Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería

Escuela de Ing. Eléctrica

Departamento de Potencia

Cátedra de Técnicas en Alta Tensión

Resolución de 50 preguntas acerca de Técnicas en Alta Tensión. Examen Final.

Prof. Naveira, Francisco

Br. Lucena, Oswaldo V-20.029.825

Naguanagua, Marzo 2013

1. ¿Qué diferencia hay entre Campo Eléctrico y Voltaje?

El Campo Eléctrico se define como la fuerza por unidad de carga que experimenta una carga de prueba estacionaria muy pequeña

al colocarse en una región donde existe un campo eléctrico. Por lo tanto, es un campo vectorial, (tiene un módulo, una dirección y un

sentido en cada punto del espacio).

El Voltaje es un campo escalar lo que significa que tiene un valor en cada punto del espacio y representa el trabajo que hay que

ejercer sobre una carga para llevarla entre dos puntos de una trayectoria en presencia de un campo eléctrico.

2. Establezca la diferencia entre los materiales conductores y los aislantes, desde el punto de vista molecular.

Los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones en su última capa de valencia débilmente ligados al núcleo con gran

movilidad dado que sus bandas prohibidas poseen valores menores a 1eV (energía necesaria para provocar un “salto” de capa de

valencia), tal es el caso de los metales. Los aislantes tienen una mayor energía en dicha banda y se le dificulta a los electrones

cambiar de capa de valencia, lo que hace que su movilidad sea escasa, tal es el caso de los aislantes.

3. Describa características de los dieléctricos.

Resistencia de aislamiento: es relativo al voltaje máximo al que puede exponerse un material sin permitir un arco

eléctrico.

Perdidas dieléctricas: se deben en gran parte, a una imperfecta elasticidad eléctrica de los dieléctricos, de manera que

la tensión aplicada tiene que vencer, además de las fuerzas elásticas, el rozamiento molecular propio del material

(histéresis dieléctrica).

Rigidez dieléctrica: es la oposición que tienen los materiales a permitir el flujo de cargas a través del mismo.

Constante dieléctrica: es una medida de la relativa permitividad estática de un material y define el grado de polarización

eléctrica de la substancia cuando ésta se somete a un campo eléctrico exterior. El valor de ella es afectado por muchos

factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o el tipo

de interacciones que presente.

Factor de potencia del aislamiento: representa la relación entre las pérdidas dieléctricas en el aislante y la potencia

aparente que viaja a través del aislante. Es otra manera de evaluar y juzgar las condiciones del aislamiento de los

devanados de transformadores, autotransformadores y reactores; además es recomendado para detectar humedad y

suciedad en los mismos.

4. ¿Cuándo se crea un Canal Plasmático?

Se crea en el momento en que se ioniza un gas inerte, en él determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por lo que es un buen conductor eléctrico y sus partículas responden

fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.

5. ¿Qué es la Aurora Boreal, puede usted decir que es el Fuego de Santelmo?

La Aurora Boreal es un fenómeno de luminiscencia, en el cielo nocturno, atmosférica que se produce cuando una eyección de masa

solar choca con los polos norte y sur de la magnetosfera terrestre. Como consecuencia surge una luz difusa proyectada en la ionosfera terrestre, compuesta de partículas protónicas que difunden el color. El llamado Fuego de Santelmo es una descarga

luminiscente producida cuando el campo eléctrico creado por una tormenta intensa ioniza el aire y hace que se forme un plasma de partículas cargadas que se mueven conjuntamente. Ese plasma adquiere un resplandor blanco azulado, que a veces tiene la

apariencia de un haz de fuego.

6. ¿Cuáles a su juicio son las variables más importantes a tomar en cuenta al diseñar un aislamiento? Las temperaturas máximas y mínimas de la zona, la presión barométrica, la altitud, el grado de contaminación, los niveles de tensión

de operación, el nivel isoceraunico, las sobretensiones internas y externas probables que se puedan presentar en la línea, el

material utilizado para el diseño, entre otras.

7. ¿Qué nos indica el factor de potencia de un aislante?

