INFORME LABORATORIO DE AISLAMIENTO 6-7
PRESENTADO POR: EDISON ALEXIS PACHON Código: 20081007043 DIEGO ALEJANDRO CHAPARRO Código: 20081007048
ASIGNATURA LABORATORIO DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO
PRESENTADO A: ING. HERBERT ENRIQUE ROJAS CUBIDES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TABLA DE CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... 3 ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................ 3 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 5 PREINFORME ................................................................................................................................... 5 INFORME ......................................................................................................................................... 19 CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 39 REFERENCIAS ................................................................................................................................ 40
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema de una descarga Streamer Figura 2. Dirección de propagación de una descarga Streamer Figura 3. Curva V-I de un gas ionizado Figura 4. Curva de tensión corriente de distintos tipos de descargas eléctricas en gases Figura 5 Descargar de efecto corona (1, 4, 7 son polaridad positiva y las demás polaridad negativa) Figura 6. Campo eléctrico homogéneo (izquierda) y campo eléctrico no homogéneo (derecha) Figura 7. Perfil Borda (Izq), Perfil Rogowski (Der) Figura 8. Perfil de voltaje para la prueba de breve duración Figura 9. Perfil de voltaje para la prueba paso a paso Figura 10. Perfil de voltaje para la prueba de ritmo suave de elevación de la tensión Figura 11. Divisor resistivo puro Figura 12. Divisor capacitivo puro. Figura 13. Divisor resistivo compensado. Figura 14. Divisor capacitivo amortiguado. Figura 15. Electrodos para la configuración de placas paralelas Figura 16. Electrodos para la configuración punta punta Figura 17. Esquema de montaje placas paralelas Figura 18. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia Figura 19. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (punta-punta) Figura 20. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (punta-placa positiva) Figura 21. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (punta-placa negativa) Figura 22. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia Figura 23. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Cuadro comparativo entre diferentes fenómenos Tabla 2. Cuadro comparativo entre Streamer (+) y Streamer (-) Tabla 3. Algunas constantes C1 y C2 para gases Tabla 4. Cuadro de resumen punto L Tabla 5. Relaciones de los Divisores Resistivos más usados en el LAT Tabla 6. Relaciones de los Divisores Capacitivos más usados en el LAT Tabla 7. Características divisor resistivo compensado Tabla 8. Relación de transformación divisor resistivo compensado Tabla 9. Características divisor capacitivo amortiguado Tabla 10. Relación de transformación divisor capacitivo amortiguado Tabla 11. Cálculos de campo homogéneo para 563,9mm Hg y 18,5 °C Tabla 12. Resultados de la practica placas paralelas Tabla 13. Promedio aritmético de la tensión disruptiva Tabla 14. Campo eléctrico para la configuración placas paralelas Tabla 15. Tensión disruptiva para la configuración placas paralelas datos teóricos Tabla 16. Tensión disruptiva para la configuración placas paralelas datos reales Tabla 17. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados Tabla 18. Cálculos de campo no homogéneo (punta-punta) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Tabla 19. Resultados de la práctica configuración punta-punta Tabla 20. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-punta)
Tabla 21. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta datos teóricos Tabla 22. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta datos reales Tabla 23. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-punta) Tabla 24. Valor real del factor K para una configuración punta-punta Tabla 25. Cálculos de campo no homogéneo (punta-placa positiva) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Tabla 26. Resultados de la práctica configuración punta-placa positiva Tabla 27. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-placa positiva) Tabla 28. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-placa positiva) Tabla 29. Valor real del factor K para una configuración punta-placa positiva Tabla 30. Cálculos de campo no homogéneo (punta-placa negativa) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Tabla 31. Resultados de la práctica configuración punta-placa negativa Tabla 32. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-placa negativa) Tabla 33. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-placa negativa) Tabla 34. Valor real del factor K para una configuración punta-placa negativa Tabla 35. Resultados de la práctica configuración placas paralelas Tabla 36. Promedio aritmético de la tensión disruptiva AC para placas paralelas Tabla 37. Resultados de la práctica configuración Punta punta Tabla 38. Promedio aritmético de la tensión disruptiva AC para punta punta
PRACTICA N° 6 – 7: ESTUDIO DE CAMPO ELECTRICO Y DESCARGAS EN GASES Integrantes: Edison Alexis Pachón Cod. 20081007043 Diego Alejandro Chaparro 20081007048
OBJETIVOS
Aplicar las técnicas de alta tensión revisadas en lo transcurrido del curso y los equipos usados en el laboratorio. Analizar la influencia de la configuración del campo eléctrico y las condiciones ambientales en la realización de pruebas de rigidez dieléctrica en gases. Estudiar los fenómenos auditivos, visuales, químicos y electromagnéticos que acompañan el proceso disruptivo en el aire Desarrollar habilidades prácticas en la realización de montajes, la medición altas tensiones e impulsos de tensión y su aplicación en la prueba de materiales y equipo eléctrico. Verificar los criterios de seguridad eléctrica e industrial en el laboratorio PREINFORME
A. Defina brevemente los siguientes términos: nivel de aislamiento, rigidez dieléctrica, ionización, descarga streamer, pulsos trichel, descarga parcial, tensión de incepción corona, efecto corona, tensión de ruptura, disrupción, arco eléctrico y flameo. Nivel de Aislamiento: Es la correlación de esfuerzos dieléctricos en los asilamientos de los distintos componentes de un sistema eléctrico de potencia y de alta tensión con el objetivo de minimizar los riesgos de pérdida del suministro de energía eléctrica, causado por sobretensiones que pudieran causar daños en los equipos y en los diferentes elementos de la red eléctrica. Rigidez Dieléctrica: Es la intensidad del campo eléctrico para el cual el material deja de ser un aislador para convertirse en un material conductor. Hay un límite para la intensidad del campo que puede existir en un conductor sin que se ionice el aire circundante. Cuando ello ocurre, el aire se convierte en un conductor. El valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora, se llama rigidez dieléctrica del material. Se mide en voltios por metro V/m (en el SI). Ionización: Es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutro. A la especie química con más electrones que el átomo o molécula neutros se le llama anión, y posee una carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones catión, teniendo una carga neta positiva. Hay varias maneras por las que se pueden formar iones de átomos o moléculas. Descarga Streamer: Los fenómenos de ruptura eléctrica que llevan a la creación de los plasmas de las chispas son fenómenos complejos. Como se detalla más adelante, la ruptura es demasiado rápida para ser explicada satisfactoriamente por repetitivas avalanchas de electrones, a través de emisiones secundarias del cátodo, como en las descargas a baja presión.
Por el contrario, las rupturas se deben al rápido crecimiento de un canal débilmente ionizado llamado streamer, de un electrodo al siguiente. Un streamer se forma por una intensa avalancha primaria de electrones, que comienza en el cátodo. Dicha avalancha, genera un campo eléctrico debido a la distribución espacial de carga interna. Dicha distribución se incrementa con la propagación y el desarrollo de la avalancha.
