GEÑERACIÓN Y MEDIDA DE TRANSITORIOS DE ALTA TENSIÓN

TRANSITORIOS DE ALTA TENSIÓN Luis E. Ardila, Diego M. Calderón

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PRACTICA 5: GEÑERACIÓN Y MEDIDA DE TRANSITORIOS DE ALTA TENSIÓN

Luis E. Ardila Diego M. Calderón

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ACTIVIDADES PARA ANTES DE INICIAR LA PRACTICA

1. Defina los siguientes parámetros de un impulso: amplitud, tiempo de frente,

tiempo de cola y velocidad de ascenso o crecimiento.

A la hora de producir impulsos eléctricos bien sea tipo rayo o maniobra en un laboratorio

de alta tensión, es importante primero tener algunos conceptos claros para poder definir

qué tipo de impulso se quiere generar, ya que de esto dependen los elementos a utilizar

durante la prueba.

Amplitud: La amplitud en un impulso corresponde a su máximo valor de tensión el cual es alcanzado durante la prueba y que generalmente es donde cambia la inflexión de la grafica para no volver, es decir, si el impulso viene creciendo positivamente su máximo valor determina el punto en que empezara a decrecer.

Tiempo de frente: Es el tiempo que transcurre mientras la señal ve de un 10% a un 90% de su máxima amplitud. Pero de acuerdo al estándar IEEE std 4i tenemos que dicho tiempo de frente, debe ser el medido entre el 30% y 90% del valor pico de la onda del impulso.

Tiempo de cola: Es el tiempo que transcurre mientras la señal va del 10% de su máxima amplitud a un 50% de la misma., sin embargo en la norma IEEE STD 4 se menciona que el tiempo de cola es aquel que va del 30% al 50% pasando por el valor pico primero.

Velocidad de asenso: Es la rapidez de subida de la onda de tensión hasta llegar a su máxima amplitud, en términos prácticos es la relación 0.8 Vmax vs tiempo de frente.

2. Describa brevemente las características y forma de la onda de choque (impulso)

según la norma IEC-60. Apóyese de imágenes.

Para el correcto desarrollo de este punto no fue posible conseguir la norma

mencionada, sin embargo en el estándar IEEE STD 4 se mencionan las características

que debe tener una forma de onda tipo impulso, las cuales se mencionaran a

continuación.


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Primero que todo, el impulso puede ser completo o recortado bien sea en el frente o en

la cola, pero para las definiciones es apropiado usar como ejemplo un impulso

completo, el cual no tenga ningún tipo de interrupción, como el que se muestra en la

figura 1.

Figura 1. Impulso tipo rayo completo sin oscilaciones ni sobretensiones.

De la anterior grafica podemos ver que se tienen distintos intervalos de tiempo los

cuales definen las características del impulso, en este caso el tiempo T1 se menciona

como el tiempo de frente explicado previamente, el T2 corresponde al tiempo de cola y

vemos además la característica de la forma de onda de un impulso.

La onda tipo impulso se forma a partir de la carga y descarga de los condensadores que forman el circuito junto con las resistencias de frente, cola y el espinterómetro. El sistema responde de forma transitoria al paso de la corriente por el espinterómetro y la diferencia de los voltajes iníciales de los condensadores son los que le dan la forma a la señal, un circuito para lograr generar una onda tipo impulso se muestra en la figura 2.


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Figura 2. Esquemático para generación de impulsos.

3. ¿Qué diferencias existen entre un impulso tipo rayo y uno tipo maniobra? Analice

sus constantes de tiempo y amplitud y según la normatividad, establezca las

características y tolerancias respectivas que deben presentar las tensiones de

impulso generados para que sean considerados como TENSIONES DE IMPULSO

DE PRUEBA.

Básicamente las diferencias residen en los tiempos de frente, cola y amplitud, siendo de mayor amplitud y duración los tipo maniobra. La forma de la señal cumple las mismas características para los dos tipos de impulso y como el valor de voltaje que manejamos en el laboratorio no llega a los valores de la norma para los dos tipos de impulso, únicamente tendremos en cuanta los tiempos de frente y cola para diferenciar los tipos de pulso en el laboratorio.

Tipo Rayo Amplitud 115KV a 230KV

Tiempo de frente 1.2μs ±30% Tiempo de cola 50μs ±20%

Tipo Maniobra

Amplitud más de 300KV Tiempo de frente 250μs ±20% Tiempo de cola 2500μs ±60%

4. ¿Qué es y cómo funciona un espinterómetro? ¿Cuáles son sus aplicaciones o

usos en la generación y medida de altas tensiones? ¿Cómo se contrala su tensión

de cierre?


