Generador de Impulso de Alta Tension

Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería

Universidad de Cuenca

Faculta de IngenieríaEscuela de Ingeniería Eléctrica

TECNOLOGÍA DE LA ALTA TENSIÓN

TEMA:

GENERADORES DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN

INTEGRANTES:

PROFESOR:

Ing. Carlos Durán N.

TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 1


GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN

Los circuitos de generación de alta tensión comienzan a evolucionar con la aparición de

sistemas de transmisión de gran tamaño. Dentro de la necesidades de generación de

alta tensión, para el uso de dispositivos de simulación de efectos aleatorios de alta

energía, se pueden mencionar las siguientes: disminuir efectos coronas en los cables,

transformadores y dispositivos de generación y transmisión, asegurar la continuidad del

suministro en caso de una descarga atmosférica en algún punto del sistema de

transmisión, además realizar distintas mediciones necesarias para el correcto

funcionamiento de los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía

eléctrica.

A medida que los sistemas eléctricos comienzan a aumentar su capacidad de

transmisión, se requiere aumentar la tensión, además requiere una forma de disminuir

los daños productos de transitorios de alta energía de ocurrencia aleatoria. Bajo estas

circunstancias aparecen los generadores de impulso de alta tensión. Dentro de los

cuales se pueden encontrar gran variedad, destacando de manera importante el

generador de impulsos tipo Marx creado en 1923.

Los generadores de Impulsos permiten realizar una prueba de aptitud de las

aislaciones eléctricas, evaluando su comportamiento frente a la recepción de Impulsos

o transitorios con frente brusco, de origen tanto atmosférico, como de maniobra.

TENSIONES DE IMPULSO

Las perturbaciones de la transmisión de energía eléctrica y los sistemas de distribución

son a menudo causados por dos tipos de tensiones transitorias cuyas amplitudes

pueden superar los valores máximos de la normal de corriente alterna la tensión de

funcionamiento.

El primer tipo son sobretensiones de origen atmosférico, originados por caídas de

rayos que golpean los hilos de fase de las líneas aéreas o las barras de conexión de

las subestaciones al aire libre.



La tasa de aumento de voltaje de una onda de viajar es en su origen directamente

proporcional a la pendiente de la corriente de rayo, que puede superar los 100 kA /

microsegundos, y los niveles de tensión puede ser simplemente calculado por la

corriente multiplicada por la impedancia efectiva de la línea.

Niveles de tensión demasiado altos son inmediatamente cortadas por la ruptura del

aislamiento y por lo tanto las ondas viajan con frentes de onda empinadas y aún más

pronunciadas colas de onda puede tensionar el aislamiento de los transformadores de

potencia o de otro equipo de alta tensión severamente.

El segundo tipo es causado por fenómenos de conmutación.

La tasa de aumento de tensión es generalmente más lenta, pero es bien sabido que la

forma de onda también puede ser muy peligrosa para los sistemas de aislamiento

diferentes, especialmente al aislamiento de aire de la atmósfera en sistemas de

transmisión con niveles de tensión superiores a 245 kV.

Las diversas normas nacionales e internacionales definir las tensiones de impulso

como un voltaje unidireccional que se eleva más o menos rápidamente a un valor

máximo y luego decrece de forma relativamente lenta a cero.

Según la norma IEC 60, se hace una distinción entre el relámpago y los impulsos de

conmutación de acuerdo al origen de los transitorios.

Las tensiones de impulso con una duración frontal variando desde menos de uno hasta

unas pocas decenas de microsegundos son, en general, consideradas como tipo

impulso.



Figura 2,23 (a) muestra la forma de una "completa" tensión de impulso de rayo, así

como bocetos para la misma tensión cortado en la cola (Fig. 2,23 (b)) o en la parte

frontal (Fig. 2,23 (c)), es decir, interrumpida por una descarga disruptiva.

Si bien las definiciones se indican claramente, se debe enfatizar que el O1 'origen virtual

"se define donde la línea AB corta el eje de tiempo. T1 El "tiempo frente ', de nuevo un

parámetro virtual, se define como 1,67 veces el intervalo T entre los instantes en que el

impulso es 30 por ciento y 90 por ciento del valor pico de los impulsos de rayos

completos o cortados

Para impulsos de corte de frente "tiempo de corte 'Tc es aproximadamente igual a T1.