Figura 1. Esquema de una descarga Streamer Fuente: [1]
La avalancha debe alcanzar determinado nivel antes de crear el streamer. Tan pronto como el campo creado por la distribución espacial de carga de la avalancha es comparable o excede el campo eléctrico aplicado, se inicia el streamer. Una vez que se ha iniciado el streamer, éste crece y se propaga, siguiendo un camino zigzagueante, debido a la naturaleza aleatoria que rige su propagación. La velocidad de propagación es extremadamente alta (~106 m/s). Dependiendo de la separación entre electrodos y la tensión aplicada (campo externo aplicado), la dirección de propagación del streamer varia, distinguiéndose dos tipos:
Figura 2. Dirección de propagación de una descarga Streamer Fuente: [1]
Pulsos Trichel: Si un sistemas de electrodos se le aplica una tensión que comienza a incrementarse lentamente, se alcanza una corriente del orden de los 10^-4 [A] que es la corriente de saturación debido a las cargas libres en el gas producto de los fenómenos de ionización natural. De continuarse incrementando la tensión, hasta un valor dado de esta, se presenta un rápido incremento en la corriente en forma de pulsos repetitivos denominados pulsos Trichel. Si se continúa aumentando la tensión, los pulsos Trichel se, mantienen de la misma magnitud pero incrementan su frecuencia aumentando más la corriente, hasta que se alcanza una tensión donde la descarga para ser auto sostenida y prácticamente fija, que se conoce como descarga incandescente. Si se continúa aumentando la tensión se produce la ruptura. Descargas Parciales: Las descargas parciales son pequeñas descargas que aparecen en el interior de los dieléctricos como manifestación de la degeneración de los mismos. Una vez iniciado este proceso, se mantendrá constante en el tiempo y será origen de la degeneración del sistema aislante: el calor y compuestos químicos corrosivos atacarán al aislamiento conduciéndolo lentamente a la destrucción y cortocircuito a tierra por perforación. Tensión de Incepción Corona: La tensión de incepción Corona es la tensión más baja a la cual se produce un pulso continuo de amplitud en tanto el voltaje se aumenta gradualmente. La tensión de incepción corona disminuye a medida que la frecuencia de tensión aplicada aumenta. Corona puede ocurrir en aplicaciones tan bajas como 300V dependiendo de las condiciones de la prueba. Efecto Corona: Es un fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de las líneas de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor. Dado que los conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno. El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión de la línea. Al momento que las moléculas que componen el aire se ionizan, éstas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por la línea pasan a circular por el aire. Tal circulación producirá un incremento de temperatura en el gas, que se tornará de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado para niveles altos. La intensidad del efecto corona, por lo tanto, se puede cuantificar según el color del halo, que será rojizo en aquellos casos leves y azulado para los más severos. Disrupción: Se define como la ruptura en el equilibrio de un sistema es decir cuando en un aislante o material dieléctrico se presenta una conducción eléctrica debido al aumento progresivo en el campo eléctrico presentando ionizaciones que producen una descarga o arco eléctrico. Arco Eléctrico: Es una descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre. Fue descubierto y demostrado por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800. Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a través de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama.
La descarga está producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero también, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El choque de los iones genera un calor intenso en los electrodos, calentándose más el electrodo positivo debido a que los electrones que golpean contra él tienen mayor energía total. Flameo: La descarga de corriente eléctrica en el aire de un conductor de fase a otro conductor de fase, o desde un conductor de fase a tierra lo cual provoca un arco eléctrico que puede calentar el aire hasta 35,000˚ F, lo que vaporiza el metal y les causa quemaduras graves a los trabajadores por exposición directa al calor y el encendido de la ropa. Y la explosión de arco que resulta de liberar la energía radiante concentrada, crea una onda de presión que puede dañar la audición del personal y derribarlos, provocando traumatismos. B. Muestre gráficamente el proceso de creación y desarrollo de una descarga en un dieléctrico gaseoso (curva tensión-corriente) e identifique los puntos de incepción corona y el punto de ruptura. La conducción eléctrica en un gas ionizado no sigue la ley de Ohm pero para valores bajos de fem. Si se comporta respondiendo a esta ley.
Figura 3. Curva V-I de un gas ionizado Fuente [5]
• • •
Entre 0-1: el gas actúa como cualquier conductor que sigue la ley de Ohm. Entre 1-2: existe estado de saturación, donde hay un pequeño incremento de corriente con un aumento de tensión. Entre 2-3: el campo eléctrico se hace lo suficientemente elevado para provocar por si mismo la ionización y en esta zona el aumento de corriente es mucho mayor que el aumento de tensión.
C. Muestre en una tabla las diferencias que existen entre los siguientes fenómenos: descarga Townsend, descarga streamer, descargas parciales, descargas corona, disrupción eléctrica (spark), arco eléctrico y flameo
Tabla 1. Cuadro comparativo entre diferentes fenómenos Fuente: [2]
DESCARGA TOWNSED
DESCARGA STREAMER Crecimiento de un canal débilmente ionizado (streamer)
Para tensiones pequeñas, la corriente de la descarga crece con la tensión.
La tensión adquiere un valor de saturación, debido a que el tiempo de transito de las cargas es menor que el tiempo de creación de dichas cargas.
Para tensiones superiores a la de saturación, la descarga se desarrolla por mecanismos de multiplicación por avalancha, con emisión de electrones por parte del cátodo, denominada “zona de descarga Townsend”
intensa avalancha de electrones
Distribución de carga
Streamer negativo
Streamer positivo
Los streamer son el motor de la creación y desarrollo de los plasmas presentes en las descargas disruptivas.
DESCARGAS PARCIALES Descargas eléctricas de pequeña energía y duración transitoria
El medio gaseoso no es atravesado por completo por la corriente.
No se produce ruptura del medio gaseoso.
DESCARGAS CORONA La corona es una descarga de baja corriente (10-6 A) a presión atmosférica.
Se desarrollan localmente (por ejemplo, en el extremo de cables) en campos eléctricos no uniformes.
SPARK
es un régimen transitorio, en el que se crea un canal ionizado que une ambos electrodos La creación del canal ionizado es resultado de varias fases, que incluye el mecanismo streamer En este régimen, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia.
ARCO ELÉCTRICO son descargas de alta corriente (> 100 A) y muy brillantes.
Se diferencian de las descargas luminiscentes en los mecanismos de emisión de electrones.
Los electrones se emiten por procesos termoiónicos, debido al calentamiento del cátodo.
El plasma generado se encuentra en equilibrio termodinámico.
A continuación podemos observar una grafica que nos relaciona los eventos mencionados anteriormente por medio de una grafica de tensión Vs corriente para gases
Figura 4. Curva de tensión corriente de distintos tipos de descargas eléctricas en gases Fuente: [1]
D. ¿Qué diferencias hay entre un streamer positivo y un streamer negativo? Tabla 2. Cuadro comparativo entre Streamer (+) y Streamer (-) Fuente: [autores]
Streamer Positivo Streamer Negativo Separación entre electrodos moderada y Separación entre electrodos grande y tensiones tensiones moderadas altas El campo creado por la avalancha primaria no El campo creado por la avalancha primaria crea es fuerte y no crea una región ionizada el streamer (a veces antes de llegar al ánodo) El streamer crece del ánodo hacia el cátodo La transición avalancha-streamer sucede entre el espacio interelectródico El streamer crece debido a las avalanchas secundarias (creadas por e- libres)
E. ¿Qué es, cómo se origina y de qué maneras se manifiesta el efecto corona? ¿Qué diferencias existen entre una descarga corona negativa y una corona positiva? Explique brevemente. En presencia de un fuerte campo eléctrico externo, las moléculas que componen el aire tienden a ionizarse, es decir, a perder o ganar un electrón libre transformándose en cargas eléctricas no neutras. Luego, las partículas ionizadas y los electrones libres son repelidos o atraídos por el campo eléctrico según sea su polaridad. Cuando el campo eléctrico externo es alterno, entonces las moléculas ionizadas y los portadores libres se acercan y alejan de la fuente del campo eléctrico continuamente. Este movimiento de iones y cargas es más enérgico cuanto mayor sea la magnitud y la frecuencia del campo eléctrico.