Nos indica la relación entre las pérdidas dieléctricas en el aislante y la potencia aparente que viaja a través del aislante. Si el factor

de potencia aumenta se refiere a que el aislante ha perdido parte de sus propiedades dieléctricas debido a varios factores como

deterioro químico del material por el tiempo de uso, la temperatura, contaminación por presencia de agua, depósitos de carbón,

aceite u otros químicos; rupturas o grietas e ionización del aislante.

8. Diferencia entre la ecuación de SAHA´S y PACHEN. Explica cuando se usan estas ecuaciones.

La ecuación de Saha describe el grado de ionización del plasma en función de la temperatura, de la densidad, y de las energías de la

ionización de los átomos y se utiliza para determinar los niveles de aislamiento de acuerdo a las condiciones ambientales de la zona,

Mientras que Paschen establece que el voltaje de ruptura en un gas es función del producto de la presión por la distancia entre los

electrodos, para electrodos similares. Y se utiliza para el diseño de interruptores adecuando la presión del gas aislante de acuerdo a

la rigidez dieléctrica requerida.

9. Dibuje en un gráfico de V vs I, las diferentes fases de la ecuación de Townsend. Explique cada una de ellas.

Fig. V vs I de Ecuación de Townsend. Fuente: Exposición de Cristian Hernández.

Esta es la curva Tensión-Corriente de Townsend, pero para describir mejor el fenómeno es recomendable invertir los ejes y señalar

ciertos puntos:

Fig: Comportamiento I=f(U) en un espacio inter-electródico. Fuente: Exposición de Cristian Hernández.

Zona A-B: Ligera Ionización del Gas, corriente proporcional a diferencia de potencial. (Descarga Incremental Lineal)

Zona B-C: también llamada zona de saturación, donde la producción de nuevas cargas eléctricas libres se estabiliza en función del

tiempo. (Zona de descarga luminiscente y Ruido Tipo Corona).

Zona C-D: también Zona de Descarga de Townsend, donde se incrementa nuevamente la corriente debida a la ionización por choque.

Zona D-E: Crecimiento Anormal de la Corriente (Avalancha de Townsend) debido a un fenómeno de realimentación en el cátodo

(proceso gamma de la teoría de Townsend), existencia del arco eléctrico.

10. ¿Cuál es a su criterio de los ensayos de los dieléctricos en líquidos la más importante para tomar una decisión en cuanto

a su calidad?

El Análisis de gases disueltos en el aceite (DGA) ya que la distribución de los gases se correlaciona con el tipo de falla eléctrica y la

tasa de generación de esos gases indica la severidad de la falla. Esta técnica de análisis permite determinar el origen del

contaminante y dirigir de forma encaminada y precisa el mantenimiento proactivo (preventivo y predictivo) de los transformadores.

11. Diferencia entre un disyuntor y un interruptor.

El interruptor eléctrico es un dispositivo utilizado para impedir el curso de una corriente eléctrica, de manera de abrir o cerrar uno

o varios circuitos eléctricos, bajo condiciones normales de operación o de falla. El disyuntor es un interruptor, pero la diferencia

radica en el lazo de control para su operación, dado que éste (disyuntor) opera a lazo cerrado mediante relevadores y medidores

que censan los parámetros del circuito. El interruptor funciona a lazo abierto de control.

12. Nombre todas las variables que se deben especificar para un interruptor.

• Tensión nominal.

• Corriente nominal.

• Frecuencia nominal. • Corriente de cortocircuito.

• Máximo valor de voltaje soportado al impulso (BIL). • Máximo voltaje soportado a frecuencia industrial (BSL)

• Mecanismo de mando.

• Ciclo de operación. • Capacidad de interrupción con ciclo especificado.

• Capacidad de cierre.

• Corriente de corta duración.

• Sobretensión máxima en corte de cargas reactivas.

• Tiempo total de interrupción (ms). • Tiempo mínimo de apertura (ms).

• Tensión nominal de las bobinas de cierre y apertura. • Capacidad de esfuerzos mecánicos en terminales de alta tensión.

• Distancia de fuga. • Tipo de extinción del arco (vacío, sf6, etc)

• Número de contactos auxiliares.

