FACULTAD FACULTA D DE INGENIERÍ INGENIERÍA A ELÉCTRI EL ÉCTRICA CA Y ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA
Secc Sección ión AnteAnt e-Grado, Grado, Labo Laborator ratorio io de d e Alta Tensió Tensión, n, N°0 N°06 6 Infor me de Práctic Práctica a DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN EN CADENAS DE AISLADORES AISL ADORES DE LÍNEAS L ÍNEAS ELÉCTRICAS EL ÉCTRICAS DE ALT A LTA A TENSIÓN
Grupo de Practi Practicas cas N°: N°: 1, Informe Infor me de Pract Practic ica a N° N° 1 o o
Práctica: Lunes 3 de octubre del 2016. Entrega: Lunes 31 de octubre del 2016.
Alu Al u m n o s Part Par t i c i p ant an t es: es :
Ciclo Académic o FIEE FIEE – 2016 – II
DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN EN CADENAS DE AISLADORES DE LÍNEAS ELÉCTRICAS DE ALTA TENSIÓN RESUMEN:
2.1. Auxi liares
Preparad or es
del
Laboratorio. El presente informe muestra las pruebas realizadas a 2 cadenas de aisladores (porcelana y polimérico) para observar el comportamiento externo durante la operación eléctrica a frecuencia industrial (FI) y las implicancias de las capacitancias parásitas. Primero comenzamos aplicando una tensión entre los extremos de la cadena de aisladores y luego se hizo mediciones de los potenciales de los elementos de la cadena de aisladores entre cada uno de los herrajes de la cadena de aisladores y tierra, usando un voltímetro electrostático.
2.2. Supervisores.
Keywords (Aislador), Electric Arc (Arco Eléctrico), Capacitancia (capacitance)
DATOS DE REALIZACIÓN
2.
Grupo: Grupo N° 1 Lugar: Laboratorio de Alta Tensión Fecha: Horario: Entre las 14:00 y
16:00horas Situación: Práctica Normal
Prof. Justo Yanque M. M.Sc.App
3. TERMINOS TECNICOS:
PALABRAS CLAVE:
1.
Sr. Cristian Espinoza
PARTICIPANTES
Línea de Fuga (Leakage Distance): longitud del perfil neto del dieléctrico de los Aisladores. Dieléctrico (dielectric): a un material con una baja conductividad eléctrica (σ << 1); es decir, un aislante, el cual tiene la propiedad de formar dipolos eléctricos en su interior bajo la acción de un campo eléctrico. Así, todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Puesta a Tierra (Grounding): Es una instalación de enlace solido entre el sistema eléctrico y el lugar geométrico del potencial de referencia cero, está formada por un armado de conductores desnudos enterrados en suelo firme, para mínima impedancia al paso de las corrientes. Capacitancia (capacitance): es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacidad es también una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada.
Capacitancias Parasitas (Parasitic Capacitances): Resultan en presencia de Tensión, de la interacción de Carga entre electrodos a través del dieléctrico, pueden ser propias de los aislamientos solidos o líquidos y asociadas a los aislamientos gaseosos, normalmente conforman redes.
4. INTRODUCCIÓN En los diseños de líneas de alta tensión se debe tener una gran atención a los elementos usados para su aislamiento, debido a que el campo eléctrico y la distribución del potencial no es lineal, por ejemplo en una cadena de aisladores, cada unidad presenta un valor distinto de tensión, dependiendo de su ubicación; encontrándose que los elementos más cercanos a la línea soportan una mayor diferencia de potencial, formándose un gradiente a lo largo de la cadena. Este fenómeno involucra el uso de aisladores que soporten una mayor tensión o a su vez el empleo de dispositivos como los cuernos de compensación que hacen más uniforme la distribución de voltaje en la cadena de aisladores.
