Exp_6

Laboratorio de Alta Tensión I- ELI361

UTFSM - Campus Santiago San Joaquín

Departamento de Ingeniería Eléctrica

“Experiencia 6”

Felipe Campos, Carlos Cárdenas B., Francisco Morales

Máximo Muñoz, Felipe Guzmán, Luis Villegas

10 de noviembre de 2015

Universidad Técnica Federico Santa María ELI 347

Índice de Contenidos

1. Objetivos 1

2. Introducción 1

3. Marco Teórico 2

3.1. Descargas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2. Mecanismos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3. Detección de descargas parciales utilizando el método PRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4. Sistema en Estudio 5

5. Resultados 6

5.1. Patrón PRPD según fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.1.1. Tipo Corona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.1.2. Tipo Superficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.1.3. Tipo Internas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5.2. PDIV y PDEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

6. Análisis de los resultados 8

6.1. Patrones PRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2. PDIV y PDEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.3. Frecuencia de muestreo y ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

7. Conclusiones 11

Profesor: Jorge Ardila i


1. Objetivos

Conocer los diferentes tipos de descargas parciales.

Caracterizar los patrones PRPD para cada adquisidor.

Identificar los contenidos espectrales para cada fuente de descarga parcial.

Analizar los diferentes sensores usados en la medición de descargas parciales.

2. Introducción

Como se ha visto en clases y laboratorios anteriores la finalidad del aislante, además de proteger loselementos activos del equipo en cuestión, es evitar las descargar eléctricas indeseadas para valores nominales,sin embargo a pesar de contar con un buen aislante existen de todas maneras descargas eléctricas inevitablesen la aislación debido a las porosidades del material, a la suciedad o incluso a defectos de instalación (comopor ejemplo un cableado mal conectado que posea pelillos al aire libre provocando descargas corona) estasdescargas indeseadas degradan la aislación acortando su tiempo de vida útil y provocando que pierda sucaracterística dieléctrica incluso para su valor nominal de tensión.

El presente informe muestra como diferenciar diferentes tipos de descargas parciales (internas, superficialy corona) utilizando el método PRPD.

Profesor: Jorge Ardila 1


3. Marco Teórico

3.1. Descargas parciales

Es posible diferenciar dos tipos de descargas eléctricas, parcial y total. La norma IEC-60270 define lasdescargas parciales como üna consecuencia de una concentración local de estrés eléctrico en el aislante o enla superficie del aislante. Generalmente aparecen como pulsos con una duración mucho menor a 1[µs] , engeneral son acompañadas de sonido, luz calor y reacciones químicas..Existen varios métodos para determinarsi hay o no descargas parciales, algunos pueden incluso diferenciar los diferentes tipos de descargas.Se estudiaran 3 tipos conocidos de descargas parciales:

Descargas parciales Internas: Ocurren en las porosidades o concavidades inevitables que posee el mate-rial aislante.

Descargas superficiales: Ocurren en la superficie del material aislante y se acentúan dependiendo de laspartículas que se encuentren en la superficie.

Descargas tipo corona: La descarga tipo corona es una descarga parcial ya que es solo un chisporroteomomentáneo y si bien se produce un pequeño arco este es auto-extinguible instantáneamente y noalcanza a producir un hilo conductor,(es por eso que no se considera descarga total) la norma IEC-60270 define corona como: ?Una forma de descarga parcial que ocurre en los medios gaseosos cerca deconductores alejados del aislamiento solido o líquido.

La figura 3.1 muestra una estimación de la forma de onda de una descarga parcial.

V

t

Figura 3.1: forma de onda estimada de una descarga parcial

3.2. Mecanismos de medición

Para lograr medir e identificar si existen o no descargas parciales existen diferentes circuitos de medición,la norma IEC-60170 especifica algunos de estos, la figura 3.2 muestra tres circuitos diferentes.

El objeto de medición se considerara una capacitancia Ca luego por medio de colocara una capacitanciade acoplamiento libre de descargas parciales Ck (entre mayor Ck mayo tensión de los impulsos observados) yuna impedancia de medida Zm se observara la forma de onda de la tensión y se registra si existen impulsos,los cuales podrían corresponder a descargas parciales.

La calidad de la medición dependerá principalmente del tipo de sensor que se utilice podemos identificaren primera instancia dos tipos:

Resistivos:

• Son mas sencillos.

• Mas económicos.

• requieren de una referencia.

• Son mas intrusivos.

• Alteran la medida.

• Colocan en riesgo el sistema de medida.

Inductivos:



(a) Circuito de medición indirecto

(b) Circuito de medición directo

(c) Circuito de medición de puente equilibrado

Figura 3.2: Circuitos utilizados según la norma IEC-60270

• deben ser de alta frecuencia.

• aíslan el sistema bajo prueba.

• mayor sensibilidad.

