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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO - CHILE
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
PARA DIVERSAS APLICACIONES
JOSÉ LUIS BRAVO CARRASCO
INFORME FINAL DEL PROYECTO
PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO
DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR
AL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO ELÉCTRICO
Septiembre 2005
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
PARA DIVERSAS APLICACIONES
INFORME FINAL
Presentado en cumplimiento de los requisitos
para optar al título profesional de
Ingeniero Eléctrico
otorgado por la
Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
José Luis Bravo Carrasco
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero Profesor Correferente Sr. René Sanhueza Robles Profesor Correferente Sr. Reynaldo Ramos Astudillo
Septiembre 2005
ACTA DE APROBACIÓN
La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entre el primer semestre de 2004 y el segundo semestre de 2004, y denominado
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
PARA DIVERSAS APLICACIONES
Presentado por el Señor
José Luis Bravo Carrasco
Domingo Ruiz Caballero
Profesor Guía
Reynaldo Ramos Astudillo
Segundo Revisor
Raimundo Villarroel Valencia
Secretario Académico
Valparaíso, Septiembre 2005
Agradezco a Dios por la maravillosa familia que me regaló y en especial a mis Padres Luis y Diamantina por todo el apoyo, esfuerzo, dedicación y confianza que tuvieron durante todo este tiempo. Este trabajo está dedicado a Ellos.
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
PARA DIVERSAS APLICACIONES
José Luis Bravo Carrasco
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero
RESUMEN
En el presente trabajo se analizarán distintas formas de generar
impulsos de alta tensión para distintas aplicaciones. Es así como se estudiará
dos circuitos en particular para el encendido de lámparas de descarga y se
nombrarán algunas normas aplicables a las lámparas de alta presión, no
entrando mucho en este tema, sólo a modo demostrativo.
En una primera parte se estudiarán las normas que se deben aplicar al
momento de realizar ensayos de alta tensión. Estas normas, y en particular la
norma “Standard Techniques for High Voltaje Testing”, debe ser aplicada a
cualquier equipo, elemento o aparato eléctrico o con fines eléctricos en el cual
debe existir un mínimo de seguridad principalmente debido a los altos niveles de
tensión en el que ellos trabajan. Así también la norma específica para aisladores
de potencia, que se aplica para poder determinar si estos elementos de aislación
cumplen con los niveles de seguridad exigidos.
Además, se estudia la forma de generar impulsos de alta energía y que
simulan descargas atmosféricas y transitorios de maniobra en los sistemas
eléctricos de potencia, principalmente el generador de impulsos tipo Marx.
Finalmente, se estudió la adquisición de equipos de esta naturaleza.
ÍNDICE
Pág. INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 1 NORMAS TÉCNICAS PARA ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN 2 1.1 NORMA ANSI 4-1982 1.1.1 Definiciones Generales 2 1.1.1.1 Impulso 2 1.1.1.2 Tensión de Descarga Disruptiva 2 1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva 2 1.1.1.4 Tensión de Descarga Disruptiva de 50% 3 1.1.2 Requerimientos Generales Relativos a Procedimientos de Prueba y Objetos a Testear 3 1.1.2.1 Ensayo en Seco 3 1.1.2.2 Ensayos en Elementos Húmedos 3 1.1.2.3 Prueba de Contaminación Artificial 3 1.1.3 Condiciones Atmosféricas 4 1.1.3.1 Factores de Corrección Atmosférica 4 1.1.3.2 Referencia Atmosférica 4 1.1.3.3 Obtención de Presión 4 1.1.3.4 Factor de Corrección de Humedad y Factor de Corrección del Aire 5 1.1.4 Ensayo con Tensión de Impulso Tipo Rayo 7 1.1.4.1 Definiciones de Aplicación General 7 1.1.4.2 Tensiones de Prueba 10 1.1.4.3 Procedimientos para las Pruebas 10 1.1.4.4 Determinación de la Tensión de 50% 12 1.1.5 Ensayos con Tensiones de Impulso 13 1.1.5.1 Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra 13 1.1.5.2 Tiempo del 90% 14 1.1.5.3 Tiempo de Corte 14 1.1.6 Tensiones de Prueba 14 1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado 14 1.1.6.2 Impulsos especiales 15 1.1.6.3 Tolerancias 15 1.1.6.4 Generalidades 15 1.1.7 Observaciones 15 1.2 NORMA C29.1-1988 16 1.2.1 Generalidades 16 1.2.2 Definiciones 16 1.2.2.1 Aislador 16 1.2.2.2 Carcaza 17