13. Describa el proceso de la interrupción en un disyuntor en un circuito CA.

En posición de reposo (cerrado) es un conductor ideal, al momento de la interrupción, la presión de gas dentro del cilindro es igual a

la existente en todo el ambiente de la unidad de interrupción. El diseño de la cámara es tal que durante la acción de apertura, el gas

contenido en el cilindro se comprime y se sopla dentro del área donde está el arco, lo que consiste en una autogeneración de

presión. El núcleo del arco, por la obstrucción del flujo circulante del gas, origina un incremento de presión en el cilindro y por tanto,

también la presión de soplado, hasta alcanzar el valor requerido para apagar el arco.

14.

15.

16. En una línea de transmisión, el hecho de que tenga varios empalmes ósea que la línea se ha roto y fue empalmada ¿Una

onda de sobretensión atmosférica, como lo ve?

Para una onda de sobretensión los empalmes son cambios de impedancia que posee la línea.

17. ¿Por qué la impedancia característica (Z0) de una línea aérea es tan diferente en valor nominal al de una línea colocada en

una red subterránea?

La impedancia ZO se calcula como la raíz cuadrada de la relación L/C, y la red subterránea al ser de características capacitivas

superiores (por la presencia de aislantes) presenta una menor impedancia respecto a la de líneas aéreas.

18. ¿Qué es la impedancia característica, por qué es tan importante?

Se puede definir la impedancia característica como la impedancia (independiente de la longitud de la línea y de la frecuencia de

trabajo) que tendría la línea como carga conectada a una fuente de tensión de corriente alterna en un extremo e infinitamente larga en el otro extremo. ZO es importante, ya que permite conocer el comportamiento de las ondas de tensión y corriente en la línea, y

como estas se afectan al pasar de un medio a otro.

19. ¿Qué es el SIL?

Se define como la potencia o cargabilidad de una línea de transmisión cuando está cargada con su impedancia característica Z0

(adaptada). Si la carga cae debajo del SIL, el sistema de transmisión es capacitivo y las tensiones del sistema aumentan, mientras

arriba del SIL es inductiva y las tensiones del sistema disminuyen; básicamente me permite definir el nivel de reactivos que atraviesan mi línea.

20. Diferencia en el SIL y la Z0

La impedancia característica (Z0) es un parámetro que depende únicamente de la configuración, geometría y material de las líneas, mientras que el SIL es una condición de potencia que se obtiene cuando la carga que se alimenta es igual, superior o inferior a la

impedancia Z0.

21. ¿Qué funciones tiene un laboratorio de alta tensión, de crearse un LAT en la UC que pruebas deberían hacerse?

Un LAT debe tener entre sus funciones: la realización de pruebas y ensayos requeridos para la evaluación de la calidad de los

equipos eléctricos, facilitar el estudio de los fenómenos que se presentan en los sistemas de alta tensión, desarrollar pruebas de nuevas tecnologías en alta tensión y formar a profesionales en el tema, entre otras.

En mi opinión algunos ensayos que debería poseer un LAT de la UC: ensayos de tensión de impulso de frente elevado, tensión aplicada

de frecuencia industrial en seco y húmeda, determinación de rigidez en sólidos, líquidos y gases; y respuesta en frecuencia, entre

otras.

22. ¿Cuántas pruebas conoce Ud que se hacen en un laboratorio de alta tensión?

Ensayos de tensión inducida a transformadores

Ensayos de tensión de impulso de frente elevado

Tensión aplicada de frecuencia industrial en seco y húmeda.

Determinación de rigidez en sólidos, líquidos y gases.

Tensión aplicada de frecuencia industrial en cámara de contaminación, simulando polución marina e industrial y radiación

solar (ultravioleta).

Medición de ruido audible y efecto corona en Sistemas Eléctricos de Media y Alta Tensión.

Medición y evaluación de pérdidas por Efecto Corona, en conductores de Alta Tensión

Medición de pérdidas en dieléctricos en general.

23. Diferencia entre la prueba de tensión inducida y tensión aplicada.

El ensayo de tensión inducida se realiza para verificar el aislamiento entre espiras, secciones de la bobina y entre devanados de

diferentes fases y se realiza a frecuencias superiores a la nominal para evitar la saturación del núcleo al ser sometido a tensiones

superiores.

