UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE INGENIERO DIRRECCION DE POSTGRADO ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
MODELACIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS ATMOSFÉRICOS DE LA EMPRESA CAIVET
Trabajo de Grado presentado a la ilustre Universidad Central de Venezuela por: Ing. Rosmer Gerardo Ocando Morales Para optar al titulo de Especialista en Sistemas Eléctricos de Potencia
Caracas, Agosto del 2007
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©Ocando, Rosmer 2007 Hecho el Depósito de Ley Depósito Legal lft 4872007620617
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DEDICATORIA A mis padres y a mis hermanos, por la ayuda en todo momento.
Ocando Morales, Rosmer G.
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MODELACIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS ATMOSFÉRICOS DE LA EMPRESA CAIVET Tutor Académico: M.Sc. Julio C. Molina. Tesis. Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Especialista en Sistemas Eléctricos de Potencia. Institución: U.C.V. 2007.115 + anexos. Palabras Claves: Simulación; Generador de Impulso Atmosférico; Pspice; ATPDraw; Capacitancia; Transformador Monofásico; Divisor de Tensión.
Resumen: Para un transformador de un determinado lote de la producción es necesario realizarle las respectivas pruebas de rutina así como también las pruebas tipo. Una de estas pruebas tipo es la prueba de impulso la cual se realiza mediante un generador de impulsos atmosférico. La empresa CAIVET
posee dentro de su
laboratorio de prueba un generador de impulsos; por lo que este trabajo platea la necesidad de poder simular mediante los programa Pspice y ATPDraw los ensayos de impulsos a un transformador monofásico. Permitiendo de esta manera poder configurar el equipo para la prueba, así como también conocer como se determinan los valores de resistencia, inductancia y capacitancia que permitan aplicar una onda de impulso atmosférico señalado en la norma I.E.E.E Std-4 1995 y COVENIN 3172 al transformador monofásico. Como resultado se podrá reducir los tiempos de configuración del generador de impulso y poder hacer los ajustes necesarios del generador en vacío y con carga, así como también poder comparar los resultados de las pruebas con las simulaciones.
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ÍNDICE GENERAL
RESUMEN .................................................................................................................. iv
CAPITULO I INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 1.1.- OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.1.1.- OBJETIVO GENERAL..................................................................................... 3 1.1.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS. ........................................................................... 3 1.2.- IMPORTANCIA O JUSTIFICACION DEL PROYECTO. ................................ 4 1.3.- MARCO REFERENCIAL TEÓRICO O HISTÓRICO. ...................................... 4 1.4.- DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN: METODOLOGÍA UTILIZADA............. 7 1.5.- LIMITACIONES DEL PROYECTO ................................................................... 9
CAPÍTULO II 2.1.- FUNDAMENTOS SOBRE GENERADORES DE IMPULSOS DE TENSIÓN ..................................................................................................................................... 10 2.2.- PRINCIPIO BÁSICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS............................ 10 2.3.- FORMA DE ONDA NORMALIZADA DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.... 15 2.3.1.- RENDIMIENTO.............................................................................................. 16 2.3.2.- CIRCUITO DE CARGA. ................................................................................ 18 2.4.- GENERADOR DE IMPULSOS MULTIETAPAS............................................ 19 2.4.1.-CARACTERÍSTICAS NOMINALES DEL GENERADOR DE IMPULSO MULTIETAPAS. .................................................................................................... 23 2.4.2- TENSIÓN NOMINAL. .................................................................................... 23 2.4.3- CAPACITANCÍA NOMINAL......................................................................... 23 2.4.4- ENERGÍA NOMINAL. .................................................................................... 24 2.4.5- NUMERO DE ETAPAS................................................................................... 24 2.5.- ESQUEMA COMPLETO DEL CIRCUITO DE PRUEBA DE IMPULSO...... 24
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2.6.- MÉTODOS DE INICIO DE LA DESCARGA DEL GENERADOR DE IMPULSOS. ............................................................................................................ 26 2.7.- DISPOSITIVO ELECTROMAGNÉTICO......................................................... 27 2.8.- TRIGATRÓN. .................................................................................................... 27 2.9.-MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO. ...................... 28 2.9.1.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL ESPINTERÓMETRO DE ESFERAS..................................................................... 28 2.9.1.1.- ERRORES DE LA MEDICIÓN................................................................... 30 2.9.1.2.-ELECTRODOS DE ESFERAS. .................................................................... 31 2.9.1.3.- RESISTENCIA SERIE EN EL CIRCUITO DE MEDICIÓN. ................... 31 2.9.1.4.- PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO. .............................................................................................................. 31 2.9.1.5.- FACTOR DE CORRECCIÓN POR CONDICIONES AMBIENTALES. .. 32 2.2.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR DE TENSIÓN Y EL OSCILOSCOPIO. ....................................................................... 33
CAPÍTULO III 3.1.- RESPUESTA DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR FRENTE A FENOMENOS DE IMPULSO - CÁLCULO DE LA CAPACITANCIA.................. 35 3.2.-REPRESENTACIÓN DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR A FENÓMENOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO. ................................................. 36 3.3.- TIPO DE BOBINA............................................................................................. 41 3.4.- CÁLCULO DE LA CAPACITANCÍA PARA PRUEBA DE IMPULSOS A UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.................................................................. 42 3.4.1.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT. ........................................................... 44 3.4.2.- CAPACITANCIA ENTRE AT-BTe: .............................................................. 45
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CAPÍTULO IV 4.1.- DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET ...................................................................................................................... 47 4.2.- CONFIGURACIONES CIRCUITALES........................................................... 48 4.2.1.- DATOS NOMINALES: .................................................................................. 49 4.2.2.- CIRCUITO EQUIVALENTE. ........................................................................ 50 4.2.3.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO. ....................................................... 52 4.3.- CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL GENERADOR DE IMPULSOS Y SUS COMPONENTES: ................................................................. 53 4.3.1.- MESA DE COMANDO .................................................................................. 53 4.3.2. ALIMENTADOR DC....................................................................................... 55 4.3.3.- CONDENSADORES DE ETAPAS. ............................................................... 56 4.3.4.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA: ........................................................ 57 4.3.5.- RESISTENCIA DE CARGA: ......................................................................... 58 4.3.6.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL. ........................................................... 59 4.3.7.- DIVISOR DE TENSIÓN................................................................................. 61 4.3.8.- ESPINTEROMETRO VERTICAL. ................................................................ 63 4.3.9. LÍNEAS DE INTERCONEXIÓN..................................................................... 64 4.3.10.- OSCILOSCOPIO........................................................................................... 65 4.3.11.- CABLES COAXIALES. ............................................................................... 66 4.3.12.- ATENUADORES.......................................................................................... 67 4.4.- LABORATORIO DE PRUEBAS. ..................................................................... 67 4.5.- PUESTA A TIERRA DEL LABORATORIO. .................................................. 68
CAPÍTULO V 5.1.- SITUACIÓN ACTUAL DE LAS PRUEBAS CON EL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET ............................................................. 69 5.2.- GENERADOR DE IMPULSOS......................................................................... 69 5.2.1.- ALIMENTADOR AC. .................................................................................... 70
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5.2.2.- CONDENSADORES DE ETAPAS. ............................................................... 71 5.3.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA............................................................. 72 5.4.- RESISTENCIA DE CARGA. ............................................................................ 72 5.5.- ESPINTEROMETRO VERTICAL. ................................................................... 73 5.6.- DIVISOR DE TENSIÓN.................................................................................... 74 5.7.- CABLES DE MEDICIÓN.................................................................................. 75 5.8.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN............................................................ 75 5.9.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO. .......................................................... 76 5.10.- INDUCTANCIA............................................................................................... 79 5.11.- ONDAS REFLEJADAS. .................................................................................. 79 5.11.1. RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO................................................ 80 5.12.- ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA DATA. ................................ 81 5.13. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO: ............................................... 81 5.14.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE RUPTURA MEDIANTE EL ESPINTEROMETRO. ............................................................................................ 82
CAPÍTULO VI 6.1.- SIMULACIÓN COMPUTANCIONAL DEL GENRADOR DE IMPULSOS 84 6.2.- MODELOS CIRCUITALES PARA LA SIMULACIÓN. ................................. 85 6.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.......................................................... 85 6.2.2. RESISTENCIA DE CARGA............................................................................ 85 6.2.3.-CONDENSADORES DE ETAPAS. ................................................................ 86 6.2.4.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN. ....................................................... 86 6.2.5.- DIVISOR DE TENSIÓN................................................................................. 88 6.2.6.-ESPINTERÓMETRO VERTICAL. ................................................................. 89 6.2.7.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL. ........................................................... 89 6.2.8.-OSCILOSCOPIO.............................................................................................. 90 6.2.9.-CABLES DE MEDICIÓN................................................................................ 90 6.2.10.- PUESTA A TIERRA:.................................................................................... 91
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6.2.11.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA BARRA DE ATERRAMIENTO (R):......................................................................................... 91 6.2.12.-CÁLCULO DE LA CAPACITANCÍA DE LA BARRA DE ATERRRAMIENTO (C): ....................................................................................... 92 6.2.13.-CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA DE LA BARRA DE ATERRAMIENTO (L): .......................................................................................... 92 6.3.- SIMULACIONES............................................................................................... 92 6.3.1.- MODELACIONES DEL CIRCUITO PARA LAS PRUEBAS DE IMPULSO EN VACIO.............................................................................................................. 93
CAPÍTULO VII 7.1.- SIMULACIÓN Y APLICACION DE LA PRUEBA DE IMPULSO A UN TRANSFORMADOR MONOFASICO ..................................................................... 99 7.1.1- SIMULACIÓN CON EL OBJETO DE PRUEBA. .......................................... 99 7.1.2.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT. . ........................................................ 100 7.1.3 CAPACITANCIA ENTRE AT- BTe-. ............................................................ 100 7.1.4.- CAPACITANCÍA DEL GENERADOR DE IMPULSOS. ......................... 101 7.2.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE FRENTE, RESISTENCIA DE COLA Y RESISTENCIA DE AM0RTIGUAMIENTO: ............................................... 102 7.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE ....................................................................... 102 7.2.2.- RESISTENCIA DE COLA............................................................................ 102 7.2.3.- RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO: ............................................. 102 7.3.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN PSPICE:...................................... 102 7.4.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN ATPDRAW: ............................. 105 7.5.- ENSAYO DE LA PRUEBA DE IMPULSO CON EL OBJETO DE PRUEBA ............................................................................................................................... 107 CONCLUSIONES .................................................................................................... 114 RECOMENDACIONES ........................................................................................... 115 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 116
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LISTA DE TABLAS, ILUSTRACIONES Y ANEXOS
Tabla I. Distancias de las esferas hacia cualquier objeto (extracto) .......................... 29 Tabla II. Separación de las esferas con una de éstas puesta a tierra (extracto) ......... 30 Tabla III. Factor de corrección del voltaje disruptivo ............................................... 33 Tabla IV. Características del Transformador para el Estudio.................................... 44 Tabla V. Espesores de la Bobina Para el Calculo de la Capacitancia........................ 44 Tabla VI. Lecturas de las Capacitancías con el Equipo DOBLE............................... 47 Tabla VII. Capacitancias calculadas y medidas......................................................... 47 Tabla VIII. Resistencias de frente y cola disponibles ............................................... 59 Tabla IX. Diámetros de las esferas de los espinterómetros horizontales................... 61 Tabla X. Medición de la capacitancía nominal y TANδ ............................................ 72 Tabla XI. Mediciones de resistencias electrolíticas ................................................... 73 Tabla XII. Mediciones de los parámetros eléctricos del divisor de tensión .............. 75 Tabla XIII. Mediciones de R de los conductores de interconexión........................... 76 Tabla XIV. Valores de frente y cola resultado de la simulación ............................... 98 Tabla XV. Características de Diseño del transformador de 25kva. ......................... 100 Tabla XVI. Espesores Bobina de 25kva -13800-120/240 V.................................... 101 Tabla XVII. Capacitancias calculadas y medidas.................................................... 102 Tabla XVIII. Puntos de la Onda Resultante de la Simulación con Pspice .............. 105 Tabla IXX. Punto de la Onda Resultante de la Simulación con ATPDraw............. 107 Tabla XX. Resistencias Calculadas y disponibles para la Configuración................ 108 Figura 1. Circuitos basicos de un generador de impulsos.......................................... 10 Figura 2. Circuitos para el estudio de un generador de impulsos .............................. 11 Figura 3. Onda de impulso de tensión y sus componentes ...................................... 14 Figura 4. Forma de onda plena del impulso normalizado 1,2/50 μs .......................... 16 Figura 5. Eficiencia de un generador de impulsos ..................................................... 17 Figura 6. Circuito para la carga de un generador de impulsos................................... 18 Figura 7. Circuito duplicador de voltaje tipo Greinacher .......................................... 19
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Figura 8. Esquema de un generador de impulsos multietapa..................................... 20 Figura 9. Circuito equivalente de la fase de carga de un generador de impulsos multietapa................................................................................................................ 21 Figura 10.Circuito equivalente de la fase de descarga de un generador de impulsos 22 Figura 11. Circuito equivalente de un generador multietapa .................................... 23 Figura 12. Esquema completo del sistema de prueba de impulso ............................. 25 Figura 13. Inicio de la descarga de un generador de impulso con un dispositivo electromagnético ..................................................................................................... 27 Figura 14. Espinterómetro de la primera etapa del generador con trigatrón.............. 28 Figura 15. Espinterómetros de esferas con el eje vertical y horizontal...................... 29 Figura 16. Esquema básico para la medición de la tensión de impulso..................... 34 Figura 17. Circuito del voltímetro pico...................................................................... 35 Figura 18. Red equivalente de resistencias, inductancias, capacitancias de un transformador .......................................................................................................... 37 Figura 19. Distribución inicial y final del voltaje de impulso ................................... 38 Figura 20. Distribución de los transitorios con el impulso de voltaje........................ 38 Figura 21.Circuito equivalente de las capacitancías en la bobina.............................. 39 Figura 22. Capacitancía entre los devanados del transformador. .............................. 40 Figura 23. Tipos de núcleos según el tipo de arrollados............................................ 41 Figura 24. Bobina tipo biconcéntrica......................................................................... 42 Figura 25. Representación de la bobina como dos cilindros ..................................... 43 Figura 26. Vista de la bobina desde donde se indica la colocación de los espesores 45 Figura 27. Generador de impulsos de la empresa CAIVET ...................................... 48 Figura 28. Circuitos disponibles para configurar el generador de impulsos de CAIVET .................................................................................................................. 49 Figura 29. Circuito equivalente del generador de impulsos multietapa..................... 51 Figura 30. Circuito de carga del generador de impulsos de CAIVET ....................... 52 Figura 31. Circuito de descarga del generador de impulsos de CAIVET.................. 52 Figura 32. Sistema de prueba de impulsos................................................................. 53
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Figura 33. Mesa de control del generador de impulsos ............................................. 56 Figura 34. Alimentador DC del generador de impulsos ............................................ 56 Figura 35. Capacitor de etapa del generador de impulsos ......................................... 57 Figura 36. Resistencias de frente y cola e inventario disponible ............................... 58 Figura 37. Resistencia electrolítica ............................................................................ 60 Figura 38. Espinterómetros horizontales ................................................................... 61 Figura 39. Divisor de tensión resistivo-capacitivo..................................................... 62 Figura 40. Condensador anular y la resistencia de alta tensión del divisor ............... 63 Figura 41. Resistencia de baja tensión del divisor ..................................................... 64 Figura 42. Espinterómetro vertical ............................................................................ 65 Figura 43. Ejemplo de una línea de conexión tipo trenza y tipo cinta....................... 65 Figura 44. Osciloscopio usado para las mediciones .................................................. 66 Figura 45. Cable coaxial dentro de una tubería no magnética ................................... 67 Figura 46. Ejemplo de atenuador de voltaje .............................................................. 68 Figura 47. Laboratorio, sala para pruebas trifásicas y algunos equipos .................... 68 Figura 48. Puesta a tierra del laboratorio de pruebas................................................. 69 Figura 49. Contaminación presente en algunas piezas constitutivas del generador de impulsos .................................................................................................................. 70 Figura 50. Kilovoltímetro DC de respaldo................................................................. 71 Figura 51. Resistencias electrolíticas actualmente disponibles ................................. 74 Figura 52. Estado actual del espinterómetro vertical................................................. 74 Figura 53. Ejemplos del frente y cola de ondas impulsivas en vacío ........................ 77 Figura 54. Onda como resultado luego de cambiar las capacitancías 1 y 2 del generador de impulsos............................................................................................. 78 Figura 55. Onda como resultado luego de cambiar las capacitancías 2 y 3 del generador de impulsos............................................................................................. 79 Figura 56. Ejemplos de la forma de onda de tensión sin objeto de prueba, posterior a las modificaciones- capacitancía 4 y 5.................................................................... 79
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Figura 57. Patrones para la calibración de la distancia interelectródica del espinterómetro vertical............................................................................................ 83 Figura 58. Rendimiento en función de la relación C2/C1 ........................................... 85 Figura 59. Modelo de la resistencia de frente y cola del generador........................... 87 Figura 60. Resistencia electrolítica ............................................................................ 88 Figura 61. Condensador de etapa............................................................................... 88 Figura 62. Línea de interconexión ............................................................................. 89 Figura 63. Impedancia característica de un conductor aéreo ..................................... 89 Figura 64. Modelo del divisor de tensión .................................................................. 90 Figura 65. Espinterómetro vertical ............................................................................ 91 Figura 66. Espinterómetro horizontal ........................................................................ 91 Figura 67. Modelo del osciloscopio........................................................................... 92 Figura 68. Cable coaxial ............................................................................................ 93 Figura 69. Modelo de la barra de puesta a tierra........................................................ 93 Figura 70. Ejemplo de sistema de prueba de impulso simulado en PSPICE ............. 95 Figura 71. Medición de la tensión de impulso en vacío simulada en Pspice............. 96 Figura 72. Ejemplo del circuito de prueba realizada en ATPDraw ........................... 97 Figura 73. Onda de tensión obtenida luego de la simulación en ATPDraw .............. 97 Figura 74. Onda de tensión de la simulación y generador de impulso (vacio) .......... 99 Figura 75. Circuito para la simulación del transformador de 25kVA monofásico .. 104 Figura 76. Onda de Salida con la simulación con Pspice. ....................................... 105 Figura 77. Circuito para la simulación con ATPDraw. ........................................... 106 Figura 78. Onda resultante de la simulación con ATPDraw.................................... 107 Figura 79. Onda de tensión resultante a 62.2 kVpico .............................................. 109 Figura 80. Onda de tensión resultante a 122.5 kVpico ........................................... 110 Anexos . ................................................................................................................... 117
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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS A = Diámetro interno de la bobina. AT = Devanado de alta tensión de la bobina. B = Espacio entre la alta y baja tensión. Bil= Nivel básico de aislamiento. Bte = Devanado de baja tensión externa de la bobina. Bti = Devanado de baja tensión interna de la bobina. C e = Capacitancia equivalente entre C1 y C2 . C G = Capacitancia a tierra. C S = Capacitancia serie. C HL = Capacitancia medida entre la bobina de alta y baja tensión con el equipo DOBLE. C LH = Capacitancia medida entre la bobina de baja y alta tensión con el equipo C1 = Capacitancia del generador de impulso. C2 = Capacitancia del objeto de carga y divisor capacitivo. DC = Corriente continua. D1 , D2 = Diodo rectificador de la onda de carga. e(x ) = Tensión distribuida en el devanado. I (t ) = Corriente rectificada circulante por el galvanómetro. I h = Diámetro interno del devanado de baja tensión. K= Constante dependiente del circuito seleccionado del generador de impulso. K d = Factor de corrección en función de la densidad relativa del aire. n = Numero de etapas. L= Longitud total del arrollado. DOBLE. Rc = Resistencia de carga (electrolítica). Rd = Resistencia de amortiguamiento.
