Empalmes Cruzado en la BES

EMPALMES CRUZADOS PARA CABLE DE

POTENCIA PLANO DE BES

BAKER HUGHES - CENTRILIFT Pag: 1 DE 1

PREPARADO POR REVISADO Y CORREGIDO

POR:

APROBADO POR: REVISION FECHA

JAIME VALBUENA A DIC 2003

EMPALMES CRUZADOS EN

CABLES DE POTENCIA

CONFIGURACION

PLANO UTILIZADO EN

BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Por Jaime Valbuena.





POR:


JAIME E. VALBUENA A DIC 2003

Introduccin

El propsito 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 magnticos en los conductores, podemos llegar a la conclusin 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 bsicos del magnetismo y sus efectos, estos tambin aplican a los campos magnticos que se producen por corrientes elctricas a travs de los conductores por donde circulan.

Alcance

Todas las instalaciones de BES que se diseen con cable de potencia plano y tengan grandes longitudes del mismo, al da de hoy se han aplicado en varias compaas (Hocol, Perenco) con resultados satisfactorios.





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MAGNETISMO

Las fuerzas caractersticas de los imanes se denominan fuerzas magnticas. El desarrollo de la fsica ampli el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnticas. Las corrientes elctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos magnticos. Siendo las cargas mviles las ltimas en llegar al panorama del magnetismo, han permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos magnticos conocidos desde la antigedad.

El trmino magnetismo tiene su origen en el nombre que en la poca de los filsofos griegos reciba una regin del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra negra o piedra imn 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 conoca un cierto nmero de fenmenos magnticos, el magnetismo como disciplina no comienza a desarrollarse hasta ms de veinte siglos despus, cuando la experimentacin se convierte en una herramienta esencial para el desarrollo del conocimiento cientfico. Gilbert (1544-1603), Ampre (1775-1836), Oersted (1777-1851), Faraday (1791-1867) y Maxwell (1831-1879), investigaron sobre las caractersticas de los fenmenos magnticos, aportando una descripcin en forma de leyes, cada vez ms completa.

Los fenmenos magnticos haban permanecido durante mucho tiempo en la historia de la ciencia como independientes de los elctricos. Pero el avance de la electricidad por un lado y del magnetismo por otro, prepar la sntesis de ambas partes de la fsica en una sola, el electromagnetismo, que rene las relaciones mutuas existentes entre los campos magnticos y las corrientes elctricas. James Clark Maxwell fue el cientfico que cerr ese sistema de relaciones al elaborar su teora electromagntica, una de las ms bellas construcciones conceptuales de la fsica clsica.

Toda corriente elctrica produce un campo magntico. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente elctrica que recorre un conductor mas elevado ser el campo magntico que genere.

Cuando una corriente viaja por un conductor (cable), genera a su alrededor un efecto no visible llamado campo Electromagntico.

La intensidad del campo magntico ( B )

Como sucede en otros campos de fuerza, el campo magntico queda definido matemticamente 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 magntico, a

veces denominada induccin magntica, se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en direccin y sentido con los de la lnea de fuerza magntica correspondiente. Las brjulas, al alinearse a lo largo de las lneas de fuerza del campo

magntico, indican la direccin y el sentido de la intensidad del campo B.

Este campo forma unos crculos alrededor del cable como ase muestra en la figura 1. Hay crculos cerca y lejos del cable en forma simultanea. De igual manera el campo magntico es mas intenso entre mas cercano se este del cable y esta intensidad diminuye conforme





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se aleja de l hasta que su efecto es nulo. Se puede encontrar el sentido que tiene el flujo magntico si se conoce la direccin que tiene la corriente en el cable y con la ayuda de la Ley de la mano derecha (ver aplicacin mas adelante).

La formula para obtener el campo magntico de un conductor largo es:

B = * I *

2 * d

Figura 1

Donde:

B : Campo magntico

: 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 )

APLICACI N DE LA REGLA DE LA MANO DERECHA





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La regla de la mano derecha permite determinar el sentido de las lneas de fuerza, y por

tanto del campo magntico B creado por una corriente rectilnea, pero tambin la de una corriente circular si se aplica a una porcin de la misma. Se trata de determinar, aplicando dicha regla, la direccin de la corriente y las lneas del campo magntico como lo muestran las figuras 1 y 2.