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Un espinterómetro es un arreglo de dos electrodos expuestos, (los cuales pueden ser de diferentes configuraciones, placa-placa, punta-placa, punta-punta), los cuales se pueden mantener a una determinada distancia interelectródica, con el fin de que al presentarse una sobretensión sea capaz de crear una disrupción por el material aislante (generalmente aire), permita generar por poco tiempo un camino conductor a través del dieléctrico. Se utiliza para medir la rigidez dieléctrica de un material aislante, y también para simular señales tipo impulso en los laboratorios.

5. ¿Cómo se pueden generar impulsos de tensión y de corriente en el laboratorio?,

¿Qué elementos o componentes se requieren?, ¿Qué características deben tener

dichos componentes?

Para la generación de impulsos de tensión y corriente se debe realizar un montaje en el cual primero debemos tener una fuente de alta tensión, un sistema rectificador de voltaje, un espinterómetro y un conjunto de resistencias y condensadores con el fin de conectarlos como muestra la figura 3. El elemento principal consiste en un espinterómetro, el cual debe estar capacitado para soportar descargas en alta tensión y se pueda modificar la distancia de sus electrodos, esto con el fin de producir impulsos con distinta amplitud. Además de esto cada elemento debe estar diseñado para soportar alta tensión, es decir posiblemente capaz de disipar grandes cantidades de potencia y respuestas rapidas, ya que se está trabajando con impulsos de muy corta duración, esto para el caso de los elementos de medida.

6. Se tiene que la forma de onda de un impulso de tensión (vea figura 3) es la

resultante de la interacción entre dos funciones exponenciales. Muestre de

manera aproximada una expresión matemática que se ajuste a la forma de onda

de un impulso de tensión y explique de que dependen sus variables.

Figura 3. Forma de Onda de un impulso tipo rayo o tipo maniobra.


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Cuando se realiza la disrupción el equivalente del sistema se ve como en la figura 2.

Donde las exponenciales que vemos en las figura 3. Equivalen a los voltajes sobre los

condensadores Cc y Cg, la diferencia entre estos voltajes para los respectivos tiempos

de frente y cola son los que dan la forma a la señal impulso, teniendo en cuenta que

para el tiempo de frente el equivalente del sistema es diferente que para el tiempo de

cola, debido a diferentes taos del sistema y esto es lo que determina en final la forma de

la señal.

7. Muestre el circuito para la generación de impulsos de tensión tipo rayo. Explique

sus componentes y sus funciones. Además muestre la relación matemática que

tiene el tiempo de frente, el tiempo de cola y la eficiencia del montaje en función

de los componentes del circuito.

Figura 4. Montaje para generar impulsos

Los diferentes valores de los condensadores y resistencias determinaran los tiempos de frente y cola del sistema gracias a las relaciones:

Donde son constantes que se tomaran como y

La eficiencia se calcula:


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Cg = 6000 pF

Rc = 9,5 kΩ

Rf = 416 Ω

Cc = 100 pF

8. Muestre el circuito para la generación de impulsos de tensión tipo maniobra.

Explique sus componentes y sus funciones. Además muestre la relación

matemática que tiene el tiempo de frente, el tiempo de cola y la eficiencia del

montaje en función de los componentes del circuito.

Para lograr generar un impulso tipo maniobra debemos ajustar las resistencias de frente y cola como lo indican las formulas, esto es debido a que de estas dependen los tiempos de frente y de cola de la señal impulso, por lo que el circuito a montar consiste en el siguiente, el cual es el mismo que para un impulso tipo rayo.


Cg = 6000 pF

Rc = 1 MΩ

Rf = 500 kΩ

Cc = 100 pF

9. ¿Cómo se puede obtener un impulso de tensión recortado en el frente de la onda?

Para recortar un impulso se puede ubicar un interruptor controlado por voltaje, o bien otro espinterómetro conectado enseguida del primero, pero inmediatamente conectado a tierra, el cual puede tener un distancia interelectródica menor lo cual garantizaría el recorte en el frente de la onda.

10. ¿Cómo se puede obtener un impulso de tensión recortado en la cola de la onda?


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Para recortar la cola de un impulso podemos ubicar otro espinterómetro en paralelo con el condensador Cc, este funcionara como un interruptor de voltaje, y de lq misma forma que en el punto anterior la distancia interelectródica debe ser menor que en primero para poder recortar la cola de la señal impulso.

ACTIVIDADES Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

I. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los métodos de

medición empleados, muestre el valor de sus componentes y la relación de

transformación de cada uno

Para llevar a cabo esta práctica satisfactoriamente es necesario contar con sistemas de

medida los cuales nos permitan transformar las altas tensiones en voltajes reducidos los

cuales se puedan medir mediante equipo convencional, este trabajo lo realizan los

divisores de tensión, en este caso utilizaremos dos tipos de estos divisores.

