Práctica No.2: Conocimiento del equipo del Laboratorio de Alta Tensión: El Generador de Marx. Ubaldo Romero Marcos Uriel; grupo 8EM4
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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Resumen — En
este trabajo se mostro lo que es el generador de Marx el uso, las condiciones de operación, el como funciona por medio de un circuito RLC y las pruebas que se realizaron con el en los equipos de AT, uno de los fenómenos a los que se analizo en AT es la tensión critica de flameo, para esto fue necesario ocupar los vóltmetros de esfera y de puntas, con la finalidad de medir la tensión de ruptura a ciertas condiciones ambientales, de ahí se aplico la Técnica "Up and Down, se mostro un análisis de resultados comparados con tablas estandarizadas.
Índice de Términos — Transformador de AT, Generador de impulso, Técnica "Up and Down", vóltmetro esferas, Tensión Critica de Flameo y polaridad.
Objetivos — Al término del desarrollo de la práctica el alumno: alumno:
Conocerá el funcionamiento Transformador de AT.
(maniobra, etc.) o externas al mismo (rayo, (ra yo, origen electrostático, electrostático, etc.). Se caracterizan por formas de onda aperiódicas tipo impulso o choque, con tiempos de ascenso que van desde un nanosegundo hasta un milisegundo y comprenden tiempos de descenso que van desde una centena de nanosegundos hasta un segundo. Los impulsos de tensión se clasifican en frente lento y frente rápido. Los de frente lento son causados generalmente por maniobras de enganche y desenganche de interruptores, mientras que los de frente rápido son atribuidos principalmente principalmente a los efectos efectos del rayo [1]. En [1] establece que para ensayos de laboratorio como los definidos en IEC 60060-1 [22] y ASTM D3426-97, los impulsos de tensión tipo rayo y/o maniobra, positivo o negativo, se logran mediante el uso de generadores de múltiples etapas alcanzando niveles de tensión de varios MV.
del
Conocerá lo tipos de prueba que se pueden realizar con el Transformador de AT.
I. INTRODUCCIÓN.
A. Sobretensiones Transitorias Transitorias Se menciona [1] en que las sobretensiones transitorias, transitorias, correspondientes a la evolución de las sobretensiones entre dos estados de funcionamiento permanente, típicamente se subdividen en internas al sistema eléctrico
Fig.1.Diagrama eléctrico del Generador de Marx
El circuito eléctrico de carácter comercial universalmente más empleado para tales generadores corresponde al llamado tipo Marx, Marx, que en su versión simplificada puede analizarse
mediante un circuito de una sola etapa, correspondiente a configuraciones físicas de hasta 200 kV
través de espinterómetros de esferas, en un circuito serie que incluye resistencias amortiguadoras de las oscilaciones, según en [2].
B. Generador de Impulsos
La carga de los capacitores, y en consecuencia la tensión total del generador, dependerá de la tensión sobre el rectificador, y su polaridad, de la posición del mismo.
Los generadores de Impulsos permiten realizar una prueba de aptitud de las aislaciones eléctricas, evaluando su comportamiento frente a la recepción de Impulsos o transitorios con frente brusco, de origen tanto atmosférico, como de maniobra [2].
Fig.3. Funcionamiento del generador de impulso.
