CABLE DE POTENCIABombeo Elctrico Sumergible

Cable de PotenciaEl cable de potencia es uno de los componentes ms importantes y sensibles en la aplicacin de BES. El xito o fracaso de la aplicacin depende en gran parte de la buena seleccin e instalacin del cable de subsuelo. En los pozos muy profundos o problemticos, en algunos casos, el cable puede ser el componente ms costoso de la unidad.

Cable de PotenciaLa funcin del cable de potencia es transmitir la energa elctrica desde la superficie al motor.

Transmitir las seales de presin, temperatura, etc. desde el instrumento sensor de fondo a la superficie.

Cable de PotenciaEl cable consiste en tres conductores que pueden ser slidos o trenzados.

Los cables de potencia tienen una capa de aleacin de estao sobre los conductores individuales para proveer una proteccin adicional contra sustancias como el cido Sulfhdrico (Sulfuro de hidrgeno) en el pozo.

Cable de PotenciaESTRUCTURA DEL CABLE:aislamientobarrerafibra (malla)camisa (jacket)armadura

Cable Tpico para Temperatura MediaConductores7 hilos trenzadosAislamiento Primario (EPDM)Barrera de CintaMalla ProtectoraCamisa de NitriloArmaduraMetlica

Cable Tpico para Temperatura MediaConductores7 hilos trenzadosAislamiento Primario (EPDM)Barrera de CintaMalla ProtectoraCamisa de NitriloArmaduraMetlica

Cable de PotenciaEl Cable para BES generalmente es fabricado para varios valores de voltaje tales como: 3KV, 4KV y 5KV.

Este valor depende del espesor y tipo de aislamiento.

Cable de PotenciaAPLICACION DEL CABLE DE POTENCIA

CALIBRE DEL CABLE

CONFIGURACION DEL CABLE

Cable de PotenciaPara seleccionar el calibre del cable, se necesita conocer la cada de voltaje que tendr el cable en el pozo a las condiciones de operacin.

La cada de voltaje ser una funcin del flujo de corriente que pasa por el conductor, el tamao, la longitud y posiblemente su temperatura.

Cada de voltaje en Cable de Potencia Sumergible

Cable de PotenciaExisten "factores de correccin" para la cada de voltaje en el cable dependiendo de la temperatura pero en general es mejor ignorar este factor de correccin.

131 F (55 C).................1.12 221 F (105 C).................1.31149 F (65 C).................1.15 239 F (115 C).................1.35167 F (75 C).................1.19 257 F (125 C).................1.39185 F (85 C).................1.23 275 F (135 C).................1.42203 F (95C)..................1.27 302 F (150 C).................1.48 Factores de Correccin por TemperaturaTemperatura Multiplicador Temperatura Multiplicador

Cable de PotenciaEl cable es una carga en el sistema que es casi totalmente resistiva aunque tiene un poco de reactancia.

El motor es una carga inductiva.

Esto simplemente significa que no toda la corriente se pierde en el sistema lo cual da un factor de potencia menor que 1.00.

Cable de PotenciaSi se desprecia la reactancia del cable, el factor de potencia del cable ser exactamente 1.00, esto significa que no se debe calcular la cada de voltaje en el cable basada solamente en la resistencia.

Por ejemplo, si se tiene un motor de 140 HP, ef. = 0.89, 1299 V, y 69.5 A, operando con una carga en la bomba de 135 Hp, a una profundidad de 7500 pies, el cable es del calibre N 4 AWG y la temperatura de fondo del pozo es de 200 F.

Cable de PotenciaVectorialmente, el motor y el cable pueden ser representados por el siguiente sistema elctrico. Para obtener los kW del sistema, se deben sumar vectorialmente.KWKVARLKVAfFP = = Cos ( ) fFP = = Cos ( ) = 1.0 0KWKVAKVAKWKWKVAMotorCable

Cable de PotenciaSe pueden sumar los vectores individuales de la siguiente manera:KVARLKVAKWCircuitoMotorCable

Cable de PotenciaEl resultado ser como se muestra aqu:KVARLKVAfFP = = Cos ( ) fKWKVAKWCircuitoss

Cable de PotenciaSe puede calcular los kW del motor por: kW Motor =

y, si se asume que el factor de potencia es de 0.85, los KVA del motor sern: kVA Motor =

