Cómo dimensionar un cable de energía para una bomba sumergible de pozo profundo

Un motor de superficie normalmente se encuentra cerca de su panel de control y permanece accesible para inspección. Un motor de bomba de pozo puede operar a decenas o cientos de metros bajo tierra.

La ruta eléctrica puede incluir:

• Cable de transformador a panel

• Cable de panel a cabeza de pozo

• Cable por el pozo

• Cables de motor de fábrica

• Empalme subacuático

• Resistencia de terminales y conexiones

Cada sección contribuye a la caída de voltaje total.

El cable sumergido también debe operar en un entorno restrictivo. Puede estar expuesto a:

• Inmersión continua

• Presión hidrostática

• Temperatura del agua

• Química del agua

• Abrasión contra la carcasa

• Presión de abrazadera de cable

• Vibración de la bomba

• Cargas mecánicas durante la instalación

• Envejecimiento del aislamiento a largo plazo

Un cable que es adecuado para un edificio industrial seco no es automáticamente adecuado para una instalación sumergida en pozo.

Comience con el motor exacto en lugar del nombre de la serie de la bomba.

Registrar:

• Potencia nominal del motor

• Voltaje nominal

• Frecuencia

• Suministro monofásico o trifásico

• Corriente nominal

• Corriente de funcionamiento a plena carga o máxima

• Factor de potencia

• Eficiencia

• Método de arranque

• Número de cables del motor

• Clase de aislamiento

• Tolerancia de voltaje permitida

• Datos de longitud máxima de cable del fabricante

Las bombas sumergibles SLAPK se pueden configurar para diferentes voltajes y frecuencias, incluidos los requisitos específicos del proyecto de 50 Hz y 60 Hz. Las configuraciones disponibles dependen del modelo de motor y bomba seleccionado.

No asuma que dos motores con la misma potencia en kilovatios tienen la misma corriente. La corriente nominal cambia con el voltaje, la fase, la eficiencia, el factor de potencia y el diseño del motor.

Utilice la hoja de datos del motor confirmada para el pedido exacto.

No utilice la profundidad del pozo sola como longitud del cable.

La ruta eléctrica completa puede incluir:

• Distancia del transformador al panel de control

• Distancia del panel de control a la cabeza del pozo

• Cable adicional dentro del panel

• Profundidad desde la cabeza del pozo hasta la conexión del motor

• Bucle de servicio en la cabeza del pozo

• Cable necesario para la terminación

• Ruteo alrededor de estructuras

• Margen para mantenimiento planificado

Si el pozo tiene 120 m de profundidad pero el panel de control está a 45 m de la cabeza del pozo, la ruta eléctrica ya es sustancialmente más larga que solo la sección del pozo.

Utilice la longitud real de la ruta unidireccional al consultar la tabla de cables de motor aplicable o al realizar el cálculo de caída de voltaje. Aplique la fórmula correcta para la disposición de fase; no duplique ni multiplique manualmente las longitudes a menos que el método de cálculo seleccionado lo requiera.

El cable de motor de fábrica también debe incluirse si el método de dimensionamiento del fabricante no lo tiene en cuenta.

El requisito de corriente del cable se basa normalmente en la corriente confirmada del motor y las reglas eléctricas aplicables.

No calcule el tamaño del cable solo a partir de kilovatios cuando haya una corriente nominal disponible.

La revisión del diseño debe considerar:

• Corriente de funcionamiento normal

• Factor de servicio del motor, si corresponde

• Corriente de arranque

• Duración del arranque

• Frecuencia de arranques

• Temperatura ambiente

• Agrupación de cables

• Método de instalación

• Contenido armónico de un VFD

• Coordinación requerida del dispositivo de protección

La corriente de arranque generalmente no significa que el cable deba transportar la corriente de rotor bloqueado continuamente. Sin embargo, el cable debe mantener suficiente voltaje durante el arranque para que el motor desarrolle un torque adecuado.

Un cable largo y subdimensionado puede crear una gran caída de voltaje durante el arranque, incluso cuando su ampacidad continua parece aceptable.