Fig.2. Generador de Impulsos. El esquema básico de los generadores de impulsos, fue originalmente propuesto por E. Marx en 1924, constituyendo hasta la actualidad, la manera más común de generar impulsos de alta tensión, para realizar aquellas pruebas en donde el nivel requerido, es mucho más alto que el disponible en la fuente base. El generador de impulsos de tensión tipo Marx debe su nombre al ingeniero electricista Erwin Otto Marx (1893 - 1980), según [1] manejo el concepto de multiplicador de tensión en escalera o cascada, conformado por peldaños compuestos de transformadores, capacitores y rectificadores de tensión; pero se diferenciaba entre otros, en que los capacitores eran cargados desde la fuente de tensión en conexión paralelo y descargados en serie. Funcionamiento 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 estos capacitores se realiza a
En [2] el método más utilizado para provocar la descarga del generador, consiste en aplicar, por medio de una fuente auxiliar, un breve impulso de tensión al electrodo central de un espinterómetro de ignición, ubicado entre el primer y segundo grupo. Iniciada la descarga, ésta se propagará a todos los espinterómetros de la cadena. C. Generador de impulsos multietapas. El empleo de un generador de la Figura 1, es válido para tensiones que no superen los kilovoltios de diseño de la etapa [3]. 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 siguiente característica: que mediante la conexión en serie de dichas etapas se produzca la tensión de prueba deseado al momento de la descarga.
Para realizar la medición del generador de impulso de un rayo se utilizaron el vóltmetro de esferas y el de puntas, primero se conecto el vóltmetro de esferas de acuerdo a la siguiente figura.
Fig.4. Generador de impulso multietapas. En [3] se muestra que 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 mostro en la figura anterior. D. Impulso normalizado tipo rayo. El impulso normalizado tipo rayo o impulso 1,2/50, se define como un impulso positivo o negativo cuya amplitud máxima establecida fluctúa en un rango de ± 3%, registrando tiempos de frente en el rango de 1,2 µs ± 30% y de cola en el rango de 50 µs ± 20% cuando la tensión desciende al 50% de su valor pico, según [1].
Fig.4.Impulso Tensión Rayo.
II. DESARROLLO. A. Conexión de generador de impulso al vóltmetro de esferas.
Fig.5.Conexion del vóltmetro de esferas. Una vez conectado la línea de alimentación y de tierra del generador de impulsos al vóltmetro, se procedió a salir del área de trabajo, para ir al área de control donde se generaron los impulsos a una distancia de 5 cm entre esferas, con una temperatura ambiente de 20°C, en total se registraron 13 disparos para encontrar la tensión de ruptura que hay entre las esferas y su dieléctrico en este caso el aire. Tabla 1. Valores de tensión en el vóltmetro de esferas. N° de Disparos
Valor de la Tensión KV
Arqueo
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
14 15 14 13 14 13 14 13 14 15 14 13 14
No Si Si No Si No Si No No Si Si No Si
B. Conexión de generador de impulso al vóltmetro de puntas.
Después de realizar las pruebas con el vóltmetro de esferas, se desenergiza el equipo con la pértiga aterrizando el equipo empleado, para después conectar el generador de impulsos al vóltmetro de puntos con una distancia de separación entre puntas de 20 cm, bajo las mismas condiciones de operación del vóltmetro de puntas como el de esferas, además de su proceso para ver la tensión de ruptura.
Se midieron las 2 polaridades que genera el generador de impulsos para un tipo rayo: Polaridad negativa Los valores fueron los siguientes:
80 kV de entrada. 5.60 V de salida. 1.218 µs. 50 µs.
Fig.7. Señal de impulso negativa. Fig.6.Conexion del vóltmetro de puntas. Tabla 2. Valores del vóltmetro de puntas. N° de Disparos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Valor de la Tensión KV
Arqueo
18 19 18 19 18 17 18 17 18 19 18 19 18
No Si No Si Si No Si No No Si No Si Si
C. Obtención de la señal generada por impulso tipo rayo. Empleando el uso del osciloscopio y el de un instrumento de medición para transformar los valores de tensión a una indirecta con la cual se puedo medir en relación en la pantalla del osciloscopio.
Polaridad Positiva
80 kV de entrada
5.03 V de salida.
1.23 µs.
51 µs.
Fig.7. Señal de impulso positiva. III. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Con la ecuaciones que vienen en el manual de practicas del laboratorio de AT se emplearon las siguientes formulas para calcular la tensión critica de flameo a partir de los valores de tensión de ruptura. Para la esfera se tiene: U50ESIME esfera =
∗ 8
Donde n= 13 disparos.