1.2.2.3 Aislador con Pasador 17 1.2.2.4 Aislador de Poste 17 1.2.2.5 Generalidades sobre las Definiciones 17 1.2.3 Tensión de Impulso 18 1.2.3.1 Tensión de Impulso de Contorneo 18 1.2.3.2 Tensión de Impulso Crítica de Contorneo 18 1.2.3.3 Tensión de Resistencia al Impulso 18 1.2.4 Montaje de la Probeta para Pruebas Eléctricas 18 1.2.4.1 Aisladores de suspensión 18 1.2.4.2 Aisladores de Aparato 19 1.2.4.3 Observaciones 20 1.2.5 Ensayos Eléctricos 20 1.2.5.1 Condiciones Normalizadas 20 1.2.5.2 Humedad 21 1.2.5.3 Densidad del Aire 22 1.2.6 Ensayos con Impulsos de Tensión 22 1.2.6.1 General 22 1.2.6.2 Montaje 22 1.2.6.3 Ondas de Tensión de Impulsos 23 1.2.6.4 Valor de Tensión Crítica de Contorneo 23 1.2.7 Ensayo de Perforación 23 1.2.7.1 Montaje 23 1.2.7.2 Aplicación de Tensión 23 CAPÍTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LÁMPARAS DE DESCARGA 25 2.1 INTRODUCCIÓN 25 2.2 MODELO DE UNA LÁMPARA 28 2.3 NORMAS Y CARACTERÍSTICAS 30 2.4 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE LÁMPARAS PHILIPS DE SODIO 31 2.5 CIRCUITO PARA EL ENCENDIDO DE LÁMPARAS 32 2.5.1 Circuito en Derivación 32 2.5.2 Circuito para Lámparas de Haluros Metálicos 36 2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lámparas de Haluros Metálicos 38 CAPÍTULO 3 GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN 42 3.1 INTRODUCCIÓN 42 3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS 43 3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO 47 3.4 SIMULACIÓN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA 48 3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE “N” ETAPAS (MARX) 50
3.6 SIMULACIÓN GENERADOR MARX 53 CAPÍTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA 58 4.1 INTRODUCCIÓN 58 4.2 APLICACIÓN 58 4.2.1 Generalidades 58 4.2.2 Características Principales 59 4.2.3 Rango de Operación 60 4.2.4 Condiciones Ambientales 60 4.2.5 Intervalo entre Impulsos 61 4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagnética 61 4.3 CARACTERÍSTICAS 65 4.4 SIMULACIÓN GENERADOR HAEFELY 67 4.5 OTROS DISPOSITIVOS 72 4.5.1 Malla a Tierra 72 4.5.2 Reja de Seguridad 72 4.5.3 Interruptor de Emergencia 73 4.5.4 Malla de Faraday 73 CAPÍTULO 5 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO 74 5.1 INTRODUCCIÓN 74 5.1.1 Costo FOB 74 5.1.2 Costo CIF 74 5.2 COSTO DE ADQUISICIÓN GENERADOR MARX HAEFELY 75 5.3 COSTO DE ADQUISICIÓN KIT A.T. HAEFELY 76 5.4 EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN 78 5.5 CONCLUSIONES 82 APÉNDICE A CURVAS PARA EL CÁLCULO DE FACTORES DE CORRECCIÓN A2 APÉNDICE B SIMULACIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY B2 APÉNDICE C EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN C2
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1-1 Exponentes para corrección atmosférica 6
Fig. 1-2 Impulso Competo 8
Fig. 1-3 Impulso cortado 9
Fig. 2-1 Esquema de una lámpara de descarga 25
Fig. 2-2 Estados energéticos en radiación 26
Fig. 2-3 Esquema de radiación 27
Fig. 2-4 Ejemplo de espectro de una lámpara de descarga 27
Fig. 2-5 Modelo lámpara de descarga [9] 28
Fig. 2-6 Simulación modelo lámpara de descarga 29
Fig. 2-7 Característica Tensión Corriente 29
Fig. 2-8 Representación de tiempos normalizados 30
Fig. 2-9 Esquema de circuito en derivación 33
Fig. 2-10 Circuito de ignición en derivación 35
Fig. 2-11 Tensión de ignición en la lámpara 35
Fig. 2-12 Detalle del impulso de encendido 36
Fig. 2-13 Circuito para lámparas de haluros metálicos 37
Fig. 2-14 Circuito Simulado 38
Fig. 2-15 Tensión en el interruptor 39
Fig. 2-16 Tensión en el condensador C3 39
Fig. 2-17 Tensión en la bobina L1 40
Fig. 2-18 Tensión de ignición a los 25 ms y 45 ms 40
Fig. 2-19 Detalle del impulso de ignición 41
Fig. 3-1 Circuito nº 1 de generación de impulsos 43
Fig. 3-2 Circuito nº 2 de generación de impulsos 43
Fig. 3-3 Transformada de Laplace 44
Fig. 3-4 Rendimiento del generador 46
Fig. 3-5 Circuito generador de impulsos 49
Fig. 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso 49
Fig. 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso 50
Fig. 3-8 Generador de impulsos tipo Marx 51
Fig. 3-9 Generador Marx de 4 etapas 54
Fig. 3-10 Tensión en los condensadores de etapa 54
Fig. 3-11 Tensión de salida del generador (impulso) 55
Fig. 3-12 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de frente 55
Fig. 3-13 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de cola 56
Fig. 4-1 Esquema del generador Haefely 63
Fig. 4-2 Esquema de elevación de trabajo 64
Fig. 4-3 Esquema del plano de trabajo 64
Fig. 4-4 Esquema conexión Alta Tensión 66
