, C3/I, .... Cn/I, o sea el coste específico en función del servicio I, obtendremos una serie de curvas que nos permiten ver el problema en toda su extensión.

MAGNITUD MAS ECONOMICA

Supongamos, para aclarar lo expuesto, que tratamos de determinar la línea eléctrica más económica para un transporte de energía determinado empleando el procedimiento clásico (usual), que es en el que considera fijo el servicio.

La magnitud de la línea vendrá dada por la sección de sus conductores, por la calidad de su aislamiento y por su capacidad para resistir las solicitaciones más desfavorables. Y su coste de establecimiento CF será mayor a medida que aumentemos estas características.

Sin embargo su coste de explotación VC será menor al aumentar aquéllas, pues las pérdidas de energía disminuyen cuando la sección de los conductores es mayor, y los gastos de mantenimiento serán también probablemente menores al dar más calidad a su aislamiento y mayor resistencia a sus estructuras de apoyo.

Estimando los precios de los componentes de las diferentes líneas: el precio del dinero invertido; el periodo de amortización; el precio medio de la energía de pérdidas; y la intensidad media cuadrática correspondiente al transporte previsto, podemos representar las curvas de los costes anuales de establecimiento FC (costes fijos), y de explotación VC (costes variables) en función de la sección Fn de los conductores de cada línea.

Estas curvas son análogas a las FC/Io y VC/Io ( Ver GRAPHICS ), (figura 1, lado izquierdo), ya que, como en este procedimiento se considera constante la intensidad media cuadrática Io, el dividir por este valor sólo supone un cambio de escala de ordenadas pero no altera la situación del valor mínimo de la función suma y, por lo tanto, del valor de la magnitud más económica.

Dicha curva de costes C/Io, tiene un mínimo para el valor Fo que es, por lo tanto, la magnitud de la sección más económica que resuelve el problema.

Si hacemos la representación de la curva de coste específico C/I correspondiente a la línea de sección de conductores Fo (figura 1, lado derecho), podremos observar que el mínimo de C/Io=f (F) no se corresponde con el mínimo de C/I, es decir que la línea más económica para una intensidad media cuadrática Io dada, tiene un funcionamiento más económico todavía con una intensidad mayor Im.

O, expresado de un modo más abstracto y general, la cosa de magnitud más económica para un servicio dado, da en general un resultado aún más económico cuando el servicio alcanza un cierto valor superior. Claro es que, lógicamente, para este valor superior del servicio existe otra cosa, de magnitud también superior, que da un resultado todavía más económico, y así sucesivamente.

Todo esto puede quizá quedar más claro observando que estas dos representaciones, la de la izquierda y la de la derecha, son las intersecciones de la superficie C/I=f (I, F) con los planos I=constante y F=constante. Y, naturalmente, los valores mínimos de esas dos intersecciones no tienen por qué coincidir.

La representación de la derecha, que es la que nosotros propugnamos, nos permite conocer el coste anual en función de la intensidad media cuadrática cualquiera que sea esta. Y si presuponemos una determinada ley de crecimiento, podemos analizar el resultado económico en un periodo determinado, y deducir, representando las curvas C/I=f (I) correspondientes a varias líneas de secciones diferentes, cual es la más económica durante ese periodo, que es el problema que generalmente se nos presenta.

RELACION OPTIMA ENTRE LAS MAGNITUDES DE UNA SERIE NORMALIZADA

Veamos ahora la aplicación de este sistema de costes específicos a la determinación de la relación que debe existir entre cada dos magnitudes consecutivas correspondientes a una serie normalizada.

En el ejemplo que estamos explicando, de secciones de conductores de líneas eléctricas trifásicas, la fórmula general del Coste Específico Anual de cada Línea, es:

 Cen = T x (Cn/I) x 0.01 + 3 x 8760 x 0.001 x R x P x (I/Fn)

En la que las variables son:

  Cen = C / I = Coste Específico Anual (kpta / A km año)

  T =   Anualidad de amortización, intereses y gastos (%)

  Cn =   Coste total de construcción de la línea n (kpta / km)

  I =   Intensidad media cuadrática por cada conductor (A)

  R =   Resistividad de los conductores (Ohm mm² / km)

  P =   Coste de la energía de pérdidas (pta / kWh)

  Fn =   Sección de cada conductor de la línea n (mm²)

Y las constantes:

  0.01,   factor para pasar la anualidad de % a tanto por unidad

  3,   número de conductores de cada línea Ln

  8760,   las horas totales de un año

  0.001,   factor para pasar de Wh a kWh

Fijamos como menor sección, F1 la mínima reglamentaria de 10 mm² , y como secciones sucesivas las de 20, 40 y 80 mm², o sea, cuatro secciones en progresión geométrica de razón 2.