Como primer equipo de medida tenemos un divisor resistivo compensado, el cual

cuenta con una rama de alta de 52 pF conectados en paralelo con 243,6 MΩ y un ramal

de baja, de un condensador de 50 nF conectado en paralelo con una resistencia de 240

kΩ. Su relación de transformación es de 928.

Y un segundo Divisor de tensión cuya configuración es la de Capacitivo amortiguado,

con una rama de alta de una resistencia de 507 Ω y un condensador de 192 pF y una

rama de baja de 0.5 Ω y 200 nF. Su relación de transformación es de 1026.

Figura 6. Sistemas de medida, V1) divisor resistivo compensado (928) y V2) divisor capacitivo amortiguado

(1026).

II. Construya un generador de impulsos tipo rayo y realice mediciones de tensión de

cresta para cinco (5) diferentes valores de tensión generada (tensión en el

condensador de DC), con polaridad positiva y negativa


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Una vez se han determinado las resistencias adecuadas para producir cada uno de los distintos tipos de impulso, se procedió a elegir los valores más adecuados encontrados en el laboratorio, dando como resultado el montaje de la figura 7 con sus valores.

Figura 7. Montaje para impulso tipo rayo.

Y se obtuvieron los siguientes valores:

Distancia (mm) Vdc V1 (V)

Amplitud V2(V)

15 50993,6 24470,1

15 50325,44 24357,24

15 48627,2 23485,14 Tabla 1. Mediciones impulso tipo rayo

III. Muestre las formas de onda obtenidas en el numeral II y determine los tiempos de

frente y de cola de cada una de las señales, el valor máximo y la eficiencia del

montaje

Para este punto se analizaron las señales obtenidas del osciloscopio y a partir de estas imágenes se determinaron los tiempos de frente y cola los cuales fueron de 2,5 µs para el de frente y 200 µs de cola

La eficiencia para todo el arreglo es:


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Figura 8. Formas de la onda tipo rayo positiva.


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IV. Diseñe teóricamente un generador de impulsos de 1.2/200 [ps] y corra una

simulación del diseño. Analice y compare los resultados. ¿Por qué es complicado

construir en la práctica un generador con estas características?


Cg = 6000 pF

Rc = 1.31E14 Ω

Rf = 0.041 Ω

Cc = 100 pF

El primer inconveniente que se presenta al momento de generar un circuito para

impulsos de dichos tiempos de subida es que los elementos poseen proporciones las

cuales son difíciles de lograr, en primera medida, la resistencia de cola es

extremadamente grande, mientras que la de frente tiene un valor ínfimo que hasta un

simple cable podría servir.

Otro inconveniente importante es que los tiempos por ser tan pequeños se producirán

componentes de frecuencia muy altos, los cuales modifican por completo los modelos

matemáticos de cada componente y lo obligan a comportarse de otra manera,

presentándose allí otro inconveniente.

Con respecto al sistema de medida también debemos tener en cuenta el rango de

medición de los aparatos de medida y los tiempos entre cada muestra que toma, debido

a que dicho dispositivo debe realizar un muestreo discreto y posiblemente no sea lo

suficientemente rápido como para lograr captar los detalles de un impulso tan rápido.


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CONCLUSIONES

La medición y generación de impulsos de tensión permite conocer el comportamiento de fenómenos que pueden afectar un sistema de potencia o una instalación residencial, la medición correcta permite no cometer errores en el momento de un evento de esta magnitud, por lo que los elementos de medida escogidos deben ser los adecuados para no cometer falla alguna.

Los elementos de medida escogidos para realizar mediciones de impulsos de tensión deben estar en la capacidad de realizar funciones de filtrado ante las distorsiones presentes en un circuito debida a los elementos que lo componen, por ello es clave que se realice un adecuado proceso de elección de dichos elementos.

Los elementos de medida deben ser capaces de manejar tiempos en los cuales se encuentre fenómenos de impulsos de tensión como las descargas atmosféricas, deben manejar los tiempos de frente y de cola que una señal como esta maneja.

Referente a los tiempos de cola y de frente, cada método de medida modifica estas constantes y los tiempos que me permitirán ver el fenómeno se modificaran, por ello es importante tener en cuenta los valores de los divisores para el manejo de tiempos de carga y descarga de la señal.

La generación de impulsos de alta tensión debe ser un procedimiento de mucha precaución, ya que al manejar tensiones de estos niveles cualquier mal manejo de los elementos o una conexión mal realizada puede generar accidentes indeseables, por ello es de vital importancia las medidas de seguridad.

i IEEE STD 4. IEEE Standard Techniques for High-Voltage Testing. 1995

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