Empalmes Cruzado En La Bes

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

1 DE 1

EMPALMES CRUZADOS EN CABLES DE POTENCIA CONFIGURACION PLANO UTILIZADO EN BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Por Jaime Valbuena.

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

2 DE 2

Introducción El propósito de este documento es explicar el porque de los empalmes cruzados para el cable plano en el BES, entendiendo el efecto que producen los campos magnéticos en los conductores, podemos llegar a la conclusión de que una de las formas mas efectiva para evitar desbalances de corriente y limitaciones de los equipo de superficie por una sola de las fases es realizando empalmes cruzados en el cable de potencia plano. Para esto tenemos que familiarizarnos con los conceptos básicos del magnetismo y sus efectos, estos también aplican a los campos magnéticos que se producen por corrientes eléctricas a través de los conductores por donde circulan. Alcance Todas las instalaciones de BES que se diseñen con cable de potencia plano y tengan grandes longitudes del mismo, al día de hoy se han aplicado en varias compañías (Hocol, Perenco) con resultados satisfactorios.

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

3 DE 3

MAGNETISMO Las fuerzas características de los imanes se denominan fuerzas magnéticas. El desarrollo de la física amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos magnéticos. Siendo las cargas móviles las últimas en llegar al panorama del magnetismo, han permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos magnéticos conocidos desde la antigüedad. El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos recibía una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder similar. A pesar de que ya en el siglo VI a. de C. se conocía un cierto número de fenómenos magnéticos, el magnetismo como disciplina no comienza a desarrollarse hasta más de veinte siglos después, cuando la experimentación se convierte en una herramienta esencial para el desarrollo del conocimiento científico. Gilbert (1544-1603), Ampére (1775-1836), Oersted (1777-1851), Faraday (1791-1867) y Maxwell (1831-1879), investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos, aportando una descripción en forma de leyes, cada vez más completa. Los fenómenos magnéticos habían permanecido durante mucho tiempo en la historia de la ciencia como independientes de los eléctricos. Pero el avance de la electricidad por un lado y del magnetismo por otro, preparó la síntesis de ambas partes de la física en una sola, el electromagnetismo, que reúne las relaciones mutuas existentes entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. James Clark Maxwell fue el científico que cerró ese sistema de relaciones al elaborar su teoría electromagnética, una de las más bellas construcciones conceptuales de la física clásica. Toda corriente eléctrica produce un campo magnético. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente eléctrica que recorre un conductor mas elevado será el campo magnético que genere. Cuando una corriente viaja por un conductor (cable), genera a su alrededor un efecto no visible llamado campo Electromagnético. La intensidad del campo magnético ( B

)

Como sucede en otros campos de fuerza, el campo magnético queda definido matemáticamente si se conoce el valor que toma en cada punto una magnitud vectorial que recibe el nombre de intensidad de campo. La intensidad del campo magnético, a veces denominada inducción magnética, se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en dirección y sentido con los de la línea de fuerza magnética correspondiente. Las brújulas, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indican la dirección y el sentido de la intensidad del campo B. Este campo forma unos círculos alrededor del cable como ase muestra en la figura 1. Hay círculos cerca y lejos del cable en forma simultanea. De igual manera el campo magnético es mas intenso entre mas cercano se este del cable y esta intensidad diminuye conforme

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

4 DE 4

se aleja de él hasta que su efecto es nulo. Se puede encontrar el sentido que tiene el flujo magnético si se conoce la dirección que tiene la corriente en el cable y con la ayuda de la Ley de la mano derecha (ver aplicación mas adelante). La formula para obtener el campo magnético de un conductor largo es:

B= µ* I* 2¶ * d

Figura 1 Donde: •

B : Campo magnético

•

µ : Es la permeabilidad del aire

•

I : La corriente que circula por el cable

•

¶ : Pi = 3.1416

•

d : distancia desde el cable ( en algunos casos se denomina con la letra r )

APLICACIÓN DE LA REGLA DE LA MANO DERECHA PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

5 DE 5

La regla de la mano derecha permite determinar el sentido de las líneas de fuerza, y por tanto del campo magnético B creado por una corriente rectilínea, pero también la de una corriente circular si se aplica a una porción de la misma. Se trata de determinar, aplicando dicha regla, la dirección de la corriente y las líneas del campo magnético como lo muestran las figuras 1 y 2.