R1 = Resistencia de frente. R2 = Resistencia de Cola. O1 = Origen virtual del tiempo. OL = Diámetro externo del devanado de baja tensión. P= Presión atmosférica normalizada. Po = Presión atmosférica corregida. SG= Espinterometro horizontal. To = Temperatura ambiente normalizada. T = Temperatura ambiente a las condiciones de prueba. T1= Tiempo de frente de la onda de impulso. T2= Tiempo de la cola de la onda de impulso.
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t v = Tiempo de propagación de la onda en la línea. Vn = Voltaje de las etapas. Vc 2 = Tensión de descarga del generador de impulso. ~ V = Máxima amplitud de la onda de tensión. Vo = Tensión de carga de los capacitores del generador. a= Reciproco de la constante de tiempo T1. α (d ) = Factor geométrico propio del arrollado. b= Reciproco de la constante de tiempo T2. e = Razón entre la capacitancia a tierra de la espira respecto a su capacitancia serie. h= Factor de Rendimiento del generador de impulso. ρ r = Densidad relativa del aire.
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CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
El aislamiento es reconocido como uno de los elementos de construcción más importantes de un transformador. Cualquier debilitamiento del aislamiento puede ocasionar la aparición de fallas en los transformadores, y los ensayos de impulso nos permiten conocer que tanto puede afectar una descarga atmosférica a los devanados del transformador. La empresa Compañía Anónima Industria Venezolana Electrotécnica CAIVET fabricante de transformadores de distribución y potencia en Venezuela cuenta con un generador de impulsos que se emplea para realizar pruebas de impulsos de tensión a sus transformadores. Este se encuentra ubicado en el laboratorio de pruebas para transformadores trifásicos, lugar donde también se efectúan las pruebas de rutina de cortocircuito, vacío, doble tensión, tensión aplicada, entre otras. Su fabricante es la empresa italiana ARGO (ya desaparecida) y fue adquirido por CAIVET en el año de 1975, con la finalidad de ampliar el protocolo de pruebas a sus productos. Debido a la complejidad que existe en estos momentos para la configuración del generador de impulsos la empresa está en la necesidad de buscar una manera de reducir los tiempos para la configuración del equipo y no seguir realizándolos de manera de ensayo y error, por lo que este trabajo plantea mediante los programas Pspice y ATPDraw un método que permita simular el generador con un objeto de ensayo (transformador monofásico), y buscar de esta manera la configuración ideal para realizar las pruebas. En el primer capítulo del presente trabajo de investigación se describen los problemas y los objetivos tanto generales como específicos, los cuales permiten tener una idea ampliada de las actividades desarrolladas en el trabajo.
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El segundo capítulo se describe cuales son los fundamentos básicos de un generador de impulso, así como cuales son los circuitos que permiten representar el equipo de impulso. También se hace mención a como es la operación de un generador de impulsos atmosféricos y cuales son las variables que intervienen, así mismo se hace un análisis de la onda normalizada 1.2/50µs la cual es la aplicada según las norma a los transformadores. El tercer capítulo señala cual es la respuesta de los devanados de un transformador frente a los fenómenos de impulso, la distribución del voltaje en el devanado en el momento de la descarga. También se señala como es el tipo de bobina o tipo de construcción del devanado para poder calcular la capacitancia del transformador. En el cuarto capítulo se describe de forma detallada las características del generador de impulsos atmosféricos de la empresa CAIVET
los circuitos
equivalentes del mismo, igualmente se describe los componentes que integran el equipo de prueba tales como el divisor de voltaje capacitivo, el espinterómetro vertical, el osciloscopio, el equipo de carga de los capacitares del generador, las resistencias de frente y cola, los tipos de trenzas y cables disponibles para la interconexión del generador y los atenuadores . En el capítulo quinto se describe la situación actual de las pruebas con el generador de impulsos así como también del estado en que se encuentran los componentes del equipo. Al
final de este capítulo se detallan algunos ajustes
realizados para calcular la resistencia de amortiguamiento, la medición de la tensión de impulso tomando en cuenta las condiciones atmosféricas. El sexto
capítulo describe como esta conformado los circuitos para la
simulación en Pspice y ATPDraw, igualmente en este capítulo se señala como es el calculo de la impedancia de la línea entre el generador de impulsos y el divisor de
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tensión, también se explica como es el cálculo de la velocidad de propagación de la onda en la línea y el cable coaxial y al final del capítulo se muestran los resultados de la simulación en vacío del generador de impulso. En el séptimo capítulo se describe como es el procedimiento para realizar las pruebas con el generador de impulso, así como también los cálculos necesarios para determinar la capacitancia del transformador que permiten configurar el equipo de prueba, además se muestra cuales son los valores que se necesitan del transformador para los cálculos.
1.1.- OBJETIVOS DEL PROYECTO.
1.1.1.- OBJETIVO GENERAL. Desarrollar
un modelo que permita representar y validar mediante el
programa ATPDraw y Pspice el generador de impulso de la empresa CAIVET, y obtener mediante estas simulaciones la configuración y software ideal para realizar las pruebas de impulso para los transformadores monofásicos.
1.1.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1). Describir la situación actual para la ejecución de las pruebas de impulso de los transformadores monofásicos de la empresa CAIVET. 2). Desarrollar un esquema de conexión del generador de impulsos para la realización de las pruebas a los transformadores monofásicos. 3). Diseñar un modelo mediante el programa ATPDraw y Pspice que permita simular el generador y el objeto de prueba para reducir los tiempos de configuración del generador.
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4). Diseñar un procedimiento para realizar las pruebas de impulso para los transformadores monofásicos. 5). Validar y comparar las mediciones realizadas con los Software y las obtenidas en el laboratorio.
1.2.- IMPORTANCIA O JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO 1). Se tiene un mejor conocimiento de los elementos que intervienen en la configuración del generador de impulsos atmosféricos de la empresa CAIVET, y de esta manera poder realizar las pruebas de acuerdo a las normas nacionales e internacionales. 2). Poder realizar simulaciones antes de aplicar la prueba a algún objeto, en este caso un transformador monofásico y de esta manera poder conocer la mejor configuración del equipo antes de la prueba. 3). Reducir los tiempos para realizar las pruebas con el generador de impulsos, ya que este estudio permite obtener los parámetros que se necesitan calcular y medir para poder realizar las pruebas. 4). Mejor compresión desde el punto de vista teórico y práctico de cómo son las pruebas de impulso atmosférico aplicadas a los transformadores monofásicos.
1.3.- MARCO REFERENCIAL TEÓRICO O HISTÓRICO. Los ensayos de aislamiento a impulso normalizado que simulan los transitorios con frente brusco de origen atmosférico o de maniobra, se realizan con generadores de impulso.
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El esquema básico de los generadores de impulso fue originalmente propuesto por E. Marx en 1924, los generadores de Marx son probablemente la manera más común de generar los impulsos de alto voltaje para probar cuando el nivel voltaico requerido es más alto que el disponible cargando voltajes de fuente, consiste en un cierto grupo de capacitores que se cargan en paralelo por medio de rectificadores de alta tensión, a través de resistencias de carga. La descarga de los capacitores se realiza a través de espinterómetros de esferas en un circuito serie que incluye resistencias amortiguadoras de las oscilaciones. La carga de los capacitores y en consecuencia la tensión total del generador puede variarse regulando la tensión del rectificador. La polaridad de la tensión se cambia invirtiendo las conexiones de los capacitores al rectificador. El método más utilizado para originar la descarga del generador consiste en aplicar un impulso de tensión al electrodo central de un espinterómetro con tres esferas, que está colocado entre el primer y segundo grupo, por medio de una fuente auxiliar. Iniciada la descarga, ésta se propaga a todos los espinterómetros de la cadena. Hay ensayos en los que se requiere la aplicación de tensión alterna al aparato y simultáneamente aplicar la onda de impulso, esto exige que el dispositivo de disparo actúe en modo sincronizado. Una de las más importantes aplicaciones del ensayo de impulso, es la detención de las fallas. No existe un método definitivo para este propósito, pero la experiencia ha demostrado que la utilización de una combinación de todos los métodos, asegura la detección de fallas. La detección, mediante osciloscopios diseñados para pruebas de alto voltaje o en su defecto osciloscopios convencionales, esta basado en la premisa que: cuando un aislamiento falla en el caso de las pruebas a transformadores, cambia la impedancia
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cuando este es sometido a los impulsos de tensión. Este cambio causara variaciones en la corriente de impulso que fluye a través del devanado y en la tensión media a través del mismo. Debido a la complicada naturaleza del ensayo de impulso y a las diferentes formas de construcción de transformadores, los fabricantes de estos han desarrollado a través de los años, técnicas de pruebas apropiadas para su uso. Existen tres técnicas apropiadas de ensayo, entre las cuales tenemos: a. Conexión de los terminales no sometidos a impulso. b. Devanados de baja impedancia. c. Uso de condensadores a través de las resistencias shunt de corriente. El propósito de ensayar el transformador es simular su uso en campo. Por lo tanto, esto no es tan simple y directo como suena. El ambiente de un transformador cambia frecuentemente con los años, bien porque sea trasladado o porque se le adicionen en paralelo equipos o líneas. En el ensayo muchas veces se debe tener en cuenta los efectos de las líneas, cables, generadores, pararrayos, etc. Más difícil aún es determinar que clase de descarga atmosférica va a recibir y como esta va a entrar en el sistema de distribución o transmisión. Generalmente,
las
ondas
de
las
descargas
atmosféricas
varían
considerablemente. Para uniformizar estos ensayos, ciertas formas de onda se han normalizado; en la actualidad, la onda utilizada para los transformadores es de 1.2/50μs; sin embargo, en algunos casos es difícil obtener la duración de 50μs en la cola de la onda. En estos casos es necesario utilizar la capacitancia máxima del generador. Para conocer como es el comportamiento de las pruebas en alta tensión actualmente existen determinados software que permiten estudiar dichos fenómenos, uno de estos software son el Pspice y el ATPDraw. El primero se ha conformado
7
como el mejor y el más utilizado simulador de circuitos electrónicos. Si bien soporta el análisis de circuitos analógicos y digitales, es en el campo analógico donde PSPICE ha alcanzado su máxima utilidad. Además el PSPICE es un,
programa de edición gráfica de circuitos,
analizador de ondas u osciloscopio virtual, editor de estímulos, una aplicación específica para optimizar el comportamiento del circuito. El programa ATPDraw es un procesador del ATP en ambiente Windows, usado para construir circuitos eléctricos, en el cual se puede seleccionar los componentes
desde un menú los cuales tienen cajas de dialogo donde puedes
introducir los valores que lo componen. Este programa fue creado por: The Bonneville Power Administration, USA, and SINTEF Energy Research, Norway. En este punto es conveniente insistir en dos aspectos básicos que nunca se debe olvidar: 1). Los simuladores, por muy potentes no son mas que una aproximación a la realidad y en consecuencia nunca pueden sustituir la práctica de manejo real de los circuitos electrónicos y eléctricos. Por tanto, el mejor uso que se puede realizar es combinándolo con el trabajo en el laboratorio. 2). Los simuladores hacen las tareas que le encomienda el usuario y por lo tanto no debe perderse la perspectiva de que es una herramienta que la maneja el técnico.
1.4.- DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN: METODOLOGÍA UTILIZADA. El diseño de la investigación se ubica dentro de la categoría de proyecto factible a su vez, la investigación es de tipo proyectivo, debido a que este tipo de investigación intenta proponer soluciones a una situación determinada. Igualmente
8
implica explorar, describir, explicar y proponer alternativas de cambio, y ejecutar la propuesta, que en este caso es la modelación del generador de impulsos de la empresa CAIVET. El área de investigación se ubica en la planta I de la empresa fabricante de transformadores, ya que este sitio se encuentra con los equipos necesarios para realizar las pruebas de impulso atmosférico para los transformadores. Debido a que es necesario saber la situación actual de cada uno de los elementos que componen al equipo, se realiza la verificación de cada uno de estos de manera detallada y consultando trabajos previos realizados en el tema de estudio. Para la recolección de la información y datos requeridos para el desarrollo del proyecto se procederá de la siguiente manera: Observación directa la cual se logrará a través de las pruebas que se realicen con el equipo para conocer la situación actual del generador de impulsos, lo cual contribuirá al desarrollo de la investigación. 1. Revisión de registros, consistirá en la obtención de información a través de documentos, como informes técnicos, reportes, planos normas, mediciones, así como también interpretación, análisis y revisión de las diferentes investigaciones realizadas en el área de esta investigación, y cualquier otro documento relacionado con el mismo. 2. El instrumento a emplear para desarrollar el proyecto de investigación, consistirá en la aplicación de una guía de observación directa, para la resolución del primer objetivo especifico, donde se establecerán las actividades, que se realizan en la actualidad, mientras que para el tercer objetivo especifico, será la aplicación del programa de simulación para reducir los tiempos de configuración del generador de impulsos para los ensayos de los transformadores.
9
El análisis de los datos obtenidos en el desarrollo del proyecto, se empleara la verificación de los ensayos con las normas nacionales e internacionales que señalan la validación de las pruebas de impulso para los transformadores.
1.5.- LIMITACIONES DEL PROYECTO Las limitaciones más importantes en el estudio es la falta de un osciloscopio con suficientes canales que permitan capturar las señales según las normas durantes las pruebas. El espinterómetro vertical disponible presenta un fuerte desnivel ya que las esferas no están alineadas en su eje central, lo cual produce grandes errores al momento de realizar los ajustes para niveles mayores a 150kV Bil. Igualmente no se cuenta con un medidor de presión atmosférica en el laboratorio.
10
CAPÍTULO II 2.1.- FUNDAMENTOS SOBRE GENERADORES DE IMPULSOS DE TENSIÓN. El generador de impulsos es un equipo que genera intencionalmente transitorios de alto nivel de tensión para simular sobretensiones tipo atmosférico y de maniobra, con la finalidad de verificar la capacidad que posee un determinado dispositivo o máquina de soportar dicho impulso sin que ocurra ruptura dieléctrica en su aislamiento. Su aplicación principal es la realización de pruebas de aislamiento (prueba de impulso) en equipos y maquinaria eléctrica en general.
2.2.- PRINCIPIO BÁSICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS. Muchos años de investigación han determinado que una sobretensión atmosférica se puede representar como un impulso unidireccional de tensión y obtenerse a partir de los circuitos mostrados en la Figura 1. [1]-[2]:
Circuito a
Circuito b
Figura 1. Circuitos básicos de un generador de impulsos Analizando cualquiera de los dos circuitos propuestos se obtiene que inicialmente el condensador C1 (que forma parte del generador de impulsos) es cargado con tensión continua Vo, de polaridad positiva o negativa, y luego es
11
súbitamente descargado en un circuito conformado por el condensador C2 y las resistencias R1 y R2. Este proceso de descarga se inicia en el instante en el cual se establece entre las esferas del (espinterómetro horizontal) un arco eléctrico y la tensión se transfiere a C2, que representa básicamente a un objeto bajo prueba. Entonces, la expresión analítica del voltaje de impulso en C2 tiene la forma [1]-[2]: vC2 (t ) = Vo ⋅ K ⋅ (e −αt − e − βt )
(1)
donde Vo es la tensión de carga del condensador C1, K una constante que depende del circuito seleccionado (ver Figura 1) y α y β las raíces de la ecuación característica del sistema, cuyos inversos son las constantes de tiempo del mismo. Si los parámetros de resistivos y capacitivos de la Figura 1 son constantes y los valores de α y β de la expresión (1) son relativamente diferentes entre sí, entonces se pueden analizar separadamente dos circuitos: el del frente de onda y el de la cola, como se muestran en la Figura 2, para realizar este análisis tomaremos el circuito (b) de la Figura 1[1]- [3].
Figura 2. Circuitos para el estudio de un generador de impulsos Ahora bien, considerando el circuito del frente de onda en el momento en que ocurre la descarga entre las esferas del espinterómetro SG, el condensador C2 se carga con la constante de tiempo T1:
12
1
−
β
= T1 = R1
C1 ⋅ C 2 C1 + C 2
(2)
definida como el producto de la resistencia de frente R1 con la capacidad equivalente serie de los dos condensadores C1 y C2. Generalmente, se asume que C1>>C2 por lo que la relación se puede simplificar a: T1 ≅ R1 ⋅ C 2
(3)
que indica que la duración del frente de la onda de tensión en el condensador C2 es directamente proporcional a la resistencia de frente R1 y a la capacidad del objeto de prueba C2. Haciendo un proceso análogo en el circuito de cola, en el instante en el cual la transferencia de carga de C1 a C2 es cero (debido a una redistribución de la carga eléctrica entre ambos), los condensadores se descargan en la resistencia R2 con una constante de tiempo T2 igual a:
−
1
α
= T2 = R2 (C1 + C 2 )
(4)
y simplificando con la suposición C1>>C2, se tiene que: T2 ≅ R2 ⋅ C1
(5)
que depende proporcionalmente de la resistencia de cola R2 y la capacidad C1. Es importante señalar que conociendo los valores de C1, C2, T1 y T2 es posible establecer, al menos en una primera aproximación, los valores necesarios de R1 y R2 para obtener en el objeto bajo prueba la forma de onda de tensión de impulso determinada [1]- [2]. Analizando el circuito (b) de la Figura 1, a partir del instante en ocurrir la transferencia de energía entre el capacitor C1 y C2 el dominio de la frecuencia:
se tiene la siguiente ecuación en
13
V( S ) =
VO 1 * 2 k ( S + a * S + b)
(6)
Donde: ⎛ 1 1 1 a = ⎜⎜ + + ⎝ R1C1 R1C 2 R2 C 2 ⎛ 1 b = ⎜⎜ ⎝ R1 R2 C1C 2
⎞ ⎟⎟, ⎠
(7)
⎞ ⎟⎟, ⎠
(8)
k = R1C2
Entonces tenemos que para la ecuación en el dominio del tiempo, el voltaje en el capacitor C2 es: V(t ) =
VO 1 [exp(−α 1t ) − exp(−α 2 t )] k (α 2 − α 1 )
(9)
donde α 1 y α 2 son las raíces de la ecuación S 2 + a * S + b = 0 ó 2
a ⎛a⎞ α1 ,α 2 = ± ⎜ ⎟ − b 2 ⎝2⎠
(10)
Como el voltaje en C2 es V(t ) , y es la superposición de dos funciones exponenciales de señales diferentes. De acuerdo con la ecuación 10 la respuesta negativa de la raíz resulta una constante de tiempo más grande, que es 1 / α 1 , que el tiempo positivo que es 1 / α 2 . Un gráfico que pueda expresar la ecuación 10 es indicado es la Figura 3. De la ecuación 10 se puede definir lo siguiente:
α1 + α 2 = a α 1 .α 2 = b
(11)
14
Figura 3. Onda de impulso de tensión y sus componentes.[7]
Si no se conocen los valores de resistencia se pueden calcular usando la ecuación 11, y el (circuito b) de la Figura 1 así como también los valores de a y b de la ecuación 7 y 8, tenemos que R1 y R2 es:
1 R1 = 2C1
⎡⎛ ⎢⎜ 1 + 1 ⎞⎟ − ⎢⎜⎝ α 1 α 2 ⎟⎠ ⎣
⎡⎛ ⎞ 1 ⎢⎜ 1 + 1 ⎟ + R2 = 2(C1 + C 2 ) ⎢⎜⎝ α 1 α 2 ⎟⎠ ⎣
2 ⎤ ⎛ 1 4(C1 + C 2 ) ⎥ 1 ⎞ ⎜⎜ + ⎟⎟ − α 1α 2 .C 2 ⎥ ⎝ α1 α 2 ⎠ ⎦ 2 ⎛ 1 4(C1 + C 2 ) ⎤⎥ 1 ⎞ ⎜⎜ + ⎟⎟ − α 1α 2 .C 2 ⎥ ⎝ α1 α 2 ⎠ ⎦
(12)
(13)
Igualmente existen otras ecuaciones validas que permiten determinar de manera muy aproximada los tiempos de frente y cola [6]. Entonces siguiendo el análisis del circuito b de la Figura 1, podemos señalar que el tiempo (tiempo de frente) que tarda en cargar C 2 a través de R1 será aproximadamente:
15
t1 = 3.R1
donde C e =
C1 .C 2 = 3.R1C e C1 + C 2
(14)
C1 .C 2 , si R1 esta expresada en ohms y C e en microfarads, t1 se obtiene C1 + C 2
en microsegundos. De igual manera para determinar el tiempo de cola tenemos que tanto la capacitancia C1 y C 2 son descargadas a través de R1 y R2 por lo que tenemos que el tiempo al 50% de la descarga es aproximadamente: t2 = 0.7( R1 + R2 )(C1 + C2 )
(15)
2.3.- FORMA DE ONDA NORMALIZADA DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
Aunque las formas de onda de las sobretensiones atmosféricas poseen gran variedad, se han normalizado algunas de ellas para efectuar pruebas de impulso en equipos y máquinas eléctricas. Como onda normalizada de tensión impulsiva se entiende como aquella que posee unas características bien definidas respecto a la duración y amplitud de la misma y para el caso de la sobretensión atmosférica la Norma ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7] establece las siguientes: •
Valor pico Vˆ : es la máxima amplitud de la onda, medida desde la referencia de voltaje, con una tolerancia de ± 3% .
