CABLE DE CABLE DE POTENCIAPOTENCIABombeo Eléctrico Bombeo Eléctrico SumergibleSumergible

2 JLMG

Cable de PotenciaEl cable de potencia es uno de los componentes más importantes y sensibles en la aplicación de BES.

El éxito o fracaso de la aplicación depende en gran parte de la buena selección e instalación del cable de subsuelo.

En los pozos muy profundos o problemáticos, en algunos casos, el cable puede ser el componente más costoso de la unidad.

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Cable de PotenciaLa función del cable de potencia es transmitir la energía eléctrica desde la superficie al motor.

Transmitir las señales de presión, temperatura, etc. desde el instrumento sensor de fondo a la superficie.

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

Los cables de potencia tienen una capa de aleación de estaño sobre los conductores individuales para proveer una protección adicional contra sustancias como el Ácido Sulfhídrico (Sulfuro de hidrógeno) en el pozo.

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Cable de PotenciaESTRUCTURA DEL CABLE:ESTRUCTURA DEL CABLE: aislamiento barrera fibra (malla) camisa (jacket) armadura

6 JLMG

Cable Típico para Temperatura Media

Conductores7 hilos

trenzados

Aislamiento Primario

(EPDM)

Barrera de Cinta

Malla Protectora

Camisa de Nitrilo

Armadura

Metálica

7 JLMG

.

Component Abbreviation Material descriptionInsulation 1) PPE, P Polypropylene copolymer

2) E EPDM(Ethylene Propylene Diene Methylene) rubber3) K Kapton4) T Semi-conductive tape (REDASURFACE)

Barrier 1) S PVDF (Polyvinylidiene fluoride)2) TB Tedlar tape3) F Teflon FEP extrusion4) TB High temperature tape5) L Lead

Jacket 1) PE HDPE (High density polyethylene)2) O Oil-resistant nitrile rubber compound3) E EPDM rubber compound

Armor 1) G Galvanized steel2) HG Heavy Galvanized steel3) DG Double Galvanized4) SS Stainless Steel5) M Monel

Standard interlocking profileFP Flat profile

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Cable Típico para Temperatura Media

Conductores7 hilos

trenzados

Aislamiento Primario

(EPDM)

Barrera de Cinta

Malla Protectora

Camisa de Nitrilo

Armadura

Metálica

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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.

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Cable de Potencia• APLICACION DEL CABLE DE POTENCIAAPLICACION DEL CABLE DE POTENCIA

CALIBRE DEL CABLE

CONFIGURACION DEL CABLE

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Cable de PotenciaPara seleccionar el calibre del cable, se necesita conocer la caída de voltaje que tendrá el cable en el pozo a las condiciones de operación.

La caída de voltaje será una función del flujo de corriente que pasa por el conductor, el tamaño, la longitud y posiblemente su temperatura.

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Caída de voltaje en Cable de Potencia Sumergible

20

40

60

80

100

120

140

0

10

20

30

40

50

60

#6 Cu

#1/O

#4 Cu

#2 Cu#1 Cu#1/O Cu

#1

#2

#4

#6

Corriente en AmperiosCaíd

a de

Vol

taje

por

1,0

00 p

ies

de

Cabl

e

0

13 JLMG

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

14 JLMG

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 Corrección por TemperaturaTemperatura Multiplicador Temperatura Multiplicador

20

40

60

80

100

120

140

0

10

20

30

40

50

60

#6 Cu

#1/O

#4 Cu

#2 Cu#1 Cu#1/O Cu

#1

#2

#4

#6

Corriente en AmperiosCaíd

a de

Vol

taje

por

1,0

00 p

ies

de

Cabl

e

0

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

El motorEl 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.

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Cable de PotenciaSi se desprecia la reactancia del cable, el factor de potencia del cable será exactamente 1.00, esto significa que no se debe calcular la caída 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.

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Cable de PotenciaVectorialmente, el motor y el cable pueden ser representados por el siguiente sistema eléctrico. Para obtener los kW del sistema, se deben sumar vectorialmente.

