Exp_1

Laboratorio de Alta Tensión I- ELI361

UTFSM - Campus Santiago San Joaquín

Departamento de Ingeniería Eléctrica

“Experiencia 1”

Felipe Campos, Carlos Cárdenas B., Francisco Morales

Máximo Muñoz, Felipe Guzmán, Luis Villegas

6 de octubre de 2015

Universidad Técnica Federico Santa María ELI 347

Índice de Contenidos

1. Introducción 1

2. Marco Teórico 2

2.1. Rectificador de media onda con filtro capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2. Aislamiento sometido a esfuerzos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2.1. Mecanismos de Ionización de Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.2. Tensión de ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.3. Ley de Paschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Sistema en Estudio 5

4. Resultados 6

4.1. Ensayo sin impedancia de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2. Ensayo Corriente Vrv/sIp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3. Medición de rizado mediante Osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.4. Ensayo Tensión de Ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.4.1. Configuración Esfera - Esfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.4.2. Configuración Punta - Plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.5. Ensayo Tensión de Ruptura CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5. Análisis de los resultados 10

5.1. Comportamiento con Zcarga = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2. Comportamiento con Zcarga = R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.3. Ensayos de Tensión de Ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5.3.1. Configuración Esfera - Esfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3.2. Configuración Punta - Plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.4. Comparación entre excitación CC y CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6. Referencias 14

A. Errores 15

Profesor: Jorge Ardila i


1. Introducción

En distintas aplicaciones es necesario tener conocimiento respecto a las distintas tensiones deruptura de los materiales utilizados en lineas o torres eléctricas de alta tensión, ésto con motivo deprevención para las distintas fallas que puedan ocurrir en éstos.

Es por ello que se realizan distintos ensayos a los materiales utilizados en el laboratorio. Estosensayos se realizan para diferentes topologias de sistemas, por ejemplo configuraciones punta - plano(la cual describe un campo no homogéneo) o esfera - esfera (la cual describe un campo homogéneo).

Para una lectura más sencilla es que se han generado tablas teóricas si se trata de configuracionesesfera - esfera, las cuales es posible generarlas dada la homogeneidad del campo eléctrico entre lasesferas. Sin embargo, para la configuración punta plano no es posible tener un conocimiento teóricode la respuesta, por lo que cada laboratorio tiene sus propias curvas de tensión de ruptura generadas.

Profesor: Jorge Ardila 1


2. Marco Teórico

2.1. Rectificador de media onda con filtro capacitivo

Para poder generar una tensión continua se utiliza un rectificador de media onda como el quemuestra la figura 2.1 por análisis electrónico sabemos que la forma de onda de la tensión correspondea la de la figura.

Figura 2.1: Rectificador de media onda

Utilizando los valores de la figura podemos determinar la tensión media (Vcc) como:

Vcc = Vp2 −VR

2(2.1)

Finalmente, en términos de las variables de la experiencia obtenemos la ecuación 2.2

Vcc =√2VFATN − Ic

2π × f × C(2.2)

Donde:

VFAT es la tensión entregada desde la FAT.

N corresponde al numero de vueltas del transformador de tensión.

Ic es la corriente que circula por el capacitor.

C es la capacitancia del capacitor.

f es la frecuencia del sistema , es este caso 50[Hz]

2.2. Aislamiento sometido a esfuerzos eléctricos

2.2.1. Mecanismos de Ionización de Gases

Mientras la tensión U sea mayor a la de ruptura (Ub) el aislante impedirá el paso de corriente, esposible determinar de manera precisa la tensión de ruptura a través de mediciones estadisticas.

La definición de tensión de ruptura tiene que ver con la tensión necesaria para que se produzcala ruptura del aislante, es decir perdidas de las propiedades de aislante ( permite la circulación deelectrones).

En gases la tensión de ruptura se puede comprender por medio de los mecanismos de ionización,existen dos mecanismos a estudiar:



Mecanismo de Townsed : Un campo eléctrico externo (producido por una tensión) generadoentre dos electrodos actúa sobre las cargas del medio gaseoso, Townsed encuentra la relaciónentre la corriente que atraviesa los electrodos y la tensión.