Fig. 4-5 Distribución de capacitancias 67
Fig. 4-6 Unidad de carga 68
Fig. 4-7 Salida Alta tensión del generador 69
Fig. 4-8 Detalle de 2 etapas del generador 70
Fig. 4-9 Tensión en la probeta 70
Fig. 4-10 Frente de la carga 71
Fig. 4-11 Detalle de la carga del generador 71
Fig. A-1 Curva para corrección de humedad A2
Fig. A-2 Curva para el factor de corrección de presión A3
Fig. A-3 Curva para la corrección de humedad norma C29.1 A4
Fig. A-4 Curva para el cálculo de m y n A5
Fig. A-5 Ejemplo de curva de probabilidad para el cálculo de CFO A5
Fig. B-1 Circuito equivalente para generación AC, 1 etapa B2
Fig. B-2 Tensión en la probeta B3
Fig. B-3 Corriente en el transformador B3
Fig. B-4 Generación AT alterna, 2 etapas B4
Fig. B-5 Tensión AC, 2 etapas B4
Fig. B-6 Corriente transformador AC, 2 etapas B5
Fig. B-7 Circuito AT DC, 1 etapa B5
Fig. B-8 Tensión en la carga, DC, 1 etapa B6
Fig. B-9 Generador de impulsos 1 etapa B7
Fig. B-10 Impulso con carga de 7 nF, 1 etapa B7
Fig. B-11 Generador de impulsos, 2 etapas B8
Fig. B-12 Impulso a carga máxima, 2 etapas B8
Fig. B-13 Generación de impulsos, 3 etapas B9
Fig. B-14 Impulso a carga máxima, 3 etapas B9
Fig. C-1 Carta Gantt del proyecto C3
Fig. C-2 Detalle del desarrollo del proyecto C4
Fig. C-3 Recursos utilizados C4
Fig. C-4 Detalle calendario del ensayo C5
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1-1 Aplicación de factores de corrección atmosférica 6
Tabla 3-1 Corrientes para el cálculo del generador 47
Tabla 4-1 Características del generador 62
Tabla 4-2 Datos de dimensionamiento 65
Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800 75
Tabla 5-2 Costo Kit A.T. Haefely 77
Tabla 5-3 Valores económicos utilizados 79
INTRODUCCIÓN
A medida que los sistemas eléctricos fueron aumentando su capacidad,
se comenzó a necesitar el transporte de la energía entre dos puntos distantes
varios kilómetros uno del otro. Todo ingeniero eléctrico sabe que para disminuir
las pérdidas de energía, es necesario transportar ésta en alta tensión. Es en este
punto que comienza a aparecer la necesidad de dominar un área que no se
había desarrollado mayormente, la técnica de la alta tensión, de manera de
asegurar el suministro eléctrico a ciudades y grandes clientes para garantizar un
desarrollo económico en los países.
De la misma forma otra área que se fue desarrollando rápidamente fue
la del alumbrado, naciendo la luminotecnia, y con ella una gama muy amplia de
alternativas para generar energía lumínica.
Con la llegada de las lámparas de descarga y la necesidad de producir
descargas de alta energía controlada, comienza a desarrollarse, de manera
independiente, el estudio de impulsos de alta tensión para una amplia gama de
alternativas. Es así como se tienen impulsos para: el encendido de motores de
combustión interna, el encendido de lámparas de descarga, la simulación de
descargas atmosféricas, la simulación de transitorios de maniobra, etc.
En este trabajo se analizarán alternativas para producir este tipo de
fenómeno, lograr su desarrollo de manera controlada y su normalización a nivel
internacional.
CAPÍTULO 1 NORMAS TÉCNICAS PARA LOS ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
1.1 NORMA ANSI 4-1982
1.1.1 Definiciones Generales
1.1.1.1 Impulso
Un impulso es un transitorio aperiódico de tensión o corriente aplicado
intencionalmente, el cual usualmente tiene rápidos levantamientos a tensión
máxima para luego caer a cero en forma más lenta. Dentro de los impulsos se
diferencian los impulsos tipo rayo y tipo maniobra los cuales difieren
especialmente por los tiempos de duración.
1.1.1.2 Tensión de Descarga Disruptiva
Para las distintas formas de alta tensión la tensión de descarga disruptiva se
refiere al valor de la tensión causante de la descarga disruptiva, dicho de otra
forma el valor al cual se produjo el rompimiento del dieléctrico en prueba.
1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva (p)
Se define como la probabilidad que, aplicando un cierto nivel de tensión, se
produzca la descarga disruptiva en el aislante en prueba.
1.1.1.4 Tensión de Descarga Disruptiva del 50 %
Se refiere al nivel de tensión aplicado en el cual existe un 50% de probabilidades
que se produzca descarga disruptiva en el objeto de prueba.
1.1.2 Requerimientos generales relativos a procedimientos de prueba y objetos
a testear
1.1.2.1 Ensayos en Seco
Para ensayos realizados en elementos que se encuentren secos su superficie,
en general, debe estar seca y limpia.