KW

KVARLKVA

FP = = Cos ( )

FP = = Cos ( ) = 1.0

KW

KVAKVAKW

KW

KVA

Motor

Cable

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

KVARLKVA

KW

Circuito

Motor

Cable

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Cable de PotenciaEl resultado será como se muestra aquí:

KVARLKVA

FP = = Cos ( )

KW

KVAKW

Circuito

s

s

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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 serán: kVA Motor =

El kVAR del motor resultante será:kVAR Motor = kVA - kW = 133.1 - 113.1

= 70.2

BHP x 0.7457 135 x 0.7457 eficiencia 0.89

= 113.1

=

kW MotorF.P. = = 133.1

1130.85

2 2 2 2

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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 ecuación:

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

= 60.6

22=

kVAR Sistema = kVAR Motor + kVAR Cable = 70.2 + 0 = 70.2Note que la resistencia del cable

(ohmios) está basada en 7500 pies de cable N°4 operando a 200 °F.

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Cable de PotenciaEl kVA del sistema está calculado por:

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

La caída real de voltaje en el cable puede ser calculada por:

2 2 22

kVA de Sistema x 1000

I x 1.732

187.3 x 100069.5 x 1.732

= = 1556 volts.

La caída de voltaje en el cable será: el voltaje en la La caída de voltaje en el cable será: el voltaje en la superficie menos el voltaje del motor ó 1556 - 1299 superficie menos el voltaje del motor ó 1556 - 1299 = 257 volts.= 257 volts.

Volts Superficie =

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Cable de PotenciaSi ahora se utiliza la gráfica de caída de voltaje

20

40

60

80

100

120

140

0

10

20

30

40

50

60

#6 Cu

#1/O

#4 Cu

#2 Cu#1 Cu#1/O Cu

#1

#2

#4

#6

Corriente en AmperiosCaíd

a de

Vol

taje

por

1,0

00 p

ies

de

Cabl

e

0

33

69.5

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Cable de PotenciaConsiderando la profundidad de la bomba de 7500 pies:

V = 33 * 7500 / 1000 = 247.5 V

Corrigiendo por temperatura:

Vcorr = V * Fact. Corr. = 247.5 * 1.27 = 314.3 V

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 (95 C).................1.27 302 F (150 C).................1.48

Factores de Corrección por TemperaturaTemperatura Multiplicador Temperatura Multiplicador

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

En este caso en particular, el la caída de voltaje calculada utilizado el FP está entre los dos:

247.5 voltsSin

corrección

257 257 voltsvolts

CorregiCorregidodopor por F.P.F.P.

314.3 voltsCorregido por

resistencia solamente

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Cable de PotenciaRecuerde que se ha ignorado la reactancia del cable, pero si se toma en cuenta, entonces la caída de voltaje será menor que el valor calculado de 257 V. De manera que este valor estará aún más cerca al valor de la gráfica: 247.5 V.

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Cable de PotenciaOtro problema que se presenta independientemente del método que se utilice es definir qué temperatura debería ser usada para determinar el factor de corrección.

El rango de temperatura del pozo está entre la temperatura en la superficie y en el fondo. En el fondo, el cable realmente estará más caliente debido al calor generado por la resistencia. Debido a que el cable está sujetado con flejes a la tubería de producción, el fluido caliente también ayudará en su calentamiento.

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

Gradiente

Geotérmico

Prof

undi

dad

Temperatura

Temperatura del

Conductor

Superficie

TfTs

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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 características de arranque del motor sumergible, por lo tanto la selección adecuada del cable y el sistema de arranque son primordiales para el arranque seguro del motor.

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

El Amperaje de arranque puede ser 5 El Amperaje de arranque puede ser 5 veces o más que el amperaje de operación.veces o más que el amperaje de operación.

