INFORME 6

Universidad Nacional de Colombia Facultad de de Ingeniería Ingeniería Laboratorio de Aislamiento Aislamiento

Informe 6 Guzmán, Suan, Suarez

Informe Práctica 6 Descargas en Gases Suárez, Harley. Guzmán, Sebastián. Suan, Alberto. {hafsuarezbe, jsguzmanf, asuang}@unal.edu.co



Resumir los factores determinantes en la tensión disruptiva del aire como aislante eléctrico.

Existen tres factores de gran importancia que influyen directamente sobra la tensión disruptiva del aire cuando este se utiliza como medio aislante entre 2 electrodos, estos son: 

Presión A mayor presión se se tiene que un mayor mayor valor de la tensión disruptiva disruptiva del aire, aire, pues esto hace que el camino libre medio de las partículas disminuya lo cual da un aumento en valor de tensión que se requiere para crear disrupción en el aire, por ejemplo a nivel del mar se tiene un valor de 30 kV/cm de tensión soportable y por ejemplo en Bogotá se tiene un valor aproximado de 21 kV/cm 

Temperatura Con el aumento de la temperatura se tiene un aumento en la movilidad de las partículas por lo tanto también una reducción del camino libre medio entre estas, por lo cual la tensión disruptiva también aumenta respecto a un valor de temperatura inferior 

Humedad Para un aumento de la humedad también se tiene un aumento de tensión disruptiva, pues aumenta la rigidez dieléctrica del medio, entonces el valor de la tensión disruptiva también aumenta 



Analizar los gráficos de la tensión soportable y la máxima intensidad de campo eléctrico soportable por el aire en función de la distancia de los electrodos. Electrodos esfera-esfera

En la gráfica de tensión soportable podemos ver un comportamiento aunque no lineal si tiende a aproximarse, esto debido a la geometría simétrica de la configuración de electrodos, lo cual en teoría tiende a crear un campo eléctrico homogéneo, lo cual no es cierto como se ve en la gráfica. A medida que aumenta la distancia entre electrodos electrodos también aumenta la tensión máxima soportable de la configuración, entonces podemos ver que la tensión disruptiva es proporcional a la distancia entre los dos electrodos. En la gráfica de máxima intensidad de campo eléctrico soportable se puede apreciar como esta tiende a tratar de tener un comportamiento lineal, aunque no es así, también podemos ver cómo la intensidad de campo máxima que soporta la configuración es inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos, pues a grandes distancias el campo tiende a ser no homogéneo razón por la cual lo cual disminuye la rigidez dieléctrica del aire. 

Electrodos punta-punta

En la gráfica de tensión máxima soportable se puede apreciar como esta se encuentra por debajo de la obtenida para la configuración esfera-esfera, lo cual muestra como el campo eléctrico de esta configuración no homogéneo, también podemos ver cómo se pueden diferenciar dos zonas una para distancias pequeñas entre electrodos(entre 0 y 2 cm) y otra para distancias más

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grandes(>2cm), hacer el control para distancia pequeñas es bastante complicado, razón por la cual estos datos pueden quitarse de análisis y podemos observar cómo se tiende a cierto comportamiento para las distancias grandes, también vemos como se hace bastante difícil la predicción de cierto valor de tensión disruptiva, pues al ser campo no homogéneo predecir estos valores no es tan sencillo. En la gráfica de máxima intensidad de campo eléctrico soportable podemos ver nuevamente dos zonas diferentes las cuales ya se diferenciaron previamente como distancias pequeñas y grandes entre electrodos, si se excluye den análisis las distancias pequeñas, podemos ver cómo para las grandes distancias la intensidad de campo máxima que soporta la configuración tiende a disminuir, esto debido a que entre más se aleje se puede ver el sistema como dos cargas puntuales y el campo es no homogéneo. 