6. DESARROLLO DEL INFORME 6.1.
Esta práctica consiste en la medición de los parámetros físicos de los aisladores de porcelana y polimérico. Los pasos de la práctica en términos generales son:
Instancias previas a los ensayos Reconocimiento de la zona de pruebas y equipamiento de seguridad. Se entregan los EPP, se señalan el sitio de la zona de prueba y el aterramiento temporal del devanado de alta tensión del transformador de pruebas. Toma de datos físicos a los especímenes. Se registra la línea de fuga, distancia de arco, peso y otras observaciones de los aisladores disponibles. Armado del circuito de prueba. Se conectan los equipos y conductores para la ejecución de los ensayos.
5. OBJETIVO DEL EXPERIMENTO Compenetrar al estudiante con los parámetros de los aisladores que componen el aislamiento de los conductores de fase de las líneas eléctricas (aislamiento externo) en relación a sus funciones, materiales de fabricación y su desempeño eléctrico en régimen permanente y a frecuencia industrial con respecto a:
Los materiales Dieléctricos y los Aislamientos de Líneas Eléctricas. La Corriente de Fuga a Tierra, que sube desde el conductor a la ménsula…. Las Cargas que crean Capacitancias Parásitas hacia Masa y el Conductor. La Distribución de la Tensión (de Fase) aplicada desde el Conductor. Las pruebas que definen el sostenimiento o la disrupción de los Aislamientos.
Descripción de la práctica:
Pruebas realizadas
6.2.
Prueba de tensión aplicada. Se aplicó tensiones de 40 kV y 60kV a la cadena de aisladores de tipo porcelana y de tipo polimérico, luego se tomaron datos de la tensión (en cada aislador de la cadena), corriente de fuga y corriente de masa, a distintos estados del aislador (seco, bajo lluvia y compensación).
Estándares sobre el tema:
IEC 60071-1: Coordinación de aislamiento, definiciones, principios y reglas. IEC 60383: Aisladores para líneas aéreas de tensión nominal superior a 1 kV. Parte 1:
Aisladores cerámicos o de vidrio para sistemas AC – Definiciones, métodos de ensayo y criterios de aceptación.
Voltímetro electrostático General Electric.
Regulador de tensión 0- 100 kV 60 Hz marca C.E.A.
marca
6.3. Especímenes para prueba, equipos y materiales:
Cadena de aisladores de porcelana tipo PIN ANSI 52-3
a) Equipos de laboratorio:
Transformador de Potencia MT/BTFCT de 2300/230-115V, 3Ф, ϒ/Δ, 250kVA 60Hz
b) Instrumentos:
Miliamperímetro Digital AEMC INSTRUMENTS.
marca:
Higrómetro Digital marca: AEMC.
Pértiga
nivel de tensión eléctrica, distancia con respecto a otras fases. Una representación simplificada de cadenas de aisladores se da mediante un circuito equivalente de capacitores como se muestra en la figura 1, donde se observa que cada una de las cuatro unidades de la cadena conf orma un capacitor “C” entre las partes metálicas que lo conforman (puntos de enganche que son la bola y la calavera) por el cual se genera una diferencia de potencial . También se presenta una capacitancia entre las partes metálicas
de cada aislador y el cuerpo recto de la estructura de la línea de transmisión que se encuentra a potencial de tierra.
6.4.
Fundamento Teórico
El campo eléctrico y la distribución de potencial en cadenas de aisladores son parámetros importantes que deben ser conocidos y controlados desde las etapas de diseño y pruebas, con la finalidad de prevenir durante su operación un sobreesfuerzo en alguna sección de la cadena que produzca envejecimiento prematuro, fallas o fenómenos no deseables, como las descargas parciales. Diversos factores afectan la distribución del campo eléctrico y el potencial en las cadenas, como son la geometría del aislador, configuración de la torre, geometría de los accesorios y herrajes,
Figura 1, Circuito equivalente de la cadena de aisladores Veamos la distribución simplificada de la cadena de aisladores de la figura 1.