El kVAR del motor resultante ser:kVAR Motor = kVA - kW = 133.1 - 113.1 = 70.2BHP x 0.7457 135 x 0.7457 eficiencia 0.89= 113.1=kW MotorF.P.= = 133.1 1130.852222

Cable de PotenciaLos kW del cable se calculan con: kW Cable =

Los kVAR del cable son cero. Se pueden calcular los valores del sistema total con la siguiente ecuacin: kW Sistema =kW Motor + kW Cable = 113.1 + 60.6 = 173.7

los kVAR del sistema son:3 x resistencia x I 3 x 4.185 x 69.5 1000 1000 = 60.622=kVAR Sistema = kVAR Motor + kVAR Cable = 70.2 + 0 = 70.2Note que la resistencia del cable (ohmios) est basada en 7500 pies de cable N4 operando a 200 F.

Cable de PotenciaEl kVA del sistema est calculado por:

kVA Sistema = kW Sis + kVAR Sis = 173.7 + 70.2 = 187.3

La cada real de voltaje en el cable puede ser calculada por:2222kVA de Sistema x 1000 I x 1.732187.3 x 1000 69.5 x 1.732== 1556 volts. La cada de voltaje en el cable ser: el voltaje en la superficie menos el voltaje del motor 1556 - 1299 = 257 volts.Volts Superficie =

Cable de PotenciaSi ahora se utiliza la grfica de cada de voltaje3369.5

Cable de PotenciaConsiderando la profundidad de la bomba de 7500 pies:DV = 33 * 7500 / 1000 = 247.5 V

Corrigiendo por temperatura:

DVcorr = DV * Fact. Corr. = 247.5 * 1.27 = 314.3 V131 F (55 C).................1.12 221 F (105 C).................1.31149 F (65 C).................1.15 239 F (115 C).................1.35167 F (75 C).................1.19 257 F (125 C).................1.39185 F (85 C).................1.23 275 F (135 C).................1.42203 F (95 C).................1.27 302 F (150 C).................1.48 Factores de Correccin por TemperaturaTemperatura Multiplicador Temperatura Multiplicador

Cable de PotenciaComparando la cada de voltaje corregida por el factor de potencia de 257 V, con el valor calculado de la grfica, sin correccin por temperatura, 247.5 V y la cada de voltaje calculada utilizando el factor de correccin por temperatura (1.27), 314.3 V.

En este caso en particular, el la cada de voltaje calculada utilizado el FP est entre los dos:247.5 voltsSin correccin257 voltsCorregido por F.P.314.3 voltsCorregido por resistencia solamente

Cable de PotenciaRecuerde que se ha ignorado la reactancia del cable, pero si se toma en cuenta, entonces la cada de voltaje ser menor que el valor calculado de 257 V. De manera que este valor estar an ms cerca al valor de la grfica: 247.5 V.

Cable de PotenciaOtro problema que se presenta independientemente del mtodo que se utilice es definir qu temperatura debera ser usada para determinar el factor de correccin.

El rango de temperatura del pozo est entre la temperatura en la superficie y en el fondo. En el fondo, el cable realmente estar ms caliente debido al calor generado por la resistencia. Debido a que el cable est sujetado con flejes a la tubera de produccin, el fluido caliente tambin ayudar en su calentamiento.

Cable de PotenciaPredecir el perfil de la temperatura en el pozo no es simple. Un mtodo bastante aceptable para calcular la cada de voltaje en el cable usando el factor de potencia sera usando solamente la temperatura de fondo sin corregirla por calentamiento a causa de la resistencia del cable.

Cable de PotenciaOtro aspecto que se debe considerar son los problemas que se pueden presentar durante el arranque del equipo.

La longitud y calibre del cable son los factores de mayor influencia en las caractersticas de arranque del motor sumergible, por lo tanto la seleccin adecuada del cable y el sistema de arranque son primordiales para el arranque seguro del motor.

Cable de PotenciaUn calibre determinado de cable puede ser aceptable para las condiciones de operacin pero puede ser muy pequeo para las condiciones de arranque, de tal forma que el motor podra no arrancar, especialmente con motores de alto amperaje.

El Amperaje de arranque puede ser 5 veces o ms que el amperaje de operacin.

Cable de PotenciaSELECCION DE LA CONFIGURACION DEL CABLE

Cable de PotenciaLIMITACIONES FISICAS

Mientras ms pequeo sea el cable en relacin al espacio disponible en el anular, ms fcil ser la instalacin. Esto se puede lograr con un conductor ms pequeo o, tambin con un cambio en la geometra del cable (redonda a plana).