Electrodos punta-placa (+ y -)

Cuando se realizó la práctica se pudo concluir que esta es la configuración menos homogénea de todas las tres que se realizaron, esto debido a la no simetría de los electrodos, en la gráfica de tensión máxima soportable podemos observarlo, pues esta se ubica por debajo de las 2 configuraciones anteriores, esto si lo hacemos para la polaridad positiva de la disrupción, la cual es la que menos tensión necesita pues se presenta primero que las descargas negativas, las cuales necesitan mayores valores de tensión para que puedan ocurrir. Cuando vemos la gráfica de máxima intensidad de campo eléctrico soportable podemos ver como para valores pequeños de distancia entre los electrodos el comportamiento del sistema no se aproxima al comportamiento a grandes distancias, esto debido al difícil control del sistema para distancias tan pequeñas, para distancias grandes vemos como esta máxima intensidad soportable decae con el aumento de la tensión, esto debido a que el campo se vuelve no homogéneo cada vez más con el aumento de esta distancia. 

Evaluar experimentalmente los factores asociados con la magnitud de la tensión soportable y la rigidez dieléctrica del aire.

La rigidez dieléctrica del aire hace referencia a la máxima intensidad de campo eléctrico soportable por este antes de que pase de ser un medio aislante a un medio conductor, esto se hace demasiado dependiente de varios factores, pero para el caso de la prueba realizada en Bogotá cabe destacar que tiene una fuerte dependencia de la distancia entre los electrodos, pues este valor de rigidez dieléctrica del aire cae a medida que la distancia aumenta, pues se crea un campo cada vez menos homogéneo. La tensión soportable al igual que la rigidez dieléctrica depende de varios factores ambientales como lo son presión, temperatura y humedad, pero nuevamente cae recordar que la prueba se realizó en Bogotá donde la variación de estos factores fue mínima, en cambio esta si depende de la distancia entre electrodos, pues a medida que aumenta la distancia aumenta la magnitud de la tensión soportable, esto debido a que el material dieléctrico en este caso el aire también aumenta su volumen lo cual da lugar a mayores tensiones soportables.





Com parar los resultado s experim entales con los v alores en cond icion es estándar de temp eratura y presión.

En la siguiente tabla se muestran los resultados experimentales, los cuales se obtuvieron en el laboratorio de aislamiento ubicado en la ciudad de Bogotá. Distancia (mm) 5

Vdisrupción(kV) 12.59

10

23.50

15

34.24

20

44.31

30

60.42

40

80.56

50

99.69

La siguiente gráfica relaciona distancia entre los electrodos Esfera- Esfera, con la tensión disruptiva en kV 120.00

Voltaje disruptivo 100.00 80.00 60.00 Voltaje disruptivo

40.00 20.00 0.00 0

10

20

30

40

50

60

Como se puede observar, los datos tienen una tendencia lineal, lo que supone un campo eléctrico homogéneo, que se comporta dentro de cierto rango debido a la geometría Esfera-Esfera



Así mismo, se obtuvieron los datos de la intensidad del campo eléctrico, para la geometría EsferaEsfera, donde puede evidenciarse claramente el cambio del campo eléctrico a medida que aumenta la distancia entre las Esferas,

Distancia (mm) 5

Edisrupción(kV/mm) 2.52

10

2.35

15

2.28

20

2.22

30

2.01

40

2.01

50

1.99

Esto da como resultado, la transición de un campo homogéneo, a un campo no homogéneo, producto de la distancia y de la geometría de los electrodos.

Campo Eléctrico 3.00 2.50 2.00 1.50 Campo Eléctrico 1.00 0.50 0.00 0

10

20

30

40

50

60

Los valores Calculados corresponden a las siguientes tablas, donde se puede evidenciar la validez de los datos obtenidos en el laboratorio:


Informe 6 Guzmán, Suan, Suarez Distancia (mm) 5

Vdisrupción(kV) 11.00

10

22.00

15

33.00

20

44.00

30

55.00

40

66.00

50

77.00

Por otra parte, los valores calculados para el campo eléctrico son los siguientes: Distancia (mm) 5




10

2.20

15

2.20

20

2.20

30

2.20

40

2.20

50

2.20

Aplicar los factores de corrección de las condiciones ambientales a los resultados de laboratorio.