•
Tiempo de frente T1: es el primer tiempo que, medido desde un tiempo virtual TO1, transcurre entre el 30% y el 90% del valor pico, multiplicado por 1,67. La duración del lapso será T1 = 1,2 ± 30% μs . Esto es 0,8 ≤ T1 ≤ 1,6 μs .
•
Tiempo de cola T2: es el mayor tiempo que transcurre hasta alcanzar el 50% del máximo valor pico. Su valor es T2 = 50 ± 20% μs o 40 ≤ T2 ≤ 60μs . La Figura 4 muestra la onda plena de impulso normalizado tipo atmosférico
1,2/50 μs.
16
Figura 4. Forma de onda plena del impulso normalizado 1,2/50 μs [7]
Donde T1 es el tiempo de frente virtual de un impulso de tiempo atmosférico el cual es de 1.67 veces el intervalo de tiempo transcurrido entre los instante cuando un impulso tiene como valores 30% y 90% del valor pico. Tales instantes de se denominan puntos A y B del frente de la onda. Esto significa que: T1 = 1.67 * (t 90 − t 30 )
(16)
También T2 es el intervalo de tiempo entre el origen virtual O1 y el instante en el tiempo cuando el voltaje ha disminuido a la mitad del valor pico. Por lo que T2 se llama tiempo de cola del impulso el cual es: T2 = (t 50 + 0.5 * t 90 − 1.5 * t 30 ) 2.3.1.- RENDIMIENTO.
El factor de aprovechamiento o rendimiento de la tensión se entiende como el cociente entre el voltaje pico Vˆ del impulso y el valor de la tensión continua a la cual está cargado el condensador C1. Esto es:
η=
Vˆ Vo * N
(17)
Donde: N = numero de etapas. Además, si T2>>T1 se pueden hacer las siguientes aproximaciones [1], [2] para los circuitos de la Figura 1: Para el circuito (a), el rendimiento queda definido como:
17
η≅
C1 = C1 + C 2
1 C 1+ 2 C1
(18)
y para el circuito (b):
η≅
R2 C1 1 ⋅ = R2 + R1 C1 + C 2 ⎡ R1 ⎤ ⎡ C 2 ⎤ ⎥ ⎢1 + ⎥ ⋅ ⎢1 + ⎣ R2 ⎦ ⎣ C1 ⎦
Se evidencia que el rendimiento depende de la relación
(19)
C2 ; es decir, de la C1
capacidad del generador y la del circuito externo. A continuación, la Figura 5 muestra la eficiencia en función de
C2 para distintas formas de onda normalizada y C1
considerando los dos circuitos en análisis [4]- [5].
Figura 5. Eficiencia de un generador de impulsos [5]
Se evidencia que la configuración (a) presenta mejor rendimiento que la (b), obteniéndose el máximo rendimiento a un valor de C 2 C1 ≅ 0,05 , por lo que resulta
18
conveniente en la práctica que la capacidad C1 del generador sea muy superior a la del circuito externo y en particular a la del objeto de prueba C2. De esto se concluye que una condición de diseño es C1 ≅ 20 ⋅ C 2 [10]. Es necesario acotar que los circuitos analizados presentan cierta inductancia L que, si es de magnitud considerable (decenas de μH), puede modificar en gran medida las características del sistema. Esto se explicará más adelante.
2.3.2.- CIRCUITO DE CARGA.
Como se ha mencionado, el generador de impulsos se alimenta de una fuente DC de valor nominal relativamente bajo (algunos kilovoltios). El circuito comúnmente empleado para obtener dicha alimentación es un rectificador de tensión alterna, que se muestra en la Figura 6 [4].
Figura 6. Circuito para la carga de un generador de impulsos
La tensión DC aplicada en C1 es obtenida por medio de la rectificación de la onda alterna presente en la salida de un transformador elevador controlada por un variador de tensión (VARIAC). Cabe destacar que la resistencia R tiene dos funciones esenciales: limitar la corriente absorbida por el generador y desacoplarlo del circuito alimentador en el momento en que se produzca el impulso. Asimismo, desde el punto de vista económico no se utiliza un transformador elevador con tensión secundaria mayor a cientos de kilovoltios, por lo que en la práctica se implementa un circuito duplicador de voltaje como se indica en la Figura 7 [1], [3], [4].
19
Figura 7. Circuito duplicador de voltaje tipo Greinacher
El variac alimenta al transformador elevador de voltaje (en el orden de kilovoltios) que a su vez está conectado al circuito propuesto por Greinacher: el condensador serie y el diodo D1. Esta configuración produce la carga del condensador
C en un semiciclo de onda y permite la contribución “transformador+condensador” en el siguiente semiciclo, lo que da origen a una onda de voltaje del doble de magnitud respecto a los terminales del transformador. Finalmente, esta onda obtenida es rectificada por el diodo D2 (rectificador de media onda) y el voltaje DC resultante proporciona el nivel de carga del condensador de etapa C1. Siendo V la tensión rms en el secundario del transformador, entonces la tensión en C1 (en régimen permanente) resulta:
Vo = 2 ⋅ V
(20)
Esto significa que la tensión de carga es del orden de las centenas de kilovoltios. Cabe destacar, que el circuito duplicador de voltaje debe ser de polaridad invertible y que los diodos D1 y D2 deben estar diseñados para soportar la tensión V cuando se polarizan en reverso [1], [2], [4].
2.4- GENERADOR DE IMPULSOS MULTIETAPAS.
Desde el punto de vista económico, el empleo de un generador de una sola etapa ver Figura 1, es válido para tensiones que no superen los kilovoltios de diseño de la etapa [4]. Además, para obtener un rango amplio de tensiones de prueba es necesario disponer de un generador de impulsos de varias etapas que cumpla con la
20
siguiente característica: que mediante la conexión en serie de dichas etapas se
produzca la tensión de prueba deseado al momento de la descarga. Cuyo ejemplo se muestra en la Figura 8. El generador consta de n etapas en donde los condensadores C1 de cada una de éstas son cargados en paralelo, a la tensión DC deseada, a través de la resistencia de frente R1, de cola R2 y de carga Rc (ésta última de un valor mucho más grande que las demás -alrededor de las decenas de Kohm-), como se esquematiza en la Figura 9.
Figura 8. Esquema de un generador de impulsos multietapa [3]
21
Figura 9. Circuito equivalente de la fase de carga de un generador de impulsos
multietapa [4] Cuando ha transcurrido cuatro o cinco veces la constante de tiempo de este proceso (t1), todos los condensadores se cargan a la tensión pico V0 = 2 ⋅ V . En este instante, el generador de impulsos está disponible para iniciar la descarga en el circuito externo. Posteriormente, en la fase de descarga del generador y considerando que la resistencia de carga Rc→∞, el circuito queda reducido al representado en la Figura 10.
22
Figura 10.Circuito equivalente de la fase de descarga de un generador de impulsos
Si se provoca la descarga disruptiva en los espinterómetros, las n etapas se “conectan” en serie y en la salida de alta tensión AT del generador aparecerá una tensión dada por la relación:
V AT = η ⋅ n ⋅ 2 ⋅ V
(21)
donde η es el rendimiento de una etapa, n es el número de etapas y V es el valor eficaz de la tensión de salida del transformador elevador. Cabe destacar que con respecto a AT y a C2, el generador es un circuito de una etapa con capacitancía equivalente C1/n, resistencia de frente equivalente n ⋅ R1 y resistencia de cola equivalente n ⋅ R2 ; cuyo esquema se ve en la Figura 11.
23
Figura 11. Circuito equivalente de un generador multietapa [2]-[4]
Este circuito es muy útil para calcular los parámetros del generador puesto que se reduce a alguno de los circuitos de una etapa señalados en la Figura 1.
2.4.1.-CARACTERÍSTICAS NOMINALES DEL GENERADOR DE IMPULSO MULTIETAPAS.
Como todas las máquinas o aparatos, el generador de impulsos es definido por varios datos que representan sus características eléctricas, a saber [2], [4]:
2.4.2.- TENSIÓN NOMINAL.
La tensión nominal de salida de un generador de n etapas es el voltaje máximo de carga Vo multiplicado por el número de etapas, esto es: Vn = n ⋅ Vo . En realidad el voltaje máximo del impulso Vˆ que puede ser aplicado al objeto de prueba es menor que n ⋅ Vo ya que el rendimiento en la generación de la tensión de impulso es menor al 100%. Típicamente, el voltaje de carga Vo está en el rango de 50 kV a 400 kV mientras que los generadores son construidos para impulsos de voltaje que pueden llegar hasta los 5 MV.
2.4.3- CAPACITANCIA NOMINAL.
La capacitancia nominal C1/n de un generador de impulsos es la capacitancia por etapa C1 dividida entre el número de etapas n. Generalmente, C1/n es mínimo
24
cinco veces la capacitancia del objeto de prueba o de lo contrario la eficiencia de voltaje será muy baja [6] (para diseño con máximo rendimiento ver el inciso 2.3 de este capítulo). Usualmente, la capacitancia por etapa se diseña para valores que estén por el orden de los 200 nF a 2000 nF.
2.4.4- ENERGÍA NOMINAL.
La energía nominal de un generador está dada por la máxima energía que éste puede almacenar; y se puede calcular empleando la expresión W =
1 2 ⋅ n ⋅ C1 ⋅ Vo . El 2
rango típico está entre los 10 kJ y 100 kJ.
2.4.5- NUMERO DE ETAPAS.
La selección del número de etapas depende de varios factores. Para formas de onda con oscilaciones apreciables, muchas veces es necesario reducir la inductancia L del circuito y esto se logra limitando las etapas y por consiguiente, el número de resistencias de frente y cola se mantienen en la mínima cantidad posible. El otro factor es el voltaje de carga Vo, que indica la cantidad de capacitores de carga a utilizar y por ende el número de etapas n. Por lo general, los generadores de impulsos pueden tener desde unas pocas etapas hasta, por ejemplo, cincuenta de ellas.
2.5.- ESQUEMA COMPLETO DEL CIRCUITO DE PRUEBA DE IMPULSO.
El circuito del generador de impulsos multietapa debe ser completado con otros elementos indispensables para la prueba de impulso; es decir, anexarle los aparatos y equipos necesarios para la medición de la tensión de carga Vo de las etapas del generador y la medición de la tensión de impulso Vˆ aplicada al objeto de prueba. La Figura 12 muestra el esquema completo para realizar una prueba de impulso tipo atmosférico 1,2/50 μs [4].
25
Figura 12. Esquema completo del sistema de prueba de impulso
El sistema de prueba está conformado por el generador de impulsos, el alimentador DC para la carga de los capacitores de etapa (con su respectivo divisor óhmico), el divisor de tensión para la medición de la tensión de impulso, el espinterómetro vertical y el objeto de prueba. La medición de la tensión de carga Vo se realiza por medio del divisor de tensión, siendo (Rm+r) el valor total de la resistencia e (I) la corriente que la atraviesa, por lo que la tensión está dada por la ley de Ohm:
26
Vo = (Rm + r ) ⋅ I
(22)
Por otra parte, la medición de la tensión de impulso se efectúa mediante el divisor de tensión que disminuye el voltaje a un valor adecuado para ser registrado por un osciloscopio. Cabe destacar que los elementos constituyentes del divisor de tensión -resistencia de alta tensión, de baja tensión, inductancia y capacitanciapueden incidir directamente en la forma de onda de la tensión de impulso, como se explicará más adelante.
2.6.- MÉTODOS DE INICIO DE LA DESCARGA DEL GENERADOR DE IMPULSOS.
El inicio de la descarga entre las esferas de cada etapa del generador se hace de forma “natural” o mediante el uso de un sistema auxiliar [2]-[3]. El primer método (descarga natural), se aplica para obtener la tensión de impulso deseada con alguno de los siguientes procedimientos: •
Con las esferas ajustadas a una distancia superior a la del inicio de la descarga, el generador es cargado a una tensión prefijada. Luego, se disminuye la separación interelectródica con un accionamiento a distancia hasta provocar la ruptura del aire.
•
Las esferas de la primera etapa se ajustan a una distancia correspondiente a la tensión de descarga. Luego, se aumenta pausadamente la tensión de carga hasta que ocurra la ruptura. Una alternativa al método de ruptura natural es el empleo de un sistema
auxiliar para el inicio de la descarga, el cual posee como principal ventaja una mayor precisión del valor de la tensión provista por el generador, resultando en la reducción de la dispersión de campo eléctrico que se verifica en el caso de inicio natural. A
27
continuación se describen algunas técnicas empleadas para iniciar la descarga con sistemas auxiliares.
2.7.- DISPOSITIVO ELECTROMAGNÉTICO.
El espinterómetro de la primera etapa está compuesto por tres esferas, mostradas en la Figura 13, donde las externas 1 y 3 soportan toda la tensión de carga mientras que la esfera central 2 es sometida a un potencial intermedio a través de un divisor óhmico. Mediante un dispositivo electromagnético se conecta un contacto metálico entre las esferas 2 y 3 de tal modo que aparezca la tensión de carga entre las esferas 1 y 2, provocando la descarga natural.
Figura 13. Inicio de la descarga de un generador de impulso con un dispositivo
electromagnético [4] 2.8.- TRIGATRÓN.
El espinterómetro de la primera etapa del generador está constituido por una esfera y una semiesfera (ambas huecas); dentro de ésta última se instala un electrodo eléctricamente aislado (aproximadamente de un milímetro de diámetro) que tiene como función iniciar “la chispa” que conduce a la descarga completa entre el espinterómetro. El esquema se muestra en la Figura 14.
28
Figura 14. Espinterómetro de la primera etapa del generador con trigatrón [1]
La aplicación de una tensión de varios kilovoltios (alrededor de 4 kV a 10 kV) entre el electrodo interno y la semiesfera puesta a tierra provocan distorsión del campo eléctrico que asegura una descarga controlable entre los dos electrodos principales (esfera-semiesfera) a un valor de tensión disruptiva más bajo que el requerido en condiciones de ruptura natural.
2.9.-MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
En la prueba de impulso es necesario efectuar la medición de la tensión que se aplica al objeto de prueba, la cual se puede hacer utilizando algunos de los siguientes métodos: a través de un espinterómetro de esferas, por medio del divisor de tensión conectado a un osciloscopio y por medio del divisor de tensión conectado a un voltímetro pico.
2.9.1.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL ESPINTERÓMETRO DE ESFERAS.
La norma ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7] define al espinterómetro como “un dispositivo constituido por dos electrodos metálicos, esféricos y de igual diámetro, donde la distancia que los separa es regulada a voluntad”. Al aplicar entre dichas esferas un potencial, la descarga -a cierta distancia de ruptura- ocurre a un valor de tensión predeterminado. La disposición física de las esferas se hace vertical u horizontalmente, como se ve en la Figura 15.
29
Figura 15. Espinterómetros de Esferas con el Eje Vertical y Horizontal [7]
Las dimensiones mostradas son las distancias exigidas a los soportes y bases de las esferas, donde A y B son las distancias mínimas a tierra (clearances) del espinterómetro respecto a cualquier objeto circundante. Cabe destacar, que para espacios interelectródicos pequeños la ubicación de cualquier objeto a tierra en la vecindad del espinterómetro no afecta considerablemente la medición, pero a espacios entre esferas más grandes la presencia de superficies tales como paredes incluso a la distancia B- tiene un importante efecto. La Tabla I muestra las separaciones mínimas y máximas que debe tener el espinterómetro respecto a cualquier objeto ubicado en las cercanías. Tabla I. Distancias de las esferas hacia cualquier objeto (extracto) [7]
Diámetro de las esferas D [mm]
Amín
Amáx
Bmín
62,5
7D
9D
14S
125
6D
8D
12S
250
5D
7D
10S
500
4D
6D
8S
750
4D
6D
8S
1000
3,5D
5D
7S
30
Adicionalmente, en la Tabla II se encuentra un extracto de las calibraciones para impulsos de tensión tipo atmosférico 1,2/50 μs de polaridad negativa al 50% de la tensión disruptiva [1]-[2]-[7], válidas para las siguientes condiciones ambientales: •
Temperatura ambiente=20 ºC
•
Presión atmosférica=101,3 kPa=760 mmHg. Es de notar que una de las esferas es conectada a tierra, específicamente al
circuito de retorno del generador de impulsos, mientras que la otra va al terminal de alta tensión que conecta también al objeto de prueba. Tabla II. Separación de las esferas con una de éstas puesta a tierra (extracto) [1]-[2]-[7]
Voltaje pico [kV] Separación de las esferas [mm]
Diámetro de las esferas [cm] 6,25
12,5
25
5
17,2
16,8
10
31,9
31,7
15
45,5
45,5
20
58,5
59,0
25
69,5
72,5
72,5
30
79,5
85,0
86,0
35
(87,5)
97,0
99,0
2.9.1.1.- ERRORES DE LA MEDICIÓN.