Los costes de construcción Cn de estas cuatro líneas los estimamos en:

  38, 58, 92 y 155 kpta / km respectivamente. (1963 !)

La anualidad T la fijamos en el 17%

El precio medio P de la energía de pérdidas en 0.60 pta / kWh

Y la resistividad R del cobre, 17.8 Ohm mm² / km

Con estos datos se obtienen las curvas de la figura 2, a la vista de las cuales podemos deducir que hasta 16 A de intensidad media cuadrática, la línea más económica es la de 10 mm²; entre 16 y 30 A, la de 20 mm²; de 30 a 56 A, la de 40 mm², y desde 56 A en adelante, la de 80 mm² resulta ser más económica que las anteriores.

Posiblemente parezca extraño, pero la realidad es que con esta serie de sólo cuatro secciones, queda cubierto el campo de intensidades hasta 120 A, con incrementos máximos teóricos de coste, con relación a la envolvente de todas las curvas posibles, del 5% únicamente en los puntos correspondientes a 16, 30, 56 y 120 A (obsérvese la constancia del incremento al haber elegido una progresión geométrica).

¿Sería económico disminuir la razón de la progresión para reducir estos incrementos teóricos, disponiendo de un mayor número de secciones?

En un caso concreto, por ejemplo, el de una empresa distribuidora de energía eléctrica, no resultará difícil comparar el coste total que pueden acarrearle estos aleatorios incrementos, con el coste cierto de las inmovilizaciones necesarias para mantener un mayor número de secciones en sus almacenes.

Es muy posible que aún esta serie resulte menos económica que otra de mayor intervalo, por ejemplo de 10, 30 y 90 mm² (progresión de razón 3) o quizá de 10, 40 y 160 (de razón 4), con la cual, los incrementos teóricos máximos, con relación a la envolvente, serían del orden del 15%.

No debemos olvidar, además, que estas curvas se obtuvieron dando a cada uno de los coeficientes un valor numérico fijo más o menos próximo a su valor real.

Si en vez de hacerlo así hubiésemos partido de una lista de valores probables para cada coeficiente y fijando cada serie de estos haciendo todas las combinaciones posibles, cada curva tendría una infinidad de variantes y su representación gráfica sería equivalente a haberlas trazado con una brocha en vez de con un lápiz afilado.

Entonces, los puntos de intersección ya no serían tan precisos, ni los costes tampoco, y veríamos todavía más clara la inutilidad de disponer de muchas secciones.

Estudiando el caso de cables eléctricos subterráneos, se deduce la necesidad de un mayor intervalo en las series de secciones, ya que la disminución de su número por medio de una normalización a escala nacional, se traduciría en una indudable reducción de precios y en una disponibilidad que actualmente no existe.

¿No sería preferible que hubiese en los almacenes un reducido número de secciones en vez de haber tantas diferentes pero sólo en los catálogos?

CONCLUSIONES

De lo anteriormente expuesto se pueden sacar las siguientes conclusiones:

1) Cuando se trate de determinar la magnitud más económica de algo cuyos costes de establecimiento y de explotación varíen en sentido inverso, como es normal que suceda, debe analizarse el problema por medio de las curvas de costes específicos, ya que este sistema permite conocer el resultado económico correspondiente a un periodo de tiempo cualquiera, aunque varíe la magnitud del servicio como casi siempre ocurre.

2) Con las curvas de costes específicos se puede determinar la relación que debe haber entre dos términos consecutivos de una serie de magnitudes de una normalización para obtener el máximo rendimiento económico.

3) Este intervalo más económico es, en general, mucho mayor de lo que a primera vista puede parecer. Y en particular, en una normalización de conductores de líneas eléctricas, puede asegurarse que la serie óptima de secciones deberá ser una progresión geométrica de razón 2 ó 3.