= + = + = + = (1+)
= + = +( + ) = +( + ) = + ( + ) = + (1+) = + (1+) = (1+3 +) = + = +( + + ) = +( + + ) = + ( + + ) = + + (1+) = (1+6 +5 + ) = + + + = (4+10 +6 + ) Por lo tanto:
= (1+) = (1+3 +) = (1+6 +5 + ) = (4+10 +6 + ) Los voltajes y corrientes obtenidos de una cadena de aisladores presentan un comportamiento no lineal de tal forma que las unidades mas cercanas a la parte conductora o energizada se encuentran más esforzadas electricamente que las alejadas de la misma. Una forma tradicionalmente usada para determinar el grado de esfuerzo electrico presente en la cadena es mediante el concepto de “eficiencia de la cadena” que se encuentra definidomediante la expresion:
= = ∗ N: numero de aisladores Por lo tanto la eficiencia para la figura 1 es la siguiente:
+ ) (4+10 +6 = 4 ∗(1+6 +5 + ) + ) (4+10 +6 = 4∗ (1+6 +5 + ) Por ejemplo para un k = 0.2; tenemos lo siguiente:
= (4+10 +6 + ) = (1+) = (1+3 +) = (1+6 +5 + ) = 0.160 = 0.192 = 0.262 = 0.385 = 6.248
= 1.2
= 1.64
= 2.408
En función de “ ”
Se ha observado que la eficiencia de la cadena de aisladores asociada a la distribucion del voltaje presenta mejoras cuando la relacion “k” de las capacitancias obtenida a partir del circuito equivalente de la figura 1 es pequeña, resultado de una menor cantidad de perdidas y efecto capacitivo a tierra. La figura 2 muestra curvas ilustrativas de la distribucion del voltaje en una cadena de aisladores de cinco unidades en relacion al valor de “k”. Se observa que conforme “k” disminuye la eficiencia de la cadena aumenta a causa de una mejor distribucion del potencial enntre las unidades.
Figura 2, distribución del voltaje entre las unidades de una cadena de aisladores
6.5. Esquema Pruebas.
de
Conexión
para
Para realizar la experiencia utilizamos un voltímetro electrostático para medir los diferentes niveles de tensión de la cadena de aisladores respecto a tierra en algunos casos comenzamos midiendo del aislador más cercano a tierra y en otros casos más cercano al conductor.
PARA LA CADENA POLIMERICOS:
DE
AISLADORES
NRO AISLADORES LONGITUD TOTAL DE FUGA (cm) PESO TOTAL (Kg)
6.7.
10 43.10 1.30
Pruebas Realizadas
6.6. Características del Espécimen en Prueba
Pruebas de Verificación de la Distribución del Potencial
PARA LA CADENA DE AISLADORES DE PORCELANA:
La prueba consiste en aplicar una tensión (40kV, 60kV) para medir la tensión y observar la distribución de la tensión en una cadena de aisladores (tipo porcelana y Tipo polimérico); a la vez también medir la corriente de fuga y la corriente de masa. La
NRO AISLADORES LONGITUD TOTAL DE FUGA (cm) PESO TOTAL (Kg)
4 114 16.58
prueba fue realizada para distintos estados de la cadena para un estado seco, bajo lluvia y en compensación.
6.8.