Las mediciones de impulsos de voltaje están generalmente sujetas a considerables errores causados por contaminación en el aire (polvo y otras partículas) y alrededor o en contacto con las esferas (polvo, grasa, etc.); por lo que los valores de la Tabla II -definidas para espaciamientos superiores a 0,5D- poseen un error de
31
±5% si las distancias máximas a tierra de la Tabla I son respetadas. El error de los demás valores se ubica en ±3% [4], [7].
2.9.1.2.-ELECTRODOS DE ESFERAS.
Los requerimientos en cuanto a las dimensiones y montaje de las esferas que constituyen al espinterómetro establecen que las mismas deben ser construidas de tal manera que sus superficies sean lisas, libres de irregularidades (en especial en los puntos de ruptura dieléctrica), que la curvatura sea lo más uniforme posible y además limpias y secas. Asimismo, el diámetro de la esfera medido entre dos puntos cualesquiera de su superficie no debe exceder el 2% de su valor nominal [7].
2.9.1.3.- RESISTENCIA SERIE EN EL CIRCUITO DE MEDICIÓN.
La conexión de alta tensión del generador de impulsos con el espinterómetro es generalmente hecha a través de una resistencia no-inductiva (máximo L=30 μH) de un valor que no exceda los 500 Ω. Esta condición aplica en los casos en los que se utilizan esferas de diámetros grandes con la finalidad de eliminar las oscilaciones de alta frecuencia (ocasionadas por las ondas viajeras reflejadas por efecto de desacoplamiento de las impedancias características de las líneas de interconexión) entre el espinterómetro y el conductor de alta tensión conectado al mismo. En casos donde se empleen esferas de diámetros más pequeños, este fenómeno se considera despreciable [7], [12].
2.9.1.4.- PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
Garantizando que las superficies de las esferas del espinterómetro vertical están en buen estado y libres de contaminación (y aún así, en el mejor de los casos, el
32
error es del 3%), para la determinación del valor pico de la tensión de impulso existen dos procedimientos, a saber [4], [7]: •
Si la tensión es de valor desconocido se ajusta, en pasos, la distancia interelectródica a no más del 2% del valor esperado para la descarga y se aplican seis (6) impulsos para cada ajuste. El intervalo entre cada descarga no debe ser menor a 5s. La tensión disruptiva al 50% (V50%) se obtiene interpolando entre dos ajustes de la distancia interelectródica ó el ajuste de tensión, entonces el primero corresponderá a dos (2) descargas ocurridas en los seis impulsos sugeridos y la otra en cuatro (4) descargas o mas.
•
Otro procedimiento es el de mantener la distancia interelectródica constante y prefijada al valor indicado en la Tabla II. Variando la tensión del generador no más del 2% del valor esperado y aplicando sucesivamente dos series de diez (10) impulsos al espinterómetro (el intervalo de tiempo entre cada impulso no debe ser menor a 5s) se verifica la tensión tabulada V50% si ocurren de cuatro a seis descargas en dichas series.
2.9.1.5.- FACTOR DE CORRECCIÓN POR CONDICIONES AMBIENTALES.
Las tensiones de descarga reportadas en la Tabla II están referidas a condiciones ambientales normalizadas (temperatura ambiente=20 ºC, presión atmosférica=760 mmHg), por lo que si existe un cambio en alguna de éstas es necesario reajustar el voltaje V50% aplicando un factor de corrección. El valor de la tensión de descarga corregida V50%corr se puede definir por medio de la siguiente expresión: V50% corr = k d ⋅ V50%
(23)
33
donde kd es el factor de corrección en función de la densidad relativa del aire ρr y V50% es la tensión de descarga a condiciones ambientales normalizadas (ver Tabla II).
La expresión para calcular la densidad relativa del aire ρr está dada por:
ρr =
p 273 + t o ⋅ p o 273 + t
(24)
donde po es la presión atmosférica normalizada (760 mmHg), p es la presión atmosférica a las condiciones de prueba, to la temperatura ambiente normalizada (20ºC) y t la temperatura en grados centígrados a las condiciones de prueba. En la Tabla III se muestra el factor de corrección de la tensión disruptiva kd a distintos
valores de densidad relativa del aire [6]. Tabla III. Factor de corrección del voltaje disruptivo
DRA 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 kd
0,72 0,77 0,82 0,86 0,91 0,95 1,00 1,05 1,09 1,13
Entonces, para determinar la tensión de ruptura -a una separación de esferas dada- cuando la DRA es diferente de la unidad se selecciona el valor kd asociado y se emplea la expresión (23). Otro aspecto a resaltar es el error introducido por efectos de la humedad en el aire dentro del recinto de la prueba (alrededor del 3% en laboratorios [7]), aunque para niveles de tensión menores a 300 kV éste se considera despreciable.
2.2.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR DE TENSIÓN Y EL OSCILOSCOPIO.
Este es el método de medición de tensión de impulso ampliamente utilizado. El divisor de tensión, al conectarse en el terminal de alta tensión del sistema de
34
prueba, reduce el voltaje a un valor accesible para la medición con el osciloscopio (algunas centenas de voltios) y la interconexión se hace vía cable coaxial, como se muestra en la Figura 16. El divisor consta de dos impedancias en serie Z1 y Z2 (con Z1>>Z2) donde la tensión de impulso a ser medida es aplicada entre los terminales exteriores de la configuración y el osciloscopio es conectado entre el terminal intermedio y el externo inferior.
Figura 16. Esquema básico para la medición de la tensión de impulso
35
CAPÍTULO III 3.1-RESPUESTA DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR FRENTE A FENÓMENOS DE IMPULSO – CALCULO DE LA CAPACITANCIA
Cuando una descarga atmosférica
incide en un transformador el voltaje
originado se distribuye por todo el devanado, produciendo esfuerzos dieléctricos sobre el aislamiento. El efecto de la incidencia de un impulso en un devanado del transformador puede dividirse en tres periodos de tiempo [8]. Como en el primer intervalo es extremadamente corto, usualmente fracciones de microsegundos. En este periodo no puede penetrar una cantidad significativa de corriente al devanado debido a su inductancia. La única corriente que penetra es la corriente de desplazamiento que aparece en las capacitancias asociadas al arrollado. Esta origina una distribución inicial de voltaje que es totalmente capacitiva y que responde a la forma:
ex =
E. sinh
α d .x
sinh α d
L
(27)
Donde: α d es un factor geométrico propio del arrollado y L la longitud total de mismo. La constante ε es la razón entre la capacitancia a tierra de la espira respecto a su capacitancia serie, ε = C g C s . La no uniformidad en la distribución del potencial se produce por la no uniformidad en la corriente de fuga que circula a lo largo del devanado, esto debido a la derivación de parte de esta corriente por las capacitancias a tierra. La constante ε define la no uniformidad de la distribución de potencial en el devanado con respecto a tierra.
36
3.2.-REPRESENTACIÓN DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR FRENTE A IMPULSOS ATMOSFÉRICOS.
Si representamos el transformador como una red equivalente compuesta por resistencias, inductancias y capacitancias, Figura 17. En esta figura se observa que el aislamiento entre espiras, próximo al terminal por donde penetra el impulso, esta sometido a los mayores esfuerzos dieléctricos. Esto explica el porque de la alta incidencia de fallas en las primeras espiras del devanado y particularmente, recobra importancia cuando el impulso posee un tiempo de formación de cresta reducido.
Figura 17. Red Equivalente de Resistencias, Inductancias, capacitancias de transformador
un
L = Inductancia C S = Capacitancia Serie entre Bobinas C g = Capacitancia Shunt Bobinas Tierra R L = Pérdida de la Resistencia Inductiva RS = Pérdida de la Resistencia Capacitiva Serie
R g = Pérdida de la Resistencia Capacitiva Shunt
En el instante de la incidencia del impulso en el transformador los elementos capacitivos solo reaccionan en el frente de la onda estableciéndose de esta manera una distribución inicial del potencial que usualmente es no uniforme. Igualmente en el final del fenómeno lo cual ocurre durante la cola de la onda, el elemento resistivo
37
es el que prevalece estableciéndose una distribución final usualmente uniforme, tal como se muestra en la Figura 18.
Figura 18. Distribución Inicial y Final del Voltaje de Impulso [11]
Entre el extremo inicial y final del arrollado se desarrollan complejos sistemas de oscilaciones como se muestran en la Figura 19, las cuales son efectos de la transferencia de energía electrostática a electromagnética; producidas en inductancias y las capacitancias del arrollado.
Figura 19. Distribución de los Transitorios con el impulso de voltaje [11]
las
38
La respuesta electromagnética se produce por el acople capacitivo entre arrollado, tal como se muestra en la figura 19. Esta configuración puede interpretarse como un sistema de condensadores, en el cual el voltaje se reparte en proporción directa a la capacitancia. El acople capacitivo de un punto respecto a otro es mayor mientras mas próximos estén. La respuesta electromagnética es más lenta en el tiempo y puede ser analizada mediante el circuito equivalente del transformador, como se muestra en la figura 20.
Figura 20.Circuito Equivalente de las Capacitancias en la Bobina
Algunas alternativas para solucionar estos inconvenientes a los devanados del transformador sometidos a fenómenos de impulso son los siguientes: -
Reforzar el aislamiento
en las primeras espiras sometidas a esfuerzos
dieléctricos. A pesar de esto, todavía se detectan fallas en este punto del aislamiento, debido fundamentalmente a la respuesta oscilatoria del potencial en los tiempos posteriores. -
Ínter lazar el devanado, de forma de que su secuencia eléctrica no coincida con su secuencia geométrica, equilibrando las diferentes capacitancias a tierra.
-
Colocar pantallas metálicas adyacentes a los devanados, compensando la corriente de fuga a través de las capacitancias a tierra.
39
Como en la matriz de capacitancia de barra esta contenida la información acerca de la red capacitiva del transformador. Esta red es responsable de la distribución inicial de voltaje en los devanados, como lo señalamos anteriormente. Entonces la red capacitiva modela los efectos electrostáticos del arrollado relacionados con el campo eléctrico que aparece al aplicar el voltaje sobre los terminales. En este estudio no se toma en cuenta los efectos magnéticos que pueden estar asociados a las corrientes de desplazamiento de las corrientes capacitivas [9]. Los esfuerzos electrostáticos que aparecen sobre el devanado en la prueba de impulso dependen en último caso de la distribución de los campos eléctricos en el exterior de los conductores del devanado. Al reducir el análisis de campos a un análisis circuítal a través de un número finito de elementos, por lo que se pueden identificar tres tipos de parámetros en la red, a saber, capacitancias entre los elementos del arrollado, capacitancias entre un elemento y tierra, y capacitancia serie a lo largo del elemento. Aunque en estricta teoría exista una capacitancia entre cada par posible de elementos en el presente estudio se considerará solamente la capacitancia entre los devanados del transformador. Ver figura 21. Donde: BTE: Devanado de Baja Tension Externa de la Bobina. AT: Devanado de Alta Tensión de la Bobina. BTI: Devanado de Baja Tensión Interna de la Bobina.
Figura 21. Capacitancía Entre los Devanados del Transformador.
40
Es necesario, para poder aplicar con efectividad las técnicas desarrolladas en el presente trabajo, y
poder establecer una relación entre la geometría de los
arrollados bajo estudio y los parámetros de sus redes equivalentes. [11]. Las bobinas que estudiaremos tienen arrollados tipo capas, debido a su simetría, presentan una mejor distribución de esfuerzos mecánicos y eléctricos, proporcionando un buen comportamiento en fenómenos transitorios. De acuerdo al tipo de núcleo que se utiliza, el arrollado pude ser construido de dos formas, tal como se muestra en la Figura 22. a)
Concéntrico: Para núcleo tipo Columna.
b)
Alterno: Para núcleos tipo acorazado.
Figura 22. Tipos de Núcleos Debido al Tipo de Arrollados.
En el núcleo tipo acorazado el arrollado tiene forma rectangular, lo que facilita el enfriamiento y reduce el espacio ocupado por el devanado. El núcleo tiene forma rectangular, lo que asegura una superficie máxima para el paso del flujo en el interior de los arrollados. La desventaja de esta forma constructiva radica en que utiliza una longitud mayor de conductor.
41
3.3.- TIPO DE BOBINA.
Para nuestro estudio utilizaremos una bobina de estructura biconcéntrica, en donde, generalmente, el arrollado de baja tensión se divide en dos partes, una interior y otra exterior, respecto al devanado de alta tensión. Este tipo de estructura reduce los valores de tensión de cortocircuito para una misma potencia. Esto permite obtener equipos de mayor potencia nominal para las mismas dimensiones y peso del núcleo. Figura 23.
Figura 23. Bobina Tipo Biconcéntrica
Normalmente cada sección de la bobina tiene una capacitancía entre el arrollado sometido a la prueba de impulso y la bobina que es aterrada, entonces todas las capacitancías en paralelo a tierra es la suma de las capacitancias individuales de la bobina [20].
42
3.4.- CALCULO DE LA CAPACITANCIA PARA PRUEBA DE IMPULSOS A UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.
Para el cálculo de la capacitancia tomaremos un devanado de baja tensión interno como un cilindro en paralelo con el devanado de alta tensión y este en paralelo con el devanado de baja tensión externo. Figura 24.
Figura 24. Representación de la bobina como dos cilindros
Entonces para calcular la capacitancia entre los devanados tenemos que [20]:
C h = 1.06
A.L B
(28)
Donde A es el diámetro interno de la bobina de baja tensión interna y la alta tensión la cual se calcula mediante: A = I H + OL
(29)
43
I H = Diámetro interno del devanado de alta tensión (superficie metálica). OL = Diámetro externo del devanado de baja tensión (superficie metálica).
L = Longitud de la columna de la bobina desde arriba hasta abajo plano estático. B = Espacio entre la alta tensión y la baja tensión en milímetros. Metal a Metal.
Para evaluar la capacitancia de un transformador monofásico de distribución, tomaremos los valores de un transformador tipo estándar el cual tiene los siguientes valores nominales de diseño: Tabla IV. Características del Transformador para el Estudio kVA. Tensión A.T. (V) Tensión B.T. (V) kV Bil Alta Tensión kV Bil Baja tensión Frecuencia (Hz) Conductor A.T. Conductor B.T. Espesor Papel Aislante Espesor Papel Refrigerante
15 13800 120/240 125 30 60 Alambre de Cobre (Ø0.83mm) Foil de Aluminio (120*0.3mm) 0.125mm 3.25mm
De la hoja de diseño del transformador tomamos los espesores de la bobina (ver Tabla V), esta tabla nos permitirá determinar el valor de la capacitancia. Tabla V. Espesores de la Bobina para el Cálculo de la Capacitancia
(Todas las medias estan en milímetro)
BASE BTI BARR1 AT BARR2 BTE AISL EXT TOTALES
Espes. A1 2.0 11.2 3.0 28.0 3.0 11.2 0.8 59.2
Espes. A2 2.0 11.2 3.0 28.0 3.0 11.2 0.8 59.2
CAB BT Espes. B1 (BT) 2.0 14.6 4.9 34.5 4.9 14.6 2.3 77.7
CAB AT Espes. B2(AT) 2.0 14.6 3.0 36.5 3.0 14.6 0.8 74.6
Esp. Med 2.0 12.1 3.2 30.0 3.2 12.3 0.8
44
En la siguiente Figura 25 podemos ver como es la distribución de los espesores en la bobina.
Figura 25. Vista de la Bobina desde donde se indica la colocación de los
Espesores Tomando los valores del cuadro de espesores y utilizando las Ecuaciones (28) y (29), tenemos lo siguiente:
3.4.1.- CAPACITANCÍA ENTRE BTi – AT.
Cálculo de las Áreas: I H = ( Esp.Medio( Base + BTI + Barr1) = 2.0mm + 12.1mm + 3.2mm = 17.3mm OL = ( Esp.Medio( Base + BTI ) = 2.0mm + 12.1mm = 14.1mm A = 17.3mm + 14.1mm = 31.4mm
45
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm) B = 3mm
Capacitancia BTi-AT:
C h = 1.06 *
(31.4mm) * 120 mm = 1331.36 pF 3
3.4.2.- CAPACITANCÍA ENTRE AT – BTe.
Cálculo de las Áreas: I H = ( Esp.Medio( Base + BTI + Barr1 + AT ) = 2.0mm + 12.1mm + 3.2mm + 30mm = 47.3mm OL = I H + ( Esp.Medio( Barr 2) = 47.3mm + 3mm = 50.5mm A = 47.3mm + 50.5mm = 97.8mm
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm)
B = 3mm
Capacitancia AT-BTe:
C h = 1.06 *
(97.8mm) *120mm = 4146,72.36 pF 3
Capacitancia Total:
Entonces la capacitancia total de la bobina es: C h Total = 1331.36 pF + 4146,72 = 5478.08.72 pF
Este valor obtenido se suma al valor de la capacitancia del divisor de tensión para realizar los ajustes y cálculos necesarios para las pruebas de impulso 1.2/50μs al transformador, este valor total es el que se conoce como C 2 .
46
Luego de este cálculo se procedió a comprobar el mismo midiendo la capacitancia mediante el equipo DOBLE el cual posee un error de medición de ±2% (ver Anexo 6), donde (C LH) es la capacitancia entre el devanado de baja tensión interna y alta tensión, y (C HL) es la capacitancia entre el devanado de alta tensión y baja tensión externa. Tabla VI. Lecturas de las Capacitancias con el Equipo DOBLE
Modo UST C LH C HL
Lectura (pF) 1320 3987
En la Tabla VII se puede observar los valores de capacitancia obtenidos mediante los cálculos y los valores de capacitancia medidos con el equipo DOBLE. Tabla VII. Capacitancias Calculadas y Medidas
Calculados Medidos
Bti-AT (pF) 1331.36 1320
AT-BTe (pF) 4146,36 3987
Como los valores de capacitancia son influenciados por la geometría de la bobina, estos muchas veces no son constantes para todos los diseños de una misma capacidad y características de construcción. Así podemos ver en la tabla anterior VII como los valores calculados y los medidos difieren uno del otro.
47
CAPÍTULO IV 4.1.- DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET
El generador de impulsos de tensión de la empresa CAIVET se emplea para realizar pruebas de impulso a sus transformadores de potencia según los lineamientos de los estándar ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7]. La Figura 26 muestra al generador de impulsos a estudiar:
Figura 26. Generador de impulsos de la empresa CAIVET
Las dimensiones físicas del generador de impulsos abarcan aproximadamente seis metros de altura -desde la base hasta el último condensador- y un metro con diez centímetros entre cada una de las columnas aislantes que soportan a los capacitores de etapa. Alrededor de éste se encuentran dispuestos los demás equipos constituyentes del sistema de prueba de impulsos, a saber: el divisor de tensión, el espinterómetro vertical y líneas de interconexión, así como también los shunts y los cables coaxiales.
48
Por otra parte, la mesa de control del generador y el osciloscopio se ubican en la Sala de Pruebas del Laboratorio Trifásico; disponiendo en su totalidad un área aproximada de nueve metros cuadrados.
4.2.- CONFIGURACIONES CIRCUITALES.
El generador de impulsos de CAIVET puede ser configurado -por diseño- a partir de los circuitos básicos de una etapa ilustrados en la Figura 27:
Figura 27. Circuitos disponibles para configurar el generador de impulsos de CAIVET
Cada uno está conformado por el capacitor de etapa C1, la resistencia de frente R1, la resistencia de cola R2, el espinterómetro de esferas SG y la capacitancia del
circuito externo y objeto de prueba C2. Las condiciones iniciales de los circuitos son: •
El capacitor de etapa C1 está cargado a un voltaje de prueba (positivo o negativo) VC1=Vo.