La razón para definir el punto A a nivel de tensiones del 30 por ciento se pueden

encontrar en la mayoría de los registros de las tensiones de impulso medidos. Es muy

difícil obtener una pendiente suave en el aumento de tensión primero, como los

sistemas de medición, así como capacidades parásitas e inductancias pueden provocar

oscilaciones.

Para la mayoría de aplicaciones, el T1 frontal (virtual) el tiempo es 1,2 ms, y el tiempo

(virtual) para T2 medio valor de y es 50 ms. En general, las especificaciones permiten

una tolerancia de hasta un 30 por ciento para T1 y 20 por ciento para los T2. Dichas

tensiones de impulso se conoce como un impulso T1/T2, y por lo tanto el impulso 1.2/50

aceptada es la tensión de impulso de rayo estándar de hoy. Impulsos de rayos son por

lo tanto de muy corta duración, principalmente si se cortan en la parte frontal.



Figura 2,24 ilustra la pendiente de un impulso de conmutación. Considerando que el

tiempo medio para T2 se define de forma similar como antes, el tiempo hasta el pico Tp

es el intervalo de tiempo entre el origen actual y el instante en que la tensión ha

alcanzado su valor máximo. Esta definición podría ser criticada, ya que es difícil

establecer el valor de cresta real con gran precisión. Un parámetro adicional es por lo

tanto el tiempo Td, el tiempo en el 90 por ciento del valor de cresta. Las definiciones

diferentes en comparación con el tipo impulso se puede entender si la escala de tiempo

se destaca: el impulso de conmutación estándar tiene parámetros de tiempo

(incluyendo tolerancias) de:

T p=250 μs±20 %

T 2=2500 μs±60 %

Y por lo tanto se describe como un impulso 250/2500. Para la investigación

fundamental sobre la resistencia de aislamiento de espacios de aires largos u otros

aparatos, el tiempo hasta el pico tiene que ser variado entre aproximadamente 100 y

1.000 ms, como la fuerza de ruptura de los sistemas de aislamiento puede ser sensible

a la forma de onda de tensión.1



GENERADOR DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN

Generador de Impulsos de Tensión

Algunas de las tensiones más elevadas que se utilizan en la actualidad corresponden a

los impulsos transitorios producidos por los generadores de impulsos. Se han obtenidos

impulsos de 10 millones de volts mediante dos generadores de 5 millones de volts

cargados con polaridades opuestas.

La forma de onda de los impulsos suele tener un crecimiento rápido, seguido de una

disminución menos rápida hasta cero, viniendo dada la característica tensión-tiempo

por la ecuación siguiente:

v=A(e−mt+e−nt)

Las tres ondas de utilización normal en ensayos de laboratorio son la 0.5-5, la 1-10 y la

1.5-40. La primera cifra se refiere al tiempo, en microsegundos, necesario para

alcanzar el valor de cresta de la onda; la segunda cifre indica el tiempo, en

microsegundos, hasta alcanzar la mitad del valor de cresta en la cola de la onda. Las



tensiones de impulsos se usan para ensayar el comportamiento de los equipos

industriales frente a las sobretensiones atmosféricas y de maniobra.

GENERADORES DE IMPULSOS DE TENSIÓN SU APLICACIÓN EN ENSAYOS DE

TRANSFORMADORES

El esquema básico de los generadores de impulsos, fue originalmente propuesto por E.

Marx en 1924, constituyendo hasta la actualidad, la manera más común de generar

impulsos de alta tensión, para realizar aquellas pruebas en donde el nivel requerido, es

mucho más alto que el disponible en la fuente base.

Consiste en un cierto grupo de capacitores que se cargan en paralelo por medio de

rectificadores de alta tensión, a través de resistencias de carga. La descarga de estos

capacitores se realiza a través de espinterómetros de esferas, en un circuito serie que

incluye resistencias amortiguadoras de las oscilaciones.

La carga de los capacitores, y en consecuencia la tensión total del generador,

dependerá de la tensión sobre el rectificador, y su polaridad, de la posición del mismo.

El método más utilizado para provocar la descarga del generador, consiste en aplicar,

por medio de una fuente auxiliar, un breve impulso de tensión al electrodo central de un

espinterómetro de ignición, ubicado entre el primer y segundo grupo.