La ampacidad es la corriente continua que un cable puede transportar en condiciones especificadas sin exceder su temperatura admisible del conductor o del aislamiento.

La ampacidad publicada depende de:

• Material del conductor

• Área de la sección transversal del conductor

• Material del aislamiento

• Número de conductores cargados

• Construcción del cable

• Temperatura ambiente

• Instalación en aire, conducto, tierra o agua

• Agrupación con otros cables

• Regulaciones eléctricas locales

Un cable que pasa el cálculo de caída de voltaje aún debe cumplir con los requisitos de ampacidad.

Por el contrario, un cable que puede transportar la corriente de forma segura puede ser demasiado pequeño debido a una caída de voltaje excesiva en una larga distancia. Ambas verificaciones son necesarias.

La caída de voltaje ocurre porque cada conductor tiene resistencia eléctrica e impedancia.

Para un cálculo resistivo simplificado, la caída de voltaje aumenta con:

• Longitud del cable

• Corriente del motor

• Resistividad del conductor

Disminuye a medida que aumenta el área de la sección transversal del conductor.

Para un conductor de cobre, una relación simplificada es:

La caída de voltaje es proporcional a la corriente * longitud del cable / área del conductor

Un cálculo completo de CA también puede tener en cuenta:

• Factor de potencia

• Reactancia del conductor

• Configuración del cable

• Temperatura de funcionamiento

• Suministro trifásico o monofásico

Para un motor trifásico equilibrado, utilice una fórmula de caída de voltaje trifásica o una tabla de cables aprobada por el fabricante. Para un motor monofásico, utilice el método monofásico correcto.

No mezcle los dos cálculos.

El voltaje calculado en los terminales del motor debe permanecer dentro del rango permitido por el fabricante del motor en condiciones de funcionamiento y arranque.

La misma pérdida de voltaje representa diferentes porcentajes a diferentes voltajes del sistema.

Por ejemplo, una pérdida de voltaje fija es más significativa en un sistema de menor voltaje que en un sistema de mayor voltaje.

Una caída de voltaje excesiva puede causar:

• Reducción del torque de arranque

• Tiempo de aceleración prolongado

• Mayor corriente del motor

• Chirridos de contactor

• Disparos repetidos por sobrecarga

• Sobrecalentamiento del motor

• Operación inestable del VFD

• Fallo al arrancar bajo carga hidráulica

• Reducción de la vida útil

La información de solución de problemas de SLAPK identifica bajo voltaje, un cable excesivamente delgado y un cable demasiado largo como posibles razones por las que un motor sumergible puede no arrancar.

Por lo tanto, la selección del cable debe coordinarse con el voltaje real disponible en el sitio, no solo con el voltaje nominal del sistema.

Un motor consume mucha más corriente durante el arranque directo en línea que durante el funcionamiento normal.

Dado que la caída de voltaje está relacionada con la corriente, la caída temporal durante el arranque puede ser mucho mayor que la caída de funcionamiento.

La revisión del arranque debe considerar:

• Capacidad disponible del transformador

• Capacidad del generador

• Impedancia del sistema de suministro

• Longitud del cable y tamaño del conductor

• Corriente de rotor bloqueado del motor

• Torque de arranque de la bomba

• Conexiones de cabeza de pozo y panel

• Método de arranque

• Tiempo de aceleración

Un motor puede funcionar normalmente después de alcanzar la velocidad pero aún así no arrancar porque el voltaje del terminal colapsa durante la aceleración.

Los posibles métodos de arranque incluyen:

• Arranque directo en línea

• Arranque estrella-triángulo

• Arranque con autotransformador

• Arrancador suave

• Variador de frecuencia

El método seleccionado debe ser compatible con los cables del motor, el voltaje, el panel de control y los requisitos del proyecto.

No asuma que la instalación de un arrancador suave o VFD permite automáticamente un cable más pequeño. Las instrucciones completas del fabricante y el diseño eléctrico aún se aplican.

El cobre se usa comúnmente para cables de bombas sumergibles debido a su conductividad, confiabilidad de conexión y disponibilidad.