•
La tensión del capacitor C2 es cero. Esto es VC2=0.
•
El espinterómetro de esferas está ajustado a una distancia superior a aquella que inicia la descarga disruptiva.
49
Por otra parte, la configuración (b) es la que proporciona el mayor rendimiento de tensión tal como se muestra en la Figura 27, y se ha seleccionado como el arreglo idóneo para efectuar las pruebas de impulso.
4.2.1.- DATOS NOMINALES:
Los datos nominales que caracterizan al generador de impulsos de la empresa CAIVET son los siguientes: •
Modelo: M 7.5-600-4V - 1970
•
Forma de onda: 1.2/50 μs
•
Voltaje de alimentación: 208 V
•
Tensión de los servicios auxiliares: 24 V
•
Tensión nominal: El máximo voltaje de carga del generador es Vn=600 kV.
•
Capacitancia
nominal:
El
generador
de
impulsos
posee
dieciséis
condensadores de valor nominal C1=0,25 μF cada uno y un voltaje nominal Vn=100 kV. •
Energía nominal: La energía máxima disponible por el generador es W= 7,5 kJ.
•
Número de etapas: Considerando a cada capacitor como una etapa, el número
posible a configurar en el generador de impulsos es n=16. Cabe resaltar que a lo largo de los años se le incorporaron diez capacitores adicionales (C=0,25 μF y V=100 kV) hasta llegar a un total de dieciséis instalados, modificando así las condiciones de operación del generador. Asimismo, el alcance de las pruebas de impulso tipo 1,2/50 μs realizadas en los transformadores de CAIVET, requiere tensiones de prueba o BIL que no excedan los 200 kV (valor aplicado a transformadores de potencia con Vn=34,5 kV).
50
4.2.2.- CIRCUITO EQUIVALENTE.
A partir de la configuración (a) seleccionada, el esquema multietapa del generador de impulsos de CAIVET se muestra en la Figura 28. El generador de impulsos está basado en el circuito multietapa tipo “Marx”, en donde los condensadores de etapa Cn inicialmente se cargan en paralelo a la tensión Vo = V AT n y luego son conectados en serie, por medio del cierre de los espinterómetros, para obtener en el terminal AT la tensión de prueba deseada. El proceso de carga de los capacitores de etapa ocurre a través de las resistencias R1, R2 y Rc, donde la tensión es suministrada por un alimentador DC tipo Greinacher. En la Figura 29 se muestra el circuito equivalente de la carga del generador.
Figura 28. Circuito equivalente del generador de impulsos multietapa
51
Figura 29. Circuito de carga del generador de impulsos de CAIVET
La descarga del generador ocurre cuando las esferas de los espinterómetros son acercadas entre sí hasta que exista ruptura dieléctrica en su espacio interelectródico. La tensión de salida es finalmente aplicada al circuito externo y al objeto de prueba, como lo ilustra la Figura 30.
Figura 30. Circuito de descarga del generador de impulsos de CAIVET
52
Es de notar el hecho de que durante el tiempo en que transcurre la descarga (aproximadamente 350 μs) el alimentador está aislado del generador (por medio del diodo), para posteriormente reconectarse e iniciar el ciclo de carga de los capacitores de etapa.
4.2.3.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO.
El circuito completo para realizar la prueba de impulso consta del generador, el divisor de tensión, el espinterómetro vertical y los conductores que los interconectan, así como también los cables coaxiales, atenuadores y shunts acoplados al osciloscopio. La Figura 31 representa la configuración utilizada para efectuar las pruebas.
Figura 31. Sistema de prueba de impulsos
53
El dispositivo empleado para la medición de la tensión de carga de los capacitores de etapa es un divisor óhmico conectado a la salida del alimentador DC. De igual modo, la tensión de impulso es medida a través del divisor resistivo apantallado y conectado al osciloscopio.
4.3.- CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL GENERADOR DE IMPULSOS Y SUS COMPONENTES:
La descripción constructiva del generador de impulsos, sus características técnicas y conexiones con los demás dispositivos que conforman el sistema de prueba de impulso se hace a continuación:
4.3.1.- MESA DE COMANDO
Tanto los circuitos de alimentación y protección como los dispositivos de control, señalización y medición de los elementos que conforman el sistema de prueba de impulsos (a excepción del divisor para la medición de la tensión de impulso), se encuentran ubicados en la mesa de comando del generador de impulsos. En el interior de la mesa se localizan los circuitos eléctricos de: •
La alimentación principal: línea trifásica de 208 V
•
La alimentación del generador: línea monofásica de 208 V
•
La alimentación del espinterómetro vertical: línea trifásica de 208 V
•
La alimentación de los espinterómetros horizontales: línea monofásica de 208 V
En el panel frontal de la mesa están instalados los siguientes elementos (ver Figura 32):
•
Variac: forma parte del circuito de carga del generador y alimenta a la fuente
DC. La tensión alterna a aplicar va desde 0 a 208 V y la escala del selector posee 100 divisiones.
54
•
Voltímetro: para medir el voltaje de salida del variac. Se encontró dañado y se
sustituyó por otro analógico de escala 0-150 V, 100 divisiones, con error de 2,5%. •
Amperímetro: para la medición de la corriente absorbida por el variac.
•
Kilovoltímetro: usado para la medición de la tensión de carga a la salida del
alimentador DC. Tiene dos escalas de 50 y 100 divisiones con un error a escala completa de 1%. •
Medidor de la distancia de separación de los espinterómetros horizontales:
voltímetro (Clase 1) ajustado para la medición milimétrica del espacio interelectródico. La escala tiene 100 divisiones que representan 1mm/división. Actualmente esta fuera de servicio. •
Control manual de los espinterómetros horizontales: posee dos pulsadores
que controlan la separación de las esferas de cada etapa del generador. •
Control manual del espinterómetro vertical: consta de dos pulsadores para
controlar la distancia relativa (aumento o disminución del espacio interelectródico) de las esferas del espinterómetro vertical. •
Conectores del transformador 1:1 y el filtro pasa-bajo: sirven para alimentar
el osciloscopio de impulso. Actualmente están fuera de servicio. •
Conmutador de encendido/apagado: posee una llave para encender o apagar
la mesa de comando del generador. Además posee luces indicadoras de la polaridad de la tensión de carga del alimentador, un pulsador para activar una sirena y un espacio reservado para la instalación de un trigatrón. Finalmente, la mesa de comando se encuentra ubicada en la Sala de Pruebas del Laboratorio Trifásico.
55
Figura 32. Mesa de control del generador de impulsos
4.3.2.- ALIMENTADOR DC
Como se ha mencionado, la fuente DC suministra la carga de los condensadores de etapa del generador y se basa en el circuito duplicador Greinacher. Los datos nominales son: •
Modelo: AI 100 – 1970
•
Voltaje de alimentación: 0-208 V
•
Tensión nominal: 100 kV
•
Corriente nominal: 6 A
Éste se encuentra instalado en la base del generador dentro de una cuba de aceite dieléctrico. La Figura 33 muestra el alimentador DC y sus componentes:
Figura 33. Alimentador DC del generador de impulsos
56
Dentro del tanque se encuentran instalados el transformador elevador (208 V/40000 V, 3,5 kVA), tres condensadores en serie (C=0,04 μF y V=16000 V), los diodos de carga y rectificación, el selector de polaridad positiva o negativa y el divisor resistivo para la medición de la tensión de carga de los capacitores de etapa. La alimentación es ajustada a través del variac y la tensión de salida en kV DC se mide en el terminal (bushing) de alta tensión, que a su vez está conectado directamente con el capacitor de la primera etapa para suministrarle la tensión de carga deseada.
4.3.3.- CONDENSADORES DE ETAPAS.
Cada uno de los condensadores de etapa es de placas paralelas aisladas en papel impregnado de aceite y sellado dentro de un recipiente metálico, como se indica en la Figura 34:
Figura 34. Capacitor de etapa del generador de impulsos
Los datos nominales del condensador son: •
Fabricante: ICAR.
•
Capacitan cía nominal: 0,25 μF.
•
Voltaje máximo de carga: 100 kV DC Forma de onda: 1/50 μs.
57
Cada uno está instalado horizontalmente en columnas de baquelita formando una torre y la separación entre ellos equivale al tamaño de la tapa del contenedor de un capacitor.
4.3.4.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA:
La resistencia que se conecta para obtener la onda 1,2/50 μs se muestra en la Figura 35. Consiste en un filamento de cobre depositado dentro de un cilindro
aislante, de 48 cm de largo y 6 cm de diámetro, cuyo interior es llenado de aceite dieléctrico para mejorar la capacidad de disipación de calor del resistor. La principal característica es la propiedad no inductiva con que es diseñada, utilizando para esto el método Ayrton-Perry [10]. Asimismo, la instalación de todas ellas en forma de zigzag hace que la inductancia interna total del generador sea mínima [21].
Figura 35. Resistencias de frente y cola e inventario disponible
Finalmente, el inventario de las resistencias en aceite se muestra en la Tabla VIII.
58
Tabla VIII. Resistencias de frente y cola disponibles
#
Rnom
#
[Ω]
Rnom
#
[Ω]
Rnom
#
[Ω]
Rnom
#
[Ω]
Rnom
#
[Ω]
Rnom
[Ω]
1
9,1
13
25,7
25
50,0
37
102,2
49
510,0
61
986,0
2
9,8
14
26,1
26
50,0
38
102,4
50
516,0
62
990,0
3
10,0
15
30,0
27
50,2
39
347,0
51
528,0
63
992,0
4
10,0
16
30,0
28
51,0
40
350,0
52
535,0
64
999,0
5
10,2
17
30,0
29
74,8
41
351,0
53
648,0
65
1008,0
6
10,5
18
30,0
30
74,9
42
354,0
54
652,0
66
1015,0
7
10,6
19
30,3
31
75,0
43
354,0
55
652,0
67
1023,0
8
10,7
20
30,5
32
75,1
44
358,8
56
653,0
68
1023,0
9
24,3
21
30,6
33
100,2
45
360,0
57
662,0
69
1025,0
10
24,4
22
30,8
34
100,8
46
362,0
58
677,0
70
1035,0
11
24,8
23
50,0
35
101,0
47
507,0
59
963,0
71
∞
12
25,1
24
50,0
36
101,7
48
508,0
60
976,0
72
∞
4.3.5.- RESISTENCIA DE CARGA:
La resistencia empleada para carga de los condensadores de cada una de las etapas del generador es del tipo electrolítico o también llamada “resistencia de agua” y se instala, una por etapa, en la columna móvil de los espinterómetros. Ésta se muestra en la Figura 36 y la función principal es limitar la corriente de carga además de desacoplar las etapas en el momento de la descarga del generador; esto es debido a que Rc>>R2>R1 (ver Figuras 29 y 30).
59
Figura 36. Resistencia electrolítica
Los componentes para formar la solución -soluto y solvente- son el sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4-5H2O) y el agua destilada, cuyas concentraciones son determinadas para un valor nominal Rc=15 kΩ. Cabe destacar que esta mezcla es un ácido débil, por lo que los electrodos (ánodo y cátodo) han de sufrir corrosión [22].
4.3.6.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL.
Las esferas metálicas huecas, dispuestas en pares por cada etapa, se utilizan como el mecanismo de conmutación que permite la descarga del generador de impulsos. Una esfera del espinterómetro se instala, por etapa, en una columna rígida de baquelita mientras que la opuesta se coloca en una columna móvil cuyo movimiento se acciona por medio del control instalado en la mesa de comando; esto trae como consecuencia que todas las esferas están a la misma distancia respecto a las que están fijas. Al aumentar el espacio interelectródico de las esferas se permite la carga del generador y al disminuirlo se procede a la descarga de cada una de las etapas hacia el objeto de prueba (ver apartado 3.2.). Este método de inicio de la descarga es del tipo natural o espontáneo. La figura 37 muestra las esferas, de diámetro nominal D=12,5 cm, instaladas en el generador de impulsos.
60
Figura 37. Espinterómetros horizontales
Asimismo, la Tabla IX muestra las mediciones de los diámetros exteriores realizadas a un grupo de esferas disponibles en inventario. Dichas medidas se han efectuado utilizando una cinta métrica para determinar aproximadamente el valor de la circunferencia de cada una ellas referidas al plano vertical y horizontal (y posteriormente utilizar la expresión C=πD).
Tabla IX. Diámetros de las esferas de los espinterómetros horizontales
Nº Dnom [cm] Dh [cm] Dv [cm] Dprom [cm]
Observaciones
1
12,50
12,30
12,40
12,35
En buen estado
2
12,50
12,30
12,30
12,30
Signos de erosión, abollada
3
12,50
12,20
12,10
12,15
Signos de erosión, abollada
4
12,50
12,30
12,30
12,30
En buen estado
5
12,50
12,40
12,50
12,45
Abollada
6
12,50
12,40
12,40
12,40
Signos de erosión
7
12,50
12,30
12,50
12,40
Signos de erosión
61
Nº Dnom [cm] Dh [cm] Dv [cm] Dprom [cm]
Observaciones
8
12,50
12,30
12,30
12,30
En buen estado
9
12,50
12,40
12,40
12,40
En buen estado
10
12,50
12,40
12,46
12,43
Pequeñas abolladuras y virutas
4.3.7.- DIVISOR DE TENSIÓN.
El sistema completo de prueba de impulsos tiene un divisor resistivo tipo apantallado para la medición de la tensión de impulso, tal y como se muestra en la Figura 38.
Figura 38. Divisor de Tensión Resistivo-Capacitivo
El lado de alta tensión está conformado por dos etapas idénticas resistivocapacitivas conectadas en serie. Los datos nominales del divisor son: •
Resistencia de A.T.: 12 kΩ
62
•
Resistencia de B.T.: 20 Ω o 50 Ω
•
Marca: ICAR
•
Capacitancia nominal: 1500 pF
•
Voltaje nominal: 1 MV de impulso 1,2/50 μs Forma de onda: 1,2/50
Cada etapa mide una altura aproximada de dos metros, por lo que la total está alrededor de los cuatro metros. Asimismo, unos tirantes están colocados para proporcionarle mayor sujeción a la etapa superior. El cilindro aislante, donde se encuentra alojada la resistencia de alta tensión, mide 1,95 m de altura y 5,90 cm de diámetro y al igual que las de frente y cola, ésta resistencia contiene aceite dieléctrico en su interior y es de característica anti-inductiva. Por otro lado, el condensador es un arreglo de placas paralelas cilíndricas y cuyo dieléctrico es un cilindro hueco (o en forma de anillo) de papel baquelizado impregnado en aceite, de 1,95 m de altura, 20 cm de diámetro externo y 6 cm de diámetro interno. La Figura 39 muestra a la resistencia de alta tensión y al condensador anular.
Figura 39. Condensador anular y la resistencia de alta tensión del divisor
De igual modo, la resistencia de baja tensión se conecta en serie “atornillándola” a la resistencia de alta tensión y está diseñada para poseer baja
63
inductancia. También dispone de una toma coaxial para la conexión hasta el osciloscopio, como se puede ver en la Figura 40.
Figura 40. Resistencia de baja tensión del divisor
Finalmente, el Laboratorio cuenta con dos resistencias de alta tensión adicionales de valor nominal RAT=6 kΩ cada una y dos resistencias de baja tensión de 20Ω y 50Ω, aproximadamente.
4.3.8.- ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
Otro componente necesario para la prueba de impulso es el espinterómetro vertical. El Laboratorio Trifásico tiene uno (ver Figura 41) con las siguientes características nominales: •
Modelo: V250 – 1970
•
Voltaje nominal: 395 kV
•
Diámetro de las esferas: 12.50 cm
La esfera superior se instala en el brazo fijo de alta tensión mientras que la inferior se conecta en un soporte móvil accionado por los pulsadores de control ubicados en la mesa de comando; además cuenta con un medidor que señala la distancia interelectródica.
64
Figura 41. Espinterómetro vertical
Adicionalmente se le puede conectar una resistencia amortiguadora en un pedestal ubicado en la parte superior del brazo de alta tensión para minimizar los efectos producidos por el desacoplamiento de las impedancias características de los conductores de interconexión y también por la inductancia de este circuito de prueba.
4.3.9. LÍNEAS DE INTERCONEXIÓN.
Los conductores que se emplean para conectar el generador de impulsos con el divisor y éste con el espinterómetro vertical y a su vez con el objeto de prueba, son del tipo cinta y/o trenza y se muestran en la Figura 42.
Figura 42. Ejemplo de una línea de conexión tipo trenza y tipo cinta
Como el conductor mencionado se puede considerar una línea de transmisión de parámetros distribuidos [15], entonces se definirá por su impedancia característica
65
Zlínea y el tiempo de viaje que tarda el impulso en propagarse por el medio τv.
Asimismo, la inductancia que surge del arreglo geométrico de las conexiones con los equipos (es decir, de la interconexión del generador-divisor-espinterómetro-objeto de prueba) se define aproximadamente por la ecuación de una línea monofásica bifilar, a saber. D L = 4 ⋅ 10 −7 ⋅ ln( ) [H/m] r′
(30)
donde r´ es el radio del conductor (=RMG si es trenzado) y D la altura respecto al plano de tierra. 4.3.10.- OSCILOSCOPIO.
El osciloscopio usado para las mediciones es un osciloscopio convencional, marca Philips, modelo PM3335, que se muestra a continuación (ver Figura 43).
Figura 43. Osciloscopio usado para las mediciones
Las características que posee este instrumento son las siguientes: •
Tasa de muestreo: 20 MS/s (o intervalo de muestreo cada 50 ns)
•
Tamaño del registro: 4096 muestras/adquisición
•
Ancho de banda: 60 MHz
66
Comparando estos valores con los sugeridos por el estándar IEEE Std 11221998 [23], se obtiene que la tasa de muestreo (sampling rate) es inferior a la mínima establecida de 60 MS/s (o 17 ns). Esto sugiere que el barrido de la señal no registra todos los puntos a muestrear, perdiendo así información de la misma. Este osciloscopio solo cuenta con un canal para la medición, siendo esta una de las limitantes para la medición de la onda de corriente en las pruebas de impulso.
4.3.11.- CABLES COAXIALES.
Los cables coaxiales se emplean para transmitir la tensión de impulso y la tensión proporcional de la onda de corriente (debida al shunt, cuando se introduce el objeto bajo prueba) y son del tipo convencional RG-59 (ver Figura 44). Éstos poseen las siguientes características: •
Impedancia característica: 75 Ω ± 3
•
Dieléctrico: Polietileno (εr=4)
Figura 44. Cable coaxial dentro de una tubería no magnética
Para evitar problemas de interferencia electromagnética se apantalla el cable introduciéndolo dentro de una tubería no magnética y protegida por otra de plástico [24], [25].
67
4.3.12.- ATENUADORES.
Los atenuadores mostrados en la Figura 45 se utilizan para la reducción de la onda impulsiva y posterior medición con el osciloscopio y está formada por un circuito resistivo tipo π que se “acopla” entre el cable coaxial y el osciloscopio.
Figura 45. Ejemplo de atenuador de voltaje
Por último, los factores nominales de atenuación disponibles son: 1/20, 1/10 y 1/5. 4.4.- LABORATORIO DE PRUEBAS.