Cable de Potencia

SELECCION SELECCION DE LA DE LA CONFIGURACICONFIGURACION DEL ON DEL CABLECABLE

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Cable de Potencia• LIMITACIONES FISICASLIMITACIONES FISICAS

Mientras más pequeño sea el cable en relación al espacio disponible en el anular, más fácil será la instalación. Esto se puede lograr con un conductor más pequeño o, también con un cambio en la geometría del cable (redonda a plana).

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Cable de PotenciaUn conductor puede ser compactado después que los hilos hayan sido trenzados. Esto se hace para reducir su diámetro efectivo, lo que reducirá el diámetro de todo el cable sin pérdida de volumen de cobre. Por ejemplo, un cable compactado N°2 AWG puede pasar por el mismo espacio que un cable estándar N°4 AWG.

Conductor

Trenzado

Conductor Trenzado

y Compactado

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

Intersticios

tienen áreaslibresConduct

orTrenzad

o

Conductor Trenzado

y Compactado

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Cable de PotenciaCables más grandes tendrán mayor eficiencia total pero serán más costosos. Hay un balance entre el costo de capital y el costo operativo.

Además, si el cable es muy grande, requiere más espacio en el pozo.

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

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Cable de PotenciaUna desventaja del cable plano es que generalmente ofrece menor protección mecánica que el redondo, por lo que será más susceptible a dañarse durante la instalación.

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Cable de PotenciaOtra desventaja del cable plano, y posiblemente la más importante, es que éste es asimétrico mientras que el redondo es completamente simétrico.

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

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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.

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

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Cable de PotenciaLa caída de voltaje en el conductor depende directamente de la temperatura, y como la temperatura es más alta, la pérdida será mayor.

En el cable plano, el voltaje trifásico en los terminales del motor normalmente estará desbalanceado aunque el voltaje esté perfectamente balanceado en la superficie.

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Cable de PotenciaUn desbalance de voltaje recalentará el motor un poco más de lo normal. Usualmente esto no es crítico.

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

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Cable de PotenciaAlgunos de los factores que afectarán la

selección son: Temperatura de FondoTemperatura de Fondo Temperatura del ConductorTemperatura del Conductor Tipo de Fluido del PozoTipo de Fluido del Pozo Químicos de TratamientoQuímicos de Tratamiento Temperatura en la SuperficieTemperatura en la Superficie Presión MáximaPresión Máxima RGPRGP Nivel de FluidoNivel de Fluido HH22S y COS y CO22

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Cable de PotenciaUn cable es tan fuerte como su componente más débil. Este componente débil puede ser el aislamiento, la camisa (jacket), la barrera de cinta o algún 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.

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

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

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Cable de PotenciaEl Polipropileno/etileno es un aislamiento del tipo termoplástico y normalmente se usa para un rango de temperatura del conductor de 200ºF a 210ºF. Debido a que el aislamiento está 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 comenzará a derretirse lo cual ocasionará una falla del cable.

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

FuerzaIntrínseca

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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.

BOOM!

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Cable de PotenciaLa mayoría de los programas de diseño computarizados, toman en cuenta la temperatura del conductor. Hay también un método manual que puede ser usado para calcular esta temperatura para los cables comunes con base en la siguiente ecuación:

donde el factor "a" se obtiene de la siguiente tabla:

T = ( a x I ) + T

C Pozo

2

C

Pozo

T

TI

es la temperatura del conductor en °Fes la corriente en amperios

es la temperatura del entorno en °F

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Cable de Potencia

Redalene (POTB)

Redalene (PPEO)Redahot (ETKO)Redahot (ETBO)Redablack (EEF)Redablack (EER)Redalead (ELB)Redalead (ELBE)

#6 #4 #2 #1 #1/O #2/O0.02810.01990.02750.02000.02750.01990.02810.0202

0.01760.01120.01690.01170.01670.01150.01690.0116

0.00970.00620.00900.00620.00860.00580.00860.0058

0.00700.00450.00680.00460.00640.00430.00640.0042

0.00480.00310.00530.00340.00500.00320.00500.0031

0.00380.00250.00420.00270.00390.00250.00390.0025

Factor "a"

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Cable de PotenciaTodos estos cálculos están basados en investigación y análisis de "elementos finitos" en modelos de sistemas de cables de subsuelo.Revestimie

ntoTubería

FluidoAnular

FluidoProducido

Equivalencia deTemperatura 456.7

451.3445.9440.6435.2429.8424.4419.1413.7408.3

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Cable de PotenciaComo referencia rápida hay gráficos disponibles en los catálogos, para la mayoría de los cables, que permiten determinar el máximo amperaje permisible en un cable.

