Reporte_5

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LABORATORIO DE TECNICAS DE ALTAS TENSIONES TENSIONES I

PRACTICA Nº 5.PRUEBA DE TENSIÓN DE IMPULSO POR RAYO INTEGRANTES DEL EQUIPO: CONTRERAS SERNA LUIS ALBERTO ESTRADA HERNANDEZ DIEGO ESAU PACHECO MONTIEL JESÚS PEREZ CALVA ALEJANDRO PEREZ DURAN SILVIA GABRIELA

GRUPO: 8EM2

2011300181 2011360175 2011301878 2011300792 2011300796

EQUIPO: 5

DR. FERMIN PASCUAL ESPINO CORTÉS

FECHA DE REALIZACIÓN: 14/03/2014 FECHA DE ENTREGA: 15/03/2014

PRUEBA DE TENSION DE IMPULSO POR RAYO

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Índice Objetivos Objetivos ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ..............2 Introducción Introducción teórica. teórica. ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................ .......... 3 Ensayos Ensayos en alta tensión. tensión. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ..............3 Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI) ........... .......... ........... .......... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .. 4 Impulsos Impulsos de tensión. tensión. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ................... ..... 5 Impulsos tipo rayo y tipo maniobra. .................................................................................................................................... 5 Generación en laboratorio de impulsos tipo rayo. ................................................................................................................... 6 Generadores de varias etapas. .............................................................................................................................................. 8 Instrumentos y accesorios empleados. ....................................................................................................................................... 10 Diagrama Diagrama eléctrico. eléctrico. ........................... .......................................... ............................ ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ........................ .......... 11 Diagrama Diagrama físico. físico. ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 12 Procedimient Procedimiento. o. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ... 13 Primera parte de la práctica. Simulación ............................................................................................................................... 13 Segunda parte de la práctica. Experimental ........................................................................................................................... 13 Resultados Resultados........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ........................ .......... 14 Primera parte de la práctica. Simulación ............................................................................................................................... 14 Segunda parte de la práctica. Experimental ........................................................................................................................... 15 Conclusiones y observaciones. .................................................................................................................................................. 17 Contreras Serna Luis Alberto................................................................................................................................................. 17 Diego Esaú Estrada Hernández .............................................................................................................................................. 17 Alejandro Alejandro Pérez Calva ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 17 Silvia Gabriela Gabriela Pérez Durán................. Durán............................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ................. ... 17 Pacheco Pacheco Montiel Montiel Jesús Jesús ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 18 Bibliografía Bibliografía ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........ 19 Anexo............... Anexo............................. ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 20

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Objetivos 

Modelado del circuito equivalente de un transformador bajo una tensión de impulso de rayo.



Conocer el procedimiento de la prueba de tensión de impulso por rayo en transformadores.

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Introducción teórica. Ensayos en alta tensión. Los ensayos en alta tensión son pruebas a niveles mayores de 1000 V, que se hacen a equipos tales como: aisladores, transformadores, pararrayos, conductores, cuchillas, etc.; en los cuales estos se someten a condiciones simuladas para demostrar si ellos son aptos para soportar los requisitos o características propias de cada uno, especificadas por los fabricantes según el equipo. De esta forma se tiene una garantía de que los equipamientos podrán operar satisfactoriamente en las condiciones reales del sistema, las cuales son simuladas durante los ensayos. Los ensayos a que cada equipamiento deberá ser sometido, están establecidos por las Normas referentes a cada equipamiento. Las normas están preparadas por entidades especializadas, normalmente con la colaboración de fabricantes y usuarios, estableciendo todas las características eléctricas, métodos de ensayos y cálculo de ciclos de trabajo que representan lo que el equipamiento deberá realizar en servicio. Evidentemente, esta normalización tiene efecto directo en la reducción del costo de los equipamientos. Los ensayos requeridos en una especificación técnica están relacionados con cada uno de los equipos en particular, dichos ensayos pueden clasificarse básicamente en:

Ensayos de rutina: Son los ensayos que deben ser realizados en todas las muestras que representan los equipamientos comprados, o en una determinada cantidad de la partida total, con el fin de verificar la calidad y la uniformidad de la fabricación y los materiales utilizados en la fabricación. Ensayos de tipo: Son los ensayos realizados apenas en uno o dos equipamientos idénticos o de tipo semejante, con el fin de verificar una determinada característica. Se trata en general de ensayos costosos, o de difícil interpretación. Ensayos especiales: Son los ensayos que la norma pertinente no considera ni de tipo ni de rutina, requiriendo para ser realizados un acuerdo previo entre fabricante y comprador. Ensayos de mantenimiento: Son los ensayos realizados con equipamientos que ya están en servicio, a fin de verificar su estado de conservación después de un cierto período de operación, o a la primera puesta en servicio los eventuales posibles daños resultantes del transporte y de la instalación. Ensayos de campo: Estos ensayos son realizados para evaluar el desempeño global de un sistema eléctrico, incluyendo la operación y ajuste de los sistemas de protección y control . Las características o especificaciones eléctricas de los equipos que se comprueban por medio de los ensayos de alta tensión son las siguientes:

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

     

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Nivel Básico de Aislamiento, conocido por sus siglas NBI en español o BIL en inglés, (Flameo crítico al impulso positivo de rayo y flameo crítico al impulso negativo de rayo). Flameo crítico al impulso positivo de maniobra. Flameo crítico al impulso negativo de maniobra. Voltaje de perforación a baja frecuencia. Flameo de baja frecuencia en seco. Flameo de baja frecuencia en húmedo. Etc.

Para comprobar dichas características se utilizan los siguientes ensayos:     

Ensayos Ensayos Ensayos Ensayos Ensayos

dieléctricos con tensión continúa. dieléctricos con tensión alterna. dieléctricos con tensión de impulso. con impulso de corriente. combinados con los mencionados anteriormente.

El nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI), se comprueba en los equipamientos por medio de los ensayos con tensión de impulso tipo rayo. Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI) Los equipos de alta tensión vienen diseñados con un nivel de aislamiento, el cual es una resistencia de aislamiento expresado en función de un voltaje soportado. El NBI (BIL por sus siglas en inglés) es el nivel básico de aislamiento para impulso por rayo, el cuales un nivel específico de aislamiento expresado en función del valor de cresta (máximo) de un impulso estándar tipo rayo. El NBI es el valor de tensión máxima que el equipo soporta ante una solicitud de rayo en el sistema. En la siguiente tabla se muestran los niveles básicos de aislamiento al impulso de rayo (tensión de aguante) para distintos voltajes nominales del sistema, para equipos de subestación: Tabla 1.Nivel básico de aislamiento para diferentes voltajes de sistema Voltaje Nominal del sistema de fase a fase (kV)

NBI (kV)

4.4 6.9 13.8 24 34.5 46

75 95 110 150 200 250

4


69 115 138 161 230 400

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350 550 650 750 900 1050

Impulsos de tensión. Un impulso es una tensión o una corriente transitoria aperiódica aplicada intencionalmente que por lo general crece rápidamente hasta un valor de cresta y después decrece más lentamente hasta cero. En los ensayos de alta tensión, se describen dos tipos de impulso:  

Impulso tipo rayo. Impulso tipo maniobra.

Impulsos tipo rayo y tipo maniobra.

Se efectúa una distinción entre los impulsos tipo rayo y los impulsos tipo maniobra basada en la duración del frente. Los impulsos con duraciones del frente hasta 20s se consideran como impulsos tipo rayo, y aquellos con duración del frente más larga como impulsos tipo maniobra. Generalmente, los impulsos tipo maniobra se caracterizan igualmente por duraciones totales considerablemente más largas que los impulsos tipo rayo. Los impulsos tipo rayo y maniobra son coincidentes en la forma, pero difieren en sus tiempos, es decir presentan los mismos parámetros característicos antes mencionados para dichas formas de onda, pero los valores de las variables temporales difieren. Los impulsos tipo maniobra o de frente lento se definen con un tiempo hasta el pico de tensión entre 20s y 5 ms. La definición para la forma de onda de impulso tipo maniobra (tiempo de frente/tiempo de cola) es la siguiente:

       Los impulsos tipo rayo o de frente rápido, que tratan de reproducir las sobretensiones atmosféricas producidas por caídas de rayos sobre las líneas eléctricas, se caracterizan por un frente rápido (entre 0.1s y 20s). La forma de onda de impulso tipo rayo (tiempo de frente/tiempo de cola) se define como:

     En concreto el impulso rayo normalizado según la norma IEC 60060-1 tiene la forma definida en la siguiente figura, siendo T1= 1.2s y T2 = 50s con unas tolerancias especificadas.