El Laboratorio de pruebas para transformadores trifásicos abarca un área total aproximada de 300 m2, incluyendo la sala de pruebas. En este sitio se efectúan los ensayos de rutina a todos productos de la línea de producción trifásica y las pruebas de impulsos a aquellos transformadores que así lo ameriten (tanto trifásicos como monofásicos). La Figura 46 muestra algunas áreas del Laboratorio:
Figura 46. Laboratorio, sala para pruebas trifásicas y algunos equipos
68
En esta área están dispuestos tanto el generador de impulsos, divisor y espinterómetro como los equipos para la realización, entre otras, de las siguientes pruebas: •
Prueba de vacío y cortocircuito
•
Prueba de tensión aplicada
•
Prueba “Doble” y medición de la resistencia de aislamiento
4.5.- PUESTA A TIERRA DEL LABORATORIO.
Mediciones realizadas anteriormente (que datan de hace ocho años aproximadamente) indican que la resistencia de puesta a tierra en el Laboratorio de Pruebas Trifásicas es de R gnd ≅ 5Ω y consta básicamente de dos barras de Cooperweld enterradas de la siguiente manera: una en la cercanía del generador de impulsos y otra cerca del transformador elevador empleado para la prueba de tensión aplicada, tal como se indica en la Figura 47. La conexión del generador de impulsos con la barra enterrada se hizo por medio de una cinta cobre de 3 m de largo, 60 mm de ancho y 2 mm de espesor.
Figura 47. Puesta a tierra del laboratorio de pruebas
69
CAPÍTULO V 5.1.- SITUACIÓN ACTUAL DE LAS PRUEBAS CON EL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET
Las pruebas de impulso atmosférico realizadas en los transformadores de la empresa CAIVET, históricamente han sido y se aplican de manera de ensayo y error, ya que no se tiene en cuenta los valores de la carga en este caso del transformador, específicamente los valores de resistencia y capacitancias del mismo. Igualmente no se conoce como calcular los valores de resistencia de frente y cola del generador de impulsos para estimar con más precisión la onda normalizada. Entonces es necesario conocer estos valores para comprobar el funcionamiento (mediante medición y observación) de los diferentes elementos involucrados en la prueba de impulso de los transformadores fabricados por CAIVET. A continuación se hace el diagnóstico de los elementos más importantes que conforman el sistema de la prueba 1,2/50 μs:
5.2.- GENERADOR DE IMPULSOS.
El generador de impulsos, en general, presenta evidente falta de mantenimiento en sus partes externas, localizándose gran cantidad de polvo, aceite y óxido en las columnas de soporte, condensadores de etapa, bushings, láminas conectores, puentes y cables de unión. Es importante señalar que la contaminación afecta negativamente el correcto desempeño de los equipos y más aún en la Alta Tensión. Algunos ejemplos del estado físico en que se encuentra el generador se muestran en la Figura 48.
Figura 48. Contaminación presente en algunas piezas constitutivas del generador de
impulsos
70
En la etapa de inspección del equipo se procedió a la limpieza parcial del generador empleando como solvente alcohol isopropílico y cera para desmanchar. Cabe destacar que el uso de productos para mantenimiento industrial (limpiadores, desengrasantes y desoxidantes) es la mejor solución para minimizar el efecto de la contaminación sobre los equipos y las mediciones eléctricas. En un trabajo previo [5], se realizo una limpieza general del equipo.
5.2.1.- ALIMENTADOR AC.
Todos los componentes y accesorios del alimentador están funcionando adecuadamente, asimismo su circuito de alimentación (variac) y el sistema de puesta a tierra de los capacitores. La medición de la tensión de carga se hace por medio del divisor de tensión resistivo (RAT=99 MΩ y RBT=1 MΩ) instalado en el interior de la cuba de aceite. Adicionalmente, está instalado un segundo divisor resistivo directamente en la salida de alto voltaje del alimentador pero cuyo lado de baja tensión no está conectado a ningún voltímetro en la mesa de comando.
Figura 49. Kilovoltímetro DC de respaldo
71
5.2.2.- CONDENSADORES DE ETAPAS.
Se realizó una limpieza de sus superficies, el estado físico externo de cada uno de los dieciséis condensadores de etapa considerándose “satisfactorio” puesto que no presentan cambios estructurales y/o signos visibles de deterioro en el chasis y bushings. Ahora bien, para tener una certeza de cuánto se han alejado las propiedades eléctricas del condensador de etapa de su comportamiento ideal (o de diseño), se tomaron las mediciones realizadas por [5], (error de medición ±1%) la capacitancia nominal y el factor de disipación (tanδ), cuyos resultados se indican en la Tabla X,
Tabla X. Medición de la capacitancia nominal y tanδ Cnom
Cmed
Cnom
Cmed
[μF]
[μF]
[μF]
[μF]
1
0,25
0,2409
0,005
7
0,25
0,2412
2
0,25
0,2491
0,004
8
0,25
3
0,25
0,2457
0,004
9
4
0,25
0,2457
5
0,25
6
0,25
#
Cnom
Cmed
[μF]
[μF]
0,004 13
0,25
----
----
0,2432
0,007 14
0,25
----
----
0,25
0,2416
0,008 15
0,25
----
----
0,003 10
0,25
0,2418
0,007 16
0,25
----
----
0,2508
0,004 11
0,25
----
----
0,2442
0,004 12
0,25
----
----
tanδ
#
tanδ
#
tanδ
Cabe resaltar, que a los capacitores nº 11 al nº 16 no se les pudo efectuar las mediciones debido a condiciones inseguras de trabajo. Igualmente se realizo la medición de las capacitancias parasitas entre cada uno de los capacitores (N.1 hasta N. 8), dando como resultado valores entre (3pF – 7pF) por ser valores tan bajos comparados con los valores del objeto de prueba (transformador) y por que no influyen en el resultado de la onda, estos no fueron tomados en consideración para la
72
simulación. El equipo de prueba utilizado para la medición de las capacitancias parasitas fue un tester convencional de ±2% de error, ver ANEXO 5.
5.3.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.
Para verificar el estado físico de las resistencias se procedió limpiarlas y revisarlas exteriormente así como también medirles sus propiedades eléctricas. En general, la mayoría se encuentra en buen estado aunque algunas presentaron fugas de aceite y signos de quemaduras. En el Anexo 1, Se indican las mediciones efectuadas por [5] al inventario conseguido en el Laboratorio. Los valores de resistencia medida difieren alrededor del 1% respecto a los nominales, siendo aceptable su uso en pruebas.
5.4.- RESISTENCIA DE CARGA.
Para efectuar pruebas de impulso considerando más de una etapa instalada (hasta tres) se dispone de siete resistencias electrolíticas. Por lo que se procedió a realizar las mediciones de las resistencias electrolíticas ver (Tabla XI), las cuales tienen ±1% de error de acuerdo al equipo utilizado, asimismo en la Figura 51 se observa el actual inventario disponible. Tabla XI. Mediciones de resistencias electrolíticas
#
1
2
3
4
5
6
7
Rmed [kΩ] 12,09 12,04 13,30 20,26 13,78 17,87 16,50
73
Figura 50. Resistencias electrolíticas actualmente disponibles 5.5.- ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
Algunas esferas disponibles en el inventario presentan abolladuras en su superficie, por lo que no es posible realizar las mediciones de la tensión de impulso con ellas y se han sustituido por otro espinterómetro de diámetro D=12,5 cm. Además, la columna que soporta el brazo de alta tensión presenta una fractura interna que ocasiona un desnivel entre las mismas, como se puede ver en la Figura 51,
Figura 51. Estado actual del espinterómetro vertical
74
El no poder garantizar una simetría entre el eje vertical del espinterómetro puede ocasionar errores en la medición si el espacio interelectródico es suficientemente grande.
5.6.- DIVISOR DE TENSIÓN.
En la actualidad existe un divisor de tensión resistivo- capacitivo, el cual fue verificado sus valores nominales, los valores obtenidos fueron los siguientes: Tabla XII. Mediciones de los parámetros eléctricos del divisor de tensión. Error ±1% # RAT
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [mH]
1
6000
5925
----
2
6000
6135
----
3
6000
6170
----
4
6030
6125
----
# RBT
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [μH]
1
50
50,75
1,2
2
20
20,19
1,2
#C
Cnom [pF]
Cmed [pF]
Tanδ @ 1 kHz
1
3000
3395
0,007
Los valores nominales y los obtenidos tiene un margen de diferencia para los valores de resistencia de alta de 1.34%, resistencia de baja 1.32% y para el capacitor 11.63% valores que no influyen en los resultados finales de las pruebas. Originalmente este divisor de tensión tenía otra etapa de iguales características a las señaladas anteriormente, el cual fue desinstalado por presentar fuga de aceite.
75
5.7.- CABLES DE MEDICIÓN.
Se cuenta con cables coaxiales de 7 m de longitud del tipo RG-59 los cuales están protegidos mediante una tubería del tipo PVC.
5.8.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN.
Como se ha mencionado anteriormente, los conductores empleados para realizar las conexiones entre el generador de impulsos y los demás elementos constitutivos del sistema de prueba son trenzas y cintas. La Tabla XIII señala algunas mediciones realizadas a una muestra de cada uno de ellos. Tabla XIII. Mediciones de R de los conductores de interconexión Tipo
Longitud
R [Ω]
[m]
f=1 kHz
Rprom
Trenza
1
0,065
0,065
Cinta
1
0,078
0,077
Además de esto, la cinta de cobre se puede emplear para las conexiones del circuito a tierra del generador-divisor-objeto de prueba [5]. Por otro lado, en el conductor de alta tensión (trenza) se pueden presentar distorsiones durante la propagación de la onda de impulso en el mismo, las cuales se pueden calcular con la siguiente expresión [1].
τv =
l Co
(31)
donde τ v es el tiempo de propagación de la onda en la línea en (seg), l es la longitud de la línea en metros y Co la velocidad de la luz ( 300 x10 6 m/s). Sustituyendo los valores medidos de la trenza se tiene que para una longitud promedio de 3-4 m, para
76
los valores señalados anteriormente tenemos que el tiempo de propagación de la onda en el cable es 10ns aproximadamente. 5.9.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO.
Algunos ejemplos de mediciones de la onda de tensión de impulso realizadas en pruebas en vacío (específicamente, sin objeto de prueba pero con el capacitor de precarga del divisor de tensión) antes de efectuar la configuración al generador de impulsos y sus componentes, se muestra en la Figura 52.
Figura 52. Ejemplo del frente y cola de la onda de impulso en vacío
La gráfica expuesta corresponde a una configuración de resistencia de frente R1=102W, resistencia de cola R2= 709W, capacitancias del generador de impulso 0.125mF (2 etapas) y para valores aproximados de tensión de impulso V=60 kV de polaridad negativa y rango de temperatura ambiente Tamb=21ºC-24ºC; que demuestran
77
el comportamiento inadecuado del sistema respecto a las normas estudiadas y además altas oscilaciones en el frente de la onda mayor a 3%. El ejemplo de la Figura 53 es resultado de conectar únicamente al divisor de tensión y al espinterómetro vertical; es decir, las pruebas se hicieron en vacío y se pueden apreciar fuertes oscilaciones en el frente de onda que hacen de obligatoria necesidad su disminución o amortiguación. Por lo tanto, es prioridad obtener la onda de impulso normalizada en esta condición.
Figura 53. Onda como resultado de conectar las capacitancias 1 y 2 del
generador de impulsos. Luego de esto se procedió a realizar la prueba de manera de obtener el menor ruido en el frente de la onda de impulso, además los ajuste que se realizaron fueron los de ir cambiando las capacitancias del generador de impulso de manera progresiva y escalonada, resultado de esto se puede ver en la Figura 54.
78
Figura 54. Onda como resultado conectar las capacitancias 2 y 3 del generador de
impulsos.
Figura 55. Ejemplos de la forma de onda de tensión sin objeto de prueba, posterior a las modificaciones- Capacitancia 4 y 5 conectadas.
79
Así pues, para este caso planteado no hubo soluciones inmediatas debido a que se decidió, como una primera acción correctiva importante, aplicar el mantenimiento parcial al generador de impulsos como: a. Se sustituyo de la línea de cobre de Ø4mm, por una línea de Ø15mm. b. Se cambiaron las capacitancias del generador de impulso. c. Se calibro la distancia de los espinterómetros horizontales de manera de reducir el ruido en el frente de la onda. Es evidente que las formas de onda obtenidas con los nuevos cambios no tienen la forma de la onda de impulso normalizada tipo atmosférico 1,2/50 μs, lo que hace necesario analizar los fenómenos involucrados en el comportamiento de dicha forma de onda. Éstos son básicamente la inductancia presente en el circuito y las reflexiones de la onda viajera por el mismo, así como también los valores de resistencia de frente y cola.
5.10.- INDUCTANCIA.
Como se ha explicado, las inductancias internas del generador de impulsos (debida principalmente a las resistencias de frente y cola) y las externas (debida a los conductores de interconexión) oscilan con la capacitancia del circuito externo. Según la norma internacional ANSI/IEEE Std 4-1995[7] y la norma europea IEC 60 [12], el sobrepico máximo de las oscilaciones no debe exceder el 3% del valor de la tensión pico aplicado al “objeto de prueba”. Normalmente la inductancia del generador de impulso es aproximadamente de 3 a 5 μH por etapa y el conductor es de 1μH/m. [6].
5.11.- ONDAS REFLEJADAS.
El otro fenómeno involucrado son las oscilaciones superpuestas de alta frecuencia debidas a los rebotes de onda viajera en la línea conectada entre el
80
generador y el divisor de tensión y también entre el divisor y el espinterómetro vertical (considerando que las impedancias características de los cables coaxiales están acopladas con los atenuadores).
5.11.1. RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO.
Como el divisor de tensión presenta una respuesta oscilatoria se hace necesario introducir una resistencia de amortiguación cuyo cálculo previo se puede hacer con la siguiente expresión (para condición crítica) [1], [3], [5], [6], [10]: Rd = 2 ⋅
L C
(32)
Donde L=es la inductancia del generador de impulso y C=es la capacitancia del divisor y la carga, en el momento del ensayo. También se puede utilizar una
expresión empírica válida para la condición en la cual la respuesta inicial alcanza un máximo sobrepico de 10% respecto al escalón y que proporciona el valor de Rd, a saber [10]: Rd = 1,2 ⋅
L C
(33)
Para el ensayo en vacío se realizara el siguiente ejemplo; con un valor de L= 3μH , C=3000pF y aplicando la ecuación 32 y 33 tenemos lo siguiente:
Rd = 2 ⋅
3μH = 63.2Ω 3000 pF
Rd = 1.2 ⋅
3μH = 37.9Ω 3000 pF
Es evidente que el rango de la resistencia de amortiguamiento no supera las decenas de ohmios, por lo que es importante el valor de Rd no sólo porque amortigua las oscilaciones sino que influye proporcionalmente en el tiempo de frente de la onda, por lo que tiene que existir para su determinación un compromiso entre el
81
amortiguamiento y T1, por lo que es necesario tomar en cuenta el valor de la capacitancía de la carga. Cada vez que existe variación del valor de capacitancia, ya sea por cambios en el divisor capacitivo como en el valor del objeto de prueba o carga es necesario calcular el valor de Rd.
5.12.- ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA DATA.
Con el procesamiento de las gráficas obtenidas luego de las pruebas, se conecta el osciloscopio a través de un puerto RS232 al PC, mediante le programa AnyWave Software Versión 2.2 The Fluke Corporation. Mediante esta ventaja que posee el osciloscopio utilizado para esta medición, es que permite convertir la señal medida en un archivo delimitado por comas o extensión CSV por medio de un comando llamado hardcopy y que se puede abrir fácilmente con la hoja de cálculo EXCEL. Esto implica graficar y procesar los registros empleando las herramientas computacionales del programa, generando así un ahorro de tiempo que no se obtiene con los cálculos manuales.
5.13. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
Considerando la situación actual del espinterómetro vertical (con esferas de Dnom = 12,5 ± 1% cm desalineadas verticalmente debido a la fractura interna del soporte de la esfera superior) y también considerando las condiciones atmosféricas del laboratorio como presión, temperatura y humedad, no es posible garantizar -a priori- que la tensión de ruptura V50% empleada para hacer las calibraciones sea la obtenida por tablas. Para verificar esto, se procedió a efectuar una serie impulsos de tensión con el espinterómetro cuyos resultados se exponen, a manera de ejemplo, a continuación. Las condiciones de la prueba son las siguientes:
82
a. Separación de las esferas (de diámetro Dnom=12,5 cm): 2 cm b. Tensión disruptiva V50% (tabulada): 59 kV de polaridad negativa c. Temperatura ambiente( en el momento de la prueba): 26ºC d. Presión atmosférica (en el momento de la prueba): 910 mmbar
La falta de alineación vertical entre las esferas no permite un ajuste exacto de la distancia interelectródica; a pesar de ello, se emplearon separadores metálicos a manera de patrones (ver Figura 56) para verificar y/o corregir la separación deseada aproximada.
Figura 56. Patrones para la calibración de la distancia interelectródica del espinterómetro vertical
5.14.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE RUPTURA MEDIANTE EL ESPINTERÓMETRO.
Considerando las condiciones ambientales señaladas anteriormente, se calcularon las tensión de ruptura de acuerdo a [6 ]-[7 ]-[10]. Vr = Vn * K
(34)
Donde, Vr representa la tensión real (corregida), Vn tensión normalizada de acuerdo a la tabla Tensión vs. Distancia del espinterómetro vertical, donde K es una función de la densidad del aire, entonces d es:
83
⎛ b ⎞ d = 0,289 ∗ ⎜ ⎟ ; b en mbar ⎝ 273 + t ⎠
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior tenemos
(35)
d = 0.87
interpolando en la tabla 7.6 del [6], Anexo 2, tenemos K =0.88 y la tensión de acuerdo al tipo de esfera y distancia interelectródica en el espinterómetro vertical será de 59kV, ver Anexo 4 entonces la tensión disruptiva corregida es: Vr (50%) = 59kV * 0.88 = 51.92kV .
Finalmente, se evidencia una diferencia de 1.13% entre la tensión teórica y la corregida por las condiciones atmosféricas por lo que es importante y necesario al momento de realizar cualquier prueba realizar estas correcciones.
84
CAPÍTULO VI 6.1 SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DEL GENERADOR DE IMPULSOS.
Un aspecto a considerar en la prueba de impulsos de tensión es el tiempo que se invierte en predeterminar los parámetros del generador de impulsos -resistencia de frente y cola, número de etapas, número de capacitores por etapa- para obtener la forma de onda normalizada 1,2/50 μs (los operadores del equipo afirman que la duración del preajuste puede ser de hasta un día), trayendo como consecuencia un injustificado aporte de horas/hombre y retraso en el cronograma de pruebas de los transformadores en producción. Por consiguiente, si se conocen adecuadamente los valores de los parámetros disponibles y los fenómenos involucrados en la prueba de impulso es posible realizar una simulación del sistema y utilizarla como referencia importante en el ajuste inicial de la configuración. A partir de esta consideración, es necesario “precisar” cuál es el modelo circuital más conveniente para cada uno de los parámetros involucrados en el sistema de prueba de impulsos, como se explicará en el siguiente apartado.