1.1.2.2 Ensayos con Elementos Húmedos
Se utiliza este tipo de ensayos para simular el efecto de la lluvia en los objetos
de prueba, se aplica en general a objetos que trabajan a la intemperie.
1.1.2.3 Prueba de contaminación artificial
Este tipo de ensayo se utiliza para testear objetos que trabajan normalmente a la
intemperie y como la contaminación normal de servicio puede afectarlos. Esta
norma no se refiere a algún tipo de contaminación en particular, ensayo en cuyo
caso debe ser presentado en forma particular.
1.1.3 Condiciones Atmosféricas
1.1.3.1 Factores de Corrección Atmosférica
La probabilidad de ruptura en objetos a la intemperie depende de las
condiciones atmosféricas existentes al momento del ensayo. Generalmente los
valores de variación están dados por la densidad del aire o la humedad.
Sobretodo cuando la humedad supera el 80% la tensión de “flashover” disminuye
en la superficie de los aisladores. Existen 2 factores de corrección para los
ensayos, ellos son: densidad del aire (Kd) y humedad (kh). La descarga
disruptiva es proporcional a Kd/ kh.
1.1.3.2 Referencia Atmosférica
Los valores normalizados para el ambiente son los siguientes:
Temperatura: To=20º C
Presión: Po=101.3 Pa (760 mmHg)
Humedad: 11 (g) de H2O por m3
1.1.3.3 Obtención de Presión
Para obtener los valores de presión se deben aplicar la siguiente ecuación:
760
)*10*18.11(**10*1013 45 tHp −= (1-1)
donde:
H: altura de un barómetro de mercurio
t= temperatura ambiente al momento del ensayo.
1.1.3.4 Factor de Corrección de Humedad y Factor de Corrección del Aire
Factor de corrección del aire viene dador por:
0273( ) ( )273
m nd
o
tpkp t
+= ⋅
+ (1-2)
donde:
p = presión atmosférica bajo condiciones de prueba.
t = temperatura en ºC bajo condiciones de prueba.
Similarmente el factor de corrección de humedad viene dado por:
wh kk )(= (1-3)
Los factores w, m y n que se utilizan en el cálculo de las ecuaciones 1-2 y 1-3,
son calculadas con la figura 1.1 y la tabla 1-1. Además se debe utilizar la curva
de la figura A-1 del apéndice correspondiente.
Figura 1-1 Exponentes para corrección atmosférica
Tabla 1-1 Aplicación de factores de corrección atmosférica
Correccción
Aire Humedad
Tipo de
Tensión
Forma
electrodo Polaridad
Exponentes
m y n Factor h
Exponente
w
+ 0
- 0
+ 1.0
- 1.0
+ 1.0
Tensión
Continua
-
1.0 Ver Fig A-4
Curva b
0
∼
∼ 1.0
0
∼
Tensión
Alterna
∼ Ver Fig 1-1
Ver Fig A-4
Curva a Ver Fig. 1-1
m, n, w
0
0.5
1
5 10 d (m)
Continuación Tabla 1-1
Corrección
Aire Humedad
Tipo de
Tensión
Forma
electrodo Polaridad
Exponentes
m y n Factor h
Exponente
w
+
- 0
+ 1.0
- 1.8
+ 1.0
Tensión
Impulso
Rayo
-
1.0 Ver Fig A-4
Curva b
0
+
-
1.0
1.0 0
+ Ver Fig. 1-1
-
Ver Fig 1-1
0* 0*
+ Ver Fig. 1-1
Tensión
Impulso
Maniobra
-
Ver Fig. 1-1
0*
Ver Fig A-4
Curva b
0*
1.1.4 Ensayo con Tensión de Impulso Tipo Rayo.
1.1.4.1 Definiciones de Aplicación General.
1.1.4.1.1 Impulso Completo
El impulso tipo rayo es aquel tipo de transiente de tensión que no está
interrumpido por una descarga disruptiva.
Este impulso está representado en la figura 1-2.
Figura 1-2 Impulso completo
1.1.4.1.2 Impulso Cortado
Impulso Cortado es aquel tipo de impulso que está interrumpido por una
descarga disruptiva causando un rápido colapso de la tensión, prácticamente a
valores cercanos a cero. Este colapso puede ocurrir en el frente, cresta o cola
del impulso.
En la figura 1-3 se puede apreciar esquemáticamente el detalle de un impulso
cortado por una descarga disruptiva en el frente del transitorio.
Figura 1-3 Impulso cortado
1.1.4.1.3 Tiempo virtual de frente(T1)
Es aquel espacio de tiempo que está definido como 1,67 veces el intervalo de
tiempo T entre el momento que el impulso va desde el 30 al 90 % del valor de
cresta. Si se producen oscilaciones se debe tomar el tiempo de la media de las
oscilaciones.
1.1.4.1.4 Origen virtual (O1) el origen virtual equivale a 0,3 del tiempo virtual de frente.
1.1.4.1.5 Tiempo virtual de medio valor (T2)
Es el intervalo de tiempo entre el origen virtual (O1) y el tiempo en el cual la
tensión a descendido hasta el 50% del valor de la cresta.