Datos obtenidos
En esta experiencia se realizaron las pruebas a una cadena de aisladores de porcelana (4 aisladores) en estado seco, bajo lluvia y en condensación y al aislador polimérico (10 aisladores) en estado seco y bajo lluvia; luego se procedió a medir la tensión (por falda en los aisladores de porcelana y cada 2 faldas en los aisladores poliméricos), corriente de fuga y corriente de masa:
EN CONDENSACION (datos tomados comenzando del aislador más cercano a tierra):
V (kV) 0 5 12 18
EN SECO (datos tomados comenzando del aislador más cercano a tierra):
V (kV) 0 5 8 9
V (kV) 0 7 8 14
(kV) = 60 (mA) (mA) 0.64 1.10 0.52 1.12 0.54 1.24 0.71 1.77
BAJO LLUVIA (datos tomados comenzando del aislador más cercano a tierra):
V (kV) 0 5 7 10
(kV) = 40 (mA) (mA) 0.48 0.69 0.25 0.67 0.29 0.70 0.41 0.43
EN SECO (datos tomados comenzando del aislador más cercano al conductor):
PRUEBA EN AISLADORES DE PORCELANA
(kV) = 40 (mA) (mA) 0.45 0.66 0.45 0.67 0.32 0.78 0.34 0.90
(kV) = 40 (mA) (mA) 0.18 1.83 1.97 1.22 3.16 4.80 7.94
PRUEBA EN AISLADORES POLIMERICOS
V (kV)
(kV) = 40 (mA) (mA) 0.16 0.48 0.15 0.46 0.16 0.46 0.16 0.46
Datos tomados comenzando del aislador más cercano a tierra:
V (kV) 0 5 5 11
(kV) = 60 (mA) (mA) 0.47 0.87 0.29 0.88 0.22 0.87 0.44 0.88
BAJO LLUVIA (Datos tomados comenzando del aislador más cercano a tierra):
V (kV) 0 3 3 3 5
(kV) = 40 (mA) (mA) 0.18 0.45 0.11 0.45 0.18 0.45 0.14 0.45 0.16 0.46
V (kV) 0 4 4 5
Conforme se incremente la tensión se incrementara la no linealidad de la distribución de la cadena de aisladores, esto debido a las capacitancias parasitas.
0.28
Para linealizar la distribución de potencial en una cadena de aisladores se deben hacer grupos de aisladores diferentes físicamente (pero compatibles mecánicamente) y por tanto de diferente capacidad propia que soporten relativamente un mismo nivel de tensión, así se disminuye la subutilización de algunas unidades de la cadena; aunque esto presenta el inconveniente de alterar el diseño y la producción en serie de aisladores, con el consecuente aumento de los costos.
12
6.9.
(kV) = 60 (mA) (mA) 0.37 0.86 0.32 0.86 0.31 0.87 0.30 0.88
0.28
Interpretación de resultados
De los datos interpretamos lo siguiente:
Se puede ver que existe un crecimiento en la tensión(medición comenzando del aislador más cercano a tierra), pero se puede notar que no se cumple lo siguiente : > > Vemos que la corriente de fuga es diferente para una tensión aplicada, lo cual es incorrecto ya que debería estar en un valor determinado.
7. CONCLUSIONES Las capacitancias parasitas son las responsables de la no linealidad de la distribución de la tensión en la cadena de aisladores. recomienda hacer una Se corrección de las capacitancias parásitas para reducir el tamaño de la cadena y mejorar el desempeño de la misma, siendo necesario a partir de tensiones de servicio mayores a 100 kV.
La eficiencia de la cadena depende de 2 parámetros: K: relación entre y ( ) y N: número de aisladores
Cg C Cg/ C
A mayor eficiencia de la cadena mejor distribución de la tensión en la cadena de aisladores.
8. CUESTIONARIO a) ¿A qué se debe la existencia de las capacitancias parasitas lateralmente al eje de la cadena de aisladores? Las Capacitancias parásitas resultan en presencia de Tensión, de la interacción de carga entre electrodos a través del dieléctrico, pueden ser “Fijas” propias de los aislamientos sólidos o líquidos y “Variables” asociadas a los aislamientos gaseosos, normalmente conforman redes y según su ubicación pueden ser:
()
Capacitancias parásitas entre: Potencial – Potencial (son pequeñas) Capacitancias parásitas ( ) entre: Potencial – Tierra o Masa (debida principalmente al dieléctrico aire, siendo capacidades de dispersión, presentan valores grandes)
Su presencia es inevitable e inconveniente, sus consecuencias generales son:
Repartición irregular del Potencial en las partes energizadas. Consumo de Energía Reactiva capacitiva como parámetro repartido. de Carga por Pérdidas Transferencia (perditancia en el dieléctrico).
estos números vemos que la distribución se da en cadenas largas.