Mientras que el ensayo de tensión aplicada se realiza para verificar el aislamiento entre bobinas y de las bobinas con respecto a

tierra (tierra: núcleo, tanque.), para detectar la presencia de aire en el aceite o en la estructura aislante así como debilidad en el

material y se realiza con una duración de 1 minuto con VAC a frecuencia nominal.

24. Describa brevemente el mecanismo de una descarga atmosférica.

Podemos empezar describiendo la formación de a nube de tormenta, partiendo de que el aire húmedo y caliente se eleva a regiones

frías, provocando que el vapor se condensa sobre partículas y forma la nube. Se establecen corrientes verticales, ascendentes y

descendentes, que originan una separación de cargas entre las regiones superior e inferior. La acumulación de electrones en capas

inferiores crea una diferencia de potencial con las capas superiores. Estos electrones también repelen a los electrones libres de la superficie terrestre creando así una diferencia de potencial entre la nube y la tierra. Este proceso continúa hasta que se alcanza el

nivel de ionización necesario para que se de una ruptura dieléctrica entre los puntos de acumulación de cargas.

25. Diferencia entre trueno, relámpago y rayo.

El trueno es la onda sonora de choque que produce el rayo al pasar por la atmósfera y lograr expandir con violencia las moléculas

del aire, es decir, es lo que se escucha. El relámpago es la onda lumínica o efecto luminoso producido por el rayo (ver curva de Townsend), es decir, es lo que se ve. El rayo es una descarga electrostática de muy corta duración y muy altos valores de corriente.

26. ¿Para qué sirve el hilo de guarda y cuándo se usa?

El hilo de guarda, sirve para proteger líneas de transmisión ante descargas atmosféricas creando una pantalla protectora para los conductores, de tal manera que las descargas se desvíen a tierra por medio de ella. Se usa cuando el nivel ceráunico de una zona por donde vaya a pasar la línea de transmisión sea distinto de cero (raras zonas cumplen este requisito), por ende, siempre se usa.

27. ¿Por qué es importante analizar en los explosores (electrodos) sus diferentes configuraciones?

Debido a que la formación del campo eléctrico está estrechamente relacionada con las características geométricas de los electrodos y la disposición de las líneas equipotenciales cambia, permitiendo encontrar la configuración deseada según como se

desee que sea el comportamiento del campo.

28. ¿Qué se entiende por protección mediante hilos de guarda y diga que elementos se deben tomar en cuenta para su

elección?

Son conductores paralelos a los conductores de fase, situados por encima de ellos, unidos a tierra por medio de la torre de sustentación con la finalidad de apantallar a los conductores de fase contra descargas atmosféricas.

Debido a que los distintos métodos de selección de hilo de guarda son de forma empírica, se debe tener en cuenta que las condiciones a las que se encuentra el sistema sean semejantes a las del método de selección de hilo de guarda. Tomando en cuenta

de esta manera el ángulo de apantallamiento del hilo de guarda y su calibre.

29. Explicar el significado de los siguientes términos asociados con pararrayos:

Tensión de Chispeo: es el Valor máximo de la tensión alterna de choque o continua a la cual el explosor del descargador

dispara.

Tensión de Descarga: es el Valor máximo de la tensión registrada en el descargador, cuando este conduce a tierra la

intensidad de corriente de derivación en el período de descarga.

Tensión de Flameo: o la tensión crítica de flameo (Critical flashover voltage) es aquella obtenida en forma experimental que

presenta una probabilidad de flameo del 50%.

Corriente Posterior al Transitorio: también conocida como corriente de fuga es aquella procedente de la fuente, que a

frecuencia de régimen circula a través del pararrayos, en dirección a tierra, durante y después del proceso de descarga.

30. ¿Qué variables se deben tomar en cuenta para seleccionar la tensión nominal de un pararrayos?

Para este cálculo de la tensión nominal del pararrayos necesitamos disponer de:

1. Los datos de mi sistema: Voltaje Nominal (kV), Sobretensión permitida (%), Conexión del Neutro, Impedancias de

Secuencia (+,0), BIL, Conexión del Transformador.

2. Los datos climatológicos: Nivel de contaminación, Nivel ceráunico, Altura sobre el Nivel del mar (m)

3. Factor de puesta a tierra. 4. Tensión máxima del sistema (Us) (sobretensión máx permitida).

5. Tiempo máximo de duración de la sobretensión. 6. Factor del TOV. (Capacidad para soportar las sobretensiones temporales).