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Figura1.Forma de onda de un impulso tipo rayo normalizado.

Generación en laboratorio de impulsos tipo rayo. Los impulsos tipo rayo normalizados se generan en los laboratorios de alta tensión mediante generadores tipo Marx, los cuales producen una forma de onda caracterizada por el valor de la amplitud máxima denominada tensión de ensayo y por dos variables temporales, la primera corresponde al intervalo en que se logra el valor de la tensión pico de la onda, el cual es conocido como tiempo de frente, y la segunda corresponde al intervalo en que se alcanza el 50% del valor pico de la onda en recorrido de descenso, y es conocido como tiempo de cola.

Figura 2.Circuito equivalente de un generador tipo Marx.

Dónde: EE: explosor de esferas. C1: condensador principal o de descarga. R1: resistencia de frente. C2: condensador de frente o de carga del generador. R2: resistencia de cola del generador de impulsos. En la siguiente figura se muestra un esquema más completo de cómo está formado un generador de impulsos de rayo:

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Figura 3.Esquema de un generador de impulso tipo rayo.

En el generador de impulso de tensión de la figura 3, la resistencia limitadora, se encarga de disminuir la corriente que fluye al resto del circuito, con el fin de proteger los equipos y los operarios. El condensador principal o de descarga C1, se carga a través del diodo de alta tensión, que funciona como una fuente de corriente continua, cuando dicho condensador ha alcanzado un nivel determinado de tensión Uo y a continuación se aísla de la fuente y pasa a ser la fuente de tensión del circuito a su derecha. El nivel de tensión de descarga Uo del condensador C1, es controlado por la separación de los electrodos del “sphere gap”.

Cuando se produce la descarga (arco) en los electrodos, la corriente fluye inicialmente a través de la resistencia R1 (del orden de los cientos de ohms) siendo ésta, la responsable del control del tiempo del frente de la onda de impulso. Simultáneamente con el inicio de la descarga, se carga el condensador C2, también conocido como condensador de carga. Posteriormente, cuando ambos condensadores C1 y C2 alcanzan el mismo nivel de energía, estos se cargan a través de la resistencia R2 (del orden de los k), la cual es la responsable del control del tiempo de cola de la onda de impulso. La onda de impulso así formada, se aplica sobre el objeto de prueba, el cual se debería encontrar en paralelo con el divisor de voltaje y el espinterómetro de prueba (figura 3). El divisor de tensión reduce la alta tensión a valores tolerables por los equipos de medida, tales como osciloscopios y voltímetros. El espinterómetro de prueba permite recortar la onda de impulso en el frente o en la cola de la misma. El espinterómetro, conocido también como “sphere gap”, “spark gap”, explosor,

esferas céntricas y chispómetro, entre otros; es un elemento de impulso; puede ser usado a la vez como interruptor o como instrumento de medida. Cuando se usa como interruptor, origina la onda de impulso la cual puede ser plena o recortada y como instrumento de medida, permite conocer el nivel de tensión al cual dicha onda es generada y/o recortada.

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Generadores de varias etapas.

El generador más utilizado se compone de n etapas similares a la descrita anteriormente que se cargan en paralelo y se descargan en serie, según la conexión propuesta por Marx. La figura 4 muestra el circuito de este generador, pudiéndose observar que cada una de las etapas (n =3 en este caso) está constituida por un capacitor C1, en la práctica separado del siguiente por un aislador de porcelana u otros aislantes, una resistencia de carga Rc un resistor de frente R1 y otro de cola R2, que se utilizan también durante la carga y un explosor de esferas E. La distancia entre esferas de las diversas etapas se regula simultáneamente por la general mediante un servomotor que acciona un eje roscado, el cual desplaza los soportes de las mismas; y el conjunto se alimenta con una fuente de AT continua, regulable desde el primario del transformador elevador con uno de los medios indica dos oportunamente, a través de un resistor R de algunas decenas de kW. El funcionamiento de tal disposición es el siguiente:

Figura 4.Esquema de un generador de impulso de varias etapas.

Fase de carga. Como en ella no interesan los explosores, el circuito puede reducirse al de la figura 5, donde se aprecia claramente que los capacitores se cargan en paralelo a través de las resistencias mencionadas, y adquieren, en consecuencia una tensión final aproximadamente igual a la de la fuente de continua; es decir, √  veces la tensión eficaz secundaria.

