Exp_7

Laboratorio de Alta Tensión I- ELI361

UTFSM - Campus Santiago San Joaquín

Departamento de Ingeniería Elé tri a

�Experien ia 7�

Felipe Campos, Carlos Cárdenas B., Fran is o Morales

Máximo Muñoz, Felipe Guzmán, Luis Villegas

15 de noviembre de 2015

Universidad Té ni a Federi o Santa María ELI 347

Índi e de Contenidos

1. Objetivos 1

2. Introdu ión 2

3. Mar o Teóri o 3

3.1. Des argas par iales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3.2. Objetos de Ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3.2.1. Constru ión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3. Dete ión de des argas par iales utilizando el método PRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. Sistema en Estudio 7

5. Resultados 8

5.1. Patron PRPD para diferentes objetos de ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.1.1. Objeto de ensayo: Va uola entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.1.2. Objeto de ensayo: 2 va uolas entradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.1.3. Objeto de ensayo: Va uola desplazada ha ia arriba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.1.4. Objeto de ensayo: Va uola desplazada ha ia abajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.2. PDIV y PDEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6. Análisis de los resultados 11

6.1. Tensión interna en la Va uola U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6.2. Análisis omparativo y estadisti o PRDP según el tipo de va uola . . . . . . . . . . . . . . . 11

6.3. PDIV y PDEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

6.4. Espe tro de fre uen ia de PRDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7. Con lusiones 14

Profesor: Jorge Ardila i


1. Objetivos

Cono er los diferentes tipos de des argas par iales.

Cara terizar los patrones PRPD para ada adquisidor.

Diseñar diferentes defe tos que permitan simular diferentes fuentes de DPs.

Profesor: Jorge Ardila 1


2. Introdu ión

La pra ti a en esta experien ia se entrara en las des argas par iales internas porque son las des argas

mas dañinas, en esta pra ti a se realiza la veri� a ion de las tensiones de ini io, el numero de des argas

par iales por i lo, si son de mayor amplitud una u otra al mismo nivel de tension, y veri� ar el patron

PRPD para distintos tipos de objetos de ensayo que poseen una va uola en su interior.



3. Mar o Teóri o

3.1. Des argas par iales

Es posible diferen iar dos tipos de des argas elé tri as, par ial y total. La norma IEC-60270 de�ne las

des argas par iales omo üna onse uen ia de una on entra ión lo al de estrés elé tri o en el aislante o en

la super� ie del aislante. Generalmente apare en omo pulsos on una dura ión mu ho menor a 1[µs] , engeneral son a ompañadas de sonido, luz alor y rea iones quími as..

Ex

isten varios métodos para determinar

si hay o no des argas par iales, algunos pueden in luso diferen iar los diferentes tipos de des argas. Se estu-

diaran las des argas par iales de tipo interna debido a que son las mas dañinas.

Tras una DP, las argas que apare en se distribuyen dentro de la avidad en fun ión de su polaridad,

generando úmulos de arga espa ial en sus paredes. Las argas que apare en se distribuyen dentro de la

avidad en fun ión de su polaridad, generando úmulos de arga espa ial en sus paredes. Esta arga espa ial

provo a un ampo elé tri o indu ido en el interior del aislante (Eq) que se superpone al ampo elé tri o

generado por la tensión apli ada (Ei). Lo que puede provo ar que el ampo total (Et = Ei + Eq).

La �gura 3.1 muestra lo que o urre en el material aislante sometido a una tension sinusoidal.

Figura 3.1: Con�gura ion del ampo ele tri o en un material aislante sometido a tension sinusoidal

3.2. Objetos de Ensayo

Los objetos de ensayos fueron reados utilizando el modelo ”a − b − c”. El omportamiento de las DP

internas en orriente alterna, puede ser des rito aproximadamente usando el ir uito equivalente propuesto

por Whitehead ono ido omo el modelo ”a − b − c” o modelo de los tres ondensadores. Este ir uito

representa el material dielé tri o donde o urre la des arga mediante la ombina ión de tres apa idades.