31. En que nos basamos para establecer la escogencia entre un pararrayos de 5 KA y de 20 KA.

Nos basamos en los:

Datos del sistema:

Tensión del Sistema.

Sobretensión Máxima permitida.

BIL.

Conexión del Neutro.

Datos Climatológicos

Temperatura.

Contaminación.

Presión.

Nivel Ceráunico.

32. Definir los siguientes términos.

Coordinación de Aislamiento: es un procedimiento que se basa en determinar las características de aislamiento

necesarias y suficientes de los equipos de las redes eléctricas para garantizar que el nivel de tensión soportada por el aislamiento del equipo sea mayor que la tensión que pueda aparecer como resultado de una sobretensión transitoria con el

objeto de minimizar el riesgo de pérdida del suministro de Energía Eléctrica. La coordinación de aislamiento consiste en

relacionar las sobretensiones que puedan aparecer en el sistema y los niveles de protección de los pararrayos, explosores y otros dispositivos de protección con los niveles de aislamiento del equipo.

Margen de Protección: son aquellas relaciones obtenidas entre los niveles de tensión soportada ya sea de impulso tipo

rayo o maniobra, con los niveles de protección del descargador. Estas relaciones son: KI=BIL/NPR KM=BSL/NPM, donde

NPM: es el Nivel de Protección contra impulso de Maniobra y NPR: es el Nivel de Protección contra impulso tipo Rayo.

Tensión de Frente Elevado: es aquella onda que presenta un comportamiento inicial cuya rata de cambio es muy grande,

es decir, la variación de la tensión para variaciones de tiempo muy pequeñas es elevadísima. Ejemplo de ello, una

sobretensión externa.

Tensión de Onda Corta: es aquellos impulsos de tensión de mayor amplitud a tensiones de frente elevado pero con

tiempos de descarga más reducidos, por ende la energía en la onda es mucho menor a las de frente elevado.

Tensión de Onda Plana: es aquella tensión a frecuencia industrial y entre niveles de sobretensión permitidos por la

empresa surtidora de energía eléctrica.

BIL: es el valor pico de tensión soportada ante un impulso atmosférico el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo

que se refiere a pruebas y se especifica solamente en seco.

33. ¿Para qué sirve la coordinación de aislamiento?

La coordinación de aislamiento eléctrico es la correlación de esfuerzos dieléctricos en los aislamientos de los distintos

componentes de un sistema eléctrico de potencia en alta tensión, con el objeto de minimizar el riesgo de pérdida del

suministro de Energía Eléctrica, causado por sobretensiones que pudieran causar daños en el equipo y en los distintos

elementos de una instalación.

34. ¿Quién establece el valor del BIL? El BIL lo establece la norma y el fabricante lo utiliza como parámetro de diseño para sus equipos.

35. ¿Qué parámetros se toman en cuenta para establecer una coordinación de aislamiento, cuando se quiere proteger un

transformador?

BIL del transformador.

Nivel de aislamiento proporcionado por el dispositivo de protección.

Margen de protección adecuado.

Curva de funcionamiento (protección) del pararrayos.

Tensión nominal y Tensión Máxima del Sistema.

BIL del pararrayos.

Número mínimo de líneas, configuración de las líneas y longitud del vano de las líneas.

Índice de Fallas tanto en líneas como en el transformador.

Distancia entre el pararrayos y el transformador.

36. Diferencia entre el efecto Ferranti y la Ferro-Resonancia.

El efecto Ferranti es aquel que se manifiesta por una onda de tensión de crecimiento lineal a lo largo de la línea larga,

dando como resultado que la tensión en el extremo abierto y sin carga sea mayor que la tensión en el extremo de la

fuente. Mientras que la ferro-resonancia es un fenómeno usualmente caracterizado por sobretensiones e irregulares

formas de onda, y está asociado con la excitación de una o más inductancias saturables a través de una capacitancia

en serie, se manifiesta cuando es alimentado por un voltaje cuya frecuencia es aproximadamente igual a la frecuencia

natural del sistema.