Figura 2- Aplicación de la regla de la mano derecha, los dedos alrededor del conductor indican el sentido del campo magnético y el dedo índice el sentido de la corriente CAMPO ELÉCTRICO Y CAMPO MAGNÉTICO La fuerza magnética (Fm) sobre una corriente Una corriente es un conjunto de cargas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, también debe ejercer una fuerza lateral sobre un conductor por el cual fluya una corriente. Esto es, se ejerce una fuerza lateral sobre los electrones de conducción en el conductor, pero puesto que los electrones no pueden escapar lateralmente, la fuerza debe transmitirse al conductor mismo. Además de sus notables descubrimientos experimentales Faraday hizo una contribución teórica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la física hasta la actualidad: el concepto de línea de fuerza y asociado a este, el de campo. PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

6 DE 6

Oersted había escrito que el efecto magnético de una corriente eléctrica que circula por un alambre se esparce en el espacio fuera del alambre. De esta forma la aguja de una burbuja lo podrá sentir y girar debido a la fuerza que experimenta. En resumen lo que podemos decir es que un conductor produce un campo magnético (B) alrededor de el, este campo magnético ejerce una fuerza sobre cualquier partícula que este dentro de ese campo, llamada fuerza magnética (Fm ). A partir del campo magnético podemos calcular la fuerza magnética que produce. Así lo muestra el siguiente ejemplo. La formula de la fuerza magnética que produce una corriente que circula por un conductor es la siguiente: Fm = I * B * L * sen ö APLICACIÓN: FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA Por un hilo conductor rectilíneo de 0,75 m de longitud circula una corriente de 20 A de intensidad; se coloca en el campo magnético producido por un imán de herradura, formando la corriente un ángulo de 30º con respecto a las líneas de fuerza del campo magnético. Si la intensidad del campo B es de 2 * 10^3T, determinar numéricamente la magnitud de la fuerza y con la ayuda de una figura su dirección y sentido. La ley de Laplace proporciona la expresión de la fuerza magnética que sufre una corriente eléctrica I rectilínea y de longitud L si está inmersa en un campo magnético B: Fm = I * B * L * sen ö Siendo ö el ángulo que forma la corriente con el campo B. Sustituyendo en la expresión anterior se tiene: Fm = 20 * 2 * 10^3T · 0,75 * sen 30 = 1,5 · *10 ^2 N La aplicación de la regla del tornillo proporciona la dirección y sentido de Fm, que es perpendicular a la corriente y al campo.

Fuerza magnética entre dos conductores Andre-Marie Ampere, en Francia, advirtió que si una corriente en un hilo ejercía una fuerza magnética sobre la aguja, dos hilos semejantes también deberían interactuar magnéticamente. Mediante una serie de ingeniosos experimentos mostró que esta interacción era simple y fundamental, las corrientes paralelas (rectas) se atraen, las corrientes antiparalelas se repelen. La fuerza entre dos largas corrientes rectas y paralelas era inversamente proporcional a la distancia entre ellas y proporcional a la intensidad de la corriente que pasaba porcada una. [Una forma fácil de ver el efecto para los que no demandan matemáticas: (esta no es la fórmula básica). Dadas dos cortas corrientes paralelas I1 y I2, fluyendo en segmentos de hilo de longitudes L1 y L2 y separados por una distancia R, la fórmula básica nos proporciona la fuerza entre ellas como proporcional a