Cable de PotenciaUn conductor puede ser compactado despus que los hilos hayan sido trenzados. Esto se hace para reducir su dimetro efectivo, lo que reducir el dimetro de todo el cable sin prdida de volumen de cobre. Por ejemplo, un cable compactado N2 AWG puede pasar por el mismo espacio que un cable estndar N4 AWG.ConductorTrenzadoConductor Trenzadoy Compactado

Cable de PotenciaEl cable trenzado y compactado mantiene su capacidad de conducir corriente y al mismo tiempo retiene su flexibilidad.Intersticiostienen reaslibresConductorTrenzadoConductor Trenzadoy Compactado

Cable de PotenciaCables ms grandes tendrn mayor eficiencia total pero sern ms costosos. Hay un balance entre el costo de capital y el costo operativo.

Adems, si el cable es muy grande, requiere ms espacio en el pozo.

Cable de PotenciaEn el cable redondo, los conductores individuales pueden reordenarse cuando un esfuerzo comprime el cable.

Cable de PotenciaUna desventaja del cable plano es que generalmente ofrece menor proteccin mecnica que el redondo, por lo que ser ms susceptible a daarse durante la instalacin.

Cable de PotenciaOtra desventaja del cable plano, y posiblemente la ms importante, es que ste es asimtrico mientras que el redondo es completamente simtrico.

En el cable de potencia una parte de la corriente que circula por el cable se pierde como calor, por lo que el cable tendr una temperatura mayor que la del entorno.

Cable de PotenciaEn el cable redondo, todos los conductores se calientan por igual.

En un cable plano, los dos conductores laterales se encuentran en ambiente similar por lo que se calientan uniformemente. El conductor central, sin embargo, tiene dos calentadores a los costados por lo que no puede disipar tanto calor como los otros.

Cable de PotenciaEl resultado es que el conductor central de un cable plano trabaja ms caliente que los otros dos.

Cable de PotenciaLa cada de voltaje en el conductor depende directamente de la temperatura, y como la temperatura es ms alta, la prdida ser mayor.

En el cable plano, el voltaje trifsico en los terminales del motor normalmente estar desbalanceado aunque el voltaje est perfectamente balanceado en la superficie.

Cable de PotenciaUn desbalance de voltaje recalentar el motor un poco ms de lo normal. Usualmente esto no es crtico.

Debido a que el voltaje en la superficie, normalmente no est balanceado en forma perfecta, el cable se puede desconectar y reconectar en la caja de venteo con las tres configuraciones posibles (manteniendo la rotacin correcta) para determinar la forma que causa el menor desbalance.

Cable de PotenciaAlgunos de los factores que afectarn la seleccin son:

Temperatura de FondoTemperatura del ConductorTipo de Fluido del PozoQumicos de TratamientoTemperatura en la SuperficiePresin MximaRGPNivel de FluidoH2S y CO2

Cable de PotenciaUn cable es tan fuerte como su componente ms dbil. Este componente dbil puede ser el aislamiento, la camisa (jacket), la barrera de cinta o algn otro elemento.

Cuando se consideran las limitaciones del cable por temperatura se debe tomar en cuenta la temperatura del conductor y no la de fondo del pozo.

Cable de PotenciaEsto se debe a que el cable opera a mayor temperatura que el entorno. Dependiendo de la cada de voltaje, este incremento de temperatura puede ser significativo.

Los aislamientos de cable generalmente, pueden ser clasificados como "termoplsticos" o "termoesestables".

Cable de PotenciaEl Polipropileno/etileno es un aislamiento del tipo termoplstico y normalmente se usa para un rango de temperatura del conductor de 200F a 210F. Debido a que el aislamiento est muy cerca del conductor, se debe limitar la temperatura del conductor a este valor.

Este rango de temperatura no da mucho margen de error. Por encima de esta temperatura, el aislamiento comenzar a derretirse lo cual ocasionar una falla del cable.

Cable de PotenciaEn los cables redondos, hay una fuerza intrnseca resultante del enrollado de los conductores.FuerzaIntrnseca

Cable de PotenciaSi el aislamiento comienza a derretirse, los conductores pueden moverse hacia el centro del conjunto, y al hacer contacto se produce un corto circuito.