Como muestra la figura 2.2a existe una zona donde la corriente es prácticamente lineal segunaumenta la tensión, una segunda zona de saturación y una tercera donde la corriente aumentade manera exponencial. esta ultima etapa se debe a procesos de ionización de las moléculasde gas, por colisiones de electrones, que adquieren suficiente energía para ionizar las partículasneutras del gas.

(a) Relación entre tensión y corriente de los electrodos

p

(b) Relacion coeficiente de dispersion y presión del gas

Figura 2.2: Townsed

Towsend define el coeficiente de ionización (α) y representa el número de electrones libres quees capaz de producir un electrón por unidad de longitud de camino libre, este coeficiente estarelacionado con la presión del gas como muestra la figura 2.2b.

Finalmente el fenómeno ocurre para presiones bajas (1-10mbar) y distancias pequeñas. y de-pende principalmente de la densidad, presión del aire y también de la energía que es capaz deganar un electrón en las colisiones con los átomos de gas, este proceso de ionización no emiteninguna reacción lumínica.

Mecanismo de streamer: Además de los procesos de ionización se toman encuentra los efectosproducidos por el campo eléctrico creado por los portadores de carga, en el transcurso de laavalancha, que explica los fenómenos de ruptura dieléctrica, en las que bajo ciertas condicionesde presión, la teoría de Townsend no era satisfactoria.

Este mecanismo tiene gran relevancia en las descargas eléctricas parciales, principalmente enlas producidas por campos no uniformes. requiere una concentración de electrones suficientepara que se produzca un canal de descarga ( efecto gota), el proceso de este mecanismo esdemasiado rápido como para ser explicado por Townsed.

La figura 2.3a muestra la tensión de ruptura para polaridades positivas y negativas, mientrasque la figura 2.3b muestra el mecanismo de ionización también conocido como efecto gota, elmecanismo streamer es un proceso de fotoemisión es por esto que para tensiones negativas seaprecia una luz rojiza mientras que para tensiones de ruptura positiva una luz blanca-azulada.

2.2.2. Tensión de ruptura

Es posible caracterizar un material segun el valor limite de tolerancia a esfuerzos eléctricos deno-minada rigidez dielectrica (ED), por medio de este valor es posible determinar la tensión de ruptura



(a) Tensión de ruptura

(b) Mecanismo

Figura 2.3: Streamer

para diferentes configuraciones de electrodos. La ecuación 2.3 muestra la relación general entre latensión de ruptura y al rigidez eléctrica, el coeficiente f es inversamente al factor de rendimiento quedepende de la configuración de electrodos, mientras que d es la mínima distancia entre electrodos.en el caso del aire la rigidez eléctrica corresponde a 3[kV/mm].

Ub =EDd

f(2.3)

Para una configuración esfera-esfera el valor de f depende también del radio de las esferas y sedetermina como es:

f = 0, 943 + 0, 458d

r+ 0, 121(

d

r)2

No existen ecuaciones que determinen aproximadamente la tensión de ruptura para electrodospunta-plano, sin embargo se utilizan pruebas y gráficos para cada configuración diferente de estoselectrodos.

2.2.3. Ley de Paschen

Paschen estableció la tensión mínima a partir de la cual se puede producir la ruptura de un gasbajo campos eléctricos uniformes, conocida como Ley de Paschen:

Ub =apd

ln(pd) + b(2.4)

Es decir que si el producto presión por distancia permanece constante la tensión de rupturasiempre debe ser la misma. La relación que estableció Paschen se ha verificado experimentalmente yfunciona bien salvo para productos presión por distancia muy pequeña donde se sitúa el mínimo dePaschen en distancias cercanas a un micrómetro y presión atmosférica.



3. Sistema en Estudio

El sistema en estudio se presenta en la figura 3.1, donde los elementos constituyentes de ésterepresentan:

Panel de control ”9103“: Genera tensión sinusoidal en BT.

Transformador ”9105“: Autotransformador que eleva la tensión desde 220 [V ] a 110 [kV ].

Diodos rectificadores de potencia ”9111“: Rectificador para la generación de tensión DC.

Capacitor de Medida ”9141“: Utilizado para realizar mediciones de alta tensión AC.

Capacitor de Impulso ”9112“: Utilizado para ”suavizar“ la tensión de salida del rectificador.

Resistencia de protección ”9121“: Reduce la corriente que circula por el circuito.