Si se consideran conductores de aluminio para una sección de superficie, el diseñador debe tener en cuenta:

• Mayor área de conductor requerida

• Compatibilidad de terminación

• Control de oxidación

• Resistencia mecánica

• Expansión térmica

• Clasificaciones de conectores

• Transición a cables de motor de cobre

No realice una conexión subacuática de cobre a aluminio a menos que todo el sistema de empalme esté específicamente diseñado y aprobado para ese propósito.

El material conductor utilizado en el cálculo de caída de voltaje debe coincidir con el cable real.

La porción del pozo debe ser un cable específicamente clasificado para inmersión continua y las condiciones de agua esperadas.

Los factores de selección incluyen:

• Agua dulce o salada

• Temperatura máxima del agua

• Presión hidrostática

• Exposición química

• Exposición a aceite o hidrocarburos

• Construcción plana o redonda

• Diámetro exterior del cable

• Flexibilidad

• Resistencia a la abrasión

• Clasificación de voltaje

• Material de aislamiento y cubierta

• Aprobación para agua potable, cuando sea necesario

Un cable flexible estándar puede parecer físicamente similar, pero puede no estar diseñado para servicio subacuático continuo.

Confirme tanto el aislamiento como la cubierta exterior. Una cubierta impermeable no compensa el aislamiento del conductor que no es adecuado para el voltaje, la temperatura o el período de inmersión.

Los cables de bombas sumergibles están disponibles en construcciones planas y redondas.

El cable plano puede ser útil donde el espacio libre entre la bomba, la tubería de elevación y la carcasa es limitado. Puede colocarse más cerca de la tubería o del protector del cable.

El cable redondo puede preferirse para ciertas glándulas, sellos, abrazaderas de cable y sistemas de protección mecánica.

La elección correcta depende de:

• Conexión del motor

• Espacio libre de la carcasa del pozo

• Diseño de la glándula del cable

• Método de sujeción del cable

• Kit de empalme

• Equipo de instalación

• Aprobación del fabricante

La forma del cable no determina la capacidad del conductor. Confirme el área del conductor, el aislamiento, la clasificación de voltaje y el dibujo dimensional.

La selección del cable también afecta si el conjunto de la bomba puede pasar a través del pozo.

Verifique el envolvente combinado de:

• Bomba y motor

• Tubería de elevación

• Cable

• Protector de cable

• Abrazaderas de cable

• Empalme subacuático

• Válvulas de retención

• Acoplamientos de tubería

• Centralizadores

El empalme puede ser más grueso que el cable en sí y puede convertirse en la dimensión de instalación controladora.

Verifique el diámetro interior mínimo de la carcasa a lo largo de toda la ruta de instalación. Permita un espacio libre práctico para la desviación de la carcasa, juntas, depósitos y recuperación.

Para orientación dimensional relacionada, consulte Bombas de pozo de 6 pulgadas vs 8 pulgadas: Cómo elegir.

Una bomba de pozo profundo comúnmente requiere una conexión entre los cables del motor de fábrica y el cable de bajada extendido.

Esta conexión debe proporcionar:

• Continuidad eléctrica fiable

• Baja resistencia de conexión

• Resistencia mecánica

• Aislamiento eléctrico

• Una barrera de agua permanente

• Compatibilidad con el aislamiento del cable

• Un perfil exterior liso

• Resistencia al estrés de instalación

Las instrucciones de conexión de cable SLAPK muestran la preparación de los extremos del conductor, la unión mecánica, el enrollado del aislamiento y múltiples capas de sellado. Se debe seguir el método y los materiales aprobados para el cable real suministrado.

Un empalme que está eléctricamente aislado pero no estanco puede fallar después de la inmersión.

El agua que entra en un cable o junta puede provocar:

• Baja resistencia de aislamiento

• Fallas a tierra

• Fallas fase a fase

• Corrosión de conductores

• Disparos de protección

• Daño en el bobinado del motor

Utilice un kit de empalme sumergible aprobado por el fabricante o un procedimiento de conexión documentado.