Figura 2- Aplicacin de la regla de la mano derecha, los dedos alrededor del conductor indican el sentido del campo magntico y el dedo ndice el sentido de la corriente

CAMPO ELCTRICO Y CAMPO MAGNTICO

La fuerza magntica (Fm) sobre una corriente

Una corriente es un conjunto de cargas en movimiento. Ya que un campo magntico ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, tambin 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 conduccin en el conductor, pero puesto que los electrones no pueden escapar lateralmente, la fuerza debe transmitirse al conductor mismo.

Adems de sus notables descubrimientos experimentales Faraday hizo una contribucin terica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la fsica hasta la actualidad: el concepto de lnea de fuerza y asociado a este, el de campo.





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Oersted haba escrito que el efecto magntico de una corriente elctrica que circula por un alambre se esparce en el espacio fuera del alambre. De esta forma la aguja de una burbuja lo podr sentir y girar debido a la fuerza que experimenta.

En resumen lo que podemos decir es que un conductor produce un campo magntico (B) alrededor de el, este campo magntico ejerce una fuerza sobre cualquier partcula que este dentro de ese campo, llamada fuerza magntica (Fm ). A partir del campo magntico podemos calcular la fuerza magntica que produce. As lo muestra el siguiente ejemplo.

La formula de la fuerza magntica que produce una corriente que circula por un conductor es la siguiente:

Fm = I * B * L * sen

APLICACIN: FUERZA MAGNTICA SOBRE UNA CORRIENTE ELCTRICA

Por un hilo conductor rectilneo de 0,75 m de longitud circula una corriente de 20 A de intensidad; se coloca en el campo magntico producido por un imn de herradura, formando la corriente un ngulo de 30 con respecto a las lneas de fuerza del campo

magntico. Si la intensidad del campo B es de 2 * 10^3T, determinar numricamente la magnitud de la fuerza y con la ayuda de una figura su direccin y sentido.

La ley de Laplace proporciona la expresin de la fuerza magntica que sufre una corriente

elctrica I rectilnea y de longitud L si est inmersa en un campo magntico B:


Siendo el ngulo que forma la corriente con el campo B.

Sustituyendo en la expresin anterior se tiene:

Fm = 20 * 2 * 10^3T 0,75 * sen 30 = 1,5 *10 ^2 N

La aplicacin de la regla del tornillo proporciona la direccin y sentido de Fm, que es perpendicular a la corriente y al campo.

Fuerza magntica entre dos conductores Andre-Marie Ampere, en Francia, advirti que si una corriente en un hilo ejerca una fuerza magntica sobre la aguja, dos hilos semejantes tambin deberan interactuar magnticamente. Mediante una serie de ingeniosos experimentos mostr que esta interaccin 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 fcil de ver el efecto para los que no demandan matemticas: (esta no es la frmula bsica). 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 frmula bsica nos proporciona la fuerza entre ellas como proporcional a





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I1 I2 L1 L1/d2

(Se hace ms complicada si las corrientes fluyen en direcciones inclinadas entre s por un ngulo). Entonces, para hallarla fuerza entre hilos de forma complicada que transportan corrientes elctricas, deben sumarse todas esas pequeas aportaciones a la fuerza. Para dos hilos rectos, el resultado final es como arriba, una fuerza inversamente proporcional a d, no a d2

As que existen dos tipos de fuerzas asociadas con la electricidad -la elctrica y la magntica. En 1864 James Clerk Maxwell demostr una sutil relacin entre los dos tipos de fuerza, implicando inesperadamente a la velocidad de la luz. De esta relacin surgieron: la idea de que la luz era un fenmeno elctrico, el descubrimiento de las ondas de radio, la teora de la relatividad y una gran consecucin de la fsica actual. Para mas comprensin podemos responder dos preguntas: -Que es un corriente elctrica?

Es el flujo de electrones en un conductor.

Que es un campo magntico B?

Describimos al espacio alrededor de un imn permanente o de un conductor que conduce corriente como el lugar ocupado por un campo magntico

Que es una fuerza magntica (Fm) sobre un conductor?