La presión atmosférica cambia con la altitud, de forma exponencial. Este también varía de forma menos abrupta con la temperatura del ambiente. Entre mayor sea esta, menos denso es el aire, por lo que la presión atmosférica disminuye. Estos factores son esenciales a la hora de considerar una disrupción eléctrica. La ecuación que relaciona la presión atmosférica y la altitud sobre el nivel del mar, está dada por:

     Donde Po: Es la presión atmosférica al nvnel del mar Z: Es la altura sobre el Nivel del Mar

 





g: Es la aceleración de la gravedad R: Constante de Boltzman Tm: Temperatura media Una vez obtenida la presión atmosférica de cada ciudad, se emplea la ley de Paschen, la cual establece el voltaje disruptivo en función de la presión y separación de los electrodos:



  ()  

Donde: A y B son constantes características propias del aire. P: Presión del aire D: Distancia entre placas 

Estadística del proceso disruptivo en un gas

Partiendo de la Geometría Punta-Punta, se tomaron 49 valores de voltaje durante el proceso disruptivo en el aire, medidos en el osciloscopio mediante un divisor resistivo amortiguado, que tiene una relación de 1/1079. La distancia entre los electrodos era de 1.5 cm Para el voltaje positivo, se obtuvieron los siguientes resultados: Promedio

8.74kV

Desviación Estándar

134.5 V

Según se puede apreciar en la tabla anterior, la desviación estándar es muy pequeña en comparación con el voltaje promedio, que en este caso es el voltaje disruptivo.

Grupos

Frecuencia

Distribución Normal

8267

0

6.05186E-06

8367

0

6.28157E-05

8467

4

0.000375262

8567

0

0.001290295

8667

23

0.00255347

8767

0

0.00290844

8867

1

0.001906676

8967

20

0.000719418

9067

0

0.000156233



Aplicando la distribución Normal, puede evidenciarse que existe una marcada concentración de valores cercanos a los valores de 8.66kV, que registran una frecuencia de 23

0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 8267

8367

8467

8567

8667

8767

8867

8967

9067

La gráfica de Barras permite apreciar la Distribución Normal de los valores de los voltajes disruptivos

0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 8267

8367

8467

8567

8667

8767

8867

8967

9067



CIUDAD DE BOGOTÁ (Suan) Aplicando la ley de Paschen se obtienen los siguientes resultados: Altitud msnm 2550

Temperatura 18

Humedad

Presión (Atmosferas)

89%

0.74

Obteniendo así los valores de los voltajes disruptivos con las condiciones que se presentaron durante la realización del laboratorio: Distancia (mm)

Vdisrupción (kV)

5

11.21

10

20.44

15

29.17

20

37.59

30

53.84

40

69.56

50

84.91

Por otro lado, el campo eléctrico usando los datos anteriores da que: Distancia (mm) 5


10

2.04

15

1.94

20

1.88

30

1.79

40

1.74

50

1.70

CERRO DE MONSERRATE (Suarez) Datos ambientales promedio para este lugar:

Altitud msnm 3152

Temperatura 12

Humedad

Presión (Atmosferas)

89%

0,68

Para estos datos se obtiene que el factor de corrección ambiental es 0,64 por lo que se tiene obtendrían los siguientes valores para la misma prueba.



Distancia (mm)

Vdisrupción

5

10,51

10

19,15

15

27,31

20

35,18

30

50,37

40

65,06

50

79,41

De igual forma se calcula el campo eléctrico para estas condiciones Distancia (mm) 5

Edisrupción(kV/mm) 2,10

10

1,91

15

1,82

20

1,76

30

1,68

40

1,63

50

1,59

Con estos datos se pueden a tomar decisiones de aislamiento, ya que como se puede observar los elementos vienen dada en condiciones estándar, los cuales no cumplen las condiciones de este lugar.

Ciudad de IBAGUE (Guzman) Datos ambientales promedio para este lugar:

Altitud msnm 1248

Temperatura 21

Humedad Presión (Atmosferas) 89% 0,86

Para estos datos se obtiene que el factor de corrección ambiental es 0,77 por lo que se tiene obtendrían los siguientes valores para la misma prueba.