Cortar o dañar los hilos del conductor

Quitar el aislamiento descuidadamente puede reducir el área efectiva del conductor y debilitar la conexión.

Unir incorrectamente conductores de diferentes tamaños

El conector y el sistema de sellado deben acomodar ambos conductores y permanecer mecánicamente seguros.

Dejar proyecciones afiladas

Los extremos de los conductores afilados o los bordes del conector pueden penetrar el aislamiento durante el enrollado o la instalación.

Usar cinta eléctrica ordinaria sola

Unas pocas capas de cinta de propósito general no forman necesariamente un sello fiable para aguas profundas.

Atrapar humedad dentro de la junta

Los extremos del cable y los materiales de conexión deben estar limpios y secos antes de sellar.

Hacer el empalme demasiado grande

Una junta sobredimensionada puede engancharse en las juntas de la carcasa o dañarse durante el descenso.

Colocar la junta bajo estrés mecánico repetido

El empalme no debe soportar la carga del cable suspendido ni permanecer bruscamente doblado contra un acoplamiento.

El cable de alimentación debe sujetarse a lo largo de la tubería de elevación para que no cuelgue libremente, roce contra la carcasa o se mueva excesivamente durante el funcionamiento.

Los soportes del cable deben:

• Sujetar el cable sin aplastarlo

• Resistir el entorno de agua e instalación

• Evitar bordes afilados

• Acomodar el movimiento térmico y mecánico

• Permanecer seguros durante el arranque de la bomba

• Permitir la extracción segura del conjunto

Se deben usar protectores de cable donde sea necesario alrededor de las secciones de la bomba y el acoplamiento.

No utilice materiales de fijación metálicos que puedan cortar la cubierta del cable o crear una condición galvánica inadecuada.

El intervalo y el material de fijación deben seguir los requisitos de la bomba, el cable y el instalador.

La selección del cable no se puede separar del sistema de protección del motor.

El panel de control puede incluir:

• Protección contra cortocircuitos

• Protección contra sobrecarga del motor

• Protección contra pérdida de fase

• Protección de secuencia de fase

• Protección contra subtensión y sobretensión

• Protección contra fallas a tierra

• Protección contra funcionamiento en seco

• Monitoreo de temperatura

• Control de nivel

• Arrancador suave

• Variador de frecuencia

La configuración de protección debe basarse en el motor confirmado y las instrucciones del fabricante.

Un relé de sobrecarga no debe ajustarse más alto simplemente para evitar disparos molestos causados por bajo voltaje o un cable dañado. Encuentre y corrija la causa eléctrica o hidráulica.

Un VFD cambia la forma de onda eléctrica suministrada al motor.

Los cables de motor largos pueden aumentar los efectos de onda reflejada, el estrés de voltaje, la corriente de fuga y la interferencia electromagnética. La longitud admisible del cable puede depender de:

• Modelo del variador

• Frecuencia portadora

• Voltaje de salida

• Aislamiento del motor

• Construcción del cable

• Puesta a tierra

• Reactor de salida

• Filtro dV/dt

• Filtro de onda sinusoidal

Siga las instrucciones de longitud máxima de cable del fabricante del VFD y del motor.

El cable también debe ser adecuado para la salida del variador e instalado con el sistema de puesta a tierra y blindaje requerido.

No aplique una tabla de cables estándar para arranque directo en línea a un sistema VFD sin verificar la documentación del variador.

La instalación de la bomba debe incluir el conductor de puesta a tierra o de protección requerido por el código eléctrico aplicable y el diseño del equipo.

La puesta a tierra ayuda a los dispositivos de protección a responder a fallas de aislamiento y reduce el riesgo de descarga eléctrica.

No utilice la tubería de elevación, el cable de seguridad o la carcasa del pozo como sustituto no verificado del conductor de protección requerido.

El sistema de puesta a tierra debe incluir:

• Conexión a tierra del motor

• Puesta a tierra del panel de control

• Conductor de protección del cable

• Unión de componentes metálicos requeridos

• Terminación correcta

• Prueba de continuidad

Las regulaciones eléctricas locales y las condiciones del sitio determinan el diseño final.