Ca: Representa la apa idad del aislamiento sano lejos del entorno de la avidad.

Cb: Capa idad del aislamiento sano que rodea a la avidad.

Cc: Es la apa idad equivalente de la va uola.

La �gura 3.2 muestra la on�gura ion de estas apa idades:



Figura 3.2: Cir uito equivalente de un aislamiento on va uolas

Para este ir uito la tensión en la va uola Uc dependerá del reparto de tensiones en los ondensadores Cb

y Cc y se puede expresar en fun ión de la tensión Ua apli ada a los ele trodos que limitan el aislante según

la E ua ión:

Uc = Ua ·Cb

Cb + Cc

(3.1)

Para el aso de una va uola ilíndri a embebida en un dielé tri o de permitividad dielé tri a ǫ2 , sometido

a una tensión Ua, la tensión en su interior está representada por la E ua ión:

Uc = Ua ·1

1 +d1 + d2d · ǫ2

(3.2)

La �gura 3.3 muestra este aso:

Figura 3.3: Cir uito equivalente de va uolas ilindri as



3.2.1. Constru ión

Se pro edió a onstruir dis os de un diámetro de 120 mm y de un espesor de 4 mm de material a ríli o.

Estos dis os se les realizaron un agujero simulando una va uola ilíndri a al insertar dos dis os sin agujero

por sobre y debajo del perforado. Di ha perfora ión tendrá un diámetro de 0.8 mm.

Figura 3.4: Objeto de ensayo de dis os en on�gura ion 2+1+2

Esta on�gura ión de la disposi ión de los dis os 2+1+2. Esto quiere de ir que tiene 2 dis os sin agujero

en la apa superior, en la apa media tiene 1 dis o on agujero y �nalmente, en la apa inferior tiene 2 dis os

sin agujero. Cabe desta ar que no diferen ia entre el número de va uolas (no está dentro de la nomen latura).

A ontinua ión en la �gura 3.5 se ilustra de forma esquemáti a la on�gura ión 2+1+2, 2+1+5 y el número

de va uolas

Figura 3.5: Tipos de Objeto a) va uola de 0,8 mm de diametro, b) 2 va uola de 0,8 mm de diámetro, ) 1

va uola de 0,8 mm de diámetro desplazada del entro

Además, luego de la disposi ión físi a de las apas (dis os) se pro edió a juntar las apas mediante un

pegamento llamado CLOROFORMO INDUSTRIAL (O TÉCNICO), luego, mediante presión se mantuvieron

juntas.



3.3. Dete ión de des argas par iales utilizando el método PRPD

Una de las té ni as para analizar y medir la a tividad de des argas par iales es phase resolved partial

dis harge o patrones PRPD. Para las des argas internas por lo general se observaran peak en los ambios de

polaridad.

Para tener un mejor análisis es ne esario ono er PDIV y PDEV que orresponden prin ipalmente a la

magnitud de la tensión a la ual ini ian las des argas par iales y la magnitud de tensión a la ual se extinguen

las des argas par iales respe tivamente.

Puntualmente para la experien ia se tendrá que distinguir los patrones PRPD según sea la ubi a ión de

la va uola en el interior del objeto de ensayo. Los patrones que deben identi� arse son omo los de la �gura 3.6.

Con el �n de omplementar aun mas el análisis de PRPD se emplea la distribu ión de probabilidad de

Weibull, esta permite analizar la magnitud de los pulsos DP's. La e ua ión se muestra a ontinua ión.

P (q) = 1− e−(

q

β)α

(3.3)

Donde α Es la magnitud de des arga que han al anzado el 63,2% de los pulsos (análogo al signi� ado de

media de la distribu ión normal. Su signi� ado estadísti o pierde sentido para valores de β muy pequeños.