U50ESIME puntas =
236 ∗ 8 = 145.23 13
Para el vóltmetro de puntas de separación de 20 cm se tiene que:
Para el vóltmetro de puntas se tiene: U50ESIME puntas =
U50ESIME puntas = 188.65
∗ 8
U50ESIME esfera =
U50 puntas = 161 KV
%
Donde n= 13 disparos.
∗ 100 = 161 161− 188.65 = 17.17 %
180 ∗ 8 = 110.76 13
Estos valores se realizaron a cierta temperatura a diferencia de los valores que se encuentran en tablas de los anexos 2.8 (condiciones ambientales controladas). U50ESIME = U50ESIME
∗δ
+ = 273 273 +
Donde b= 760 mmHg , to= 20°C y t= 20 °C.
bo= 585 mmHg ,
273 + 20 = 585 = 1.299 760 273 + 20
Con los valores obtenidos de los errores en ambos vóltmetros se puede decir que hay condiciones que afectan nuestro proceso de medición tales pudieron ser el ajuste de las distancias entre ellos, el que varios de mis compañeros hallan agarrado con sus manos los instrumentos mientras se ajustaban y en caso del vóltmetro puntas era mayor el área del cuadrado de las puntas (el lado media 1.2 cm mientras que en la norma es 1 cm). Al que se encuentra estandarizado en la norma y en la tabla de los anexos 2.8 dentro del Manual del Laboratorio de AT.
IV. CUESTIONARIO
Calculando las correcciones se tiene
∗ 1.299 = 188.65 U50ESIME esferas = 110.76 ∗ 1.299 = 143.877 U50ESIME puntas = 145.23
Con los valores de las Tensión critica de flameo ya corregida se calculara el porcentaje de error con respecto a los valores de las tablas del anexo 2.8, para comparar con el valor por medio de sus distancia para saber que tan correcto fue nuestro proceso para medir la tensión dentro del Laboratorio. Para el vóltmetro de esferas de separación de 5 cm se tiene que: U50ESIME esferas = 143.877
1. Describa el método de “up and down” para el cálculo de la tensión crítica de flameo experimentalmente.
Se indica en [4], que el método de ―up and down‖, se aplica una tensión V 50 es elegida, la cual puede ser un 50% del nivel de tensión de descarga disruptiva esperado. Se toma además una variación de tensión δV igual al 3% de V 50. El procedimiento es el siguiente: 1.- Se conecta el equipo en este caso el Transformador de Alta tensión con el generador de impulsos y este al vóltmetro que se utilizara (esferas o de puntas) como se muestran en la figura 4.
U50 esferas = 134 KV
50 − ∗ 100 % = 50 %
− 143.877 ∗ 100 = 134 134 = 7.37%
2. Dentro del Laboratorio se ira aplicando tensión, hasta obtener el arqueo en el vóltmetro de esferas o de puntas. 3. Una vez obtenido el arqueo se registrara el valor de tensión donde se genero de ahi, se ira
incrementando el valor δV en 3% del valor
obtenido, en el caso de nuestro laboratorio será 1 KV. 4. Si arquea dentro del valor de porcentaje inferior δ, se ajustara a un nuevo valor inferior a donde se arqueo, en cambio si arquea a un valor de porcentaje de δ superior se ajustara a un nuevo valor superior a donde se arqueo. 5. Se repetirá la cantidad de n veces que se requiera para nuestro caso solamente fue de 13 veces. 6. Se sumaran los valores de las tensiones a las que arqueo el vóltmetro de esferas o puntas, para después encontrar el valor promedio de la tensión.
= 50 7. Recordando que el generador de impulsos de Marx es de multietapas, esto quiere decir el número de conexiones en serie las resistencias y capacitores que generan el impulso en nuestro caso son 8.