37. Si Ud. diseña una línea para ultra alta tensión, y dicha línea tiene un recorrido por áreas cercanas a la costa, ¿Qué sugiere

Ud. que se debe hacer para evitar salidas de la línea por contaminación?

Como la línea se encuentra expuesta a niveles altos contaminación, se podría incrementar el número de aisladores (respetando la distancia mínima de cruceta a torre), cambiar los mencionados por unos cuya distancia de fuga sea mayor,

realizar mantenimiento con mayor frecuencia, usar grasas hidrófobas, entre otras opciones.

38. ¿Cómo se mide la contaminación (unidades)?

La contaminación se mide en Densidad Equivalente de Sal Depositada (DESD), lo que representa la cantidad de sal que

produciría los mismos efectos que la contaminación presente en el entorno de estudio. Se representa en unidades de masa

(de sal) por unidad de área (mg/cm^2). DESD=(S*V)/A, donde S: densidad de sal, V:volumen de solución, A: área lavada

del aislador.

39. ¿Por qué se produce el Efecto Corona?

Se produce debido a la ionización del gas que rodea a un conductor en el cual existe un gradiente de potencial superior a un

determinado valor de tensión crítica disruptiva.

40. ¿En qué zona de la gráfica de Townsend se empieza a producir el Efecto Corona (luminiscencia, ruido y avalancha)?

Zona B-C: también llamada zona de saturación, donde la producción de nuevas cargas eléctricas libres se estabiliza en

función del tiempo. (Zona de descarga luminiscente y ruido, Tipo Corona).

Zona C-D: también Zona de Descarga de Townsend, donde se incrementa nuevamente la corriente debida a la ionización por

choque.

Zona D-E: Crecimiento Anormal de la Corriente (Avalancha de Townsend) debido a un fenómeno de realimentación en el

cátodo (proceso gamma de la teoría de Townsend), existencia del arco eléctrico.

41. Enumere algunas formas de disminuir el efecto corona.

Mantener la tensión crítica más elevada que la tensión entre fase y tierra en un rango entre 20 y 40%.

Colocando conductores de radios grandes, y evitando puntas o bordes filosos.

Tratando las superficies de los conductores.

Utilizar un aislante homogéneo, vacío sin sólidos.

Incrementando la distancia media geométrica entre los conductores que tienen grandes diferencias de tensión, debido al

aumento del diámetro del espacio conductor (cable + espacio ionizado).

Formando cada fase por medio de más de un conductor (arreglo en haz de conductores).

42. ¿Por qué es importante evaluar las pérdidas por corona? ¿Cómo nos afectan?

Esta pérdida representa una cierta cantidad de energía consumida por la línea. Por lo general las perdidas por efecto joule son mayores, y si a estas se le suman las del efecto corona, la línea será ineficiente. El efecto corona produce una emisión

de energía acústica y energía electromagnética en el rango de las radiofrecuencias, de forma que los conductores pueden generar ruido e interferencias en la radio y la televisión; producir de ozono y óxidos de nitrógeno.

43. ¿Por qué las líneas de alta tensión generan ruido?

Debido a que se supera el umbral de voltaje disruptivo alrededor de los conductores (según Avalancha de Townsend), los

iones alrededor de la línea se mueven a altas frecuencias, chocando entre sí y originando ondas sonoras de choque que

pueden ser apreciadas en las cercanías.

44. ¿Qué relación hay entre el efecto corona y el ozono? El efecto corona al ionizar el aire circundante, separa las moléculas de oxígeno a su alrededor, generando iones de oxígeno.

Y aquellas moléculas de oxígeno que no se disociaron al recombinarse con los iones presentes generan ozono, el cual es una molécula conformada por 3 átomos de oxígeno.

45. ¿Qué pérdidas son más grandes, las de corona o las de joule?

Las pérdidas por efecto corona para condiciones climáticas de buen tiempo son insignificantes en conductores bien

dimensionados. Para condiciones de mal tiempo, estas pérdidas pueden ser del orden de 100 veces las pérdidas de Joule

(en caso de buen tiempo) y puede variar en un factor 10 sobre las de Joule para lluvia fuerte y leve; por ende se tiene que

las pérdidas por efecto corona son más grandes que las pérdidas por efecto Joule.