Figura 5.Esquema de un generador de impulso de varias etapas en fase de carga.

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Fase de descarga. Debido a que los resistores de carga Rc son mucho mayores que los de cola R2 (20 o más veces), el circuito admite la simplificación que muestra la figura 6, donde se ve que el arco en los explosores conecta los capacitores en serie, por tanto, en el terminal de AT se obtiene una tensión n veces mayor que la de una etapa.

Figura 6.Esquema de un generador de impulso de varias etapas en fase de descarga

Evidentemente, la capacitancia total del generador durante esta fase es igual a la de los n capacitores en serie, o sea C1/n, y sus resistencias de frente y de cola totales, las que ofrecen cada uno de esos nresistores en serie, es decir n.R1 y n.R2 respectivamente. Por eso los valores a asignar a dichas resistencias se calculan como si se tratase del generador de una sola etapa mostrado en la figura 7, subdividiéndolas después en n partes iguales para obtener las necesarias en cada etapa.

Figura 7.Circuito equivalente al generador de Marx durante la descarga. Los parámetros característicos de un generador de impulsos de varias etapas son:   

N° de etapas, generalmente par y múltiplo de 4. Tensión de carga, normalmente 75 a 200 kV. Energía por impulso, igual a 1/2Cequiv.U2 de carga max. y del orden de algunos kJ hasta algunos centenares de kJ.

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Instrumentos y accesorios empleados.

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Diagrama eléctrico.

NOMENCLATURA: C’

Capacitancias parásitas Capacitores de carga para cada etapa C1’ C2 Capacitancia del devanado del transformador R1 Resistencia de control del frente de la onda Resistores de carga R’ Resistores de descarga R2’ G1..G7 Explosores

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Diagrama físico.

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Procedimiento. Primera parte de la práctica. Simulación 1. Por medio del programa ATP simular la aplicación de un pulso rápido al circuito equivalente que se muestra en la figura.

Nota: El circuito simulado tendrá mas bloque y abra ligeros cambios en los valores de las resistencias de frente. Se simulara primeramente el impulso suponiendo un transformador sin falla, posteriormente se simulara una falla cerca de la fuente de tensión, también se simulara una falla cercana al tierra, y se hará una simulación en barrido de frecuencia.

Segunda parte de la práctica. Experimental 1. Lo primero que se realizó en la prueba experimental fue calcular las constantes de medición (a y dB), ya que como sabemos para poder observar el impulso aplicado en el transformador se utiliza un osciloscopio, pero ya que este instrumento no tiene la capacidad de medir altas tensiones, ni corrientes elevadas, se usan dos divisores de tensión, de los que se calcula la relación que existe entre alta tensión y baja tensión. 2. En una prueba real se procedería a calibrar el circuito en base al transformador bajo prueba, de tal forma que nos de la forma de impulso estandarizado, pero como esta prueba es solamente demostrativa, con lo único que se jugo es con el frente de la onda, ya que el proceso de calibración es muy largo. 3. Posteriormente se deben ajustar los equipos de medición en este caso el osciloscopio (ajustar el trigger, la posición vertical, volts división, etc.) 4. Ya ajustado el equipo de medición, se procede a cargar a 12 KV en polaridad positiva y se va modificando el espaciamiento entre las esferas (cerrándolas), para que al presionar el botón de disparo se produzca el primer pulso que produce el primer spark gap en el primer juego de esferas, para producir una onda completa . 5. La siguiente prueba que se realiza es para obtener una onda cortada así que se aplican 15 kV en lugar de los 12 kV, y se sigue el mismo procedimiento que en la prueba anterior.

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Resultados Primera parte de la práctica. Simulación

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Segunda parte de la práctica. Experimental Calculo de la relación que existe entre alta tensión y baja tensión, es decir, las constantes de medición (a y dB)

                        

      

El otro divisor que tenemos es de tipo logarítmico y está dado de la siguiente manera 10dB.Así que la tensión que se medirá en el osciloscopio es:  



       

En el primer intento como fue muy poco el tiempo se obtuvo solo el frente del impulso, así que se repitió obteniendo esta onda, tras varias modificaciones en el circuito

En este impulso se aprecia un poco de ruido en el frente, y el tiempo de carga está un poco elevado a lo estandarizado ya que el tiempo de subida es de 1.7 .

