UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR
“JOSÉ PERALTA” ALTA TENSION TEMA:
GENERACION Y MEDICION DE ALTOS VOLTAJES
CATEDRATICO:
ING. DANIEL LOZADO
REALIZADO POR: WILSON LAZO
CICLO: SEPTIMO ELECTRICIDAD:
FECHA. 2010-11-23
AZOGUES
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ECUADOR
ALTOS VOLTAJES INTRODUCCION: Toda persona que trabaja con las instalaciones de alto voltaje está obligada a observar las normas de seguridad. La falta de atención a estas regulaciones, hace peligrar la propia vida y la de los demás. Todo aquel que tenga que entrar en la instalación de Alto Voltaje debe asegurarse visualmente que todos los conductores e implementos que podrían estar con voltaje se hallen conectados a tierra y que los interruptores en las líneas de alimentación se hallen abiertos. El equipo de Alto Voltaje sirve fundamentalmente para la generación y medida de voltajes alternos, continuos y de choque. Los elementos para generación están construidos de tal manera que puedan acoplarse para formar cada uno de los circuitos de experimentación. Normalmente una instalación grande de 500 a 1.000 KVA con un millón de voltios, por ejemplo, necesita una comente de 0.5 a 1 Amp., proporcionalmente para una de 100 KV tendremos de 50 a l00 mA. En este caso particular se tiene para 60 c/s una cargabilidad de 50 mA. En 15 minutos. (KO 15) lo cual proporciona una potencia monofásica de 5 KVA durante el mismo tiempo, esto significa que el transformador podrá ser cargado con una capacidad de prueba de hasta 1.600 pF (1.66 M-ohm), lo cual no se presenta frecuentemente.
ELEMENTOS DE GENERACION DE ALTOS VOLTAJES: Para la generación de Altos Voltajes, independientemente de su tipo (alterna, continua o de choque), se empieza en general por el transformador elevador. Por esta razón la medición de altos voltajes alternos, es de importancia básica para casi todos los ensayos de A.V. de cualquier forma. El Transformador TZG de prueba de 100 KV, con aislamiento seco de resma fundida y que puede ser conectada en forma simétrica 2 x 50. La entrada primaria en baja tensión es variable y ajustable desde el tablero de mando a fin de conseguir en el secundario un voltaje de 0-50-100 KV. Tiene las siguientes especificaciones y conexiones.
ALTOS VOLTAJES EN C.C. GENERACION: La generación de A.V. continuo se consigue en general, mediante rectificación de voltajes alternos, seguida a veces de “multiplicación” del voltaje, raramente se la obtiene de máquinas electrostáticas o generadores de cinta. Para pruebas con voltaje continuo, utilizando rectificadores y condensadores de aplanamiento puede obtenerse hasta 130 KV y 260 KV, en cascada de una o dos etapas respectivamente. El porcentaje de ondulación es de 10% utilizando condensadores de 6.000 pF, con una corriente máxima de 5 MA (debido a la limitación de los rectificadores). Los altos voltajes continuos se emplean para ensayos sobre equipos Alto Voltaje con gran capacidad. (Condensadores, cables), para investigaciones en el campo de la física (aceleradores) y encuentra aplicaciones técnicas en varios dispositivos electrostáticos separadores, instalaciones químicas, pinturas, etc.
MEDICION: Para la medición de estos voltajes se utilizara una resistencia en el orden de los MegaOhm y miliamperímetros de bobina móvil, graduado en KV, conectado en serie.
ALTOS VOLTAJES EN C.A. GENERACION: Este dispositivo, que bien podríamos llamarlo una bobina de efecto tesla de estado sólido, permite obtener hasta 40000 voltios partiendo de 24Vca. El equipo se alimenta de la red eléctrica aunque de forma aislada ya que el primer transformador (de 220 a 24) aísla la red al tiempo que reduce la tensión de entrada.