Para las modelaciones del generador de impulso utilizaremos el programa Pspice y ATPDraw los cuales presentan características de diseño completamente diferentes ya que el primero es un completo simulador para diseños analógicos y digitales, fundamentalmente se utiliza en la rama de la electrónica, el segundo es para realizar análisis de transitorios en sistemas eléctricos de potencia, el cual puede ser adquirido libremente mediante una solicitud a cualquier comité dependiendo de la ubicación del solicitante. Con sus sofisticados modelos internos, puede simular diseños de alta frecuencia, diseños de circuitos integrados de baja potencia y circuitos de potencia.
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6.2.- MODELOS CIRCUITALES PARA LA SIMULACIÓN.
La escogencia de los modelos circuitales de los elementos y dispositivos que conforman tanto al generador de impulsos como al sistema de pruebas se hace a continuación:
6.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.
La Figura 57 representa el modelo típico de las resistencias de frente y cola utilizadas en el generador de impulsos de CAIVET, donde R y L equivalen a la resistencia e inductancia nominales considerándolas como parámetros concentrados [13], [26]. La inductancia de estas no se tomara en cuenta para la modelación ya que las mismas no afectan la onda. La capacitancia en paralelo, que representa al aceite dieléctrico, no será tomada en cuenta por ser de un valor extremadamente pequeño (mediciones realizadas establecen un rango aproximado de 7 pF a 15 pF), por lo que en la modelación no existirá un cambio importante al despreciarla.
Figura 57. Modelo de la resistencia de frente y cola del generador
6.2.2. RESISTENCIA DE CARGA.
La resistencia electrolítica se puede representar como una resistencia concentrada o un circuito abierto (debido al gran valor que posee respecto a las de
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frente y carga). La Figura 58 muestra como se pudiera representar en la simulación computacional. Aunque para efectos de nuestro ensayo no la utilizaremos ya que por ser un valor muy alto que tiende a infinito ( ∞ ) y solamente esta presente en el momento de la carga de los capacitores.
Figura 58. Resistencia electrolítica 6.2.3.-CONDENSADORES DE ETAPAS.
Asumiendo el modelo teórico clásico de un dieléctrico [10]-[14], la capacitancia de etapa del generador de impulsos se define por una rama resistiva y capacitiva en paralelo, como se muestra en la Figura 59. El condensador Cp es la capacitancia ideal del dieléctrico y la resistencia Rp representa las pérdidas de energía del mismo. Ésta última está en el orden de giga-ohmios, por lo que a de ser despreciada en la simulación.
Figura 59. Condensador de etapa
6.2.4.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN.
El conductor de interconexión se puede representar como una línea de transmisión sin pérdidas con parámetros distribuidos [31], tal y como se muestra en la Figura 60.
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Figura 60. Línea de interconexión
De esta consideración, la impedancia característica Zlínea se puede estimar de forma aproximada con el empleo de la curva mostrada en la Figura 61 [18].
Figura 61. Impedancia característica de un conductor aéreo [5]
Pero nosotros la calcularemos a través de la siguiente ecuación [1], 1 ⎛H⎞ ⎛ 4.H ⎞ Z linea = 60 * Ln⎜ ⎟ − Ln. (1 + 1 + 2.⎜ ⎟ 2 ⎝L⎠ ⎝ D ⎠
2
(36)
para una altura promedio del conductor de H=2m; L=4m. y un radio promedio de r=0,015 m. se obtiene una Z línea ≅ 376.64Ω , valor que es bastante típico para este tipo
de conductores. Asimismo, experiencias han demostrado que el tiempo de propagación de la onda ( τ v ), esta influenciado por la velocidad de la luz [1] el tiempo
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de propagación se calcula con la expresión τ v =
x , donde x es la longitud del c
conductor y c es la velocidad de la luz ( c = 300 x10 6 m / s ). Entonces para una longitud de x = 4m , τ v ≅ 10ns
6.2.5.- DIVISOR DE TENSIÓN.
Conociendo que el divisor de tensión es del tipo resistivo con apantallamiento capacitivo, el circuito que puede modelar aproximadamente a este equipo es el mostrado en la Figura 62 [1], [16]. Éste está conformado por la resistencia de alta tensión RAT, su inductancia LAT, la resistencia e inductancia de baja tensión, RBT y LBT respectivamente, por la capacitancía C=3000 pF y por las capacitancias a tierra uniformemente distribuidas Ce (despreciables respecto a C).
Figura 62. Modelo del divisor de tensión
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6.2.6.-ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
En la descarga del generador de impulsos el espinterómetro vertical no tiene actuación alguna en este proceso (para onda plena), por lo que se puede despreciar o modelar como un capacitor de valor pequeño (simples mediciones realizadas en el equipo con esferas de diámetro Dnom=12,5 cm y separación de 80 cm arrojaron que la capacitancia es de aproximadamente 25-35 pF). La Figura 63 muestra el espinterómetro de esferas.
Figura 63. Espinterómetro vertical
6.2.7.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL.
Para iniciar la descarga del generador de impulsos las esferas de etapa se pueden sustituir por un cortocircuito [14],[17] o por un interruptor inicialmente abierto, que se ve en la Figura 64.
Figura 64. Espinterómetro horizontal
Un aspecto a considerar en la modelación es el valor de la resistencia de “cierre” del interruptor o resistencia del arco eléctrico, la cual se calcula con la Ley de Toepler, a saber [18]:
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Rarco ≅
aT ⋅ d
∫I
arco
⋅ dt
(37)
donde aT= 80 ⋅ 10 −3 Vs/m y d es el espacio interelectródico. Típicamente Rarco oscila entre 0-1000Ω y como por lo general la caída de tensión no es significativa para los niveles de tensión empleados en las pruebas de impulsos con el generador de CAIVET, se utilizará Rarco=0-10Ω.
6.2.8.-OSCILOSCOPIO.
El circuito del osciloscopio utilizado para las pruebas de la tensión de impulso será el mostrado en la Figura 65 y representa la impedancia de entrada de los canales de medición.
Figura 65. Modelo del osciloscopio
6.2.9.-CABLES DE MEDICIÓN.
El modelo del cable coaxial se indica en la Figura 66 y se considera ideal (sin pérdidas), por lo que los parámetros que lo definen son la impedancia característica Zo y el tiempo de viaje (o de retardo) tv. Éste último se calcula con la expresión tv =
d , donde d es la distancia del cable y v es la velocidad de propagación de la v
onda de impulso en el mismo, las características técnicas del cable coaxial RG-59 señala que la velocidad de propagación es del 83% de la velocidad de la luz entonces la velocidad para este cable será de v = 240 x10 6 m / s y el tiempo de propagación será de t v = 5m 240 x10 6 m / s = 20.83ns [6]-[14].
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Figura 66. Cable coaxial
6.2.10.- PUESTA A TIERRA:
Asumiendo el electrodo de puesta a tierra como parámetro concentrado, el modelo circuital del mismo, para fenómenos transitorios, queda definido como el mostrado en la Figura 67 [3].
Figura 67. Modelo de la barra de puesta a tierra
La resistencia, inductancia y capacitancia de la barra -de longitud l y radio ase pueden calcular con las siguientes expresiones [3]:
6.2.11.- CÁLCULO
DE LA
RESISTENCIA DE LA BARRA DE
ATERRAMIENTO (R):
R= R=
ρ 4l ln( ) 4π a
20Ω.m 4 * 2m 10.34Ω.m ln( )= = 5.17Ω 4 *π 0.012m 2m
(38)
92
6.2.12.-CÁLCULO
DE
LA
CAPACITANCIA
DE
LA
BARRA
DE
ATERRRAMIENTO (C):
C=
C=
6.2.13.-CÁLCULO
DE
εr ⋅l 4l 18 ⋅ ln( ) d
⋅ 10 −9
(39)
9 * 2m ⋅ 10 −9 = 153,79 pf 4 * 2m 18 ⋅ ln( ) 0.012m
LA
INDUCTANCIA
DE
LA
BARRA
DE
ATERRAMIENTO (L):
4l L = 2l ⋅ u. ln( ) ⋅ 10 −7 H d L = 2 * (2m).1. ln(
(40)
4 * 2m ) ⋅10 −7 = 2,6μH 0,012m
donde ρ es resistividad del terreno (de 20 a 30 Ωm), μ la permitividad de la barra (típicamente de valor μ=1,00) y εr la constante dieléctrica relativa del suelo (εr=9 para terrenos típicos).
6.3.- SIMULACIONES
Agrupando todos los elementos descritos anteriormente, se logra establecer la configuración básica para una prueba de impulso. Ahora bien, una prioridad es lograr simular el circuito de prueba en condiciones de vacío ya que, como se mencionó anteriormente, al determinar los parámetros normalizados en esta situación se puede asegurar que la forma de onda cuando se incluye el objeto de prueba no sufre modificaciones sustanciales (para ciertos casos); A continuación se explican en detalle las simulaciones propuestas:
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6.3.1.- MODELACIONES DEL CIRCUITO PARA LAS PRUEBAS DE IMPULSO EN VACIO.
A continuación un ejemplo de un circuito propuesto tanto en Pspice como en ATPDraw, para la simulación de pruebas de impulso en Pspice se ilustra en la Figura 68 y se han considerado todos los cálculos y mediciones anteriormente descritas. Más
adelante se verá como la simulación sirve para obtener, en muy buena aproximación, la forma de onda deseada para condiciones de vacío y deja abierta la simulación de un transformador típico fabricado por CAIVET.
Figura 68. Ejemplo de sistema de prueba de impulso simulado en PSPICE
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Figura 69. Medición de la tensión de impulso en vacío simulada en Pspice
A continuación se muestra el circuito realizado en ATPDraw, para la simulación del generador de impulso en vació el cual se muestra en la Figura 70.Para la simulación con el ATPDraw se utilizaron los mismos valores de la simulación con el Pspice. La forma de onda de tensión resultante de la simulación en ATPDraw se muestra en la Figura 71.
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Figura 70. Ejemplo del circuito de prueba realizada en ATPDraw
Figura 71. Onda de tensión obtenida luego de la simulación en ATPDraw
96
Luego de la simulación tanto en Pspice como el ATPDraw se puede observar como ambos programas muestran de manera aproximada como es la onda de impulso, hay que tomar en cuenta que las mismas realizaron en vació sin objeto de prueba. Se puede notar en la tabla siguiente como a pesar de tener tanto para la simulación en Pspice como en ATPDraw los mismos elementos en el circuito e igual valor en los elementos, los valores de tiempo en el valor pico de tensión difiere 0,27μs. Se puede señalar que esta diferencia puede ser provocada por los algoritmos de iteración de los programas, sin embargo no influye en el resultado final de las pruebas por ser un valor muy pequeño. Tabla XIV. Valores de Frente y Cola Resultado de la Simulación Simulación ATPDraw
Simulación Pspice
Frente
(1.83μs; -54.02V)
(2.10μs;-54.56V)
Cola
(39.10μs; -27,07V)
(39.10;-27.30V)
Es importante señalar que no se tomaron en cuenta las condiciones ambientales para el calculo de los valores de resistencia de frente y cola, solamente se calculo estos valores mediante las ecuaciones 14 y 15 y con una tensión de prueba de 100kV pico. En la siguiente Figura 72, se grafico las tres ondas es decir la onda de ambas simulaciones y una tomada de una prueba en vacío del generador de impulso configurado con los mismos valores de la simulación.
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Prueba en Vacio 10 0
Tension (V)
-10 -20 -30 -40 -50 -60 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Tiempo (ms) IMPULSO
SIMULACION ATPDraw
SIMULACION Pspice
Figura 72. Onda de tensión de la Simulación y Generador de Impulso (Vacio)
Figura 73. Frente de Onda de tensión de la Simulación y Generador de Impulso
(Vacío)
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En la Figura 73 se puede verificar el tiempo de frente virtual el cual esta presente entre el 30% y 90% del valor máximo de la onda capturada en la simulación y la prueba con el generador de impulso, lo cual permite visualizar el valor de tiempo de frente T1, entonces: Tiempo a 30% t a = 950ns Tiempo a 90% t b = 1.9µs Se calcula el diferencial de tiempo Δt entre el punto del tiempo entre el 30% y 90%. Δt = t b − t a = 1.9µs-950ns = 0.95 µs T1= 1.67* Δ t =1.67*0.95 µs=1.58 µs Sin embargo se puede ver como la simulación independientemente de que esta sea realizada en Pspice o ATPDraw permite obtener un valor dentro de lo establecido por la norma Std-4 IEEE, la cual señala que el tiempo donde ocurre la tensión pico a de estar entre (0,8μs - 1,6μs).
Es importante señalar que la desviación en la cola de la onda y el ruido en la cresta de la onda de la onda originada del generador de impulso Figura 72, esta influenciada por las características y el estado actual de algunos elementos del equipo de prueba como son las resistencias y las etapas del equipo. Igualmente el tiempo de cola el cual es el tiempo que transcurre hasta alcanzar el 50% del máximo valor pico su valor no esta entre (40μs -60μs), ya que el valor medido fue de -39,10μs es decir 0.90μs por debajo del valor mínimo señalado en la norma.
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CAPÍTULO VII
7.1.- SIMULACIÓN Y APLICACIÓN DE LA PRUEBA DE IMPULSO A UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.
7.1.1.- SIMULACIÓN CON EL OBJETO DE PRUEBA.
Para comprobar la utilización de la simulación en las pruebas de impulso realizaremos la prueba a un transformador de tipo monofásico tipo distribución marca CAIVET, siguiendo lo señalado por la norma venezolana COVENIN 3172 y Std-4 IEEE [19], [7]. El objetivo de esta prueba consiste en comprobar el aislamiento entre espiras del devanado bajo ensayo, entre este y los demás devanados y el tanque o cualquier otro elemento puesto a tierra cuando se le aplica una onda de choque. El transformador que utilizaremos para la simulación y su posterior comprobación mediante la utilización del generador de impulso tiene las siguientes características: Tabla XV. Características de Diseño del Transformador de 25kVA. Capacidad Nominal Tensión Alta Tensión Tensión Baja Tensión Nivel de Aislamiento AT Nivel de Aislamiento BT Frecuencia Conductor de Alta Tensión Conductor de Baja Tensión
25 kVA 13800/23900Y(Voltios) 120/240 (Voltios) 125kV Bil 30kV Bil 60Hz Alambre de Cobre (Ø 1.03mm) Foil de Aluminio (160*0.6mm)
Como nuestro objetivo no es comprobar el aislamiento del transformador ni mucho menos hacerle un análisis de acuerdo a su tipo de construcción, solo nos enfocaremos a comprobar las simulaciones y poder realizar la comprobación de las mismas con el objeto de prueba.
100
Primero se calcula los valores de capacitancía del objeto de prueba, tomando los espesores del diseño se tiene lo siguiente: Tabla XVI. Espesores Bobina de 25kVA -13800-120/240 V. (Todas las medidas están en milímetros) CUADRO DE ESPESORES
BASE BTI BARR1 AT BARR2 BTE AISL EXT
TOTALES
Espes. A1 2.0 12.7 3.0 27.5 3.0 12.7 0.8 61.8
Espes. A2 2.0 12.7 3.0 27.5 3.0 12.7 0.8 61.8
CAB BT Espes. B1 (BT) 2.0 16.1 5.0 37.3 5.0 16.1 2.3 83.8
CAB AT Espes. B2(AT) 2.0 16.1 3.0 39.3 3.0 16.1 0.8 80.4
Esp. med 2.0 13.9 3.2 31 3.2 14.0 0.8
7.1.2.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT. Cálculo de las Áreas: I H = ( Esp.Medio( Base + BTI + Barr1) = 2.0mm + 13.9mm + 3.2mm = 19.1mm OL = ( Esp.Medio( Base + BTI ) = 2.0mm + 13.9mm = 15.9mm A = 19.1mm + 15.9mm = 35mm
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm) B = 3.2mm
Capacitancia BTi-AT
C h = 1.06 *
(35mm) * 160mm = 1855 pF 3.2
7.1.3.- CAPACITANCIA ENTRE AT– BTe
Cálculo de las Áreas:
101
I H = ( Esp.Medio( Base + BTI + Barr1 + AT ) = 2.0mm + 13.9mm + 3.2mm + 31mm = 50.1mm OL = I H + ( Esp.Medio( Barr 2) = 50.1mm + 3.2mm = 53.3mm A = 50.1mm + 53.3mm = 103.4mm
Espacio Entre la Bobina BTI-AT en (mm) B = 3.2mm
Capacitancia AT-BTi.
C h = 1.06 *
(103.4mm) * 160mm = 5480.2 pF 3.2
Entonces la capacitancia total de la bobina es: C hTotal = 1855 pF + 5480.2 = 7335.2 pF Este valor obtenido se suma al valor de la capacitancia del divisor de tensión para realizar los ajustes y cálculos necesarios para las pruebas de impulso 1.2/50μseg al transformador, este valor total es el que se conoce como C 2 . Este valor lo validamos con el equipo DOBLE dando como resultado lo siguiente: Tabla XVII. Capacitancias Calculadas y Medidas Calculados Medidos
Bti-AT (pF) 1855 2230
AT-BTe (pF) 5480.2 4580
7.1.4.- CAPACITANCIA DEL GENERADOR DE IMPULSOS.
Para la simulación del generador de impulso utilizaremos 2 etapas las cuales tienen cada una los siguientes valores nominales: 0.25μF – 100kV, entonces a capacitancia de generador C1 : C1 =
0.25μf = 0.125μF 2
102
7.2.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE FRENTE, RESISTENCIA DE COLA Y RESISTENCIA DE AM0RTIGUAMIENTO:
Utilizando las ecuaciones 15 y 16 del capitulo I, tenemos lo siguiente: 7.2.1.-RESISTENCIA DE FRENTE:
Para un tiempo T1 = 1.2 μs , C1 = 0.125μF , entonces:
R1 = 1.2us *
C 2 = 7335.2 pF + 3000 pF = 10335.2 pF
y
0.125uF + 10335.2 pF 1 * = 41.48Ω 0.125uF *10335.2 pF 3
7.2.2.- RESISTENCIA DE COLA:
Para un tiempo T2 = 50 μs , C 2 = 10335.2 pF , C1 = 0.125μF y R2 = 41.48Ω entonces:
R2 = 50us *
1 1 * − 41.48Ω = 483.14Ω 0.7 0.125uF + 10335.2 pF
7.2.3.- RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO:
Rd = 2.
6 μH = 48.18Ω 10335.2 pF
Los valores de resistencia de frente, cola y amortiguamiento que se calcularon anteriormente son los valores que utilizan para la simulación en Pspice y ATPDraw, así como también para la configuración del generador de impulso para la prueba con el transformador. 7.3.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN PSPICE:
103
La siguiente Figura 74 representa el circuito para la simulación en Pspice, podemos ver el valor que se utilizo para C 2 es la suma de la capacitancía del divisor que es de 3000pF y 7335.2pF que es el valor calculado de la capacitancía del transformador además la tensión en los capacitores del generador es de 125kV.
Figura 74. Circuito para la simulación del transformador de 25kVA monofásico
En la Figura 75 se observa el resultado de la simulación en Pspice, así como también se marcaron los puntos más importantes para el análisis de la misma la cual se resume en la Tabla XVIII.
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Figura 75. Onda de salida con la simulación en Pspice.