Si la magnitud del campo eléctrico supera un cierto valor, entonces el movimiento de las cargas produce choques entre ellas en donde se disipa una cantidad de energía tal que se producen recombinaciones químicas entre las moléculas involucradas. Este proceso químico libera al espacio nuevas moléculas, y la recombinación e ionización de algunas de estas produce la liberación de fotones los cuales producen el efecto visible que se conoce como Efecto Corona. Factores que afectan el efecto corona: Atmósfera: Durante una condición de tormentas o lluvias el efecto corona ocurre a un voltaje mucho menor en comparación con un buen tiempo. Debido a que durante una tormenta o lluvia la densidad de iones alrededor de los conductores es mucho mayor que en un buen tiempo. Tamaño del conductor: La irregularidad de la superficie de los conductores disminuye el voltaje de ruptura. Por esta razón, con el bajo voltaje del aislamiento disruptivo se creará chispas y corona. Es por eso que los conductores sólidos se utilizan sobre todo en vez de conductores trenzados para reducir la corona. Separación entre conductores: mientras más grande sea la brecha entre los conductores, menor será el efecto corona. Tensión de red: Cada voltaje de línea tiene un límite. Después de que se alcance el límite disruptivo se producirá y creará chispas y corona. Así, con la aplicación de un menor tensión de línea la probabilidad de que el efecto corona ocurra disminuye. El efecto corona es casi imperceptible al ojo humano, sin embargo se puede estar produciendo. El efecto corona provoca ruido acústico, gas ozono, emisión de luz y vibraciones mecánicas. Todo esto conlleva un gasto de energía y, por lo tanto, una pérdida de energía eléctrica del sistema. El ruido provocado por el efecto corona consiste en un zumbido de baja frecuencia (básicamente de 100 Hz), provocado por el movimiento de los iones, y un chisporroteo producido por las descargas eléctricas (entre 0,4 y 16 kHz). Son ruidos de pequeña intensidad que en muchos casos apenas son perceptibles En los conductores aéreos ,el efecto es visible en la obscuridad, pudiendo apreciar cómo quedan envueltos por un halo luminoso ,azulado ,de sección transversal circular ,es decir ,de forma corona ,por lo que al fenómeno se dio el nombre efecto corona. Hay dos tipos de descarga por efecto corona, positiva y negativa. La polaridad de la descarga por corona es determinada por la muestra de voltaje aplicado, en la Figura 5 hay más resplandor en la lumínico en las descargas con polaridad negativa, bajo una geometría dada, el voltaje de inicio por corona y la interrupción eléctrica del gas ocurren en voltajes más altos para la polaridad negativa que para la positiva.
Figura 5. Descargar de efecto corona (1, 4, 7 son polaridad positiva y las demás polaridad negativa) Fuente: [6]
Cabe señalar que la tensión de ruptura con polaridad negativa es mayor que con polaridad positiva, excepto a baja presión. Por lo tanto, bajo una tensión alterna a frecuencia industrial la ruptura de la brecha campo no uniforme tiene lugar siempre durante el medio ciclo positivo de la onda de tensión. La polaridad negativa produce mucho más ozono que la polaridad positiva. F. ¿Cómo se ve afectado el proceso de formación del efecto corona si se modifican las condiciones ambientales como presión, humedad, densidad del aire y presencia de agua? El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión de la línea. Al momento que las moléculas que componen el aire se ionizan, éstas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por la línea pasan a circular por el aire. Tal circulación producirá un incremento de temperatura en el gas, que se tornará de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado para niveles altos. Es dependiente de las condiciones de temperatura, presión y humedad. a) Presión del aire: A menor presión, menor Ecrit. El efecto corona es más probable a mayores altitudes. b) Humedad: A mayor humedad, mayor Ecrit. El efecto corona es menos probable cuando hay humedad (si no hay condensación).
c) Temperatura: A mayor temperatura, menor Ecrit. El efecto corona es más probable cuando hace calor G. Explique brevemente el proceso en el cual al aparecer descargas corona se genera ozono Para obtener ozono por medio de la descarga Corona, considerada como una descarga parcial de un gas, es necesario tener un campo eléctrico superior a 20 Kv/cm, sin que suceda una descarga sostenida. Estos niveles de campo eléctrico proporcionan la energía necesaria para disociar las moléculas de oxigeno que formaran tras su recombinación, el ozono. Cuando se presenta un campo eléctrico intenso y el oxígeno que está circulando por el espacio preciso donde surge la descarga Corona esta genera que se descomponga parcialmente las componentes del aire que se encuentra alrededor. La corriente alterna corona vista a través de un estroboscopio tiene la misma apariencia que corona corriente continua. Como se inicia fenómeno de corona se escucha un silbido y se forma gas de ozono que se puede detectar por su color característico. H. Explique la ley de Paschen y su relación con la realización de pruebas de rigidez dieléctrica y descarga en gases ¿Cuáles son los factores que influyen en el valor de la rigidez dieléctrica de un gas? La Ley de Paschen, llamada así después de que Friedrich Paschen, fuera el primero en establecerla en 1889.1 Estudió la tensión disruptiva de láminas paralelas envueltas de gas como función de la presión y la distancia entre ellas. La tensión necesaria para crear un arco eléctrico a través del espacio entre láminas disminuyó a un punto a medida que la presión fue reducida. Luego, comenzó a aumentar, gradualmente excediendo su valor original. Él también encontró que disminuyendo el espacio entre láminas a presión normal, causaba el mismo comportamiento en la tensión de ruptura. Paschen encontró que la tensión disruptiva puede ser descrita mediante la ecuación:
Donde V es la tensión disruptiva en Voltios, p es la presión, y d es la distancia entre las láminas. Las constantes a y b dependen de la composición del gas. Para el aire a presión atmosférica de 760 Torr, a = 43.6x106 y b = 12.8, donde p es la presión en Atmósferas y d es la distancia de separación en metros. La ley de Paschen también la podemos escribir de la forma siguiente donde se tienen constantes propias de la descarga en el aire, y se escribe de esta forma con el fin de tener en cuenta el efecto de la temperatura.
De acuerdo a las anteriores ecuaciones, es posible afirmar que la ley de Paschen tiene relación directa con las pruebas de rigidez dieléctrica en gases como una medida de corroboración de las mediciones, si se tiene conocimiento de las condiciones atmosféricas a las cuales se está realizando la prueba, es posible llegar a un valor teórico al cual se producirá la descarga teniendo en cuenta la separación de los electrodos. Hay que resaltar que dicha ley es válida para descargas en campo homogéneo, por lo que debería ser un estimador para la configuración placa-placa. I. Muestre la relación matemática para determinar la tensión disruptiva corregida en un dieléctrico gaseoso. Explique su comportamiento en función de la temperatura La tensión disruptiva aproximada está dada por: √
[
]
[
]
Donde [
[
] )
(
(
)
]
[
]
Tabla 3. Algunas constantes C1 y C2 para gases Fuente: Curso de Aislamiento UD 2013
Para la corrección está dada la siguiente formula en función de la temperatura: [
]
Donde
A mayor temperatura, menor es la tensión disruptiva del gas. J. Describa las diferencias que existen entre la ley de Paschen extendida y la relación matemática que la aproxima (Paschen abreviada). En ley de Paschen extendida es necesario calcular un coeficiente que depende directamente de la descarga Townsend y de los coeficientes que acompañan a la misma, se puede decir que la ley de paschen depende directamente de las condiciones en que se genere la descarga tipo Townsend, como lo son condiciones de altura y presión atmosférica. Mientras que la relación matemática aproximada, normaliza las condiciones para el aire a presión atmosférica constante, dando así valores preestablecidos para los diferentes gases donde se puede llegar a generar la descarga. K. ¿Según la teoría que se considera como campo eléctrico homogéneo y campo eléctrico nohomogéneo? ¿Bajo qué configuraciones de electrodos se consiguen en el LAT dichas distribuciones de campo? El Campo Eléctrico Uniforme u Homogéneo, es aquél en el cual el vector intensidad del campo eléctrico tiene el mismo módulo, dirección y sentido en todos sus puntos, en cuyos caso las líneas de campo eléctrico son equidistantes y paralelas. El campo eléctrico no homogéneo, es aquel en el que existe cierta uniformidad del campo eléctrico pero no es constante en el espacio interelectrodítico.