1.1.4.2 Tensiones de Prueba
1.1.4.2.1 Impulso tipo rayo normalizado El impulso tipo rayo normalizado es aquel que tiene un tiempo virtual de frente
igual a 1.2 us y un tiempo virtual de medio valor de 50 us.
Tolerancias:
Valores de cresta ± 5%
Tiempo de frente ±30%
Tiempo de Cola ±20%
El nivel de oscilaciones permitido es tal que éstas no exceden del valor de cresta
en un 5%, para tiempos superiores al tiempo virtual de medio valor se permiten
oscilaciones de hasta un 25% en el valor normalizado.
1.1.4.3 Procedimientos para las pruebas
Los procedimientos aplicables para tipos particulares de objetos, por ejemplo, la
polaridad a ser usada, el orden de aplicación, los intervalos entre aplicaciones, el
número de aplicaciones deben ser especificados para cada aparato que será
sometido a los ensayos y según distintos factores como la aproximación
requerida en los resultados, la naturaleza aleatoria de los fenómenos
observados, las características medidas y finalmente la probabilidad de deterioro
progresivo producto de la aplicación de altas tensiones.
Distintos métodos para hacer los ensayos se describen a continuación y según el
tipo de objeto que se examinará.
1.1.4.3.1 Ensayo de Resistencia en Aislamiento sin Capacidad de Auto-
restablecerse
Se aplican 3 impulsos en el nivel de tensión requerida según forma y polaridad
del impulso. El aparato es aprobado si no hay, durante la aplicación de la
prueba, indicios de falla usando métodos de detección estandarizados por el
fabricante.
1.1.4.3.2 Ensayo de Resistencia en Aislamiento con Capacidad de Auto-
restablecerse
Existen 3 formas de hacer este ensayo:
Primero. Se aplican 15 impulsos, a nivel de tensión de prueba según aspectos
técnicos. Se satisface la prueba cuando no ocurren más de 2 descargas
disruptivas.
Segundo: Se aplican 3 impulsos y en ninguno de los ensayos debe producirse
descarga disruptiva, si se produjese más de una falla disruptiva el aparato es
considerado en falla. Si se produce 1 descarga disruptiva se aplican 3 nuevos
impulsos, si en ninguno de ellos se produce descarga disruptiva el aparato pasa
la prueba.
En este caso se aplica la técnica del 50% de descargas disruptivas, el test es
satisfactorio si la tensión determinada es menor que
( )σ3.111
%50 −≤V (1-4)
donde σ = desviación estándar en p.u. de la tensión de descarga disruptiva. El
siguiente valor pueden ser utilizado para aislamiento de aire:
impulso rayo σ =0.03.
1.1.4.4 Determinación de la Tensión de 50%
1.1.4.4.1 Método Múltiple Nivel
Se aplican al menos 10 impulsos en distintos niveles de tensión, donde la
variación de tensión comienza al 3% de la tensión del 50% esperada.
El valor de tensión del 50% es encontrado de una curva de probabilidad de
descarga disruptiva versus probabilidad de tensión de prueba. La aproximación
de la determinación de este valor aumenta con el número de aplicaciones de
tensión, pero en general no se necesitan más de 20 aplicaciones en cada nivel.
1.1.4.4.2 Método Up and Down
Una tensión Vk es elegida, la cual puede ser un 50% del nivel de tensión de
descarga disruptiva esperado. Se toma además una variación de tensión δV
igual al 3% de Vk.
La prueba comienza con la aplicación de un impulso con nivel de tensión Vk, si
este no causa una descarga disruptiva se somete a una nueva tensión igual a
Vk+δV, si este produce descarga disruptiva entonces se hace la prueba con Vk-
δV. Este procedimiento se continúa un número suficiente de veces y se cuenta
el número de impulsos aplicado, desde donde se obtiene que:
∑∑=
v
vv
nVn
V %50 (1-5)
Si no se está conforme con los resultados se deben aplicar más impulsos; Sin
embargo, no se deben aplicar más de 40 impulsos ni menos de 20. Además, si
es necesario y la desviación estándar es muy pequeña se puede cambiar el valor
de δV.
1.1.5 Ensayos con Tensiones de Impulso Tipo Maniobra
1.1.5.1 Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra
1.1.5.1.1 Impulso Tipo Maniobra
El impulso tipo maniobra está definido en la sección 1.1.6.1 de este documento.
1.1.5.1.2 Tiempo a Cresta (Tcr)
El tiempo a cresta de un impulso tipo maniobra se define como el
intervalo entre el origen actual y el instante en el cual la tensión del impulso
alcanza su valor máximo.
1.1.5.1.3 Tiempo Virtual de Medio Valor (T2)
El tiempo virtual de medio valor para un impulso tipo maniobra es el intervalo de
tiempo entre el origen actual y el instante en que la caída del impulso llega a la
mitad del valor de la tensión de cresta o tensión máxima.
1.1.5.2 Tiempo del 90% (Td)
El tiempo del 90% es el intervalo de tiempo durante el cual la tensión
del impulso excede el 90% del valor de cresta o valor máximo.
