Practica 3. Metodología para determinar la tensión critica de flameo en laboratorio para diferentes tipos de sobretensiones Martínez Pardinez Alejandro, Rodríguez Pérez Julio Cesar, Velázquez Flores Bruno
I nstitut nstituto o Poli P olité técnico cnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad “Zacatenco” México D.F.
En el presente reporte describe que es el flameo y Resumen — En
la importancia de la distribución gaussiana para el calculo de la U50 para sobretensiones de rayo y maniobra así como su corrección a condiciones atmosféricas estándares
I . OBJ ETIVO Al término de esta práctica el alumno determinara la tensión critica de flameo U 50 para diferentes sobretensiones del tipo maniobra y rayo.
I I . INTRODUCCIÓN TEÓRICA. FLAMEO Un flameo es una descarga descriptiva violenta alrededor o a través de la superficie de un aislamiento sólido o líquido. Los flameos ocurren violentamente e involucran grandes corrientes y generalmente causan un daño considerable. Un flameo está siempre precedido por ionización, un proceso por el cual la atmósfera circundante se vuelve conductora. Los flameos se pueden presentar por una fuga de electrones a través de la superficie sucia y húmeda de aisladores, se puede presentar por las sobretensiones por rayo o también sobretensiones por la apertura y cierre de interruptores en alta tensión. [1]
Flameo producido por una descarga atmosférica en los aisladores en una línea de transmisión
DISTRIBUCIÓN GAUSSIANA Distribución gaussiana es también conocida como distribución Normal, la función de probabilidad con tinua más prominente en las estadísticas se introdujo por Gauss para estimar los errores en observaciones enormes. En el que la campana en forma de curva conocida como función gaussiana o curva de Bell se utiliza para representar la distribución de la función de densidad de probabilidad Fórmula de distribución gaussiana o normal El plazo Normal o distribución gaussiana en probabilidad y estadística puede derivarse de la fórmula
donde el parámetro μ es la media, ubicación del pico y σ2 es la variación de la medida del ancho de la distribución. La distribución con μ = 0 y σ2 = 1 se llama la distribución normal estándar La forma de la función de densidad es la llamada campana de Gauss. [2]
LA COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO. Las primeras redes eléctricas (Grenoble-Jarrie 1883) eran tecnológicamente muy rudimentarias y a merced de las condiciones atmosféricas, como el viento y la lluvia. El viento, haciendo variar las distancias entre los conductores, era el origen de cebado de arcos, y la lluvia favorecía las corrientes de fuga a tierra. Estos problemas han conducido a utilizar aisladores, determinar las distancias de aislamiento, unir las masas metálicas de los aparatos a tierra. La coordinación del aislamiento tiene por objeto determinar las características de aislamiento necesarias y suficientes de los diversos componentes de las redes con vistas a obtener una rigidez homogénea a las tensiones normales, así como a las sobretensiones de origen diverso. Su finalidad principal es la de permitir una distribución segura y optimizada de la energía eléctrica. Para optimizar es necesario comprender y buscar la mejor relación económica entre los diferentes parámetros que dependen de esta coordinación: costo del aislamiento, costo de las protecciones y averías (pérdida de la explotación). Además, las líneas de fuga pueden estar sujetas a fenómenos de envejecimiento, propios del material aislante considerado, que implica una degradación de sus características. Los factores influyentes son prin cipalmente:
Aquí también existe el fenómeno de dispersión, con una tensión soportada a la polaridad positiva (la más aplicada al electrodo más puntiagudo) menos buena que a la polaridad negativa. Las dos simples fórmulas que siguen, permiten apreciar las redes de MAT y MT, las solicitaciones al choque de polaridad positiva 1,2µs / 50 µs de un intervalo de aire: U50 = tensión para la cual la probabilidad de la chispa es del 50%. U0 = tensión soportada siendo d la distancia de aislamiento en metros, U50 y U0 vienen dadas en MV. Numerosos estudios experimentales han permitido confeccionar tablas precisas de correspondencia entre la distancia y la tensión soportada, tomando en consideración diferentes factores, tales como la duración del frente de onda y de cola, la polución ambiental y la naturaleza del aislante. A título de ejemplo, la figura 3.18 nos da las variaciones de la tensión U50 en función de la distancia y de la duración d e cola T2 para un intervalo punta positiva-plena. El estudio de estas condiciones permite determinar el nivel de sobretensión que podrá solicitar el material durante su utilización.
Las condiciones ambientales (humedad, polución, radiaciones UV). Las tensiones eléctricas permanentes (valor local del campo eléctrico). La tensión soportada en el gas es función igualmente de la presión. Variación de la presión del aire con la altura. Variación de la presión de llenado de un aparato.