Y β, que siempre es un valor positivo entre 0 e in�nito, es una medida de la variabilidad de las magnitudes

de DPs. Un valor pequeño de ?, menor a 2, se aso ia a una alta variabilidad, es de ir, existirá mu ha diferen ia

entre la mínima magnitud de DPs y la máxima dete tada en el ensayo.

Conforme a lo anterior también se analiza el fa tor des argas por i lo Nw. Este parámetro tiene rela ión

dire ta on el número de imperfe iones apa es de generar des argas par iales en el aislamiento. En primera

aproxima ión, se estima que un aislamiento que produz a entre 2 y 4 pulsos por i lo de red, presenta un

úni o defe to en su interior.

Figura 3.6: Patrones PRPD ara terísti os según la posi ión de la va uola



4. Sistema en Estudio

Para el estudio se utilizo el ir uito de medi ión indire to de la �gura ??. La �gura 4.1 muestra el ir uito

utilizado en el laboratorio se debe notar la presen ia de dos sensores diferentes.

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

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

3. Capa itor de Medida : Utilizado para realizar medi iones de alta tensión AC.

4. Capa itor de a oplamiento de des argas par iales Ck

5. Sensor Indu tivo HFCT (1Mhz-80Mhz) de 20[v/a] de ganan ia.

6. Sensor Resistivo uadripolo.

7. Objeto de ensayo representado omo una apa itan ia Ca

VF AT

220/110k

1

2

3

Figura 4.1: Cir uito utilizado en la experien ia



5. Resultados

5.1. Patron PRPD para diferentes objetos de ensayo

Mediante los instrumentos del laboratorio, fue posible obtener los patrones PRPD de uatro objetos

de ensayo, on los uales se bus ara mostrar des argas par iales internas para la presen ia de va uolas en

diferentes posi iones y antidades.

5.1.1. Objeto de ensayo: Va uola entrada

Para este ensayo se obtuvo el siguiente patron PRPD:

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−0.1

−0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tiempo [s]

Ten

sion

Figura 5.1: Patron PRPD va uola ilindri a entrada

Tabla 1: Informa ion sobre las des argas par iales obtenidas para una va uola ilindri a entrada.

Cantidad de des argas α β Q95% Qmax Nw

Semi i lo positivo 200 0,031 2,619 0,038 0,041 0,897

Semi i lo negativo 108 0,036 2,514 0,039 0,052 0,484

5.1.2. Objeto de ensayo: 2 va uolas entradas


0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−0.1

−0.08

−0.06

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Ten

sion

Tiempo [s]

Figura 5.2: Patron PRPD dos va uolas ilindri as entradas

Tabla 2: Informa ion sobre las des argas par iales obtenidas para dos va uolas ilindri as entradas.






5.1.3. Objeto de ensayo: Va uola desplazada ha ia arriba


0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−0.1

−0.08

−0.06

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Figura 5.3: Patron PRPD va uola ilindri a desplazada ha ia arriba

Tabla 3: Informa ion sobre las des argas par iales obtenidas para una va uola ilindri a desplazada ha ia

arriba.




5.1.4. Objeto de ensayo: Va uola desplazada ha ia abajo


0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−0.1

−0.08

−0.06

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Tiempo [s]

Ten

sion

Figura 5.4: Patron PRPD va uola ilindri a desplazada ha ia abajo


abajo.






5.2. PDIV y PDEV

Se medira la tension de ini io y de extin ion de las des argas par iales para los uatro objetos de ensayos

antes men ionados.


abajo

PDIV [kV℄ PDEV [kV℄

Va uola entrada 29,32 23,88

Dos va uolas entradas 19,71 12,41

Va uola desplazada ha ia arriba 27,06 10,50

Va uola desplazada ha ia abajo 32,04 21,60



6. Análisis de los resultados

6.1. Tensión interna en la Va uola U

Para que o urra una des arga par ial en una va oula se debe tener una tension en esta de tal intensidad

que logre sobrepasar la resisten ia dielé tri a del aire (para este aso), la que tiene un valor de 3[KV/mm]que para este es enario en parti ular la distan ia es de la va uola es 4[mm] por lo que al superar una tensionde 12[KV ] debiese haber una DP's en el interior de la va uola.