Figura 6. Campo eléctrico homogéneo (izquierda) y campo eléctrico no homogéneo (derecha) Fuente [2]
L. Respecto a la tensión disruptiva ordene las siguientes configuraciones de la más a la menos crítica: punta-punta, punta-placa positiva, punta-placa negativa, placa-placa, esfera-esfera. Argumente su respuesta. Tabla 4. Cuadro de resumen punto L Fuente: [2]
PuntaPunta PuntaPlaca Positiva
PuntaPlaca Negativa
Placa-Placa
EsferaEsfera
En esta configuración de electrodos se presenta la descarga al menor valor de tensión disruptiva ya que en la punta hay una concentración de campo eléctrico que genera una ionización y un canal por donde la descarga se va a producir. Punta positiva placa negativa estos iones se acumulan en la punta haciendo que su desplazamiento hacia la placa sea mucho más lento que cualquier otra configuración produciendo una disminución de la distancia electrónica como un alargamiento de la punta por lo tanto esta configuración es la que presenta menores voltajes disruptivos ya que la distancia virtuales menor que la real. Punta negativa y placa positiva al ser el área de la placa más grande que las áreas cercanas a la punta , la aglomeración de los iones positivos no disminuye la distancia efectiva de aire entre electrodos y la movilidad de los electrones desde la punta hacia la placa es alta siendo el proceso de alargamiento mucho menor, luego la tensión disruptiva es mayor que en polaridad positiva. En esta configuración se trata de Homogenizar el campo eléctrico, y cumple muy bien su fin aumentando la tensión disruptiva entre las dos, pero en las esquinas se encuentra una concentración de campo el cual puede generar una descarga con respecto a la configuración esfera-esfera. Este configuración es la que logra homogenizar mejor el campo eléctrico, gracias a su forma geométrica esférica, el campo no se concentra en ningún punto, la líneas de campo salen en todas las dirección y para que se presente descarga debe ser aplicado una tensión muy alta con respecto a las demás configuración de electrodos.
M. ¿Qué son los perfiles Rogowski? ¿Cuál es su aplicación y/o utilidad en las técnicas de alta tensión? Cambio repentino en la forma de electrodos en forma de esquinas o bordes en equipos de alta tensión conduce a la concentración de campos eléctricos en los lugares que resultan en mayores tensiones eléctricas en el dieléctrico. El área alrededor de tales ubicaciones se convierte en altamente vulnerable a la ruptura del aislamiento. Para evitar esta ruptura, los electrodos deben estar adecuadamente diseñados y conformados de manera que no se permite la concentración de la materia. Los electrodos se extienden y por lo que en forma de una intensidad de campo mayor que el campo principal no aparece en cualquier lugar en el material dieléctrico. Para lograr este objetivo Rogowski sugirió una forma por la cual los electrodos deben extenderse conocido como perfil Rogowski como se muestra en la figura (7).
Figura 7. Perfil Borda (Izq), Perfil Rogowski (Der) Fuente: [4]
Se desprende de la fig. que la intensidad del campo eléctrico reduce continuamente más allá de los bordes de los electrodos. Otro perfil de electrodos sugeridas por Borda para reducir las tensiones de campo eléctrico se muestra en la figura. (7). La comparación de los dos perfiles, se encontró que el perfil de Borda logra una intensidad de campo más baja más allá de los bordes en comparación con el perfil de Rogowski. También, se encontró que los requisitos de espacio para equipos de alta tensión es más pequeño con electrodos perfil Borda en comparación con el perfil de Rogowski. En muchas situaciones los requisitos de espacio para equipos de alta tensión se convierten en un problema grave y por lo tanto, las técnicas de optimización de campo eléctrico han recibido una gran importancia. N. Según las características del material bajo prueba, existen tres (3) formas normalizadas (ASTM) de aplicar la tensión de ensayo: Ensayo de breve duración, Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión y Ensayo "paso a paso" o escalonado. Explique brevemente en qué consiste cada uno de estos métodos, apóyese de imágenes si lo considera necesario •
Ensayo de breve duración: Esta prueba normalizada consiste en aplicar tensión uniforme a los electrodos de prueba desde cero hasta que ocurra la disrupción a una tasa de incremento de la tensión constante como se observa en la Figura 1.Se debe utilizar este tipo de prueba si no se especifica alguna otra. Se debe seleccionar una tasa de crecimiento de tal forma que la disrupción ocurra entre los 10 y 20 segundos de la prueba, por lo que generalmente es necesario hacer una o dos pruebas preliminares con el fin de definir la razón de crecimiento de la tensión más adecuada.
Figura 8. Perfil de voltaje para la prueba de breve duración Fuente: [2]
•
Ensayo paso a paso o escalonado: Consiste en aplicar voltaje a los electrodos de prueba empezando con una tensión inicial de aproximadamente el 50 % del valor de tensión disruptiva estimada mediante una prueba de corta duración, y continuando la prueba con incrementos escalonados de aproximadamente el 10% del valor final como se muestra en la figura 2.La duración de cada intervalo de tiempo debe ser de 60 +- 5 segundos de tal forma que se garantice que la tensión de disrupción se encuentre entre el paso 4o 5 de la prueba y entre 120 y 720 segundos de empezada. Si la disrupción sucede cuando se está incrementando la tensión para el siguiente paso, se dice que la tensión disruptiva fue ese último paso, mientras que si la disrupción se produce cuando la tensión permanece los 60 segundos en el paso actual la tensión de ruptura será el valor de dicho paso.
Figura 9. Perfil de voltaje para la prueba paso a paso Fuente: [2]
•
Ensayo de ritmo suave de elevación de la tensión: Consiste en aplicar tensión de acuerdo a la figura 3, en donde debemos seleccionar una tensión inicial de aproximadamente el 50% de la tensión de ruptura estimada, luego de esto se incrementa la tensión a una tasa tal que se produzca la disrupción luego de 120segundos de prueba (tbd), si se produce disrupción antes de este tiempo se debe reducir la tensión inicial o la tasa de crecimiento, si la disrupción se produce a menos de 1.5 veces la tensión inicial se debe reducir la tensión inicial, finalmente si la disrupción se produce a más del 2.5 veces la tensión inicial se debe aumentar dicha tensión inicial.
Figura 10. Perfil de voltaje para la prueba de ritmo suave de elevación de la tensión Fuente: [2]
INFORME
1. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los método de medición que pueden ser usados para la medición de altas tensiones AC y DC. Muestre el valor de sus componentes y la relación de transformación de cada uno Divisor Resistivo Puro: Este divisor nos permite medir tensiones principalmente en DC, además se pueden realizar mediciones en AC e impulso. Debido a su construcción, este divisor tiene un alto grado de confiabilidad para niveles de tensión superiores a 300KV. Los valores de las resistencias son: Tabla 5. Relaciones de los Divisores Resistivos más usados en el LAT Fuente: autores Rat