50 = ∗ 8. Las pruebas que se realizan son a condiciones ambientales controladas para este caso se tiene que corregir por temperatura y por presión atmosférica como se muestra en el análisis de resultados para ser comparados en tablas. 2. Explique por qué se tienen formas de onda estandarizadas para los impulsos de rayo y de maniobra y si dichas formas de onda garantizan un valor de ruptura mínimo en el aislador.
Es importante conocer el nivel de impulso de los rayos y las maniobras, que puedan ocurrir en los diseños de equipos y de las líneas de distribución, para esto se realizan simulaciones con los valores mas aproximados a los que puedan realizar de estos fenómenos recordando que no se sabe con momento y exactitud cuando ocurrirán ni con el valor de su tensión, a través de la simulación de variables críticas (tensión critica de flameo) , como las presentadas por un rayo o
maniobra de operación se puede diseñar e implementar soluciones reales a la industria y equipo eléctrico. 3. Describa los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de Marx.
Son las de impulso normalizado en donde se simulan los efectos transitorios generados por las sobretensiones causadas por el brusco cambio de origen atmosférico o de maniobra al abrir, cerrar o interconectar los equipos o líneas en AT, se realizan por medio de un generador de impulso. Con ese impulso se analizan las siguientes pruebas:
Mediciones de Rigidez Dieléctrica Evaluación del funcionamiento Equipo Eléctrico Ensayo de materiales. Pruebas de alto potencial Pruebas de aislamiento
del
V. CONCLUSIÓN. En la actualidad es importante conocer las perturbaciones o daños que pueden realizar diversos tipos de descargas que pueden afectar en la línea de AT, equipo AT y su aislamiento estos fenómenos son de tipo impulso de rayo o por maniobra, como se menciono en el laboratorio se realizaron simulaciones criticas para conocer las tensiones de ruptura, recordando que el impulso de un rayo tiene un tiempo corto de carga y descarga según visto en el osciloscopio con su respectiva polaridad, con el generador de impulsos se puede simular diferentes tipos de ensayos entre ellos los que mas destacan son las Pruebas de aislamiento, de alto potencial y para evaluar el equipo en AT cuando suceden cargas atmosféricas con ciertas condiciones en el proceso de obtención para esto fue necesario aplicar un método ―up and down", para obtener la tensión
critica, mostrando que estos fenómenos pueden tener un mayor impulso dependiendo de sus condiciones atmosféricas que son la temperatura y la presión atmosférica del lugar donde se este experimentando.
VI. REFERENCIAS. [1] C.E.RAMIREZ. (2009). ―Desarrollo de una
norma de pruebas en alta tensión basada en el generador de impulsos ".Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de El Salvador‖. San Salvador.pp 8-17. Recuperado el: 04/03/16. en: http://ri.ues.edu.sv/3810/1/Desarrollo%20de%20u na%20norma%20de%20pruebas%20en%20alta% 20tensi%C3%B3n%20basada%20en%20el%20ge nerador%20de%20impulsos%20EIE%20UES.pdf [2] Generadores De Impulsos De Tensión Su Aplicación En Ensayos De Transformadores. Aspectos Fundamentales, Recuperado de: 05/03/16 en: http://www.inducor.com.ar/articulostecnicos/fund amentos_%20tecnicos_de_los_generadores_de_i mpulso_parte_1_de_4.pdf [3] J.L.BRAVO. (2004)."Generación de Impulsos de Alta Tensión para Diversas Aplicaciones". Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Chile. pp 714. Recuperado de: 05/03/16 en: http://lep.eie.pucv.cl/TesisJoseLuisBravo.pdf [4] F.I.CALLES. (2009)."Diseño del Aislamiento de las Líneas de Transmisión". Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica región Poza Rica – Tuxpan. Veracruz. pp 60-70. Recuperado el: 04/03/16 en: http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/29520/ 1/CallesMtz.pdf