• mas caros

Utilizando sensores inductivos es posible obtener mejores mediciones, sin embargo se debe tener en cuentaque las descargas parciales poseen componentes de frecuencia de todo tipo y un problema común es que debidoal ruido eléctrico existente en el medio la detección de descargas parciales se hace más complicada, la calidaddel circuito dependerá principalmente del espectro de frecuencia que sea capaz de captar el sensor.

3.3. Detección de descargas parciales utilizando el método PRPD

Una de las técnicas para analizar y medir la actividad de descargas parciales es "phase resolved partialdischarge.o patrones PRPD, esta técnica utiliza el estudio de las fases y de la magnitud de las descargasparciales, por lo tanto el patrón PRPD muestra la magnitud de la descarga parcial y la fase especifica en laque ocurrió y se muestra en un gráfico tensión versus fase.

La figura 3.3 muestra los diferentes patrones que se pueden obtener para diferentes tipos de descargasparciales.

Notar que las descargas internas por lo general se observaran peak en los cambios de polaridad, paralas superficiales en cambio, se observara cerca de los peak de tensión tanto positivos como negativos, porotro lado las descargas coronas aparecen principalmente para un peak de tensión como muestra la figurasin embargo de la magnitud de la tensión aumenta podría presentarse en ambas polaridades, además lasdescargas son mucho mas localizadas y de magnitudes constantes en comparación con las superficiales.Para tener un mejor análisis es necesario conocer PDIV y PDEV que corresponden principalmente a lamagnitud de la tensión a la cual inician las descargas parciales y la magnitud de tensión a la cual se extinguenlas descargas parciales respectivamente.



(a) Patrón PRPD de descargas parciales super-ficiales

(b) Patrón PRPD de descargas parciales inter-nas

(c) Patrón PRPD de descargas tipo corona

Figura 3.3: Patrones PRPD de los diferentes tipos de descargas [1]



4. Sistema en Estudio

Para el estudio se utilizo el circuito de medición indirecto de la figura 3.2a. La figura 4.1 muestra elcircuito utilizado en el laboratorio se debe notar la presencia de dos sensores diferentes.

1. Panel de control: Genera tensión sinusoidal en BT.

2. Transformador : Auto-transformador que eleva la tensión desde 220 [V ] a 110 [kV ].

3. Capacitor de Medida : Utilizado para realizar mediciones de alta tensión AC.

4. Capacitor de acoplamiento de descargas parciales Ck

5. Sensor Inductivo HFCT (1Mhz-80Mhz) de 20[v/a] de ganancia.

6. Sensor Resistivo cuadripolo.

7. Objeto de ensayo representado como una capacitancia Ca

VF AT

220/110k

1

2

3

Figura 4.1: Circuito utilizado en la experiencia



5. Resultados

5.1. Patrón PRPD según fuente

Mediante los instrumentos del laboratorio, fue posible obtener los patrones PRPD de las tres fuentes demedición. De dos maneras es posible observar la presencia

5.1.1. Tipo Corona

Para este ensayo se utilizó una configuración punta-plano.

−0.02 −0.01 0 0.01 0.02

Ten

sión

Tiempo [s]

(a) Osciloscopio

0 0.005 0.01 0.015 0.02T

ensi

ón

Tiempo [s]

(b) Separación por Clusters

Figura 5.1: Características de descargas parciales tipo corona.

5.1.2. Tipo Superficiales

Para este ensayo se utilizó un bushing contaminado con solución salina. La alimentación se realizó poruno de los extremos y la mitad del mismo.

−0.02 −0.01 0 0.01 0.02

Ten

sión

Tiempo [s]

Figura 5.2: Características de descargas parciales superficiales.



5.1.3. Tipo Internas

En este caso se ensayó, en una cuba con aceite, una placa de acrílico que contenía una vacuola interna.

−0.02 −0.01 0 0.01 0.02

Ten

sión

Tiempo [s]

(a) Osciloscopio

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Ten

sión

Tiempo [s]

(b) Separación por Clusters

Figura 5.3: Características de descargas parciales tipo internas.

5.2. PDIV y PDEV

Mediante la alimentación de las fuentes antes mencionadas en la sección 5.1 se puede obtener las tensionesde inicio y extinción de las descargas parciales. Los resultados obtenidos para cada se observa en la Tabla(1).

Tabla 1: Valores de PDIV y PDEV para las objetos de ensayo mencionados en la sección 5.1.

Objeto de ensayo PDIV [kV ] PDEV [kV ]Punta Plano 2,9 2,7

Bushing 4,07 3,47Cuba 15 12,8



6. Análisis de los resultados

6.1. Patrones PRPD

Contrastando las Figuras (5.1) y (5.3) con lo mencionado en el marco teórico en la Figura (3.3) es posibleasegurar que los patrones obtenidos de PRPD son consecuentes con el tipo de descarga parcial generada conlas fuentes [2].