1.1.5.3 Tiempo de Corte (Tc)
El tiempo de corte de un impulso tipo maniobra es el intervalo de tiempo entre el
origen actual y el instante en el cual se produce el colapso de la tensión o corte
del impulso.
1.1.6 Tensiones de Prueba
1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado
El impulso tipo maniobra normalizado es un impulso que tiene un tiempo a cresta
Tcr de 250 us y un tiempo de medio valor T2 de 2500 us. Este tipo de impulso se
representa como impulso 250/2500.
1.1.6.2 Impulsos Especiales
Cuando los requerimientos del ensayo no están satisfechos con un impulso tipo
maniobra normalizado se pueden hacer los ensayos con impulsos 100/2500 y
500/2500.
1.1.6.3 Tolerancias
Si el aparato que está siendo sometido a ensayo no requiere otros valores
especificados, son aceptadas las siguientes diferencias en los valores
normalizados.
Valor Cresta ± 3%
Tiempo a Cresta ± 20%
Tiempo de Medio Valor ± 60%
En caso que en algún ensayo en particular y debido a características del ensayo,
los valores arriba descritos pueden ser modificados dentro de parámetros
establecidos, y según fabricante.
1.1.6.4 Generalidades
En el caso de cálculos, determinación de valores, etc Se deben aplicar los
sistemas de cálculo y aproximación descritos en esta norma.
1.1.7 Observaciones
Existen, además de los puntos antes descritos, una serie de información mucho
más elaborada que da a conocer esta norma, sin embargo los puntos mostrados
anteriormente representan la información necesaria para el desarrollo del
proyecto.
Las curvas referidas a la sección 1.3 de este documento se encuentran en el
apéndice A.
1.2 NORMA C29.1-1988
1.2.1 Generalidades
La norma se divide en cinco partes:
Ámbito.
Definiciones.
Montaje de la muestra para pruebas eléctricas.
Pruebas eléctricas.
Pruebas mecánicas.
Pruebas de Galvanización.
Rutinas en los ensayos.
Por el interés de este proyecto solo se estudiarán los procedimientos
de los ensayos eléctricos y específicamente los ensayos con impulso que regula
esta norma
1.2.2 Definiciones
1.2.2.1 Aislador
Un aislador es un dispositivo proyectado para dar un soporte flexible o
rígido a conductores y equipamiento eléctrico y para aislar esos conductores o
equipamientos de tierra, otros conductores o equipamientos.
Un aislador comprende una o más partes aislantes las cuales
conectan dispositivos que están, en la mayoría de los casos, permanentemente
conectados.
1.2.2.2 Carcaza
La carcaza es una parte constituyente de un aislador, la cual está
formada por una manta o mantas de material aislante sin conexión a otros
dispositivos.
1.2.2.3 Aislador con Pasador
Un aislador con pasador es una aislador que tiene un pasador para
montaje rígido a través de éste.
1.2.2.4 Aislador de Poste
El aislador de poste es un aislador para montaje en una columna, que
tiene medios para ensamble directo o rígido.
1.2.2.5 Generalidades Sobre las Definiciones
Además de las definiciones anteriores existen otras más específicas,
pero que no serán incluidas dentro de este documento porque no aportan
mayores datos al trabajo de proyecto.
1.2.3 Tensiones de Impulso
1.2.3.1 Tensión de Impulso de Contorneo.
Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa
contorneo a través del medio que rodea al aislador.
1.2.3.2 Tensión de Impulso Crítica de Contorneo
Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa
contorneo en un 50% de las aplicaciones.
1.2.3.3 Tensión de Resistencia al Impulso
Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, no
produce contorneos, perforaciones o descarga disruptiva.
1.2.4 Montaje de la Probeta para Pruebas Eléctricas
1.2.4.1 Aisladores de Suspensión
1.2.4.1.1 Montaje
A menos que se especifique otra cosa, la probeta será suspendida
verticalmente al final de un conductor aterrizado, de manera tal que la distancia
vertical de la parte superior del aislador a la estructura de soporte no debe ser
menor a 3 pies (914 mm).
1.2.4.1.2 Electrodo Energizado
El electrodo energizado o conductor debe ser una barra recta y lisa o
un tubo que su diámetro interior no sea menor a ¾ pulgadas(19 mm) y no
superior que 121 pulgadas (38 mm). Este debe ser acoplado a la parte de la
probeta de manera tal que la distancia del borde más bajo del aislador y la parte
superior de este (electrodo) estará entre 0.5 y 0.7 del diámetro menor del
aislador. El conductor deberá ser horizontal y estar a la derecha de la probeta.
El largo del conductor debe ser tal de manera de asegurar que no se producirá
descarga entre sus extremos.
1.2.4.1.3 Proximidad de Otros Objetos
No debe haber ningún objeto, que no sea parte constituyente del
ensayo, a una distancia menor al equivalente a 121 veces la distancia necesaria
para producir contorneo en la probeta en un ensayo en seco. Con una distancia
mínima aceptable de 3 pies (914 mm).