Resistencia de Medición ”9113“: Resistencia utilizada para la medición de alta tensión DC.

Los datos técnicos de los elementos se encuentran en la referencia [1].

9141VFAT

220/110k

9112 9113

9121 9111 9111

Zcarga

Figura 3.1: Circuito utilizado en la experiencia, donde los elementos se representan por sus númerosde serie.



4. Resultados

4.1. Ensayo sin impedancia de carga

Para el rectificador en vacío fueron medidos los valores de tensión máxima alterna en el secundario,corriente en el primario y tensión media rectificada. Estos valores pueden ser observados en la Tabla(1).

Tabla 1: Tensión VFAT en [V ], Tensión V2 y VCC [kV ], corriente IC en [A]. VFAT es un valor rmsmientras que V2, IC y VCC fueron medidos como valores máximos

VFAT V2R V2T ICR ICT VCCR VCCT

20 14,69 12,87 0,424 0,6 12,16 11,5440 26,8 25,71 0,85 1,0 22,30 23,09110 69,43 70,71 2,33 2,3 58,36 63,51

4.2. Ensayo Corriente Vrv/sIp

Se conectó al rectificador una carga de 100 resistencias de 100 [kΩ] en serie, es decir se conectóuna resistencia total de 10 [MΩ]. Para el cálculo del rizado presente en la tensión se realiza laaproximación presentada en el marco teórico. A continuación en las Tablas (2) y (3) se presentan losvalores de corriente en el primario, tensión del primario (rms), tensión máxima en el secundario, latensión media rectificada; para polaridad positiva y negativa respectivamente.

Mediante la ecuación (2.1) es posible calcular el valor de la tensión del rizado, y para calcularla corriente por la carga se calculó esta como el cuociente entre la tensión continua media de salida(Vcc) y la resistencia de carga (10[MΩ]). Ambos valores fueron considerados para cada medición yexpuestos en las tablas (2) y (3).

Tabla 2: Valores de corriente en el primario, tensión del primario (rms), tensión máxima en elsecundario, la tensión media rectificada; para polaridad positiva con una carga de 10 [MΩ] conectadaal rectificador.

Vp[V ] Vs[kV ] Vcc[kV ] Vr[kV ] Ic[mA]12 10,01 8,29 3,44 0,82924 17,31 14,38 5,86 1,43836 24,48 20,4 8,16 2,0448 31,76 26,55 10,42 2,65560 39,08 32,73 12,7 3,27372 46,15 38,66 14,98 3,86684 53,59 45,01 17,16 4,50196 61,03 51,14 19,78 5,114108 68,21 57,38 21,66 5,738120 75,52 63,5 24,04 6,35



Tabla 3: Valores de corriente en el primario, tensión del primario (rms), tensión máxima en elsecundario, la tensión media rectificada; para polaridad negativa con una carga de 10 [MΩ] conectadaal rectificador.

Vp[V ] Vs[kV ] Vcc[kV ] Vr[kV ] Ic[mA]12 10,12 8,3 3,64 0,8324 17,4 14,38 6,04 1,43836 24,62 20,45 8,34 2,04548 32 26,6 10,8 2,6660 39,11 32,59 13,04 3,25972 46,64 38,85 15,58 3,88584 54,2 45,07 18,26 4,50796 61,31 52,02 18,58 5,202108 68,82 57,2 23,24 5,72120 76,36 63,4 25,92 6,34

4.3. Medición de rizado mediante Osciloscopio

Por medio del osciloscopio, se registro la tensión en una resistencia de 100[kΩ] de las cien quese encontraban en serie en la carga. El resultado obtenido se observa en la Figura (4.2), para unatensión primaria (Vp) de 24 [V ] y en la Figura (4.1) para una tensión de 36 [V ].

Figura 4.1: Tensión en una resistencia de 100[kΩ], para una alimentación primaria de 36 [V ].

Figura 4.2: Tensión en una resistencia de 100[kΩ], para una alimentación primaria de 24 [V ].



4.4. Ensayo Tensión de Ruptura

4.4.1. Configuración Esfera - Esfera

Tabla 4: Tensión de ruptura [kV ] para distintas distancias en las esferas. La polaridad de excitaciónes positiva.