peor
b) ¿Por qué no conviene una distribución no uniforme de la Tensión soportada a lo largo de las cadenas de aisladores? Se sabe que los aisladores más cercanos a la torre (potencial de tierra) soportan menos tensión que aquellos que se encuentran más cerca de la línea, y que en las cadenas de aisladores que operan con niveles de tensión mayores a 230 kV son más susceptibles de presentar una distribución no uniforme de potencial. Este tipo de distribución de potencial propicia a que se den descargas locales en las áreas de mayor resistencia, provocando un aumento considerable de la corriente de fuga superficial.
c) ¿En cuál de los casos la distribución de Tensión en las cadenas de aisladores tiene una peor distribución; en cadenas cortas o en cadenas largas? Al aumentar el número de aisladores en la cadena se aumenta el efecto de la nolinealidad, es decir, aumentan las diferencias entre las primeras unidades y las últimas. A manera de ejemplo en una cadena de tres aisladores los porcentajes obtenidos son: 29.3, 32.3 y 38.4% respectivamente, mientras en 30 aisladores al que se encuentra más cercano a tierra le corresponde 0.005%, mientras que al más cercano a la línea 27.0%. De
Distribución de tensiones en cadenas de 4 a 20 unidades
d) ¿Qué valor tienen aproximadamente las Capacitancias hacia el Soporte (Tierra), desde cada muñón de aislador Espiga-Caperuza?
Las Capacitancias a tierra ( ), depende de los siguientes parámetros: dimensión geométrica del La aislador La distancia del eje de la cadena de aisladores a la estructura.
Se calcula con la siguiente ecuación:
Donde:
= 4(. )
= Radio esférico medio de la caperuza metálica del aislador = ( = + )/4 b = Distancia del eje de la cadena de aisladores a la estructura.
2
Aproximadamente los valores que presentan las Capacitancias a tierra ( ) son de: C/4
e) ¿Qué valor tienen aproximadamente las capacitancias hacia el conductor (Línea), desde cada muñón de aislador Espiga -Caperuza?
Radio cilíndrico medio de la caperuza metálica del aislador.
:
= +4
Semidistancia entre el aislador elegido y el conductor. :
= .2
Longitud de la caperuza metálica del aislador. :
Las Capacitancias a la línea (Ce), son imposibles de medir, Aproximadamente los valores que presentan las Capacitancias a la línea (Ce), son de: C/8 o C/10.
:
Longitud de paso o espaciamiento de
un aislador de la cadena. Permitividad del aire que actúa como dieléctrico. :
8.8542 /
Número de aisladores contados desde el lado del conductor. :
:
Capacitancia de un elemento aislante.
Valor de la capacitancia para un aislador de tamaño estándar .
≈ 30
f) ¿Qué componentes básicos de Corriente Alterna tiene la Corriente de Fuga de las cadenas de aisladores energizadas? Se calcula con la siguiente ecuación:
2 − = ..[ + . ]
Un aislador puede representarse eléctricamente por un condensador formado a su vez por otros en serie y cuyos dieléctricos son la porcelana, el vidrio o polímeros. Tal condensador es imperfecto, y la corriente que lo atraviesa tiene una componente activa (en fase con la tensión) debido a varios tipos de pérdidas y otra componente en cuadratura con la anterior, producida por la capacidad. Cuando los
aisladores se encuentran a la intemperie, por efectos de la contaminación, la superficie conductora aumenta y con esta la capacidad, aumentando de manera simultánea la corriente de pérdidas por la reducción de la distancia de flameo, resultando así una disminución en la tensión de formación del arco, en comparación con la de un aislador limpio y seco.
h) ¿De qué modo se puede corregir la distribución no uniforme de la tensión que soporta la cadena de aisladores?
Esta corriente de fuga tiene componentes Continua y Armónicas.