1.2.4.2 Aisladores de Aparatos
1.2.4.2.1 Montaje
A menos que se indique otra cosa, la probeta debe ser montada
verticalmente recto respecto a la horizontal, aterrizado en un canal de 10
pulgadas (254 mm), con la tierra hacia abajo. El modo de soporte será tan largo
de manera tal de asegurar que no se producirá contorneo en el principio o final
de la superficie, así y todo esta no debe ser menor que 3 pies (914 mm) sobre la
tierra.
1.2.4.2.2 Electrodo Energizado
El diámetro del electrodo será aproximadamente de 5% de la distancia
de contorneo de un ensayo en seco y dentro de los siguientes límites: máximo
de 124 pulgadas (114 mm) y mínimo de 1
2 pulgada (13 mm). El largo del
conductor debe ser tal de manera de asegurar la no ocurrencia de contorneo
entre sus extremos. Este debe ser montado de manera firme sobre la probeta.
1.2.4.2.3 Proximidad de otros objetos
Ningún elemento debe estar más cerca de la probeta que 121 veces la
distancia de arco en seco, con un mínimo de 3 pies (914mm).
1.2.4.3 Observaciones
Además de los tipos de aisladores especificados anteriormente, la norma regula
otros tipos de aisladores, los que no están especificados en este documento y no
representan un punto de tope para este estudio.
1.2.5 Ensayos Eléctricos
1.2.5.1 Condiciones normalizadas
Las tensiones de contorneo en seco deben ser corregidas de acuerdo
con la norma ANSI 4-1978, exceptuando las siguientes condiciones
normalizadas, que serán aplicadas:
Presión Barométrica: 29.92 pulgadas de mercurio
(10.086 x 410 pascal)
Temperatura: 77 ºF (25 ºC)
Presión de Vapor: 0.6085 pulgadas de mercurio
(2.051 x 310 pascal).
1.2.5.2 Humedad
Para el caso particular de aisladores se debe considerar una forma en
especial de medir la humedad para esta norma, método al cual no se hará mayor
referencia en este informe.
La ecuación para corregir las mediciones según la humedad en sistema de
mediciones internacional es la siguiente:
0.087 ( ) (1 0.00115 )h sP P b t t t′ ′= − ⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅ (1-6)
Donde:
hP = Vapor de presión, en pascal
sP = Presión, en pascal, de vapor acuoso saturado a la temperatura t’
b = Presión barométrica, en pascal
t = Temperatura del aire, en ºC
t’ = Temperatura del aire de bulbo seco, en ºC.
1.2.5.3 Densidad del aire
El valor de tensión de contorneo (flashover) debe ser corregido para la
equivalencia con las condiciones atmosféricas normalizadas, que para el sistema
internacional de medidas es la siguiente:
0.002955(273 )d
PKT
= ⋅+
(1-7)
donde:
P=Presión barométrica en pascal
T= Temperatura del aire en ºC.
1.2.6 Ensayos con Impulsos de Tensión
1.2.6.1 General
Los ensayos de impulsos de alta tensión para contorneo son solo hechos en
pruebas en seco.
1.2.6.2 Montaje
La probeta será montada de acuerdo a la sección 3 de esta norma.
1.2.6.3 Onda de tensión de impulso
Todas las pruebas serán hechas con ondas del tipo 1.2/50 microsegundos, y de
acuerdo a la norma ANSI/IEEE 4-1978.
1.2.6.4 Valor de tensión crítica de impulso de contorneo
El cálculo del nivel crítico de tensión de contorneo debe ser hecho de acuerdo a
la norma ANSI/IEEE 4-1978.
En general todas las correcciones deben ser hechas de manera tal de aplicar
esta norma o en su defecto la norma ANSI/IEEE 4-1978. Las curvas de
corrección referidas a la sección 1.2.5.1 de este documento se encuentran en el
apéndice A.
1.2.7 Ensayo de Perforación
1.2.7.1 Montaje
La prueba de perforación debe ser implementada solo para aisladores
completamente ensamblados. La probeta debe ser inmersa en aceite aislante
con la suficiente rigidez dieléctrica de manera de asegurar la no ocurrencia de
contorneo. Y cualquier parte del aislador debe estar sumergido 6 pulgadas (152
mm).
1.2.7.2 Aplicación de tensión
La tensión debe ser aplicada entre los electrodos, como está descrito en la
sección 4.11.1 de la norma [4]. La tensión inicial aplicada debe llegar
rápidamente a la tensión de contorneo en seco. La tensión posteriormente será
aumentada con una razón de 10kV cada 15 segundos hasta llegar al valor de
tensión en el cual ocurre la perforación.
CAPÍTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LÁMPARAS DE DESCARGA
2.1 INTRODUCCIÓN
Las lámparas de descarga constituyen una forma alternativa de producir luz de
una manera más eficiente y económica que las lámparas incandescentes. Por
eso, su uso está tan extendido hoy en día. La luz emitida se consigue por
excitación de un gas sometido a descargas eléctricas entre dos electrodos.
Según el gas contenido en la lámpara y la presión a la cual está sometido
tendremos distintos tipos de lámparas.
En las lámparas de descarga, la luz se consigue estableciendo una corriente
eléctrica entre dos electrodos situados en un tubo lleno con un gas o vapor
ionizado.