Divisor Resistivo
3,6 MΩ
280 MΩ
Rbt=40KΩ; sin R de acople, protección 160VAC 210VDC
91
7001
Rbt=100KΩ; sin R de acople; protección 110VAC 160VDC
37
2801
Rbt=40KΩ; sin R de acople, protección 140VAC 210VDC
91
7001
Figura 11. Divisor resistivo puro Fuente: autores
Divisor Capacitivo Puro: Método usado para medir tensiones AC-HV e Impulso, aunque en alta tensión la resistencia de fuga del condensador varía considerablemente, con lo que se genera diferencias de potencial en éstas. Los condensadores en DC-HV funcionan como circuito abierto, este tipo de medición se limita solo para AC-HV. Los valores de las capacitancias son: Tabla 6. Relaciones de los Divisores Capacitivos más usados en el LAT Fuente: autores Divisor
Capacitancia AT [pF] 100
25000
1200
2000
C= 330nF; sin R de acople; protección 60VAC 80VDC
3301
14,2
276
166
C=464,3 nF; Racople=78,4Ω; protección 60VAC 80VDC
4644
19,572
387,9167
233,15
C=4,7uF; Racople=78,5Ω; protección 140VAC 210VDC
47001
189
3917,667
2351
C=203,9nF; sin R acople; protección 165VAC 220VDC
2040
9,156
170,9167
102,95
C=198nF; sin R de acople; protección 60VAC 80VDC
1981
2230
166
100
Figura 12. Divisor capacitivo puro. Fuente: autores
Divisor Resistivo Compensado: Un divisor resistivo compensado es un divisor resistivo que tiene una capacitancia en paralelo, este divisor funciona tanto para AC-HV como DC-HV ya que la parte dominante de cada impedancia es la parte resistiva. Es comúnmente usado en la medición de impulsos, ya que reduce las oscilaciones de la señal de salida del mismo. Los valores de las ramas de alta y baja son: Tabla 7. Características divisor resistivo compensado Fuente: autores Características Divisor Resistivo Compensado
Cat=98,79 pF; Rat=280MΩ; 140KV Rb=102,3KΩ; Cb=0,27uF; Racople=78,5Ω
Tabla 8. Relación de transformación divisor resistivo compensado Fuente: autores ZAT Relación 2551398,34365649+26606050,1148856i ZBT
2734,11
934,862160815301+9734,59972426607i
Figura 13. Divisor resistivo compensado. Fuente: autores
Divisor Capacitivo Amortiguado: El divisor Capacitivo amortiguado consiste en un divisor capacitivo con una resistencia en serie a cada condensador este presenta los mismos problemas del
capacitivo puro ya que la parte dominante de la impedancia es la del condensador por lo tanto no es recomendable no funciona bien en DC-HV. Los valores de las ramas de alta y baja son: Tabla 9. Características divisor capacitivo amortiguado Fuente: autores Características Divisor Capacitivo Amortiguado
Rat= 54,28 Ω; Cat=1227 pF; 140KV Rbt=0,03952Ω; Cbt=1,686uF; Racople=74,3Ω; protección 160VAC 240VDC
Tabla 10. Relación de transformación divisor capacitivo amortiguado Fuente: autores ZAT 54,2799999657807+0,00136287291052429i
Relación
ZBT
1374,48
0,0395199999750639+9,92710374938817E-07i
Figura 14. Divisor capacitivo amortiguado. Fuente: autores
2. Mida las condiciones ambientales en el momento de la prueba. Calcule al tensión disruptiva en el aire para una configuración de campo homogéneo separado cada 5mm hasta 25mm. Realice las correcciones pertinentes y calcule el campo eléctrico en esas condiciones Tabla 11. Cálculos de campo homogéneo para 563,9mm Hg y 18,5 °C Fuente: autores Vac [V] (at)
Vac [V] (bt)
Vdc [V] (at) Vdc [V] (bt)
17,10284
Vmodulo ac [v] 29,30151109
13302,88604
3,897025439
17102,83805
Eb (kV/cm) 2,39755826 24,4326
34,23801
25,53442
43,74696017
19861,11992
5,818232927
25534,42287
3,57953846 23,2131
45,29863
33,78334
57,87945888
26277,27433
7,697818822
33783,3434
4,73591190 22,5222
d [cm]
Vb [KV]
Vb' [KV]
0,7
22,93246
1,1 1,5
1,9
56,20859
41,9199
71,8194486
32606,02967
9,551801519
41919,89943
5,87653354 22,0631
2,27
66,20636
49,37616
84,59391526
38405,63753
11,25077265
49376,15769
6,92178776 21,7516
3. Mida y registre las características geométricas de los electrodos disponibles en el LAT. Apóyese con ayuda de imágenes
Figura 15. Electrodos para la configuración de placas paralelas Fuente: autores
a=14mm b=32,5mm c=5,5mm
Figura 16. Electrodos para la configuración punta punta Fuente: autores
4. Monte un circuito de generación de alta tensión DC de polaridad positiva y monte una configuración de electrodos que garantice una distribución de líneas de campo homogéneo (configuración esfera-esfera o placa-placa). Configure la distancia entre electrodos en 5mm y aplique tensión creciente desde cero y hasta determinar el valor de la tensión disruptiva del aire a esa distancia. Repita este procedimiento cuatro veces descartando la primera medida
Figura 17. Esquema de montaje placas paralelas Fuente: autores
CAT=100pF, CBT=330nF, RAT=280MΩ, RBT=40KΩ. 5. Repita la prueba del numeral 4 pero modifique la distancia de electrodos de 10mm, 15mm, 20mm y 25mm. Construya una tabla para consignar todos los valores obtenidos y grafique el comportamiento de la tensión disruptiva (promedio aritmético obtenido de las tres medidas validadas) en función de la separación de electrodos Se discutió junto con el docente iniciar desde 7mm en pasos de 4mm hasta 23mm Tabla 12. Resultados de la practica placas paralelas Fuente: autores Distancia (mm)
7
11
15
19,3
Tensión DCP - AC VBT VAT (V) (kV) 4,074 13,907
Tensión DRP - DC VBT VAT (V) (kV) 2,425 17,299
Temperatura (°C)
Presion (mmHg)
% Humedad
VMBT (V)
19,5
564,7
61,5
30,80
19,6
564,7
61,5
32,30
6,014
20,529
2,479
17,684
19,6
564,8
61,1
31,50
5,579
19,044
2,413
17,213
19,6
564,8
61,1
32,49
5,264
17,969
2,496
17,805
19,9
565,0
60,6
50,45
6,563
22,403
3,858
27,521
19,9
565,0
60,6
50,73
7,310
24,953
3,93
28,034
20,0
565,0
62,2
50,81
9,301
31,750
3,96
28,248
20,0
565,0
62,2
50,94
8,563
29,231
3,895
27,785
20,0
565,0
60,1
58,00
9,190
31,371
4,275
30,495
20,0
565,0
60,7
59,30
8,006
27,329
4,641
33,106
20,0
565,0
59,8
62,40
8,175
27,906
4,85
34,597
20,0
565,0
60,4
62,10
10,714
36,573
4,853
34,619
20,1
565,0
60,5
78,90
10,060
34,341
6,051
43,164
22,7
20,1
565,0
60,7
79,60
10,326
35,249
6,223
44,391
20,1
565,0
60,4
80,40
10,397
35,491
6,306
44,983
20,1
565,0
59,6
81,30
10,431
35,607
6,334
45,183
20,2
565,0
59,2
87,50
13,201
45,063
6,822
48,664
20,0
565,0
58,9
87,60
13,996
47,777
6,895
49,185
19,9
565,0
60,6
85,90
11,321
38,645
6,772
48,308
19,7
565,0
60,7
85,30
11,129
37,990
6,761
48,229
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tabla 13. Promedio aritmético de la tensión disruptiva Fuente: autores
Distancia en (mm) 7 11 15 19,3 22,7
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 17,567 28,023 34,107 44,853 48,574
Figura 18. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia Fuente: autores
6. Construya una tabla donde muestre los valores de campo eléctrico disruptivo obtenidos de la relación tensión disruptiva vs. Distancia intelectrodica para la configuración bajo estudio. Tabla 14. Campo eléctrico para la configuración placas paralelas Fuente: autores