En particular:

La descarga parcial interna posee dos características reconocibles y que destacan su naturaleza (Figura5.3.b), el patrón realiza cruces por el cero de la referencia (función seno) donde además se obtienenvalores de magnitud alta y presenta una gran dispersión de datos [1].

Para las descargas superficiales no fue posible obtener el patrón PRPD debido a que se presentó unruido en la medición que no pudo ser eliminado con la variación del trigger.

El patrón de las descargas corona también se adecua al patrón conocido [1] en donde estas se concentranen la máxima magnitud de semi-ciclo negativo y poseen una baja dispersión como se observa en la Figura(5.1.b).

6.2. PDIV y PDEV

Respecto a la tensión de inicio y extinción de descargas se puede observar en la tabla (1) que siguenun patrón y es que la tensión de inicio siempre es mayor que la de extinción. La Figura (6.1) corrobora ladinámica obtenida en los resultados, donde la tensión de extinción (∓Ucle) es menor que la de inicio (∓Ucli)de pulsos de descarga. Esto se basa en la naturaleza de funcionamiento de un capacitor, donde los tiemposde carga son mayores a los descarga natural.

Figura 6.1: Tensión de inicio y extinción de pulsos de descargas parciales [2].

6.3. Frecuencia de muestreo y ancho de banda

Las figuras (6.2) y (6.3) muestran las transformadas de Fourier de las señales de descargas parciales ob-tenidas en el laboratorio, para un tiempo definido.

Se aprecia que para las descargas parciales internas, existen dos bandas de frecuencias definidas: una entorno a los 10 - 15 [kHz] y otra entre 0 - 5 [kHz].

Para las descargas corona, existen señales de frecuencias entre 0 y 20 [kHz], siendo dominantes las fre-cuencias entre 10 y 15 [kHz].

Se aprecia que las descargas por corona presentan mayor contenido armónico que las descargas parcialessuperficiales.



0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

2

3

4

5

6

7

8x 10

−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(a) t = 0.0025 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10

−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(b) t = 0.0118 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

2

3

4

5

6x 10

−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(c) t = 0.0148 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

2

x 10−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(d) t = 0.0048 [s]

Figura 6.2: Transformada rápida de Fourier para señales de descargas parciales internas. La frecuencia seencuentra medida en [kHz].

Respecto a la frecuencia de muestreo, y en virtud del teorema de Nyquist - Shannon, ésta debe ser mayorque el doble de la frecuencia máxima de la señal. De otro modo se tendría un efecto aliasing.

Con lo anterior expuesto, para las descargas parciales internas la frecuencia de muestreo debe ser aproxi-madamente 30 [kHz], mientras que el ancho de banda es de 0 - 15 [kHz].

Similar al caso anterior, para el caso de las descargas tipo corona, la frecuencia de muestreo debe seraproximadamente 40 [kHz], mientras que el ancho de banda debe ser de 0 - 20 [kHz].

Se aprecia que para ambos casos la frecuencia de muestreo es muy alta, por lo que el equipo de almace-namiento debe poseer la capacidad suficiente para no saturarse.



0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8x 10

−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(a) t = 0.0138 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

x 10−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(b) t = 0.0134 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

2

x 10−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(c) t = 0.0132 [s]

0 0.5 1 1.5 2

x 104

0

1

x 10−4

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

(d) t = 0.0141 [s]

Figura 6.3: Transformada rápida de Fourier para señales de descargas corona. La frecuencia se encuentramedida en [kHz].



7. Conclusiones

El patrón PRPD de las descargas internas presenta cruces por cero, alta dispersión y amplitud máximapara cuando la señal de referencia posee máxima pendiente [1].

El patrón PRPD de las descargas internas posee baja dispersión en el muestreo, además de presentarseen primera instancia para semi-ciclos negativos y en fase con las amplitudes máximas de la señal dereferencia.

La tensión de inicio de descargas parciales (PDIV) es mayor que la de extinción (PDEV) y esto es claropues el circuito equivalente con que se interpreta una descarga parcial se compone de capacitores [5].

La frecuencia de muestreo del osciloscopio debe ser del orden de los 30 - 40 [kHz] para poder observarlas señales y así evitar efectos indeseados en el muestreo de éstas.



Referencias

[1] Ardila-Rey, J.A.; Martínez-Tarifa “A Partial Discharges Acquisition and Statistical Analysis Software”.Año 2012.

[2] Dr.Jorge Ardila Rey “Presentación para el ramo de Alta tensión”.

[3] E. Kuffel, W.S. Zaengl, J. Kuffel “High Voltage Engineering: Fundamentals”. 2nd Edition. Año 2000.

[4] IEC-60270 “Partial Discharge measurements”

[5] Ravindra Arora, Wolfgang Mosch “High Voltage and Electrical Insulation Engineering”. Año 2001.


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