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

7 DE 7

I1 I2 L1 L1/d2 (Se hace más complicada si las corrientes fluyen en direcciones inclinadas entre sí por un ángulo). Entonces, para hallarla fuerza entre hilos de forma complicada que transportan corrientes eléctricas, deben sumarse todas esas pequeñas aportaciones a la fuerza. Para dos hilos rectos, el resultado final es como arriba, una fuerza inversamente proporcional a d, no a d2 Así que existen dos tipos de fuerzas asociadas con la electricidad -la eléctrica y la magnética. En 1864 James Clerk Maxwell demostró una sutil relación entre los dos tipos de fuerza, implicando inesperadamente a la velocidad de la luz. De esta relación surgieron: la idea de que la luz era un fenómeno eléctrico, el descubrimiento de las ondas de radio, la teoría de la relatividad y una gran consecución de la física actual. Para mas comprensión podemos responder dos preguntas: -Que es un corriente eléctrica? Es el flujo de electrones en un conductor. Que es un campo magnético B? Describimos al espacio alrededor de un imán permanente o de un conductor que conduce corriente como el lugar ocupado por un campo magnético Que es una fuerza magnética (Fm) sobre un conductor? Es la fuerza que actúa sobre un conductor por el que circula una corriente I generado por

un B externo. Como es un campo magnético B en dos conductores paralelos? Cada conductor genera su propio campo magnético B, en otras palabras es independiente. Como es la fuerza magnética (Fm) en dos conductores paralelos? Cada conductor ejerce su propia fuerza magnética dependiendo de la corriente y la longitud del cable, la cual se ejerce sobre el otro conductor. Figura 3

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

8 DE 8

Figura 3 Atracciones y repulsiones magnéticas entre corrientes Las corrientes eléctricas en presencia de imanes sufren fuerzas magnéticas, pero también las corrientes eléctricas y no sólo los imanes producen campos magnéticos; de modo que dos corrientes eléctricas suficientemente próximas experimentarán entre sí fuerzas magnéticas de una forma parecida a lo que sucede con dos imanes. La experimentación con conductores dispuestos paralelamente pone de manifiesto que éstos se atraen cuando las corrientes respectivas tienen el mismo sentido y se repelen cuando sus sentidos de circulación son opuestos. Además, esta fuerza magnética entre corrientes paralelas es directamente proporcional a la longitud del conductor y al producto de las intensidades de corriente e inversamente proporcional a la distancia d que las separa, dependiendo además de las características del medio. La explicación de tales resultados ordenadamente la ley de Laplace,

experimentales

puede

hacerse

aplicando

Fm = I * B * L * sen ö, la expresión del campo magnético

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

9 DE 9

EFECTO SOBRE EL CABLE DE POTENCIA PLANO En la figura 4 tenemos un cable de potencia plano el cual se utiliza en las instalaciones de BES para alimentar el motor, este se compone de tres conductores separados por las capas de aislamiento, en algunos casos plomo y van sujetos por una coraza que sirve de protección mecánica

Figura 4 – Cable de potencia plano utilizado en BES

Los conductores se nombran con las letras A, B, y C, pero no significan el orden de las fases del motor, simplemente para efectos de la explicación. Análisis: El conductor B esta sometido a las fuerzas magnéticas de los conductores A y B las cuales deben de ser iguales ya que d2 y d3 son iguales y se asume que la corriente es la misma porque la impedancia del motor es igual para los tres devanados. Por lo tanto aplicando la formula de campo magnético a los conductores A y C sobre B:

Ba = µ * Ia *

=

Bc = µ * Ic *

2¶ * d2 •

2¶ * d3

µ : Es la permeabilidad del aire y es una constante para los tres conductores pues todos están en el mismo medio ambiente

•

I : La corriente que circula por el cable ( aparentemente igual para los tres)

•

¶ : Pi = 3.1416 ( también es una constante)

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

•

Pag:

10 DE 10

d : distancia desde el cable ( el conductor B esta a la misma distancia del A y del conductor C )

Caso diferente para los conductores A y C ya que la distancia que los separa es aproximadamente dos veces la que los separa del conductor B, por lo tanto están influenciados por dos campos totalmente diferentes porque d1 es diferente de d2 o d3. lo que indica que los tres conductores tienen campos magnéticos diferentes lo cual nos lleva a decir con certeza que la fuerza magnética de los tres conductores es también diferente. Aplicando la formula: Fm = I * B * L * sen ö