Distancia en (mm)
Campo eléctrico [KV/cm]
7 11 15 19,3 22,7
25,0961213 25,47502739 22,7382363 23,23973726 21,39822501
7. Compare los resultados obtenidos en el numeral 4 con los valores calculados en el numeral 2 ¿Hay diferencias significativas en los resultados? ¿A qué se deben estas diferencias, si las hay? Tabla 15. Tensión Disruptiva para la configuración placas paralelas datos teóricos Fuente: autores d [cm]
Vb' [KV]
0,7
17,10284
1,1
25,53442
1,5
33,78334
1,9
41,9199
2,27
49,37616
Tabla 16. Tensión disruptiva para la configuración placas paralelas datos reales Fuente: autores Distancia en (mm) 7 11 15 19,3 22,7
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 17,567 28,023 34,107 44,853 48,574
Tabla 17. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados Fuente: autores Distancia en (mm) Error Teóricos Vs Reales
7 11 15 19,3 22,7
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 2,64% 8,88% 0,95% 6,54% 1,65%
Campo eléctrico [KV/cm] 2,64% 8,88% 0,95% 6,54% 1,65%
Como se puede apreciar en la tabla 17, los errores son menores al 10%, esto significa que no es un error que afecte el análisis hecho en los datos. 8. Mida nuevamente las condiciones ambientales en el momento de la prueba. Calcule la tensión disruptiva en el aire para una configuración de campo no homogéneo punta-punta desde 5mm hasta 25mm y separadas cada 5mm. Realice las correcciones pertinentes y calcule el campo eléctrico en esas condiciones. La tensión disruptiva en una configuración punta-punta, se ve afectada por el factor de forma, rugosidad y distancia, por medio de la multiplicación de estos datos se obtiene un valor de K, el cual afecta la tensión y campo disruptivo en el medio. Para este caso el valor de K es de 0,56 arrojando los valores de la Tabla 18. Tabla 18. Cálculos de campo no homogéneo (punta-punta) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Fuente: autores d [cm]
Vb [KV]
Vb' [KV]
Tensión DRP - DC VBT (V)
0,7
VAT (kV)
Tensión DCP - AC VBT (V)
VMBT (V)
Eb (kV/cm)
VAT (kV)
22,932459 9,5775893 1,3426326 34,935081 14,590405 2,0453533
9,5775893 1,9839402
6,7723783
16,408846 13,68227044
14,590405
3,022315
10,316974
24,997074 12,96924897
18,918672 3,9188896
13,377521
32,412497
1,94
45,29863 18,918672 2,6521107 57,293279 23,928158 3,3543645
23,928158 4,9565745
16,919763
40,99502 12,33410207
2,28
66,47555 27,763073 3,8919614
27,763073 5,7509541
19,631457
47,565204 12,17678631
1,125 1,5
12,6124482
9. Modifique en el circuito la configuración de electrodos por una configuración punta-punta y repita los procedimientos 3 a 5. Se discutió junto con el docente iniciar desde 7mm en pasos de 4mm hasta 23mm
Tabla 19. Resultados de la práctica configuración punta-punta Fuente: autores Distancia (mm)
Temperatura (°C)
Presion (mmHg)
% Humedad
VMBT (V)
19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6
565,1 565,0 565,1 565,0 565,2 565,1 565,1 565,1 565,2 565,2 565,2 565,3 565,2 565,3 565,3 565,2 565,2 565,2 565,2 565,3
65,0 64,9 64,9 64,9 65,4 65,0 64,8 64,8 65,3 65,5 64,8 64,3 64,4 63,5 63,9 64,4 64,9 65,1 65,2 65,6
21,78 21,86 21,73 21,76 30,79 30,96 30,94 31,06 36,50 34,80 34,67 34,62 34,86 34,89 36,55 36,36 41,19 40,49 35,76 41,89
7
11,25
15
19,4
22,8
Tensión DCP - AC VBT VAT (V) (kV) 2,768 9,449 2,764 9,435 2,756 9,408 2,757 9,411 3,937 13,439 3,931 13,419 3,893 13,289 3,908 13,340 4,539 15,494 4,399 15,016 4,410 15,054 4,414 15,068 4,416 15,074 4,371 14,921 4,617 15,761 4,494 15,341 5,221 17,822 5,147 17,570 4,541 15,501 5,299 18,089
Tensión DRP - DC VBT VAT (V) (kV) 1,645 11,735 1,631 11,635 1,622 11,570 1,638 11,685 2,356 16,806 2,321 16,557 2,304 16,435 2,311 16,485 2,645 18,868 2,568 18,319 2,600 18,547 2,618 18,675 2,697 19,239 2,725 19,439 2,747 19,596 2,673 19,068 3,122 22,271 3,106 22,156 2,726 19,446 3,153 22,492
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tabla 20. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-punta) Fuente: autores
Datos Reales
Distancia en (mm)
Tensión Disruptiva [KV] (DC)
Campo eléctrico [KV/cm]
7 11,25 15 19,4 22,8
11,630 16,493 18,514 19,367 21,365
16,61412145 14,6600118 12,34243641 9,983138969 9,370461754
25.0
Tension en [KV]
20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 7
11.25
15
19.4
22.8
Distancia en [mm] Figura 19. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (puntapunta) Fuente: autores
10. Compare los resultados obtenidos en el numeral 8 con los valores calculados en el numeral 7 ¿Hay diferencias significativas en los resultados? ¿A qué se deben estas diferencias, si las hay? Tabla 21. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta datos teóricos Fuente: autores d [mm] 7 11,25 15 19,4 22,8
Vb' [KV] 9,577589 14,59041 18,91867 23,92816 27,76307
Tabla 22. Tensión disruptiva para la configuración punta-punta datos reales Fuente: autores Distancia en (mm) 7 11,25 15 19,4 22,8
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 11,630 16,493 18,514 19,367 21,365
Tabla 23. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-punta) Fuente: autores Distancia en (mm) Error Calculados Vs Reales
7 11,25 15 19,4 22,8
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 21,43% 13,04% 2,14% 19,06% 23,05%
Campo eléctrico [KV/cm] 21,43% 13,04% 2,14% 19,06% 23,05%
Como se puede apreciar en la Tabla 23, el error con relación a los datos obtenidos de manera practica y teórica, la gran mayoría superan el 10%, esto se debe a que la tensión disruptiva en el medio se ve afectada por los electrodos, es decir, por el factor de forma, rugosidad y de distancia los cuales están expresados por medio de K. Los datos teóricos fueron calculados con un valor de K = 0,56. Por medio de la medición de la tensión disruptiva se puede determinar el valor de K para los datos prácticos como se observa en la Tabla 24. Tabla 24. Valor real del factor K para una configuración punta-punta Fuente: autores Tensión Disruptiva Calculada [KV] (DC) 9,577589 14,59041 18,91867 23,92816 27,76307
Tensión Disruptiva Real [KV] (DC) 11,630 16,493 18,514 19,367 21,365
Factor K 0,823532562 0,884668683 0,978591762 0,809393184 0,769534954
El valor de K obtenido de manera experimental varia con respecto a la distancia, mientras que en los datos teóricos el valor de este factor se tomo constante para todas las distancias. Es por esto que el error es considerable debido a que el campo presente en el medio es no homogéneo, en comparación al caso de placas paralelas. 11. Modifique en el circuito la configuración de electrodos por una configuración punta-placa positiva y repita los procedimientos 3 a 5. Se discutió junto con el docente iniciar desde 7mm en pasos de 4mm hasta 23mm La tensión disruptiva en una configuración punta-placa positiva, se ve afectada por el factor de forma, rugosidad y distancia, por medio de la multiplicación de estos datos se obtiene un valor de K, el cual afecta la tensión y campo disruptivo en el medio. Para este caso el valor de K es de 0,536 arrojando los valores de la Tabla 25.