Distancia [mm] Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio Medidas Medida Audible10 30,50 26,80 30,66 29,32 -20 57,43 57,33 57,13 57,30 -30 79,10 76,04 75,42 76,85 -

Tabla 5: Tensión de ruptura [kV ] para distintas distancias en las esferas. La polaridad de excitaciónes negativa.

Distancia [mm] Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio Medidas Medida Audible10 30,6 30,4 30,65 30,55 -20 57,37 57,32 56,12 56,94 -30 71,92 75,87 78,19 75,33 -

4.4.2. Configuración Punta - Plano

Tabla 6: Tensión de ruptura [kV ] para distintas distancias etre la punta y el plano. La polaridad deexcitación es positiva.

Distancia [mm] Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio Medidas Medida Audible10 14,23 12,92 12,39 13,18 -20 19,62 20,39 19,58 19,86 15,530 24,32 23,72 23,32 23,79 23

Tabla 7: Tensión de ruptura [kV ] para distintas distancias entre la punta y el plano. La polaridadde excitación es negativa.

Distancia [mm] Medida 1 Medida 2 Medida 3 Promedio Medidas Medida Audible10 17,88 17,96 18 17,95 -20 35,29 35,58 35,66 35,51 19,5430 49,2 49,2 49 49,13 -

4.5. Ensayo Tensión de Ruptura CA



Tabla 8: Tensión de ruptura [kV ] para distintas configuraciones . La polaridad de excitación seindica con (+) o (-) según sea positiva o negativa, respectivamente.

Configuración CC CAPunta - Plano (+) 13,18

14,36Punta - Plano (-) 17,95

Esfera - Esfera (+) 29,3226,87

Esfera - Esfera (-) 30,55



5. Análisis de los resultados

5.1. Comportamiento con Zcarga = 0

Los errores porcentuales encontrados entre los valores teóricos y experimentales se pueden observaren la tabla (9).

Tabla 9: Errores porcentuales entre valores experimentales y teóricos de la sección 4.1.

Vp Vs Ic Vcc

20 14,1 % 29,3 % 5,4 %40 4,2 % 15,0 % 3,4 %110 1,8 % 1,3 % 8,1 %

5.2. Comportamiento con Zcarga = R

Mediante los ensayos realizados en la sección 4.2 es posible determinar la característica del voltajede rizado en función de la corriente en la carga, el resultado se observa en las Figuras (5.1) y (5.2).

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

Ten

sión

de

Riz

ado

− V

r [kV

]

Corriente en la Carga − Ic [mA]

Figura 5.1: Tensión de rizado en función de la corriente en la carga (100[MΩ]), para una alimenta-ción primaria de 24 [V ].

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

Ten

sión

de

Riz

ado

− V

r [kV

]

Corriente en la Carga − Ic [mA]

Figura 5.2: Tensión de rizado en función de la corriente en la carga (100[MΩ]), para una alimenta-ción primaria de 36 [V ].



Como se logra observar la relación entre el rizado y la corriente de carga es lineal. Estos resultadosfueron coomparados con los obtenidos en la sección 4.3, en la cual mediante el osciloscopio fuedeterminado el valor del rizado para un voltaje de excitación de 24[V ] y 36[V ]. Como la tensión derizado fue obtenida en una sola resistencia, entonces basta con multiplicar por 100 este valor paraobtener el de la tensión total. Con este procedimiento se puede observar que para una excitación de36[V ] se obtiene un rizado de 2, 625[kV ] y para excitación de 24[V ] es 1, 825[kV ]. Estos valores sonsimilares a los obtenidos por la aproximación realizada en la sección 4.2.

5.3. Ensayos de Tensión de Ruptura

5.3.1. Configuración Esfera - Esfera

Es posible determinar los valores teóricos de ruptura para la configuración esfera - esfera talcomo se mencionó en el apéndice. Las tablas 10 y 11 resume los valores determinados teórica yempíricamente para las distintas polaridades. El error asociado a cada medición se debe a que, alser una medición real, las mediciones se ven afectadas por otros factores como la temperatura delaire, las impurezas en las esferas, etc. Se aprecia que los valores obtenidos empíricamente para lasdistintas polaridades son muy similares, lo cual es causa de la homogeneidad del campo para ambas.El diámetro de la esfera utilizada en la experiencia es de 10 [cm].

Tabla 10: Datos obtenidos con una polaridad positiva. Las tensiones se miden en kV .