I : Corriente de cada conductor

B : Campo magnético de cada conductor, diferente para la fase

B de la A y C

L : Longitud del cable (igual para los tres conductores)

sen ö : Puede variar algo por la distancia que separa los conductores Por lo tanto la fuerza magnética también es diferente en los tres conductores ya que â no es igual para cada uno de ellos como se vio anteriormente, y entre mas longitud tenga el cable, esta fuerza magnética aumenta porque la longitud es directamente proporcional a ella como lo muestra la formula. ESTA ES LA RAZON DEL PORQUE EN INSTALACIONES POCO PROFUNDAS NO SE PRESENTA TANTO DESBALANCE DE CORRIENTES. Como ya vimos que la fuerza magnética actúa sobre las partículas en movimiento, esta afectaría a los electrones que circulan por cada conductor (corriente eléctrica) creando un desbalance de la misma en alguno de los tres conductores.

SOLUCION Para contrarrestar el efecto de la fuerza magnética de cada conductor sobre los otros dos se realizan empalmes cruzados tal como lo muestra al figura 5.

Empalme 1

Empalme 2

Figura 5 – forma de realizar los empalmes cruzados en cables planos de equipos BES La explicación es sencilla si sabemos aplicar las formulas de campo magnético y fuerza magnética, en la figura 5 se ven los tres conductores del cable plano cada uno de un color para ser mas comprensible, El cable a instalar se divide si es posible en tres partes iguales, con el fin de realizar dos empalmes cruzados.

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

11 DE 11

Si se observa bien cada conductor, se puede ver que cada uno ocupa durante la totalidad de su longitud las tres posiciones de un cable plano normal. Tal como se muestra hay un tramo en la posición a otro en la b y otro en la c, sin importar en que parte del mismo cable, siempre estará en una posición diferente después de cada empalme, esto significa que cada conductor esta sometido a las 3 fuerzas magnéticas de un cable plano normal. Ver tabla 1

Posición Conductor

Posición Conductor

Posición Conductor

verde

azul

Amarillo

a

b

c

c

a

b

b

c

a

Primer Tramo Segundo Tramo Empalme 1 Tercer Tramo Empalme 2

Tabla 1- Cada conductor ocupa en cada tramo una posición diferente, al final los tres conductores están sometidos a las mismas fuerzas magnéticas. Si se realiza la suma algebraica de las 3 fuerzas magnéticas (Fuerza magnética total del conductor), a la que es sometido cada conductor podemos decir que el total de esta suma es igual para cada uno de ellos, o sea que se reparte equitativamente el campo magnético de los tres conductores. Como resultado final de este proceso se tiene un balance de las corrientes del motor, y por consiguiente del variador. Hay que tener en cuenta que el desbalance de corriente en un equipo BES no debe ser mayor del 10%. NOTA: ES IMPORTANTE QUE LOS EMPALMES SE REALICEN TAL COMO MUESTRA LA FIGURA 5 PARA QUE CADA CONDUCTOR OCUPE LAS TRES POSICIONES DE OTRA FORMA PODEMOS AGRAVAR EL PROBLEMA.

Uno de los mas notables efectos de este mismo procedimiento se puede ver en las líneas de transmisión de alta tensión. Debido a que estos cables son de longitudes grandes (Km), usted se puede encontrar que en una de las torres que sostiene los cables hay dos líneas que parecen unidas por un conductor como si se pusieran en corto, lo que realmente sucede es que están cambiando de posición la línea de transmisión.

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME VALBUENA

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE POTENCIA PLANO DE BES BAKER HUGHES - CENTRILIFT

Pag:

12 DE 12

BIBLIOGRAFIA: WWW. MONOGRAFIAS.COM ELECTROMAGNETIMO. MANUAL DE INGENIERIA ELECTRICA CAMPOS MAGNETICOS.

ELECTRONICS BOOKS FOR TECHNICIANS

JAIME E. VALBUENA A. CORDINADOR FIELD SERVICE CENTRILIFT NEIVA - COLOMBIA

PREPARADO POR

REVISADO Y CORREGIDO

APROBADO POR:

REVISION

FECHA

A

DIC 2003

POR: JAIME E. VALBUENA