Iniciada la descarga, ésta se propagará a todos los espinterómetros de la cadena.

La base para la detección de anomalías sobre una muestra bajo ensayo, realizada

mediante el análisis comparativo de los registros en osciloscopios, se fundamenta en

que cuando un aislamiento falla al ser sometido a impulsos de tensión - como en el

caso de las pruebas a transformadores, cambiará también su impedancia.

Este cambio causará variaciones en la corriente de impulso que fluye a través del

devanado, y en la tensión media a través del mismo.



Debido a la complicada naturaleza del ensayo de impulso, y a las diferentes formas de

constructivas de los transformadores, los fabricantes han desarrollado a través de los

años, las más apropiadas técnicas de pruebas.

El propósito de ensayar un transformador con tensión de impulso, es el de simular su

uso en campo, y en el ensayo muchas veces se deben tener en cuenta los efectos de

las líneas, cables, generadores, pararrayos, etc. Más difícil aun, es determinar que

clase de descarga atmosférica va a recibir, y como esta descarga tenderá a comportar

en el sistema de distribución o de transmisión.

PRINCIPIO BASICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS (GI): 3

Los años de investigación han determinado que una sobre-tensión atmosférica se

puede representar como un impulso unidireccional de tensión, y obtenerse a partir de

los circuitos mostrados en la Figura A y B:

Analizando cualquiera de los dos circuitos, se obtiene que inicialmente el capacitor C1

(que representa al GI), es cargado con tensión continua Vo, y luego es súbitamente

descargado en un circuito formado por el capacitor C2 y las resistencias R1 y R2.

Este proceso de descarga se inicia en el instante en cual se establece un arco eléctrico

entre las esferas del espinterómetro SG, y la tensión es transferida a C2, que

representa al objeto bajo prueba.

La tensión de impulso en C2 tiene la forma:



vc2=V 0∗K∗(e−αt−e−βt)

Donde Vo es la tensión de carga de C1, K una constante que depende del circuito

seleccionado, y a y ÃY las raíces de la ecuación característica del sistema, cuyos

inversos son las constantes de tiempo del mismo.

Si los parámetros resistivos y capacitivos de la Figura 1 son constantes, y los valores

de a y ÃY de la expresión (1) son relativamente diferentes entre sí, entonces se pueden

analizar separadamente en dos circuitos:

Circuitos para el estudio de un GI

Considerando el circuito del frente de onda en el momento en que ocurre la descarga

entre las esferas del espinterómetro SG, el condensador C2 se carga con la constante

de tiempo T1:

−1β

=T1=R1

C1∗C2

C1+C2

Definida como el producto de la resistencia de frente R1 con la capacidad equivalente

serie de los dos condensadores C1 y C2. Generalmente, se asume que C1>>C2 por lo

que la relación se puede simplificar a:

T 1≅ R1∗C2



Que indica que la duración del frente de la onda de tensión en el condensador C2, es

directamente proporcional a la resistencia de frente R1, y a la capacidad del objeto de

prueba C2.

Haciendo un proceso análogo en el circuito decola, en el instante en el cual la

transferencia de carga de C1 a C2 es cero (debido a una redistribución de la carga

eléctrica entre ambos), los condensadores se descargan en la resistencia R2, con una

constante de tiempo T2 igual a:

−1α

=T2=R2(C1+C2)

Y simplificando con la suposición C1>>C2, se tiene:

T 2≅ R2∗C1

Que depende proporcionalmente de la resistencia de cola R2 y la capacidad C1.

Es importante señalar que conociendo los valores de C1, C2, T1 y T2 es posible

establecer en una primera aproximación, los valores necesarios de R1 y R2, para

obtener la forma de onda de tensión de impulso en el objeto bajo prueba,

Igualmente, existen otras ecuaciones validas que permiten determinar de manera muy

aproximada los tiempos de frente y cola.

Entonces siguiendo el análisis del circuito B de la Figura 1, podemos señalar que el

tiempo (tiempo de frente) que tarda en cargar C2 a través de R1 será

aproximadamente:

t 1=3∗R1∗C1∗C2

C1+C2

=3∗R1∗C e

Si R1 esta expresada en Ω y Ce en μF, t1 se obtiene en μseg.