Usamos en esta oportunidad un fly-back, es mejor utilizar uno del tipo primitivo, sin triplicador ni diodo de alto voltaje. Este tipo de transformadores originalmente permitían obtener tensiones del orden de los diez mil voltios fácilmente. Primero deberemos deshacer el primario original del fly-back y construir sobre el núcleo el nuevo. Si el fly-back tiene todo un recubrimiento plástico es indicio de triplicador incorporado. El bobinado de potencia (formado entre los puntos C y D) está compuesto por diez espiras de alambre AWG18 con una toma central (o sea, cinco espiras, la toma central y otras cinco espiras mas). El bobinado de control (formado entre los puntos A y B) está compuesto por cuatro espiras de alambre AWG22 con una toma central (lo que sería igual a dos espiras, la toma central y otras dos espiras más).
MEDICION: Se puede utilizar los siguientes elementos: Voltímetro de cresta Voltímetro YEW, Clase 2.5, aislado, para medición de voltajes eficaces 0-5 KV. Voltímetro electrostático YEW, con aislamiento propio, para valores eficaces del voltaje desde 0-50 KV. Esferas espinterométricas Circuito de Chub-Fortescue para una corriente Como en los fenómenos de descarga es el valor máximo de cresta la base para comparaciones o coordinación de aislamiento, se requieren mediciones exactas cuando la forma de la onda se aleja de la sinusoidal. En este caso el valor eficaz del voltaje será:
El valor de cresta de los altos voltajes alternos se puede medir mediante esferas espinterométricas (llamadas también explosores de esferas). La perforación del aire se produce por “ionización por impacto de las moléculas de gas cuando la intensidad de campo supera un valor crítico. Esto se produce al llegar el voltaje al valor del “Voltaje estático de perforación” en un tiempo de pocos microsegundos. Por esta razón se produce siempre en la cresta de la onda de voltaje.
Los voltajes de descarga en las disposiciones espinterométricas están indicadas en forma de tablas en función del diámetro de las esferas y para distintas distancias. Estos valores se refieren a condiciones normalizadas de presión y temperatura (b760 torr y t = 20°C). El voltaje de descarga es proporcional a la densidad relativa del aire dentro de ciertos límites, se obtiene el verdadero voltaje de descarga, multiplicando el valor de las tablas por un factor que depende de, la densidad relativa del aire. Para la medida del valor eficaz se puede conectar directamente un voltímetro electrostático o usar un divisor de voltaje con un instrumento de bajo voltaje calibrado para el caso.
ALTOS VOLTAJES DE IMPULSO GENERACION: El generador de impulsos es un equipo que genera intencionalmente transitorios de alto nivel de tensión para simular sobretensiones tipo atmosférico y de maniobra, con la finalidad de verificar la capacidad que posee un determinado dispositivo o máquina de soportar dicho impulso sin que ocurra ruptura dieléctrica en su aislamiento. Su aplicación principal es la realización de pruebas de aislamiento (prueba de impulso) en equipos y maquinaria eléctrica en general. Muchos años de investigación han determinado que una sobretensión atmosférica se puede representar como un impulso unidireccional de tensión y obtenerse a partir de los circuitos mostrados en la siguiente figura:
Circuito a Circuito b Circuitos básicos de un generador de impulsos
Analizando cualquiera de los dos circuitos propuestos se obtiene que inicialmente el condensador C1 (que representa al generador de impulsos) es cargado con tensión continua Vo, de polaridad positiva o negativa, y luego es súbitamente descargado en un circuito conformado por el condensador C2 y las resistencias R1 y R2. Este proceso de descarga se inicia en el instante en cual se establece entre las esferas del espinterómetro SG un arco eléctrico y la tensión se transfiere a C2, que representa básicamente a un objeto bajo prueba. El impulso es generado mediante la descarga de un condensador sobre un circuito RC. Para la generación de altos voltajes de impulso se utiliza como alimentación la fuente de continua de 130 KV, y se usan los condensadores de 6.000 pF como capacidad de choque. Con esto se puede tener una energía de 60 W-s para una sola etapa y de 120 W-s para dos etapas, en conexión según Marx. La capacidad de carga con el objeto de tener una onda normalizada es aproximadamente la quinta parte de la de choque, o sea 1.200 pF. Utilizando resistencias adecuadas para la descarga y amortiguamiento se puede obtener las ondas de 1/50 y 1/100 micro-segundos. Para pruebas en equipos que van a estar sujetos a sobrevoltajes de origen atmosférico ó de maniobra, se simula en el Laboratorio los llamados voltajes de choque que presentan en el frente, una gradiente de potencial sumamente grande hasta alcanzar su máximo y decrecen en forma más lenta hasta cero. Según la norma CEI Pub. 60 - 1962 la onda de choque tiene la forma y característica siguientes:
La onda de impulso normalizada que simula un sobrevoltaje de origen atmosférico, es una onda completa de relación T 1.2/50 Microsegundos (CEI).