Para ada aso se analiza la tension en el interior de la va uola uando apare en las primeras DP's, es

de ir, la tension en el ele trodo Ua sera PDIV. Coherente on lo anterior y on el dimensionamiento del objeto

de ensayo según el mar o teóri o 3.2.1 , se desarrolla la siguiente tabla donde se determina la tension interna

de la va uola de a uerdo on la e ua ión 3.3.

Tabla 6: Dimensionamiento y Tensión interna de ada tipo de va uola

T ipodeV acuola ǫ d[mm] d1[mm] d2[mm] Uc[KV ] Ua[KV ]Centrada 2,7 4 8 8 12 29,8

X2 Centrada 2,7 4 8 8 12 29,8

Inferior 2,7 4 20 8 12 43,11

Superior 2,7 4 8 20 12 43,11

Como se plantea on anterioridad, para que o urra una des arga par ial en la va uola de tales dimensiones

debe existir una tension en el interior de la va uola de 12[KV ]. Para que tal tension exista en el interior de

la va uola el ele trodo debe estar sometido, de a uerdo on la e ua ion ?? a una tension Ua. Esta Tension

debera ser PDIV segun lo expuesto.

De a uerdo on la tabla 5 el uni o valor oherente es el de la va uola entrada. Las demas tipos de va uola

no logran tener una similitud on la teoría. Esto puede deberse al brus o es alamiento de la tension por lo

que se generan gradientes que alteran el PDIV.

6.2. Análisis omparativo y estadisti o PRDP según el tipo de va uola

De a uerdo on los patrones PRPD de las �guras 5.1 , 5.2 , 5.3 , 5.4 de la se ión resultados se puede

eviden iar un orre to patrón a orde on una des arga par ial interna. Esto queda laro uando se ve que

en todos los patrones PRPD existe una alta antidad de des argas en los ru es por 0. Esto se debe a a lo

expli ado en el mar o teóri o 3.1 .

Ahora, según el mar o teóri o de la se ión 3.4 y la �gura 3.6 denota un orre to omportamiento para las

posi iones de va uola en el entro o en el ele trodo superior. Los patrones PRPD son similares a los de las �gu-

ras 3.6. Lo mismo o urre uando la va uola se ubi a en el ele trodo de bajo voltaje. En otras palabras, uando

la va uola se ubi a en el ele trodo superior o en el entro, el patrón de PRPD es oherente on los semi i los.

Lamentablemente no se pudo llegar ala misma oheren ia para la va uola ubi ada er a del semi i lo negativo.

También, importante es �jarse en el numero de des argas par iales por i lo Nw. Para el objeto de ensayodonde hay 2 va uolas entradas (tabla 5.2. Se eviden ia un numero de des argas par iales por i lo Nwmu ho mayor al aso donde hay solo una va uola entrada (tabla 5.1). Esto es orre to ya que el numero de

desperfe to tiende a ser propor ional al numero de des argas par iales. Al mismo tiempo que se ompara la

in�uen ia de mas va uolas, se puede ver que para uando se desplaza para algunos de su 2 ele trodos (tabla

5.3 y 5.4), el numero de des argas par iales por i lo aumenta respe to al es enario donde la va uola se ubi a

en el entro. Enton es, el numero de des argas por i lo aumenta para una va uola que se ubi a en algún

extremo y/o uando aumenta el numero de va uolas en el interior del material.