La elección del nivel de aislamiento adoptado permitirá asegurar que,frente a la frecuencia industrial y a los choques de maniobra, al menos, el nivel de aislamiento no será nunca sobrepasado. Frente a la caída del rayo deberá realizarse generalmente un compromiso entre el nivel de protección de los pararrayos eventuales y el riesgo de fallos admisible.
Para dominar bien los niveles de protección aportados por los limitadores de sobretensión, conviene conocer bien sus características y su comportamiento.
La norma no indica con precisión tensiones soportadas invariables y validas en todos los casos, pero permite la realización de estudios de coordinación de aislamiento en varias etapas.
Además, después del cebado, la ionización entre los electrodos hace que el arco se mantenga alimentado por la tensión de la red y puede dar lugar (en función de la pu esta a tierra del neutro) a u na corriente de fuga a la frecuencia industrial. Para interrumpir esta corriente, que define un defecto franco a tierra, se necesita la intervención de protecciones situadas a la cabeza de la línea (por ejemplo: interruptor automático con reenganche rápido o interruptor automático en derivación).
Una vez reunidos estos datos, para cada clase de sobretensión, es necesario determinar la tensión soportada de coordinación correspondiente teniendo en cuenta la garantía bu scada y generalmente el porcentaje de fallos aceptables del aislamiento.
Por último el cebado provoca la aparición de una onda cortada de frente abrupto susceptible de dañar los devanados (transformadores y motores) situados en sus proximidades. Aunque, aún montados en las redes, los explosores son hoy día, cada vez más, reemplazados por los pararrayos.
Normativas en la coordinación del aislamiento Después de numerosos anos la Comisión Electrotécnica Internacional ha abordado el problema de la coordinación del aislamiento en AT. Dos documentos generales tratan de la coordinación del aislamiento: CEI 664 para el dominio de la BT y el CEI 71 para el dominio de la AT. El CEI 71 está organizado en dos partes, la segunda es una guía de aplicación muy completa. Las normas producida o sea CEI694 (partes comunes para la equipos) y la CEI 76 (transformadores). Esta determinación favorece la búsqueda de una optimización, o sea una bajada de los niveles de tensión soportada. La CEI 71 propone una modelización convencional de las solicitaciones reales por formas de onda realizables en los laboratorios y que han demostrado una equivalencia satisfactoria. Por otra parte, aparecen dos preocupaciones nuevas en esta norma: El aislamiento longitudinal (entre los bornes de la misma fase de un aparato abierto) toma en cuenta de la altitud así como del fenómeno de envejecimiento de las instalaciones. En este proyecto se distinguen el aislamiento interno, el aislamiento externo y dos gamas de tensiones, el aislamiento interno interesa a todo lo que no está emplazado en el aire atmosférico (aislamiento líquido para los transformadores, SF6 o vacio para los interruptores automáticos), el aislamiento externo corresponde a distancias en el aire.
DETERMINACIÓN DE LOS NIVELES DE AISLAMIENTO.
El valor obtenido especifico de la red estudiada y de su situación: es la tensión mas reducida soportada a la sobretensión considerada que la red debe tener en sus condiciones de explotación. Para escoger los elementos constitutivos de una red deben definirse sus tensiones soportadas especificadas. La determinación de las tensiones soportadas de coordinación consiste en fijar los valores mínimos de la tensión soportada de aislamiento que satisfacen al criterio de garantía, cuando el aislamiento está sometido a las sobretensiones representativas en las condiciones de servicio. Las modelizaciones pretendidas presentan siempre un carácter hasta cierto punto arbitrario en una primera lectura, pero han sido validadas por la experiencia. El lector deseoso de profundizar en el tema puede hallar informaciones más detalladas en las publicaciones citadas. Los progresos realizados en el conocimiento de los fenómenos permiten hoy en día conseguir una acrecentada fiabilidad en las instalaciones, autorizando una optimización en el plano económico y en el de los esfuerzos en servicio. La utilización cada vez más frecuente de pararrayos coadyuva a un mejor dominio del nivel de protección, especialmente por la mejora de sus características y su fiabilidad. La toma en cuenta de este proceso por la no rmalización voluntaria, tanto a nivel general como a nivel de recomendación, muestra la importancia del tema y las ventajas que se pueden encontrar .