Tabla 25. Cálculos de campo no homogéneo (punta-placa positiva) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Fuente: autores d [cm]
Vb [KV]
Vb' [KV]
0,7 1,08 1,5 1,92 2,35
22,932459 33,67969 45,29863 56,75106 68,358507
12,291798 18,052314 24,280065 30,418568 36,64016
Tensión DRP - DC VBT (V) VAT (kV) 1,7231235 12,291798 2,5306604 18,052314 3,4036966 24,280065 4,2642215 30,418568 5,1363942 36,64016
Tensión DCP - AC VMBT (V) VBT (V) VAT (kV) 2,5461723 8,6916136 21,058976 3,7394286 12,764914 30,928205 5,02947 17,168599 41,597927 6,3010241 21,509176 52,114743 7,5897895 25,908505 62,773912
Eb (kV/cm) 17,55971122 16,71510554 16,18671033 15,84300427 15,59155731
Tabla 26. Resultados de la práctica configuración punta-placa positiva Fuente: autores Distancia Temperatura (mm) (°C)
7
10,8
15
19,2
23,5
19,8 19,8 19,7 19,7 19,7 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,6 19,7 19,6 19,6 19,6 19,6 19,5 19,5
Presión (mmHg)
% Humedad
VMBT (V)
564,7 564,7 564,7 564,8 564,8 564,8 564,9 564,9 565,0 564,9 565,0 565,0 565,0 565,1 565,0 565,1 565,1 565,0 565,1 565,0
62,8 62,9 62,9 63,6 63,9 64,6 63,7 63,9 63,7 63,8 63,9 64,2 64,2 63,8 63,8 63,7 64,4 64,2 64,9 64,9
18,23 18,67 18,80 17,11 32,79 32,83 32,73 32,55 44,54 44,30 44,84 45,65 58,39 58,50 58,59 58,86 70,60 70,70 70,40 71,10
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tensión DCP - AC VBT VAT (V) (kV) 1,847 6,305 2,310 7,885 1,642 5,605 2,180 7,442 3,907 13,337 3,933 13,426 3,925 13,398 3,920 13,381 5,432 18,543 5,387 18,389 5,495 18,758 5,543 18,922 7,107 24,260 7,142 24,380 7,148 24,400 7,128 24,332 8,567 29,244 8,620 29,425 8,510 29,050 8,643 29,504
Tensión DRP - DC VBT VAT (V) (kV) -1,269 -9,052 -1,233 -8,796 -1,260 -8,988 -1,265 -9,024 -2,035 -14,517 -2,019 -14,402 -2,030 -14,481 -2,015 -14,374 -2,857 -20,380 -2,844 -20,288 -2,896 -20,658 -2,861 -20,409 -3,778 -26,950 -3,768 -26,879 -3,738 -26,665 -3,786 -27,007 -4,609 -32,878 -4,571 -32,607 -4,533 -32,336 -4,541 -32,393
Tabla 27. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-placa positiva) Fuente: autores
Distancia en (mm)
Tensión Disruptiva [KV] (DC)
Campo eléctrico [KV/cm]
7 10,8 15 19,2 23,5
-8,936 -14,419 -20,452 -26,850 -32,445
-12,76546072 -13,35098153 -13,63438165 -13,98451467 -13,80649487
Datos Reales
0.0 7
10.8
15
19.2
23.5
Tension en [KV]
-5.0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 -30.0 -35.0
Distancia en [mm]
Figura 20. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (punta-placa positiva) Fuente: autores
Tabla 28. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-placa positiva) Fuente: autores
Error Calculados Vs Reales
Distancia en (mm)
Tensión Disruptiva [KV] (DC)
Campo eléctrico [KV/cm]
7 10,8 15 19,2 23,5
27,30% 20,13% 15,77% 11,73% 11,45%
27,30% 20,13% 15,77% 11,73% 11,45%
Como se puede apreciar en la Tabla 28, el error con relación a los datos obtenidos de manera practica y teórica, son superiores al 10%, esto se debe a que la tensión disruptiva en el medio se ve afectada por los electrodos, es decir, por el factor de forma, rugosidad y de distancia los cuales están expresados por medio de K. Por medio de la medición de la tensión disruptiva se puede determinar el valor de K para los datos prácticos como se observa en la Tabla 29. Tabla 29. Valor real del factor K para una configuración punta-placa positiva Fuente: autores Tensión Disruptiva Calculada [KV] (DC) 12,291798 18,052314 24,280065 30,418568 36,64016
Tensión Disruptiva Real [KV] (DC) -8,936 -14,419 -20,452 -26,850 -32,445
Factor K 0,726974402 0,798737494 0,842319511 0,882693365 0,885510951
El valor de K obtenido de manera experimental varia con respecto a la distancia, mientras que en los datos teóricos el valor de este factor se tomo constante para todas las distancias. Es por esto que el error es considerable debido a que el campo presente en el medio es no homogéneo, en comparación al caso de placas paralelas. 12. Modifique en el circuito la configuración de electrodos por una configuración punta-placa negativa y repita los procedimientos 3 a 5. Se discutió junto con el docente iniciar desde 7mm en pasos de 4mm hasta 23mm. La tensión disruptiva en una configuración punta-placa negativa, se ve afectada por el factor de forma, rugosidad y distancia, por medio de la multiplicación de estos datos se obtiene un valor de K, el cual afecta la tensión y campo disruptivo en el medio. Para este caso el valor de K es de 0,39 arrojando los valores de la Tabla 30. Tabla 30. Cálculos de campo no homogéneo (punta-placa negativa) para 563,9mm Hg y 18,5 °C Fuente: autores d [cm]
Vb [KV]
Vb' [KV]
0,68 1,11 1,5 1,92 2,35
22,3575 34,516945 45,29863 56,75106 68,358507
8,7194248 13,461609 17,666466 22,132913 26,659818
Tensión DRP - DC VBT (V) VAT (kV) 1,222331 8,7194248 1,8871132 13,461609 2,4765703 17,666466 3,1026985 22,132913 3,7373017 26,659818
Tensión DCP - AC VMBT (V) VBT (V) VAT (kV) 1,8061766 6,1655644 14,938592 2,7884916 9,5187948 23,063159 3,6595025 12,492078 30,267148 4,5847004 15,650333 37,919309 5,5224215 18,851338 45,675048
Eb (kV/cm) 12,82268354 12,12757536 11,77764371 11,52755908 11,34460327
Tabla 31. Resultados de la práctica configuración punta-placa negativa Fuente: autores Distancia Temperatura (mm) (°C)
6,8
11,1
15
19
23
Presión (mmHg)
% Humedad
VMBT (V)
565,0 565,0 565,0 565,0 565,0 565,0 565,0 565,0 564,6 564,7 564,6 564,7 564,7 564,7 564,7 564,7 564,8 564,8 564,8 564,8
59,9 59,3 60,3 61,1 60,6 60,5 59,9 59,7 62,1 64,1 62,7 62,7 63,1 64,5 62,0 62,7 62,2 62,2 62,4 62,4
20,26 19,47 19,45 20,19 23,84 23,26 23,29 24,06 23,28 23,29 23,32 23,42 26,29 26,20 26,56 26,59 37,54 35,98 36,10 35,83
19,8 19,8 19,8 19,8 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,8 19,7 19,7 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,7
Tensión DCP - AC VBT VAT (V) (kV) 3,671 12,531 3,929 13,412 3,403 11,616 2,681 9,152 4,390 14,986 4,081 13,931 4,118 14,057 4,514 15,409 2,970 10,138 2,960 10,104 2,970 10,138 2,986 10,193 3,276 11,183 3,333 11,378 3,295 11,248 3,332 11,374 4,731 16,150 4,473 15,269 4,536 15,484 4,514 15,409
Tensión DRP - DC VBT VAT (V) (kV) 1,471 10,493 1,486 10,600 1,481 10,565 1,473 10,508 1,805 12,876 1,797 12,819 1,801 12,847 1,801 12,847 1,766 12,598 1,773 12,648 1,764 12,583 1,773 12,648 1,988 14,181 1,968 14,039 1,969 14,046 1,964 14,010 2,846 20,302 2,680 19,118 2,631 18,768 2,600 18,547
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tabla 32. Promedio aritmético de la tensión disruptiva (punta-placa negativa) Fuente: autores
Datos Reales
Distancia en (mm)
Tensión Disruptiva [KV] (DC)
Campo eléctrico [KV/cm]
6,8 11,1 15 19 23
10,557 12,838 12,626 14,031 18,811
15,52572235 11,56559837 8,4174592 7,384987621 8,178644035
Tension en [KV]
20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 6.8
11.1
15
19
23
Distancia en [mm] Figura 21. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia (punta-placa negativa) Fuente: autores Tabla 33. Porcentajes de error para cada uno de los parámetros evaluados (punta-placa negativa) Fuente: autores Distancia en (mm) Error Calculados Vs Reales
6,8 11,1 15 19 23
Tensión Disruptiva [KV] (DC) 21,08% 4,63% 28,53% 36,60% 29,44%
Campo eléctrico [KV/cm] 21,08% 4,63% 28,53% 36,60% 29,44%
Como se puede apreciar en la Tabla 33, el error con relación a los datos obtenidos de manera practica y teórica, son superiores al 10%, esto se debe a que la tensión disruptiva en el medio se ve afectada por los electrodos, es decir, por el factor de forma, rugosidad y de distancia los cuales están expresados por medio de K. Por medio de la medición de la tensión disruptiva se puede determinar el valor de K para los datos prácticos como se observa en la Tabla 34. Tabla 34. Valor real del factor K para una configuración punta-placa negativa Fuente: autores Tensión Disruptiva Tensión Disruptiva Calculada [KV] (DC) Real [KV] (DC) 8,719425 10,557 13,46161 12,838 17,66647 12,626 22,13291 14,031 26,65982 18,811