Distancia (mm)

Vdisrupción

5

12,80


Informe 6 Guzmán, Suan, Suarez 10

23,40

15

33,41

20

43,08

30

61,76

40

79,84

50

97,49

De igual forma se calcula el campo eléctrico para estas condiciones Distancia (mm) Edisrupción(kV/mm)



5

2,56

10

2,34

15

2,23

20

2,15

30

2,06

40

2,00

50

1,95

Otras Configuraciones

Se realizo la prueba en difernte configuraciones en las cuales se obtuvieron los siguientes resultados Configuración Punta -punta Se obtuvieron los siguientes resultados Punta-Punta d(cm)

Vrd(kV)

E(kV/cm)

0,5

6,7

13,4

1

8

8

1,5

8,4

5,6

2

11,2

5,6

3

25

8,33333333

4

32,1

8,025

5

40

8



Configuración punta-placa positiva Punta-Placa (+) d(cm)

Vrd(kV)

E(kV/cm)

0,5

6,8

13,6

1

7,4

7,4

1,5

9,5

6,33333333

2

20

10

3

22,2

7,4

4

30

7,5

5

38

7,6

Análisis de las configuraciones 200 180 160 140 120

Esfera-Esfera

100

Punta-Punta

80

Punta-Placa

60 40 20 0 0

0.5

1

1.5

2

3

4

5

Como se observa en la figura, las configuraciones que tienen simetría (esfera-esfera y puntapunta) presentan mayores tensiones de disrupción, comparadas con las demás. De igual forma se puede establecer que el gradiente de tensión en las configuraciones asimétricas es mayor por lo cual se presenta efecto corona entre los elementos.

Conclusiones 

Juan Sebastián Guzmán Feria

Las configuraciones simétricas presentan campos de forma más homogénea que las configuraciones asimétricas, lo que produce que las tensiones de disrupción sean menores para estas configuraciones. Los iones positivos al tener mayor masa que los electrones, producen que se almacenen las cargas en los puntas modificando la configuraciones, ya que las distancias de entre los electrodos de disminuyen lo cual produce que las tensiones de disrupción sean menor.



Las condiciones ambientales juegan un papel importante en el diseño de las protecciones de las líneas de alta tensión. Por tal motivo se debe seguir las medidas de seguridad que contemplan el RETIE. Las descargas negativas requieren más energía pues desplazan iones positivos los cuales tiene mayor masa, razón por la cual estas son más intensas que las positivas y tienen un sonido característico y se ven de una manera diferente, por la cual a simple vista pueden ser reconocidas.



Harley Francisco Suárez Bermúdez

Las pruebas de alta tensión, en donde se busca conocer la tensión de disrupción son irrepetibles, ya que las condiciones ambientales en cada prueba son diferentes y no se puede garantizar trabajar siempre en las mismas. Por tal motivo es importante hacer las correcciones para garantizar que las pruebas sean aplicables a los elementos de prueba. El campo eléctrico depende en gran forma del tipo de configuración en que se realice la prueba, ya que la distribución de las cargas depende del perfil de Rogowski, la concentración de cargas en configuración punta es más fuerte que en otra configuración, disminuyen la tensión de disrupción como se muestra en los resultados. El aire a ser un elemento que se regenera de forma más rápida que la descarga, es capaz de soportar muchas descargas sin variar considerablemente la tensión de disrupción, cosa que sucede en otros elementos. Las descargas negativas por su configuración son más fuertes, ya que para poderse producir tienen que desplazar iones positivos los cuales son más pesadas formando una nube electrónica que disminuye las distancias entre electrones. 

Alberto Suan Guevara

Los procesos disruptivos en los gases están gobernados por variables tales como la presión atmosférica, temperatura y humedad del ambiente. Es un evento netamente probabilístico, por lo que puede aproximarsea una distribución Normal, donde la frecuencia máxima de disrupción se presenta cercana al promedio. La desviación estándar es pequeña comparada con el promedio, por lo que se puede justificar una tendencia lineal de los voltajes disruptivos contra distancia, dentro de un campo homogéneo. Por otra parte, la Ley de Paschen describe el comportamiento del voltaje disruptivo con respecto a la presión. A medida que disminuye esta, el voltaje cae, por lo que en ciudades como Bogotá es más fácil conseguir una disrupción que en una ciudad que se encuentra al nivel del mar. Esto es importante en equipos eléctricos que requieran aislamiento, tales como subestaciones eléctricas, ya que necesitarán mayores niveles de aislantes para proteger de la misma manera, que en otras partes que se encuentren en altitudes más bajas.

INFORME 6

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