De igual manera para determinar el tiempo de cola tenemos que tanto la capacitancia

C1y

C2 son descargadas a través de R1y R2 por lo que tenemos que el tiempo al 50% de la

descarga es aproximadamente:

t 2=0.7 (R1+R2 )∗(C1+C2)

GENERADOR BÁSICO

GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS

A continuación se muestra dos circuitos tipo para la generación de impulsos. Estas

figuras muestran dos posibles combinaciones del circuito a analizar.

Fig_1

Fig_2



Antes se debe mencionar que el principal valor del generador es la máxima energía

acumulada por el generador en el interior del condensador C1 y viene dada por:

W=12∗C1∗(V 0 MAX)

2

Como C1 es mayor a C2 el primero determina el costo del generador.

Para el análisis se utiliza la transformada de Laplace, el modelo para la transformada

se representa a continuación

Para t ≤ 0, C1 está cargado a V0 y para t > 0 este condensador está directamente

conectado a la red.

Para el circuito anterior la expresión viene dada por:

V (s )=

V 0

s∗Z2

Z1+Z2



Donde,

Z1=1

C1 s+R1

Z2=

R2

C2 s

R2+1

C2 s

Reemplazando se encuentra la expresión para la tensión de salida del circuito la cual

está definida en como:

V (s )=

V 0

k∗1

s2+as+b

a=( 1R1C1

+ 1R1C2

+ 1R2C2

)

b=( 1R1 R2C1C2

)

k=R1C2

Y para la fig_2,se tienen las siguientes constantes:

a=( 1R1C1

+ 1R1C2

+ 1R2C1

)

b=( 1R1 R2C1C2

)

k=R1C2



Entonces, para ambos circuitos se obtiene la siguiente transformada en el dominio del

tiempo

V ( t )=

V 0

k∗1

(∝2−∝1 )∗[e−∝1 t−e−∝2 t ]

Donde ∝2 y ∝1 son las raíces de la ecuación s2+as+b=0.

∝1 ,∝2=a2±√( a

2)

2

−b

Por tanto la tensión de salida es la superponían de dos funciones exponenciales de

diferentes signos. La raíz negativa conduce a una mayor constante de tiempo 1∝1

, que

la positiva, que es 1∝2

. La figura demuestra la posibilidad de generar ambos tipos de

tensiones de impulso con estos circuitos.



Aunque se podría asumir que ambos circuitos son equivalentes, una gran diferencia

ocurre si la eficiencia es calculada. La eficiencia es definida como: ɳ=V p

V 0, donde V p es

el valor del pico de la tensión de salida. Este puede ser calculado encontrando

dV (t)dt

=0; esta vez el valor de pico está dado por:

tmax=ln (∝2/∝1)∝2−∝1

K= R1∗C2

Y sustituyendo en la ecuación V (t), tenemos:

ɳ=(α2 /∝1)

−[(α 2

∝1

−∝1)]

−(α 2/∝1)−[(

α1

∝2

−∝1)]

k (α 2−∝1)

Dado que la forma de impulso T1/T2 o Tp/T2 de la tensiones de impulsos, los valores de

∝1 y α 2 deben ser iguales. Debemos primero calcular este término para el circuito fig_2

de los circuitos de los generadores básicos el cual tiene siempre una más alta

eficiencia para un radio dado de C2

C1, como durante la descarga los resistores R1 y R2 no

forman un sistema de división de tensión. El producto R1C2 es encontrado de acuerdo a

las ecuaciones,

α 2∗∝1=b

α 2+∝1=a

Y reemplazando las anteriores ecuaciones al valor de k se obtiene:



k=R1C2=12 (α2+∝1

α2∗∝1)[1−√1−4

α 2∗∝1

(α2+∝1 )2(1+

C2

C1

)]

Para C2≤ C1, que se realiza para todos los circuitos básicos, y con α 2>>∝1 para todas

las formas de ondas normalizadas, se puede simplificar la ecuación como:

k ≅1+

C2

C1

(α2+∝1)

Y la sustitución de la ecuación anterior en de la eficiencia finalmente resulta en :

ɳ= 1

1+C2

C1

SI nuevamente la desigualdad ∝2≫∝1 se toma en cuenta. La eficiencia de tensión en

este circuito es por tanto de elevación continua , si C2

C1 decrece a cero. La ultima

ecuación indica la razón por qué la descarga de la capacitancia C1 debe ser mucho

mas grande que la C2.