Es la fuerza que acta sobre un conductor por el que circula una corriente I generado por un B externo.

Como es un campo magntico B en dos conductores paralelos?

Cada conductor genera su propio campo magntico B, en otras palabras es independiente.

Como es la fuerza magntica (Fm) en dos conductores paralelos?

Cada conductor ejerce su propia fuerza magntica dependiendo de la corriente y la longitud del cable, la cual se ejerce sobre el otro conductor. Figura 3





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Figura 3

Atracciones y repulsiones magnticas entre corrientes

Las corrientes elctricas en presencia de imanes sufren fuerzas magnticas, pero tambin las corrientes elctricas y no slo los imanes producen campos magnticos; de modo que dos corrientes elctricas suficientemente prximas experimentarn entre s fuerzas magnticas de una forma parecida a lo que sucede con dos imanes.

La experimentacin con conductores dispuestos paralelamente pone de manifiesto que stos se atraen cuando las corrientes respectivas tienen el mismo sentido y se repelen cuando sus sentidos de circulacin son opuestos. Adems, esta fuerza magntica 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 adems de las caractersticas del medio.

La explicacin de tales resultados experimentales puede hacerse aplicando ordenadamente la ley de Laplace,

Fm = I * B * L * sen , la expresin del campo magntico





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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 proteccin

mecnica

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 explicacin.

Anlisis:

El conductor B esta sometido a las fuerzas magnticas 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

magntico a los conductores A y C sobre B:

Ba = * Ia * = Bc = * Ic *

2 * d2 2 * d3

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

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

: Pi = 3.1416 ( tambin es una constante)





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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 estn influenciados por dos campos totalmente diferentes porque d1 es diferente de d2 o d3. lo que indica que los tres conductores tienen campos magnticos diferentes lo cual nos lleva a decir con certeza que la fuerza magntica de los tres conductores es tambin diferente. Aplicando la formula:


I : Corriente de cada conductor

B : Campo magntico de cada conductor, diferente para la fase B de la A y C

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

sen : Puede variar algo por la distancia que separa los conductores

Por lo tanto la fuerza magntica tambin es diferente en los tres conductores ya que no es igual para cada uno de ellos como se vio anteriormente, y entre mas longitud tenga el cable, esta fuerza magntica 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 DE SBALANCE DE CORRIENTES.

Como ya vimos que la fuerza magntica acta sobre las partculas en movimiento, esta afectara a los electrones que circulan por cada conductor (corriente elctrica) creando un desbalance de la misma en alguno de los tres conductores.

SOLUCION

Para contrarrestar el efecto de la fuerza magntica 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 explicacin es sencilla si sabemos aplicar las formulas de campo magntico y fuerza

magntica, 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.





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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

posicin a otro en la b y otro en la c, sin importar en que parte del mismo cable, siempre estar

en una posicin diferente despus de cada empalme, esto significa que cada conductor esta

sometido a las 3 fuerzas magnticas de un cable plano normal. Ver tabla 1

Posicin Conductor

verde

Posicin Conductor

azul

Posicin Conductor

Amarillo

Primer Tramo a b c

Segundo Tramo

Empalme 1 c a b

Tercer Tramo

Empalme 2 b c a

Tabla 1- Cada conductor ocupa en cada tramo una posicin diferente, al final los tres

conductores estn sometidos a las mismas fuerzas magnticas.

Si se realiza la suma algebraica de las 3 fuerzas magnticas (Fuerza magntica 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 magntico 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 LO S EMPALMES SE REALIC EN 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 lneas de

transmisin de alta tensin. 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 lneas que parecen

unidas por un conductor como si se pusieran en corto, lo que realmente sucede es que estn

cambiando de posicin la lnea de transmisin.





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BIBLIOGRAFIA :

WWW. MONOGRAFIAS .COM

ELECTROMAGNETIMO .

MANUAL DE INGENIERIA ELECTRICA

CAMPOS MAGNETICOS .

ELECTRONICS BOOKS FOR TECHNICIANS

J AIME E. VALBUENA A. CORDINADOR FIELD SERVICE

CENTRILIFT NEIVA - COLOMBIA

Empalmes Cruzado en la BES

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