En el siguiente cuadro se observa los puntos registrados en la grafica anterior. TABLA XVIII. Puntos de la onda resultante de la simulación con Pspice Punto Nº 1 2 3 4
Tiempo (µs) 0.940 2.046 3.306 47.64
Voltaje V(-) -15.14V -46.30V -51.33V -25.00V
Los puntos señalados en el cuadro anterior principalmente el intervalo del punto 1 y 2 de la grafica representa el 30% y 90% de la tensión pico de la onda lo que permite asegurar que la configuración del circuito en vació permite tener un frente de onda dentro de los tiempos que señala la norma Std-4 IEEE ya que el punto 1.2μs esta dentro de este intervalo. Así mismo el punto 4 donde ocurre el 50% de la tensión
105
aplicada en la simulación esta dentro del margen de tiempo normalizado para este tipo de onda el cual debe estar entre (40μs-60μs). 7.4.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN ATPDRAW:
En la Figura 76 se muestra el circuito para la simulación en ATPDraw, los valores utilizados fueron los mismos utilizados para la simulación en Pspice, cabe señalar que para la simulación en ATPDraw la línea de conexión entre el generador de impulso y el divisor se utilizo el valor de velocidad de propagación de la onda a diferencia de la simulación en Pspice donde se utilizo el valor de tiempo de propagación de la onda, igualmente este mismo criterio se utilizo para el cable coaxial.
Figura 76. Circuito para la simulación en ATPDraw.
En la Figura 77 se muestra la onda como resultado de la simulación en ATPDraw con carga es decir con un transformador.
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Figura 77. Onda resultante de la simulación en ATPDraw.
En el siguiente cuadro vemos los puntos registrados en la grafica anterior. TABLA IXX. Punto de la onda resultante de la simulación con ATPDraw Punto Nº 1 2 3 4
Tiempo (µs) 0.890 1.98 3.20 46.97
Voltaje V(-) -15.20V -46.16V -50.98V -25.16V
Los puntos señalados en la TABLA IXX, son los puntos tomados de la grafica de la simulación en ATPDraw, se puede señalar que los puntos 1 y 2 son el intervalo de tiempo entre 30% y 90% del frente de la onda. Igualmente el punto 3 es el punto del valor pico de la onda de voltaje y el punto 4 es el punto del 50% del valor pico de voltaje de la onda. Al igual que la simulación en Pspice los tiempo del frente de onda como en la cola de la onda están dentro de los parámetros de la norma Std-4 IEEE, por lo tanto se puede señalar que ambas pruebas cumplen con la norma y por lo tanto simular las prueba de impulso a un transformador monofásico con ambos programas permiten visualizar o aproximarse a la onda normalizada.
107
7.5.- ENSAYO
DE LA PRUEBA
DE IMPULSO CON EL OBJETO DE
PRUEBA:
Luego de haber realizado las simulaciones necesitamos comprobar las mismas por lo que se procedió a configurar el generador de impulsos
con los valores
calculados para la simulación. Como los valores de resistencias calculados no son exactos para las resistencias disponibles se coloco las siguientes resistencias: TABLA XX. Resistencias calculadas y disponibles para la configuración.
Calculada Disponible
Resistencias de Frente 41.48W R4-R5=40W
Resistencia de Cola 483.14W R3+R27=459.8W
Resistencia de Amortiguamiento 48.18W R6=50.2W
Aparte de realizar la configuración del generador de impulsos con las resistencias de frente, cola y amortiguamiento, también se calculo las condiciones atmosféricas para la prueba las cuales son las siguientes: Temperatura ambiente = 29ºC. Presión Atmosférica = 970mbar. Entonces la densidad del aire será: ⎛ 970mbar ⎞ d = 0,289 ∗ ⎜ ⎟ = 0.92 ⎝ 273 + 29º C ⎠ Acuerdo a la tabla 7.6 de [6], tenemos K =0.88 entonces la tensión disruptiva es: Vr (50%) = 62.5kv * 0.93 = 58.125Kv
108
Para la tensión anterior los espinterometro horizontales romperán la rigidez dieléctrica del espacio interelectrodico y procederá a ocurrir la descarga. Es necesario aclarar que para los transformadores sumergidos en líquidos aislantes es necesario que la muestra a ensayar deba estar ensamblada con los aisladores y terminales correspondientes al diseño del transformador además debe estar lleno al nivel apropiado del líquido aislante [19]. En la Figura 78 se muestra la onda de tensión graficadas en Excel como resultado de la prueba de impulso atmosférico aplicada al transformador, así como también las ondas simuladas tanto en Pspice como en ATPDraw al 50% del kV Bil. La onda de impulso aplicada en el ensayo fue corregida de acuerdo a las condiciones atmosféricas presentes en el laboratorio al momento del ensayo.
Onda de Tension a 62.2kV 5 0
Tension (v)
-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
Tiempo en (ms) G. Impulso
Simulacion ATPDraw
Simulacion Pspice
FIGURA 78. Onda de tensión resultante a 62.2 kV pico
0,07
109
FIGURA 79. Frente onda de tensión resultante a 62.2 kVpico
En la Figura 79 se verifica el tiempo de frente virtual el cual esta presente entre el 30% y 90% del valor máximo (32.8V) de la onda capturada en la simulación con los programas ATPDraw, Pspice y la prueba con el generador de impulso, lo cual permite verificar el valor de tiempo de frente T1 entonces para: Tiempo a 30% t a = 890ns Tiempo a 90% t b = 1.98µs Se calcula el diferencial de tiempo Δt entre el punto del tiempo entre el 30% y 90%. Δt = t b − t a = 1.98µs-890ns = 0.91 µs T1= 1.67* Δ t =1.67*0.91 µs=1.51 µs
110
El resultado de 1.51µs esta dentro de lo establecido por la norma IEEE std- 4 para el tiempo de frente T1. Igualmente se procedió a realizar la prueba al 100% del nivel básico de aislamiento, para el cual se obtuvo la siguiente grafica, ver Figura 80.
Prueba a 122.5kV con Carga 10
0
Tension (v)
-10
-20
-30
-40
-50
-60 -0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Tiempo (ms) G. IMPULSO
SIMULACION ATP
SIMULACION PSPICE
FIGURA 80. Onda de tensión resultante a 122.5 kVpico
En la onda de la Figura 80 representa la onda de tensión aplicada al transformador de 25kVA a tensión de impulso corregida por las condiciones atmosféricas, a pesar de tener perturbaciones en el pico de la onda esto no implica señalar que la onda esta fuera de los parámetros de oscilaciones mayores a 5% que señala la norma Std-4 IEEE.
111
FIGURA 81. Frente de onda de tensión con carga a 122.5kV.
Para la Figura 81 se verificó el tiempo de frente virtual el cual esta presente entre el 30% y 90% del valor máximo (55 V) de la onda capturada en la simulación con los programas ATPDraw, Pspice y la prueba con el generador de impulso, lo cual permite visualizar el valor de tiempo de frente T1 entonces para: Tiempo a 30% t a = 940ns Tiempo a 90% t b = 1.05µs Se calcula el diferencial de tiempo Δt entre el punto del tiempo entre el 30% y 90%. Δt = t b − t a = 1.05µs-940ns = 0.11 µs T1= 1.67* Δ t =1.67*0.11 µs=1.83 µs El frente de la onda a 122.5kV con carga no esta dentro de los parámetros establecidos por la norma rango entre (0.8 μs – 1.6 μs).
112
En la onda aplicada al 50% y 100% de la tensión de ensayo puede observarse como
la onda capturada en el osciloscopio (G. Impulso color azul), presenta
perturbaciones en el frente de la onda, principalmente en la cresta de la misma provocadas principalmente por los elementos del generador de impulso.
7.6.- Simulaciones con los Programas Pspice y ATPDraw con Carga.
Las simulaciones realizadas para el punto anterior se graficaron en Excel tanto para la tensión aplicada al 50% y 100% al transformador de 25kVA, los valores utilizados son los mostradas en la Tabla XX.
Simulación a 62.2kV con Carga 5 0
Tensión (v)
-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
Tiempo en (ms) Simulacion ATPDraw
Simulacion Pspice
Figura 82. Simulación con objeto de prueba al 50% de la tensión de ensayo.
0,07
113
Simulación a 122.5kV con Carga 10
Tensión (v)
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60 -0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Tiempo (ms) SIMULACION ATP
SIMULACION PSPICE
Figura 83. Simulación con objeto de prueba al 100% de la tensión de ensayo.
En ambas graficas se pude observar como la simulación en Pspice difiere con respecto a la simulada en ATPDraw en el frente de la onda principalmente en la cresta de la onda es decir en el punto donde las capacitancias tienen el mismo potencial de energía. Igualmente esta diferencia se muestra en la trayectoria de la descarga es decir en la cola de la onda. Entonces se puede observa como las curvas de la Figura 82 y 83 no son exactamente iguales una de la otra, por lo que podemos señalar que esto ocurre porque el algoritmo con que trabajan los programas son diferentes y esto hace que las mismas no sean exactamente iguales y por lo tanto podemos establecer una diferencia de 0.5% basados en los resultados de las simulaciones.
114
CONCLUSIONES
Luego de realizar las diferentes investigaciones que incluyeron revisiones de temas relacionados a las pruebas de impulso y libros de ingeniería de alta tensión, se creo un circuito tanto en Pspice como en ATPDraw
que permite simular y
representar de forma aproximada el generador de impulsos de la empresa CAIVET. Se simularon pruebas en el generador de impulso que permitieron estimar de manera teórica y práctica la representación de un transformador monofásico, además de esto poder calcular la capacitancia del transformador y de esta manera tener con mas certeza los valores, que permiten simular y realizar las pruebas de impulso a los transformadores. La utilización de los programas Pspice y ATPDraw en la simulación permitió conocer el funcionamiento del equipo bajo dos modelos circuitales diferentes desde el punto de vista de la colocación o diagramación de los elementos para la simulación, sin embargo el ATPDraw es mas sencillo de programar y permite manipular el archivo fuente del mismo así como también al momento de surgir algún error este programa señala donde esta ocurriendo el mismo. A través de la simulación de las pruebas de impulso con el generador se logra reducir los tiempo de ajuste del equipo de aproximadamente 6 horas, además se conoce cuales son los elementos que intervienen en la prueba real y cuales son los parámetros que se necesitan calcular antes de aplicar dicha prueba.
115
RECOMENDACIONES
A pesar de poder realizar algunas pruebas y obtener la señal se tensión es necesario el cambio del osciloscopio ya que el existente no permite capturar dos señales a la vez además de esto es muy engorroso poder guardar la señal en el pc y luego imprimirlas. Simular con los programas Pspice o ATPDraw antes de aplicar las pruebas al transformador o cualquier objeto de ensayo para obtener una mejor configuración del generador de impulso. Medir y calcular los valores de capacitancia de cada unidad a ensayar antes de la prueba y de esta manera poder configurar el generador de impulsos. Desarrollar un modelo que permita realizar pruebas en trifásicos.
transformadores
116
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] E. Kuffel, W. Zaengl, “High Voltage Engineering Fundamentals”, Butterworth, 2000. [2] T. Gallagher, A. Pearmain, “High voltage. Measurement, testing and design”, John Wiley & Sons. 1973. [3] M. Khalifa, “High-Voltage Engineering Theory and Practice”, Marcel Dekker, Inc, 1990. [4] J. Urquidi, “Guía de Laboratorio de Alta Tensión CT-5181”, U. Simón Bolívar. 1978. [5] C. Vilensky, “Diagnostico del Generador de Impulsos de la Empresa CAIVET”,(informe de Pasantia),Universidad Simón Bolívar, 2006. [6] M. Naidu, V. Kamaraju, “High-Voltage Engineering”, McGraw Hill, U.S.A., 1996. [7] ANSI/IEEE Standard 4-U.S.A, “IEEE Standard Techniques For High Voltage Testing”,. 1995 [8] Martin J. Heathcote, “The J & P Transformer Book”, Twelfth edition, Great Britain, 1998. [9] J. Marrero, “Determinación Modal de la Respuesta al Impulso en Transformadores”, Tesis para Optar al Titulo de Magíster en Ingeniería Eléctrica, U.S.B., 1986. [10] A. Bossi, “La Tecnica Delle Prove ad Impulsi”, Editoriale Delfino- Milano, 1965. [11] J. C. Rodríguez, “Efecto de la Forma de Onda de Impulso en el Aislamiento de Transformadores de Distribución”,Tesis para Optar al Titulo de Magíster en Ingeniería Eléctrica , U.S.B.,1993. [12] IEC Publication 60, “High-Voltage Test Techniques”, Second Edition, 1962. [13] MicroSim Corporation- “Pspice User’s Guide”, 2000. [14] L. Siegert, “Alta Tensión y Sistemas de Transmisión”, Editorial Limusa, 1988.
117
[15] C. Mazzetti, U. Ratti, “Criteria for the Elimination of High Frequency Oscillations in Steep Front HV Impulse Generators”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-96, Nº 1, January/February 1977. [16] IEC Technical Committee, “Proposals for a guide on impulse Voltage Testing Power Transformer and Reactors”. 1971. [17] J. Suthar, J. Laghari, “Usefulness of Spice in High Voltage Engineering Education”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 6, Nº 3, August 1991 [18] C. Wagner, G. McCann, “Wave Propagation on Transmission Lines”, Electrical Transmission and Distribution Reference Book, Westinghouse Electric Corporation, Fourth Edition, 1964. [19] COVENIN 3172: 1995. “Transformador de Potencia Método de Ensayo”,1995 [20] Westinghouse – “Voltage Distribution and Stress Calculation”, 1961. [21] J. Wolf, G. Voigt, “A New Solution for the Extension of the Load Range of Impulse Voltage Generators”, Haefely Publication E 1-84, 1997. [22] Fichas Internacionales de Seguridad Química, “Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales de España”, 2003. [23] IEEE Standard 1122-1998, “IEEE Standard for Digital Recorders for Measurements in High-Voltage Impulse Tests”, 1998. [24] W. Kotheimer, “Theory of Shielding and Grounding of Control Cables to Reduce Surges”, Publication GER-3205, General Electric Co, 1973. [25] R. Malewski, “Digital Techniques in High-Voltage Measurements”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, Nº 12, December 1982. [26] R. Bianchi Lastra, “ATP Para Inexpertos”, Universidad Nacional de la Plata, 1998.
ANEXO Nº 1
RESISTENCIAS DE FRENTE Y COLA EXISTENTES
#
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [μH]
Rprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz 1
508,0
508,50
508,5
508,5
2
24,8
25,12
25,14
25,13
3
358,8
358,50
358,4
358,45
4
10,0
10,47
10,47
10,47
5
30,0
31,00
31,01
31,01
6
50,2
50,64
50,63
50,64
7
30,8
30,93
30,92
30,93
8
10,2
10,57
10,57
10,57
9
25,7
25,97
25,97
25,97
10
10,7
10,59
10,6
10,6
11
24,4
24,64
24,65
24,65
12
24,3
24,72
24,73
24,73
13
50,0
50,43
50,42
50,43
14
25,1
25,44
25,44
25,44
15
10,0
10,99
10,99
10,99
16
9,1
9,27
9,27
9,27
17
74,8
75,86
75,86
75,86
18
74,9
75,17
75,16
75,17
19
30,3
30,67
30,67
30,67
f=120 Hz
f=1 kHz
----
16,0
-------------------------------------------------------
3,2 ---0,3 4,9 4,2 4,9 0,3 5,1 0,3 3,3 3,2 4,1 3,1 0,6 0,4 4,2 3,9 5,8
#
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [μH]
Rprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
f=120 Hz
20
75,1
75,26
75,24
75,25
21
9,8
10,03
10,03
10,03
22
10,6
10,48
10,48
10,48
23
26,1
25,99
25,98
25,99
24
10,5
10,83
10,84
10,84
25
30,6
30,95
30,94
30,95
26
510,0
511,00
511,1
511,05
27
101,0
101,10
101,1
101,1
28
1023,0
1020,00
1020,00
1020,0
29
102,4
102,70
102,7
102,7
30
653,0
654,60
654,0
654,3
31
100,8
101,20
101,4
101,3
32
354,0
359,40
359,2
359,3
33
652,0
653,80
653,7
653,75
34
102,2
103,20
103,3
103,25
35
362,0
362,50
362,7
362,60
36
347,0
347,70
347,8
347,75
37
528,0
527,80
527,9
527,85
38
963,0
965,00
965,0
965,00
39
350,0
349,90
350,1
350,00
40
507,0
505,80
506,1
505,95
41
354,0
354,70
354,7
354,7
-------------------------------------------------------------------
f=1 kHz 5,1 0,6 0,3 6,8 0,1 5,8 ---2,0 ---3,9 ---6,6 ---38,8 5,8 11,3 11,8 18,3 63,9 11,3 21,9 11,0
#
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [μH]
Rprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
f=120 Hz
42
986,0
986,00
986,0
986,0
43
1023,0
1306,00
1309,0
1307,5
44
1025
1025,00
1025,0
1025,0
45
648
649,00
648,8
648,9
46
1035
1034,00
1034,0
1034,0
47
662
663,70
663,4
663,55
48
360
358,80
358,8
358,8
49
100,2
99,80
99,8
99,8
50
677
678,80
678,8
678,8
51
652,0
653,60
653,6
653,6
52
999,0
1007,00
1008,0
1007,5
53
516,0
517,20
517,2
517,2
54
1015,0
1017,00
1018,0
1017,5
55
992,0
1004,00
1002,0
1003,0
56
976,0
982,00
982,0
982,0
57
1008,0
1007,00
1007,0
1007,0
58
990,0
990,00
991,0
990,5
59
30,0
31,23
31,23
31,23
60
50,0
51,42
51,44
51,43
61
535,0
512,40
512,0
512,2
62
50,0
50,98
50,97
50,98
63
351,0
351,60
351,6
351,6
-------------------------------------------------------------------
f=1 kHz 79,8 32,9 ---------------1,4 37,8 ---59,0 20,1 60,5 78,2 55,0 76,1 35,8 4,5 4,9 23,5 4,9 5,2
#
Rnom [Ω]
Rmed [Ω]
Lmed [μH]
Rprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
f=120 Hz
64
101,7
102,00
102,0
102,0
65
75,0
75,50
75,52
75,51
66
51,0
51,15
51,14
51,15
67
30,5
30,64
30,63
30,64
68
50,0
52,89
52,84
52,87
69
30,0
31,54
31,53
31,54
70
30,0
30,56
30,56
30,56
71
30,0
----
5,3 E6
----
72
Sin ID
----
99 E6
----
----------------------------
f=1 kHz 5,0 3,8 4,6 5,2 3,4 6,4 5,9 -------
ANEXO Nº 2
ANEXO Nº 3
Onda de Impulso a 100% Tensión de Impulso
ANEXO Nº 4. Placa del Espinterometro Vertical Esfera de 12.5 cm de Diámetro Distancia (cm) 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.0 1.2 1.4 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.1 4.0 4.5
Polaridad Negativa (kV) 16.8 19.9 23.0 26.0 28.9 31.7 37.4 42.9 45.5 48.1 53.5 59.0 64.5 70.0 75.0 80.0 85.0 97.0 108.0 119.0
Distancia (cm) 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Polaridad Negativa (kV) 129 138 146 154 161 168 174 185 195
ANEXO Nº 5 Tester para la Medición de la Capacitancias del Generador de Impulsos
ANEXO Nº 6 Equipo Doble para Medición de la Capacitancía del Transformador.