Estos gráficos asumen que hay una limitación de la máxima temperatura permitida para un cable y muestran cuanta corriente puede pasar por él, a la temperatura de fondo.

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EER (t.c.c. Redablack Redondo)

EEF (t.c.c. Redablack Plano)300

250

200

150

100

50

0

100 150 200 250 300 350 400

100 150 200 250 300 350 400

400

300

200

100

0

Leyenda:

AWG 2/O

AWG 1/O

AWG 1

AWG 2

AWG 4

AWG 6

Cor

rient

e M

áxim

a

Temperatura de Fondo (° F)

54 JLMG

Cable de PotenciaLa capacidad de amperaje del cable que muestra la gráfica es una limitación que no debería ser excedida. Sin embargo, la degradación térmica y química en el cable se incrementarán logarítmicamente con la temperatura. Por esto, si ponemos el cable a su límite máximo, su vida útil se verá afectada.

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

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

Generalmente, se utiliza nitrilo o EPDM para reencamisarlos.

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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 ±275°F (dependiendo del compuesto específico).

Para las temperaturas de fondo mayores que este valor, el EPDM puede ser utilizado en lugar de Nitrilo, pero es más 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.

57 JLMG

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

Por ejemplo, si la temperatura de fondo del pozo para una aplicación específica es 180°F, podría utilizarse el cable Redalene (PPEO).

Pero si la temperatura en la superficie está en el rango de -70°F (o menor), el cable podría sufrir daño al pasar alrededor de la rueda guía durante la instalación.

58 JLMG

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 instalación.

59 JLMG

Cable de PotenciaTratamientos químicos:

Un cable puede ser apropiado para las condiciones de fondo, pero si se provee un tratamiento químico en el pozo, se debería considerar el efecto de los productos químicos de tratamiento para asegurar que estos no causarán daño al cable.

60 JLMG

Cable de PotenciaHay una gran variedad de cables sumergibles disponible y éstos están diseñados para funcionar en muchas aplicaciones diferentes tales como baja temperatura, alta temperatura, alta presión, mucho gas libre, productos químicos corrosivos, etc.

Si no existe un cable para una aplicación específica, es fácil fabricar uno especial cuando sea necesario.

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Cable

61 JLMG

Camisa de polietileno Alta DensidadNota: Sin Armadura

Conductores7 hilos trenzados

3KV es Blanco5KV es Verde

Cable Típico para Muy Baja Temperatura

Aislamiento Primario (PPE)Polipropileno/Etileno

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ConductorSólido

Aislamiento Primario (EPDM)

Barrera de Cinta

Malla Protectora

Armadura

Metálica de

perfil bajo

Cable Plano Típico para Temperatura Media

Camisa de Nitrilo

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Cable Típico de Alta Temperatura

Conductores7 hilos

trenzados

Aislamiento Primario (EPDM)

Camisa de EPDM

Armadura

Metálica

64 JLMG

ConductorCamisa de

Plomo

Malla Protectora

ArmaduraMetálica

deperfil bajo

Cable de Alta Temperatura

Aislamiento Primario(EPDM)

65 JLMG

ConductorSólido

Aislamiento PrimarioKapton

Camisa de Plomo

Malla Protectora

ArmaduraMetálica

deperfil bajo

Cable de Extensión del Motor

Aislamiento Secundario (EPDM)

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Cable de PotenciaArmadura1) Acero Inoxidable2) Galvanizada Doble