Antes de bajar la bomba, inspeccione y pruebe el cable y el conjunto del motor.

Las verificaciones recomendadas pueden incluir:

• Inspección visual de la cubierta del cable

• Verificación de la continuidad del conductor

• Comparación de resistencia entre fases

• Prueba de resistencia de aislamiento

• Continuidad del conductor de tierra

• Inspección del empalme

• Comparación de resistencia de los bobinados del motor

• Confirmación de identificación de fase

• Verificación de la longitud del cable

Utilice el voltaje y el procedimiento de prueba especificados por el fabricante del motor y del cable.

Desconecte equipos electrónicos sensibles, incluido un VFD, antes de realizar pruebas de resistencia de aislamiento cuando lo exijan sus instrucciones.

Registre los resultados antes de la instalación. Estos valores de referencia ayudan a diagnosticar problemas futuros.

Repita las comprobaciones eléctricas requeridas después de bajar la bomba pero antes de la operación normal.

Esto puede revelar daños causados por:

• Tirar del cable

• Contacto con bordes de la carcasa

• Aislamiento aplastado

• Un empalme dañado

• Terminación incorrecta

• Agua entrando en la conexión

Durante la puesta en marcha, registre:

• Voltaje de suministro

• Voltaje del terminal del motor o del panel

• Balance de voltaje fase a fase

• Corriente de funcionamiento en cada fase

• Comportamiento de arranque

• Resistencia de aislamiento

• Configuración de protección

• Flujo de la bomba y presión de descarga

El desequilibrio de corriente puede indicar desequilibrio de voltaje, un problema de conexión, daño del cable o una falla del motor.

Suponga que se instalará una bomba trifásica de pozo profundo a 150 m por debajo de la cabeza del pozo, mientras que el panel de control está a 35 m del pozo.

La placa de características del motor y los datos del proveedor proporcionan el voltaje nominal, la corriente, el método de arranque y la longitud permitida del cable.

El ingeniero debe:

1. Agregar el cable del pozo, la ruta de superficie, el margen de servicio y los cables del motor de fábrica según lo requiera el método de cálculo seleccionado.

2. Identificar la corriente nominal y de arranque.

3. Seleccionar un cable de cobre con clasificación para sumergible con aislamiento adecuado.

4. Verificar su ampacidad en las condiciones de instalación reales.

5. Calcular la caída de voltaje de funcionamiento.

6. Verificar el voltaje disponible del motor durante el arranque.

7. Comparar el resultado con el rango permitido por el fabricante.

8. Aumentar el tamaño del conductor si no se cumplen los requisitos de caída de voltaje o ampacidad.

9. Verificar las dimensiones exteriores del cable y el empalme con el espacio libre de la carcasa.

10. Confirmar el cable con el proveedor del panel de control, arrancador o VFD.

11. Documentar el área final del conductor, la longitud, el método de empalme y la configuración de protección.

El cable final no se puede seleccionar solo por la profundidad de instalación.

• Seleccionar el tamaño del conductor solo por los kilovatios del motor

• Ignorar el cable de superficie entre el panel y la cabeza del pozo

• Usar la profundidad nominal del pozo como longitud total del cable

• Verificar la ampacidad pero no la caída de voltaje

• Verificar el voltaje de funcionamiento pero no las condiciones de arranque

• Usar cálculos monofásicos para un motor trifásico

• Usar cable ordinario para inmersión continua

• Ignorar la temperatura y química del agua

• Instalar un empalme subacuático no aprobado

• Permitir que el cable roce contra la carcasa

• No incluir el empalme en la verificación de espacio libre

• Ignorar la longitud máxima de cable del motor para VFD

• Aumentar la configuración de sobrecarga en lugar de corregir el bajo voltaje

• No probar el aislamiento antes y después de la instalación

Envíe la siguiente información al proveedor del motor, cable y panel de control:

• Modelo completo de bomba y motor

• Potencia nominal del motor

• Voltaje y frecuencia nominales

• Suministro monofásico o trifásico

• Corriente nominal

• Método de arranque

• Capacidad del transformador o generador

• Distancia del suministro al panel de control

• Distancia del panel a la cabeza del pozo

• Profundidad de instalación de la bomba

• Longitud y tamaño del cable de motor de fábrica

• Material y área de sección transversal del cable propuesto

• Requisito de cable plano o redondo

• Temperatura y química del agua

• Diámetro interior mínimo de la carcasa

• Modelo de VFD y rango de frecuencia de operación

• Norma eléctrica local requerida

• Disposición de puesta a tierra

• Arranques esperados por hora

• Ciclo de trabajo continuo o intermitente

¿Qué tamaño de cable necesito para una bomba de pozo profundo?

La respuesta depende de la corriente del motor, el voltaje, la fase, la longitud completa del cable, el límite de caída de voltaje, el método de arranque, las condiciones de instalación y las regulaciones locales. La potencia del motor y la profundidad del pozo por sí solas no son suficientes.

¿Puedo usar un cable más grande que el tamaño mínimo del fabricante?

A menudo sí, siempre que sea compatible con los terminales, el empalme, el equipo de control y el espacio libre del pozo. Un conductor más grande reduce la caída de voltaje pero aumenta el costo, el peso y el diámetro exterior.

¿La longitud del cable incluye la distancia al panel de control?

Sí. Todas las secciones eléctricas que contribuyen a la caída de voltaje deben incluirse según el método de cálculo elegido.

¿Puedo usar un cable flexible normal bajo el agua?

Solo si está específicamente clasificado para inmersión continua, el voltaje, la temperatura, la presión y las condiciones del agua requeridas. No se debe asumir que un cable flexible general es adecuado.

¿Un VFD me permite usar un cable más pequeño?

No automáticamente. El cable aún debe cumplir con los requisitos de ampacidad, caída de voltaje, aislamiento, puesta a tierra y del fabricante del variador. Los cables de salida largos de VFD pueden requerir filtros o reactores adicionales.

¿Por qué mi bomba no arranca aunque el voltaje de suministro parece correcto?

El voltaje puede caer sustancialmente durante el arranque debido a la resistencia del cable, la baja capacidad de suministro o la alta corriente de arranque. Mida y evalúe el voltaje en condiciones de arranque.

¿Debería el empalme subacuático estar por encima del nivel del agua?

Esto a menudo no es práctico en una instalación de pozo profundo. Cuando el empalme está sumergido, debe utilizar un método de sellado subacuático permanente aprobado.

¿Cómo puedo confirmar que el cable no se dañó durante la instalación?

Realice las pruebas de continuidad, resistencia de bobinado y resistencia de aislamiento especificadas antes y después de bajar la bomba. Compare los resultados con la referencia registrada.

Un cable de bomba de pozo profundo debe seleccionarse a través de una revisión tanto eléctrica como de instalación.

La selección final debe:

• Transportar la corriente requerida de forma segura.

• Limitar la caída de voltaje de funcionamiento y de arranque.

• Usar la longitud completa de la ruta eléctrica.

• Coincidir con el voltaje, la fase y el método de arranque.

• Soportar la inmersión continua.

• Usar un empalme subacuático fiable.

• Cabir dentro de la carcasa con el conjunto completo.

• Coordinarse con el panel de control y el sistema de protección.

• Cumplir con las regulaciones eléctricas aplicables.

No pida un cable solo por la potencia del motor o la profundidad del pozo. Confirme la corriente exacta del motor, la longitud total del cable, el cálculo de caída de voltaje, el área del conductor, el sistema de aislamiento y el entorno de instalación antes de la producción.

Envíe a SLAPK su caudal y altura requeridos, profundidad del pozo, profundidad de ajuste de la bomba, potencia del motor, voltaje, frecuencia, fase, ruta total del cable, método de arranque, temperatura del agua y diámetro interior de la carcasa.

Nuestros ingenieros pueden recomendar una bomba de pozo QJ o SP adecuada y proporcionar los datos del motor, la corriente nominal, la información del cable de fábrica y la guía de longitud del cable requerida para su proyecto.