15




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En la siguiente prueba al cargar con 15 kV se produjo una descarga en el transformador (en las boquillas), obteniéndose la siguiente onda

Este impulso está un poco arriba de lo estandarizado ya que el tiempo de subida es de 1.68, el tiempo de bajada es apropiado para el impulso cortado.

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Conclusiones y observaciones. Contreras Serna Luis Alberto Para que quede con el mismo formato Diego Esaú Estrada Hernández Las sobretensiones transitorias se pueden originar por distintos fenómenos, las de origen electromagnético pueden ser sobretensiones por impulso de rayo o por maniobra, las cuales aparecen en sistemas de potencia (a nivel transmisión y distribución). El impulso por rayo es una sobretensión de naturaleza exponencial, la cual se encuentra normalizada en cuanto a los tiempos de operación (1.2 µs de frente y 50 µs de cola). La función que representa la forma de onda está dada por: ()  (     ) La ecuación representa una operación de carga y descarga, como sucede en capacitores en tiempos transitorios, la onda de impulso es utilizada para someter a pruebas de aislamiento distintos equipos como transformadores, de tal manera que es necesario generar esta forma de onda. Para esto se invento el generador de Marx, basado en el principio de carga y descarga de capacitores. Se simulo el devanado del transformador y posteriormente se aplico un impulso, simulando con un interruptor la falla de circuito corto. En forma práctica se utilizo el generador de Marx del laboratorio de alta tensión él cual posee 8 etapas con tensión de entrega de 55kV cada una para aplicar 440kV a un transformador de 75 KVA. El divisor de tensión capacitivo tiene una relación de 1401 kV, por lo que la tensión máxima vista por el osciloscopio es de 31.4 V. Alejandro Pérez Calva Para que quede con el mismo formato Silvia Gabriela Pérez Durán Para realizar la prueba de tensión de impulso por rayo a equipos tales como: aisladores, transformadores, pararrayos, conductores, cuchillas, etc.; los cuales se someten a condiciones simuladas para demostrar si son aptos para soportar los requisitos o características propias de cada uno, especificadas por los fabricantes (en este caso el nivel básico de aislamiento), es necesario simular sobretensiones por descarga atmosférica, mediante aproximaciones relativamente simples, así que la prueba es necesario emplear ondas de tensión de impulso normalizadas, en este caso los estándares están dados por la IEEE y la IEC, donde se define que estas ondas deben ser unidireccionales que se elevan de manera rápida a su valor pico y después decaigan de forma relativamente lenta a cero. Es así entonces que la tensión impulso atmosférico estandarizado tiene los siguientes parámetros y su forma se puede observar en la figura 1: Tiempo de frente     Tiempo de cola):    

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Por lo que concluyo que lo complicado en esta prueba y que se pude observar claramente en la práctica es el proceso de calibración ya que para probar un determinado equipo es necesario modificar las resistencias de frente y de cola, además de quitar la mayor inductancia del circuito, para obtener esta onda normalizada. Pacheco Montiel Jesús Para que quede con el mismo formato

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Bibliografía [1]http://ri.ues.edu.sv/3810/1/Desarrollo%20de%20una%20norma%20de%20pruebas% 20en%20alta%20tensi%C3%B3n%20basada%20en%20el%20generador%20de%20impuls os%20EIE%20UES.pdf

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Anexo

T1/T2 (µs)

TP/T2 (µs)

1/α1

1/α2

(µs)

(µs)

K (µs)

---

250/2500

3155

62.5

1.104

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T1/T2 (µs)

TP/T2 (µs)

1/α1

1/α2

(µs)

(µs)

K (µs)

1.2 / 5

---

3.48

0.8

2.014

2014

21


T1/T2 (µs)

TP/T2 (µs)

1/α1

1/α2

(µs)

(µs)

1.2 / 50

---

68.2

0.405

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K (µs)

1.037

22


T1/T2 (µs)

TP/T2 (µs)

1/α1

1/α2

(µs)

(µs)

K (µs)

1.2 / 200

---

284

0.381

1.010

2014

23


T1/T2 (µs)

TP/T2 (µs)

1/α1

1/α2

(µs)

(µs)

K (µs)

250 / 2500

---

2877

104

1.175

2014

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