El circuito de la fig_1 es menos favorable . El cálculo de la eficiencia puede ser basado

en la sustitución de ∝1 y∝2 en la ecuación de la eficiencia desde el hallazgo de las

raices y el tratamiento del radio R1

R2

=f (C2

C1

), que incrementa fuertemente con el

decremento de C2

C1 . Con menor aproximanciones y la desigualdad ∝2≫∝1se puede

encontrar el resultado

ɳ≌C1

(C1+C2)¿¿



La comparación de las eficiencias muestra que el decremento de ɳ debido aun factor

adicional. Como el radio R1

R2 es dependiente de la forma de la onda, la dependencia

simple C2

C1 solo es perdido. Para 1.2/50μs impulso y un impulso similar de tensión el

rapido incremento de R1

R2 conduce a un decremnto deɳ para

C2

C1

⪅0.1; Por tabnto la

eficiencia se mueve a traves de un optimo valor y se decrementa por algo C2

C1 asi como

los valores de circuito. Aguien podria incluso mostrar que para pequeñas C2

C1 los radios

de este ciruito podrian fallar en algun momento del trabajo.

En la práctica, ambos circuitos se utilizan. Si el resistor de H.V. son localizados en

paralelo al objeto de prueba, su valor de resistencia puede contribuir a descargar el

circuito,. El resistor de frente R1 es a menudo subdividido principalmente en los

generadores de etapas múltiples tratados más adelante. Sin embargo, la dependencia

de los factores de eficiencia de tensión se muestra en la figura, para el standart de la

tensión de impulso 1.2/50 usec como bien como esta en otras formas de onda



CIRCUITOS MULTIPLICADORES DE MARX

El circuito del generador de impulsos de Marx multiplica la tensión de la fuente de

potencia mediante la carga de condensadores en paralelo y la descarga de los mismos

en serie. En el circuito típico del generador de impulsos de Marx (de 4 etapas) se utiliza

corriente alterna rectificada mediante válvulas de vacío hallándose conectados a tierra

uno de los terminales del objeto sometido a ensayo y uno de los terminales de

transformador. Primeramente, los condensadores se cargan en paralelo a través de la

resistencia R de carga, conectándose después en serie y descargándose sobre el

elemento sometido a prueba mediante al descarga disruptiva simultanea de los

descargadores de esferas G. El impulso se produce al inyectar una tensión iniciadora

suficiente para provocar la descarga en el electrodo central del descargador de tres

electrodos situado entre los primeros grupos de condensadores. Para obtener el

aislamiento acumulativo de los grupos de condensadores se procede al montaje de los

elementos sobre una estructura a base de porcelana y de madera en forma de

escaleras o en forma helicoidal ascendente.2



Circuito básico de 6 etapas de un generador Marx

La selección de los niveles de tensión de los generadores de impulsos, es

extremadamente importante.

Sin una tensión no es suficientemente alta, la falla no se descompondrá, y con

demasiada tensión, el cable puede ser dañado. Si la falla no se descompone, no habrá

ningún ruido que la identifique y la ubique con exactitud. Un factor muy importante, es

que el pulso de tensión se duplicará en amplitud de pico a pico en un cable abierto no

fallado, al reflejarse desde el extremo abierto aislado. Esto también se aplica si el cable

está fallado, pero la duplicación de tensión solo ocurre entre la falla y el extremo abierto

del cable.

Esto se reduce a que si el operador está usando 15 kV de tensión de prueba, las

secciones mencionadas anteriormente, estarían expuestas a una onda de choque de

15 kV pico a pico, o sea 30 kV.3



Bibliografíax

[1] E. Kuffel, W. Zaengl, and Jhon Kuffel, High Voltage Engineering Fundamentals, Segunda ed. Great Britain, 2000.

[2] Donald M. Fink, H.Wayne Leaty, and John carroll, Manual Practico de electricidad para ingenieros. espana: Reverte, 1984.

[3] Inducor. (2008) www.inducor.com.ar. [Online]. http://www.inducor.com.ar/articulostecnicos/localizacion_de_fallas_parte3.pdf

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http://www.inducor.com.ar/articulostecnicos/localizacion_de_fallas_parte3.pdf

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