Factor K 0,825899339 0,953661129 0,714697888 0,633964376 0,705589208
El valor de K obtenido de manera experimental varia con respecto a la distancia, mientras que en los datos teóricos el valor de este factor se tomo constante para todas las distancias. Es por esto que el error es considerable debido a que el campo presente en el medio es no homogéneo, en comparación al caso de placas paralelas. 13. Compare los resultados de tensión disruptiva y campo eléctrico soportable obtenido para las cuatro configuraciones estudiadas. Analice y concluya. En la prueba DC para una serie de configuraciones de electrodos en un medio gaseoso se tomo los datos de tensión disruptiva a unas determinadas distancias, con el fin de obtener el campo disruptivo en el sistema. En una configuración de placas paralelas los valores de tensión disruptiva y campo eléctrico disruptivo en el gas (aire) son grandes debido a que la distribución del campo en medio de las placas es homogénea. Para la configuración punta-punta los valores de los parámetros antes mencionados disminuyen en comparación a la configuración placas paralelas, debido a que el campo presente en medio de las puntas tiene un comportamiento no homogéneo, por el cual se va a presentar mayor concentración de campo en unas zonas de las puntas. En las configuraciones punta-placa positiva y punta-placa negativa, los valores de tensión disruptiva y campo eléctrico disruptivo disminuyen en comparación a la configuración de placas paralelas, pero no llegan a ser menor que los datos obtenidos en la configuración puntapunta. Al igual que el esquema punta-punta el campo tiene un comportamiento no homogéneo. Las condiciones críticas de tensión y campo disruptivo en un gas (aire) se puede presentar cuando se tiene una configuración electródica punta-punta, debido a que el campo que se genera por medio de una disrupción es no homogéneo. 14. Repita las experiencias realizadas en los numerales 3 a 5, pero cambie el tipo de señal aplicada por una fuente de tensión AC (usando la resistencia limitadora) para las configuraciones homogénea, punta-placa y punta-punta. Tabla 35. Resultados de la práctica configuración placas paralelas Fuente: autores Distancia Temperatura (mm) (°C) 20,1 20,2 7 20,2 20,1 20,2 11,25 20,3 20,2
Presion Humedad (mmHg) % 565,3 63,3 565,3 63,4 565,3 63,1 565,3 63,0 565,3 63,8 565,2 63,4 565,3 62,5
VMBT (V) 24,73 24,84 23,42 24,04 32,52 33,99 33,98
Tension DCP - AC VBT (V) VAT (kV) 3,171 10,825 3,263 11,139 3,047 10,401 3,173 10,831 4,291 14,648 4,393 14,996 4,489 15,324
20,2 20,3 20,3 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2 20,2
15
19,4
565,2 565,3 565,3 565,2 565,2 565,3 565,2 565,3 565,3
62,8 62,9 62,9 62,8 62,8 62,6 63,0 63,0 63,3
34,66 41,60 47,54 47,58 46,86 31,75 32,43 32,37 31,60
4,490 5,492 6,205 6,344 6,207 4,282 4,234 4,243 4,154
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tabla 36. Promedio aritmético de la tensión disruptiva AC para placas paralelas Fuente: autores
Distancia (mm)
Promedio Aritmético de Tensión Disruptiva [KV]
Campo eléctrico [KV/cm]
7 11,25 15 19,4
10,790 15,216 21,342 14,372
15,41484229 13,52493606 14,2278848 7,408450447
Figura 22. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia Fuente: autores
15,327 18,747 21,181 21,656 21,188 14,617 14,453 14,484 14,180
Tabla 37. Resultados de la práctica configuración Punta punta Fuente: autores Distancia (mm) 7
11,25
15
19,4
22,8
Temperatura Presion (mmHg) (°C) 20,1 565,3 20,1 565,3 20,1 565,2 20,2 565,2 20,1 565,3 20,1 565,3 20,1 565,3
% Humedad
VMBT (V)
63,0 63,0 63,6 64,0 63,1 62,5 63,3
17,85 18,30 18,65 19,06 24,81 24,15 24,13
Tension DCP - AC VBT (V) VAT (kV) 2,330 7,954 2,345 8,005 2,400 8,193 2,380 8,124 3,190 10,889 3,171 10,825 3,174 10,835
20,0 20,1 20,0 20,1
565,3 565,3 565,2 565,1
63,5 64,6 63,0 63,0
27,15 27,79 27,98 27,85
3,565 3,551 3,568 3,597
12,169 12,122 12,180 12,279
20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0
565,3 565,3 565,2 565,2 565,1 565,3 565,2
63,1 61,9 61,7 64,5 63,9 64,8 63,5
27,25 27,24 27,21 33,52 31,87 32,04 32,76
3,548 3,534 3,571 4,403 4,186 4,190 4,192
12,111 12,064 12,190 15,030 14,289 14,303 14,310
Medida descartada Relación DCP
3413,6
Relación DRP
7133,44
Tabla 38. Promedio aritmético de la tensión disruptiva AC para punta punta Fuente: autores
Distancia en (mm) 7 11,25 15 19,4 22,8
Promedio Aritmético de Tensión Disruptiva [KV] 8,107 10,850 12,193 12,122 14,301
Campo eléctrico [KV/cm] 11,58185714 9,644052148 8,128919467 6,24829567 6,272240468
Figura 23. Comportamiento de la tensión disruptiva promedio en función de la distancia Fuente: autores
15. Analice y concluya sobre los resultados obtenidos, la configuración de los electrodos, el tipo de tensión aplicada y las condiciones ambientales que se presentan durante la prueba. Para las condiciones ambientales de la prueba se puede observar en las tablas que en las mediciones realizadas los valores se mantuvieron en 565mmHg para presión y la temperatura en 20°C. Las condiciones de la prueba de placas paralelas y de punta punta en las mediciones se ve un claro error en la toma de datos ya que para dos distancias diferentes los valores de tensión disruptiva son casi iguales, esto puede ser debido a que entre ensayo y ensayo no se esperaron los 30 seg ya que el tiempo que nos quedaba de clase era muy poco. Cabe la pena mencionar que el campo eléctrico en la configuración de placas paralelas en un inicio (3 primeros datos) los valores se mantuvieron constantes. Para las configuraciones de punta punta los valores de campo disminuyen en función de la distancia pero en los 2 últimos datos existen incoherencias de valores que se pueden dar por errores en las medidas o en el poco tiempo de regeneración del aire
CONCLUSIONES
Para la configuración de campo homogéneo tanto los datos como los mismos cálculos nos permiten llegar a una aproximación muy exacta con errores relativamente bajos, y el campo eléctrico se ve constante para la mayoría de las distancias dentro de la configuración de placas paralelas. Algunos de los errores pueden ser al propio uso de Paschem aproximado o a la variabilidad de las condiciones interelectródicas justo antes de la descarga. En configuraciones de electrodos en donde el campo disruptivo es no homogéneo, la descarga entre ellos se ve afectada por parámetros como el factor de rugosidad, distancia y el factor de forma, lo cual modifica los valores de tensión y campo disruptivo en el gas. La condición que se considera como critica en un gas es cuando se produce una descarga por medio de una configuración puntapunta.
REFERENCIAS •
[1] Universidad de Sevilla. Modelado de descargas eléctricas en gases mediante redes neuronales, [Online] Disponible: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70196/fichero/Capitulo3%252Fcapitulo3.pdf
•
[2] Luis E. Ardila, Diego M. Calderón, José F. Lozano, Descarga en materiales aislantes y dieléctricos, [Online]
Disponible:http://es.scribd.com/doc/104673038/DESCARGAS-EN-MATERIALESAISLANTES-Y-DIELECTRICOS-PARTE-1-DESCARGA-EN-GASES •
[3] Sistema de evaluación de impacto ambiental de Chile, Modificación línea existente 66 kv. Charrúa – cabrero, [Online]. Disponible: http://www.e-seia.cl/archivos/Anexo_N__5_Efecto_Corona.pdf
•
[4] C.L. Wadhwa, High Voltage Engineering, Ed New Age International, 2007
•
[5] E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel, High Voltage Engineering Fundamentals, Ed Newnes, 2000.
[6] Daniel Martínez, “Determinación del efecto corona en el ramal de una red de distribución” thesis, Ingeniería electica, Instituto politécnico nacional, 2010.