Por otro lado, las tablas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4 nos permiten analizar los fa tores α y β propios de la e ua ión

3.3 de Weibull, expli ada en el mar o teóri o. Se puede observar que el fa tor β es muy er ano o superior

a 2 en todos los asos ex eptuando en el semi i lo negativo de las 2 va uolas entradas, debido a esto el

fa tor /alpha entrega un dato signi� ativo respe to a la magnitud de los pulsos ya que β denota que no hay

una gran variabilidad entre la magnitud de los pulsos. Se puede ver que para la va uola desplazada ha ia

arriba, ha ia abajo y las 2 entradas la magnitud de los pulsos es er ana a 0, 01 mientras que para la va uola

entrada la magnitud as iende a 0, 03 aproximadamente. Se puede de ir que para uando aumenta el numero

de va uolas la magnitud de los pulsos de re en. No se puede on luir lo mismo para el desplazamiento de

va uolas debido a que el objeto de ensayo tiene iertas diferen ias en termino de dimensiones.



6.3. PDIV y PDEV

De la Tabla 5 se puede observar que la tension de ini io de las des argas par iales (PDIV) es siempre mayor

que la tension de extin ión (PDEV) omo era de esperar. Esto se basa en la naturaleza de fun ionamiento

de un apa itor, donde los tiempos de arga son mayores a los des arga natural. Otra forma de visualizar

el fenómeno es que intuitivamente la tension de extin ión de des argas par iales es siempre menor a la de

apari ión de las mismas, esto es debido a que una vez que omienzan las DP's el gas en la va uola, aire para

este aso, se logra ionizar por lo que se fa ilita la apari ión de DP's.

6.4. Espe tro de fre uen ia de PRDP

El espe tro de fourier que denotada ada objeto de ensayo y su respe tiva va uola es el siguiente

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

Figura 6.1: FFT va uola entrada

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

Figura 6.2: FFT va uola entrada X2



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

Figura 6.3: FFT va uola desplazada ha ia arriba

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frecuencia (Hz)

|y (

f)|

Figura 6.4: FFT va uola desplazada ha ia abajo

De a uerdo on las imágenes no es posible determinar alguna patrón ara terísti o para las distintos tipos

de des argas par iales internas según va uolas. Para el análisis no hay algún tipo de fre uen ia predominante

o algún an ho de banda aso iado ara terísti o. Lo úni o que es posible desta ar es que en las DP's interna

existe una gama de fre uen ia muy amplia para el fenómeno por lo que no es di riminable, por lo menos,

para este tipo de objetos de ensayo.



7. Con lusiones

Para las des argas par iales internas, el numero de va uolas presentes en el objeto de ensayo, es pro-

por ional al numero de des argar par iales por i lo. Es de ir, el numero de des argar por i lo es una

antidad porpor ional al numero de defe tos internos del material.

De a uerdo a la ubi a ión de la va uola, se puede estable er que para aquellas ubi adas en el entro o

mas allegadas al ele trodo HV, el patrón PRPD sera oherente on el semi i lo.

Para las distintas va uolas se pudo eviden iar que omo patrón en omún todas las on�gura iones

presentabas alta densidad de DP's en los ru es por ero.

Para un mismo objeto de ensayo y un mismo tipo de va uola, el aumento en el numero de va uolas

provo a una diminu ion en la intensidad de los pulsos.



Referen ias

[1℄ Ardila-Rey, J.A.; Martínez-Tarifa �A Partial Dis harges A quisition and Statisti al Analysis Software�.

Año 2012.

[2℄ Dr.Jorge Ardila Rey �Presenta ión para el ramo de Alta tensión�.

[3℄ E. Ku�el, W.S. Zaengl, J. Ku�el �High Voltage Engineering: Fundamentals�. 2nd Edition. Año 2000.

[4℄ IEC-60270 �Partial Dis harge measurements�

[5℄ Ravindra Arora, Wolfgang Mos h �High Voltage and Ele tri al Insulation Engineering�. Año 2001.


Exp_7

Documents

Transcript of Exp_7