Cable de PotenciaLa mayora de los programas de diseo computarizados, toman en cuenta la temperatura del conductor. Hay tambin un mtodo manual que puede ser usado para calcular esta temperatura para los cables comunes con base en la siguiente ecuacin:

donde el factor "a" se obtiene de la siguiente tabla:T = ( a x I ) + TCPozo2CPozoTTIes la temperatura del conductor en Fes la corriente en amperioses la temperatura del entorno en F

Cable de PotenciaRedalene (POTB)Redalene (PPEO)Redahot (ETKO)Redahot (ETBO)Redablack (EEF)Redablack (EER)Redalead (ELB)Redalead (ELBE)#6#4#2#1#1/O#2/O0.02810.01990.02750.02000.02750.01990.02810.02020.01760.01120.01690.01170.01670.01150.01690.01160.00970.00620.00900.00620.00860.00580.00860.00580.00700.00450.00680.00460.00640.00430.00640.00420.00480.00310.00530.00340.00500.00320.00500.00310.00380.00250.00420.00270.00390.00250.00390.0025

Factor "a"

Cable de PotenciaTodos estos clculos estn basados en investigacin y anlisis de "elementos finitos" en modelos de sistemas de cables de subsuelo.RevestimientoTuberaFluidoAnularFluidoProducidoEquivalencia deTemperatura 456.7451.3445.9440.6435.2429.8424.4419.1413.7408.3

Cable de PotenciaComo referencia rpida hay grficos disponibles en los catlogos, para la mayora de los cables, que permiten determinar el mximo amperaje permisible en un cable.

Estos grficos asumen que hay una limitacin de la mxima temperatura permitida para un cable y muestran cuanta corriente puede pasar por l, a la temperatura de fondo.

EER (t.c.c. Redablack Redondo)EEF (t.c.c. Redablack Plano)3002502001501005001001502002503003504001001502002503003504004003002001000Corriente MximaTemperatura de Fondo ( F)

Cable de PotenciaLa capacidad de amperaje del cable que muestra la grfica es una limitacin que no debera ser excedida. Sin embargo, la degradacin trmica y qumica en el cable se incrementarn logartmicamente con la temperatura. Por esto, si ponemos el cable a su lmite mximo, su vida til se ver afectada.

Cable de PotenciaCuando se usen los grficos, es muy importante seleccionar el grfico correcto para el tipo de cable que se tenga.

En algunos cables, el aislamiento ser el factor limitante, mientras en otros la limitacin puede ser el material de la camisa.

Generalmente, se utiliza nitrilo o EPDM para reencamisarlos.

Cable de PotenciaEl Nitrilo tiene buena resistencia al hinchamiento cuando se expone a los fluidos del yacimiento, pero no puede ser utilizado a temperaturas mayores de 275F (dependiendo del compuesto especfico).

Para las temperaturas de fondo mayores que este valor, el EPDM puede ser utilizado en lugar de Nitrilo, pero es ms susceptible a hincharse. Por esto, a veces es necesario incluir armadura doble al fabricar el cable, la que puede ayudar a contener el hinchamiento del EPDM.

Cable de PotenciaOtro factor que debera ser tomado en cuenta es la temperatura en la superficie

Por ejemplo, si la temperatura de fondo del pozo para una aplicacin especfica es 180F, podra utilizarse el cable Redalene (PPEO).

Pero si la temperatura en la superficie est en el rango de -70F (o menor), el cable podra sufrir dao al pasar alrededor de la rueda gua durante la instalacin.

Cable de PotenciaEs posible que se tenga que usar un cable de mayor temperatura o por lo menos contener el cable dentro una caseta con temperatura controlada antes de la instalacin.

Cable de PotenciaTratamientos qumicos:

Un cable puede ser apropiado para las condiciones de fondo, pero si se provee un tratamiento qumico en el pozo, se debera considerar el efecto de los productos qumicos de tratamiento para asegurar que estos no causarn dao al cable.

Cable de PotenciaHay una gran variedad de cables sumergibles disponible y stos estn diseados para funcionar en muchas aplicaciones diferentes tales como baja temperatura, alta temperatura, alta presin, mucho gas libre, productos qumicos corrosivos, etc.

Si no existe un cable para una aplicacin especfica, es fcil fabricar uno especial cuando sea necesario.Click Here toView Cable

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