Cuanto mayor es la eficiencia de la cadena, más uniforme será la distribución de tensión en la cadena.
g) ¿Puede el valor de la corriente de fuga que ingresa desde el conductor al primer aislador ser mayor que al salir del último aislador al soporte (Tierra)? Al igual que la tensión en las cadenas de aisladores la corriente también la corriente presenta un comportamiento no lineal, es decir que al ingresar la corriente del conductor al primer aislador la corriente tiene una magnitud mayor que la corriente que sale por el último aislador.
Para poder corregir la distribución de la tensión en una cadena de aisladores nos debemos enfocar en mejorar la eficiencia de la cadena, debido a que indica la distribución de potencial a lo largo de la cadena.
= = ∗ Aunque es imposible lograr el 100% de eficiencia de la cadena, todavía se deben realizar esfuerzos para mejorarlo lo más cercano a este valor como sea posible. La eficiencia depende de los siguientes parámetros: K: relación entre
/ y (
)
N: número de aisladores Cuanto mayor sea el valor de K, La desigualdad en la distribución de tensión aumenta y menor es la eficiencia de la cadena. Cuanto mayor sea el valor de N, la desigualdad en la distribución de tensión aumenta y menor es la eficiencia de la cadena.
i) ¿Con que componente instalado se puede mejorar la repartición de la tensión a lo largo de la cadena de aisladores? Métodos de mejora de la eficiencia Para mejora la repartición del potencial a través de las diversas unidades de la cadena debemos mejorar la eficiencia de cadena, para ello utilizamos las siguientes componentes:
a) Utilización de crucetas (cross arm) más largas El valor de la eficiencia de la cadena depende del valor de K, a menor valor de K mayor es la eficiencia de la cadena.
Sin embargo, los buenos resultados se pueden obtener mediante el uso de aisladores estándar para la mayoría de la cadena y unidades más grandes cerca de la línea de conductor.
c) Por utilización de anillos de guarda (rings) El potencial a través de cada unidad en una cadena puede ser igualado por el uso de un anillo de protección que es un anillo de metal conectado eléctricamente al conductor y que rodea el aislador inferior como se muestra en la siguiente figura.
b) Por clasificación de los aisladores Con la finalidad de incrementar la eficiencia se puede escoger aisladores de diferentes dimensiones de tal manera que cada uno tiene una capacitancia diferente. Luego se ensamblan de tal manera que la unidad superior tiene la capacitancia mínima, aumentando progresivamente. Dado que la tensión es inversamente proporcional a la capacitancia, este método tiende a igualar la distribución potencial a través de las unidades en la cadena.
Desventaja: se requiere aisladores de diferentes tamaños.
9. RECOMENDACIONES
Se recomienda siempre tener los instrumentos de seguridad en el laboratorio ya sean guantes dieléctricos, así como las botas dieléctricas para evitar accidentes, al igual que con la instalación tener habilitada la descarga a Tierra.
Es importante cumplir con las distancias de seguridad para evitar los accidentes. Realizar la experiencia con la presencia del ingeniero del curso y un ayudante de laboratorio para las orientaciones y toma de precauciones.
11. REFERENCIAS [1] Justo Yanque M. M.Sc.App, PROTOCOLO: “Distribución de la Tensión en Cadena de Aisladores de Líneas Eléctricas de Alta Tensión”, lima, marzo del 2016 [2] Justo Yanque M. M.Sc.App, Apuntes de
10. OBSERVACIONES
Clase “Conceptos fundamentales de la Alta Tensión”
El voltímetro electrostático no era muy preciso a la hora de tomar los datos. Pudimos observar el contorneo del aislador polimérico en estado bajo lluvia. corriente de fuga debe La mantenerse aproximadamente en un valor constante para cada valor de tensión aplicada.
[3] Distribución de Potencial en Cadena de Aisladores. Estudio Teórico- Experimental. Boletín Técnico GAMMA número 12 de 2005. [4]file:///C:/Users/phol/Downloads/distrib ucion%20en%20potencial%20de%20caden as%20de%20aisaldores.pdf [5]file:///C:/Users/phol/Downloads/Aislad ores%20lineas%20aereas%20(4).pdf