III. DESARROLLO DE LA PRÁCTI CA Datos
kv
Vi
(Vi-V50)2
36
220-10
210
Rompió
67.24
1
200
200
Rompió
331.24
37
210-10
200
Rompió
331.24
2
200-10
190
795.24
38
200-10
190
795.24
331.24
39
190+10
200
67.24
40
200+10
210
No rompió No rompió Rompió
200
No rompió No rompió No rompió Rompió
3
190+10
200
4
200+10
210
5
210-10
41
210-10
200
Rompió
331.24
6
200-10
190
Rompió
795.24
42
200-10
190
795.24
7
190-10
180
Rompió
1459.24
43
190+10
200
8
180+10
190
795.24
44
200+10
210
9
190+10
200
45
210+10
220
10
200+10
210
No rompió No rompió Rompió
No rompió No rompió No rompió Rompió
46
220-10
210
67.24
11
210-90
200
331.24
47
210+10
220
12
200+10
210
48
220+10
230
13
210+10
220
No rompió No rompió Rompió
49
230+10
240
14
220-10
210
67.24 50
240+10
250
15
210+10
220
16
220+10
230
17
230+10
240
18
24+10
250
No rompió No rompió No rompió No rompió Rompió
No rompió No rompió No rompió No rompió Rompió
19
250-10
240
Rompió
475.24
20
240-10
230
139.24
21
230+10
240
No rompió Rompió
22
240-10
230
Rompió
139.24
23
230-10
220
3.24
24
220+10
230
25
230+10
240
No rompió No rompió Rompió
26
240-10
230
139.24
27
230+10
240
No rompió Rompió
475.24
√
28
240-10
230
139.24
V50+Z=218.2+18.9187=237.1187 kv
29
230+10
240
475.24
V50-Z=218.2.18.9187=199.2813 kv
30
240+10
250
No rompió No rompió Rompió
31
250-10
240
Rompió
475.24
32
240-10
230
139.24
33
230+10
240
No rompió Rompió
34
240-10
230
Rompió
139.24
35
230-10
220
Rompió
3.24
. Disparos
kv
331.24
331.24 67.24
67.24 3.24
3.24
Total
10910
139.24 475.24 1011.24
475.24
139.24 475.24
1011.24
475.24
Formula
∑ ) √ ∑( Operaciones y resultados
Graficas
331.24 67.24
331.24 67.24 3.24
3.24 139.24 475.24 1011.24 17538
2. Describa el método multiniveles para calcular la U50.
Los métodos de verosimilitud pueden ser empleados para el análisis de los resultados de todas las clases de pruebas anteriores. Estos métodos permiten la estimación de U50 y z y por lo tanto de Up una vez qu e se selecciona una distribución de probabilidad de descarga p(U; U50,z). Además es posible usar todos los resultados obtenidos y determinar los límites de confianza correspondientes a cualquier nivel de confianza C deseados.
IV.
CUESTIONARIO.
1.
Defina los siguientes conceptos:
a)
U50;
En la práctica, esta función, la función de probabilidad de la descarga disruptiva, puede ser representada matemáticamente por expresiones que dependen de al menos dos p arámetros U50 y z. U50 es la tensión con 50 % de probabilidad de descarga para la cual p(U)= 0,5. b)
U90;
Generalmente C se toma como 0,95 (o 0,90) y los límites correspondientes se llaman los límites de confianza 95% (o 90%) siendo más recomendable su uso en el diseño c)
Distribución gaussiana;
Esto se puede hacer, graficando fi contra Ui en papel gráfico especialmente diseñado para que la gráfica sea u na línea recta cuando la probabilidad se estima de acuerdo a una función d e distribución de probabilidad particular p(U). Un ejemplo bien conocido es el papel probabilístico normal o Gaussiano el cual da una línea recta para estimaciones conforme a la función de distribución Gaussiana.
Para las pruebas clase 1 y clase 2, se conocen el número de descargas di; y el número de aguantes wi; que ocurren a cada nivel de tensión Ui. Si se conoce o supone la forma de la función de distribución de probabilidad de descarga p(U; U50, z), la probabilidad de una descarga en el nivel Ui es p(Ui;U50, z) y la probabilidad de un aguante es (1-p(Ui;U50,z)). La función de verosimilitud Li correspondiente a di descargas y wi aguantes que ocurren a un nivel de tensión Ui. 3.¿Por qué sucede la ruptura del aislamiento en el valor pico positivo al aplicar sobretensiones a la frecuencia del sistema? La ruptura dieléctrica se produce cuando el campo eléctrico entre dos conductores supera un valor crítico Ec, saltando una chispa en el vacío, o quemando el dieléctrico que pueda haber en medio. Esto limita la carga que se puede almacenar en las placas de un condensador. 4. ¿Por qué es tan aleatorio la ruptura en un aislamiento al aplicar sobretensiones del tipo transitorio (impulso por rayo y maniobra)? Esto se debe a los tiempos de disparo.
V. d)
Aislamiento autorrecuperable (mencione ejemplos)
REFERENCIAS.
[1] Harper, Gilberto. (2009), Prueba y mantenimiento a equipo eléctrico, pag.70, 1ra Ed. Limusa, México D.F. [2] http://www.bioestadistica.uma.es/libro/node79.htm] [3] NMX-J -271-1-ANCE -2000. [4]http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ruptura_diel%C3%A9ctrica