GENERADOR DE IMPULSOS MULTIETAPAS Desde el punto de vista económico, el empleo de un generador de una sola etapa , es válido para tensiones que no superen los kilovoltios de diseño de la etapa. Además, para obtener un rango amplio de tensiones de prueba es necesario disponer de un generador de impulsos de varias etapas que cumpla con la siguiente característica: que mediante la conexión en serie de dichas etapas se produzca la tensión de prueba deseado al momento de la descarga . El generador consta de n etapas en donde los condensadores C1 de cada una de éstas son cargados en paralelo, a la tensión DC deseada, a través de la resistencia de frente R1, de cola R2 y de carga Rc (ésta última de un valor mucho más grande que las demás -alrededor de las decenas de Kohm-), como se esquematiza a continuación.
Esquema de un generador de impulsos multietapa
MEDICION: Se utiliza Osciloscopios de alta velocidad con memoria, con las correspondientes protecciones y cables coaxiales y capacitancias secundarias para medición del orden de 75, 150 y 300 KV. La medida del voltaje de cresta puede realizarse mediante esferas espinterométricas, dentro de ciertos límites de precisión, y es correcta, cuando al aplicar un cierto número de impulsos, la descarga se produce en el 50% de probabilidad de descarga” o simplemente “Voltaje del 50%”. Los voltajes del 0% y 100% no tienen ningún significado. El método que permite una medición óptima y observación de la onda generada es mediante un osciloscopio de rayos catódicos que utiliza un divisor de voltaje apropiado. La señal es retardada mediante un cable y el disparo del ORC se lo realiza mediante una señal externa.
MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO En la prueba de impulso es necesario efectuar la medición de la tensión que se aplica al objeto de prueba, la cual se puede hacer utilizando algunos de los siguientes métodos: a través de un espinterómetro de esferas , por medio del divisor de tensión conectado a un osciloscopio y por medio del divisor de tensión conectado a un voltímetro pico.
MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL ESPINTERÓMETRO DE ESFERAS. La norma ANSI/IEEE Standard 4-1995 define al espinterómetro como "un dispositivo constituido por dos electrodos metálicos, esféricos y de igual diámetro, donde la distancia que los separa es regulada a voluntad". Al aplicar entre dichas esferas un potencial, la descarga a cierta distancia de ruptura ocurre a un valor de tensión predeterminado. En la prueba de impulso, este valor es el voltaje pico de la onda o nivel básico de aislamiento (BIL) del equipo a ensayar. La disposición física de las esferas se hace vertical u horizontalmente, como se ve en la siguiente figura
Espinterómetros de Esferas con el Eje Vertical y Horizontal
MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR DE TENSIÓN Y EL OSCILOSCOPIO. Este es el método de medición de tensión de impulso ampliamente utilizado. El divisor de tensión, al conectarse en el terminal de alta tensión del sistema de prueba, reduce el voltaje a un valor accesible para la medición con el osciloscopio (algunas centenas de voltios) y la interconexión se hace vía cable coaxial. El divisor consta de dos impedancias en serie Z1 y Z2 (con Z1>>Z2) donde la tensión de impulso a ser medida es aplicada entre los terminales exteriores de la configuración y el osciloscopio es conectado entre el terminal intermedio y el externo inferior.
Esquema básico para la medición de la tensión de impulso
MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR DE TENSIÓN Y EL VOLTÍMETRO PICO. Como método complementario se emplea un voltímetro pico para registrar la tensión de impulso, que según Chubb y Fortescue, consiste en dos diodos, un capacitor C y un miliamperímetro. La siguiente figura muestra el circuito básico de un voltímetro pico. Cabe destacar que este método se ha ido remplazando por nuevas tecnologías para mediciones de este tipo, como por ejemplo el uso de osciloscopios digitales con memoria.
Circuito del voltímetro pico