Distancia [mm] VR VT Error %10 29,32 30,30 3,3520 57,30 57,72 0,7430 76,85 82,47 7,31

Tabla 11: Datos obtenidos con una polaridad negativa. Las tensiones se miden en kV .

Distancia [mm] VR VT Error %10 30,55 30,30 0,8120 56,94 57,72 1,3830 75,33 82,47 9,48

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Distancia [mm]

Ten

sión

de

Rup

tura

[kV

]

Figura 5.3: Curvas obtenidas a partir de los ensayos. La recta azul indica que el ensayo se realizócon polaridad positiva, mientras que la verde indica que el ensayo se realizo para polaridad negativa.



Dada la topología de las esferas, mientras más cerca se encuentren, el mecanismo será de Town-send, sin embargo a medida que se alejan, las esferas comienzan a comportase cada vez más similara cargas puntuales, por lo que el mecanismo de ruptura se comienza a transformar en Streamer.

Respecto a las polaridades de la tensión aplicada, no se aprecian cambios. Esto se debe a la top-logía de la configuración, la cual genera campos eléctricos constantes para las distancias en estudio.

La Ley de Paschen en este caso si aplica. Dado que nos encontramos en un medio con presiónconstante, y el campo eléctrico es homogéneo,a medida que aumenta la distancia la tensión de rupturadebe ser necesariamente mayor.

5.3.2. Configuración Punta - Plano

No es posible establecer valores teóricos para la configuración punta - plano. Sin embargo, enbase a las mediciones del laboratorio, se pueden determinar las gráficas de las figura 5.4. La puntautilizada en la experiencia se muestra en la figura 5.5.

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

Distancia [mm]

Ten

sión

de

Rup

tura

[kV

]

Figura 5.4: Curvas obtenidas a partir de los ensayos. La recta azul indica que el ensayo se realizócon polaridad positiva, mientras que la verde indica que el ensayo se realizo para polaridad negativa.

θ0,74

0,746

Figura 5.5: Punta ensayada en el laboratorio. Las distancias se encuentran medidas en cm. Elángulo θ es aproximadamente igual a 45o.



El mecanismo de ruptura, dado que el campo siempre es no homogéneo, será de Streamer, inde-pendiente de la distancia.

Tal como se explico en el marco teórico, la ruptura en la configuración punta plano será diferentesi la excitación es positiva o negativa. En el caso de la positiva, el nivel de tensión para provocarla ruptura debe ser mayor, dado que los electrones y protones no se pueden reacomodar de maneraóptima, a diferencia de lo que ocurre cuando la polaridad de la tensión es negativa. Los electronespueden alejarse fácilmente de los protones, haciendo más sencilla la ruptura.

La Ley de Pashen no aplica en este caso, dado que el campo no es homogéneo.

5.4. Comparación entre excitación CC y CA.

De la tabla 8 se aprecia lo siguiente:

La tensión de ruptura en corriente alterna es levemente mayor que la corriente continua enpolaridad positiva, para la configuración punta - plano.

La tensión de ruptura en corriente continua es levemente menor que la corriente continua enpolaridad positiva y negativa, para la configuración esfera - esfera.

Para la configuración punta - plano es evidente que la ruptura se debe producir para una tensióncercana a la polaridad positiva, por las razones explicadas en la subsección anterior. Sin embargoésta es mayor, lo cual se debe a que, como se esta excitando con tensión alterna, el efecto streamerse ve debilitado, efecto del continuo cambio del sentido de los electrones.

Por otro lado, para la configuración esfera - esfera, el valor es muy similar al obtenido en el casode excitación con corriente continua. No obstante, el valor es levemente menor, lo cual es causa delconstante movimiento de electrones. Se recuerda que el campo para esta configuración es homogéneoa diferencia de la punta - plano, en la cual el campo no es homogéneo.



6. Referencias

[1 ] Terco HV 9000 “High Voltage - Modular Training Set”

[2 ] H. Malik, A. A. Al-Arainy, M. I. Qureshi. - “Electrical Insulation in Power Systems” N.



A. Errores

Los errores porcentuales de la experiencia se determinan en base a la siguiente relación:

Error% = 100|XExperimental −XTeorico|

XExperimental

(A.1)

En la cual X es una variable cualquiera de la experiencia.


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