Figura 2-1 Esquema de una lámpara de descarga
Electrodos
Red
Ballast Tubo Descarga
En el interior del tubo, se producen descargas eléctricas como consecuencia de
la diferencia de potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un
flujo de electrones que atraviesa el gas. Cuando uno de ellos choca con los
electrones de las capas externas de los átomos les transmite energía y pueden
suceder dos cosas.
La primera posibilidad es que la energía transmitida en el choque sea lo
suficientemente elevada para poder arrancar al electrón de su orbital. Este,
puede a su vez, chocar con los electrones de otros átomos repitiendo el proceso.
Si este proceso no se limita, se puede provocar la destrucción de la lámpara por
un exceso de corriente.
La otra posibilidad es que el electrón no reciba suficiente energía para ser
arrancado. En este caso, el electrón pasa a ocupar otro orbital de mayor energía.
Este nuevo estado acostumbra a ser inestable y rápidamente se vuelve a la
situación inicial. Al hacerlo, el electrón libera la energía extra en forma de
radiación electromagnética, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrón
no puede tener un estado energético cualquiera, sino que sólo puede ocupar
unos pocos estados que vienen determinados por la estructura atómica del
átomo. Como la longitud de onda de la radiación emitida es proporcional a la
diferencia de energía entre los estados inicial y final del electrón y los estados
posibles no son infinitos, es fácil comprender que el espectro de estas lámparas
sea discontinuo.
Figura 2-2 Estados Energéticos en Radiación
Figura 2-3 Esquema de radiación
Figura 2-4 Ejemplo de espectro de una lámpara de descarga
Debido a la forma discontinua del espectro de estas lámparas, la luz emitida es
una mezcla de unas pocas radiaciones monocromáticas; en su mayor parte en la
zona ultravioleta (UV) o visible del espectro. Esto hace que la reproducción del
color no sea muy buena y su rendimiento en color tampoco.
Para solucionar este problema podemos tratar de completar el espectro con
radiaciones de longitudes de onda distintas a las de la lámpara. La primera
opción es combinar en una misma lámpara dos fuentes de luz con espectros que
se complementen como ocurre en las lámparas de luz de mezcla
(incandescencia y descarga). También podemos aumentar la presión del gas. De
esta manera se consigue aumentar la anchura de las líneas del espectro de
manera que formen bandas anchas y más próximas entre sí. Otra solución es
añadir sustancias sólidas al gas, que al vaporizarse emitan radiaciones
monocromáticas complementarias. Por último, podemos recubrir la pared interna
del tubo con una sustancia fluorescente que conviertan los rayos ultravioletas en
radiaciones visibles.
2.2 MODELO DE UNA LÁMPARA DE DESCARGA
Este modelo lo utilizó el señor Iván Quiroz, ex alumno de la Escuela, en el
informe final de carrera [7].
Básicamente, este modelo consta de una fuente de tensión en serie con una
resistencia de muy bajo valor. El modelo se puede apreciar el la Figura 2-5.
Figura 2-5 Modelo lámpara de descarga
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60msV(V2:+) V(R1:1)
-400V
0V
400V
Figura 2-6 Simulación modelo lámpara de descarga
I(R1)
-300KA -200KA -100KA -0KA 100KA 200KA 300KAV(R1:1)
-400V
0V
400V
Figura 2-7 Característica Tensión-Corriente
El modelo simulado en la figura 2-5 a través de Pspice [9] se puede apreciar en
la figura 2-6, en la cual se detalla la tensión de la fuente de alimentación, la cual
alimenta la lámpara. Esta tensión es sinusoidal. Además se puede apreciar en
esta figura la tensión del modelo, la cual es cuadrada y de la misma frecuencia
que la fuente de tensión.
La resistencia que caracteriza el modelo es de pendiente negativa, pero tiene el
problema, que es lineal, lo cual se puede apreciar en la figura 2-7.
Sin embargo, y a pesar de la linealidad del modelo, este funcionó bastante bien
para simular ignitores de lámparas de haluros metálicos y de mercurio de alta
presión.
2.3 NORMAS Y CARACTERÍSTICAS
Existe una variedad de normas aplicables a las lámparas de descarga que
regulan distintos tópicos de estos dispositivos, en este trabajo se darán a
conocer solo los datos necesarios del interés del proyecto [1].
Las normas que regulan el encendido y operación de lámparas de descarga son
las siguientes:
IEC-0662 Sodio alta presión
IEC-1167 Haluros Metálicos
IEC-0992 Ballast
IEC-0923-0926-0927 Dispositivos de partida.
Figura 2-8 Representación tiempos normalizados
T2
T1
E
C
Tensión sinusoidal 50/60 Hz
Pulso de ignición
La figura 2-8 muestra los tiempos estandarizados para impulsos necesarios en el
encendido de lámparas de descarga.
El pulso principal debe ir montado sobre la señal alterna de alimentación, la cual
está representada en la figura con línea punteada.
Las letras de la figura representan tiempos, tal como se indica a continuación:
T1: Tiempo que transcurre desde que el impulso alcanza el 30% de su valor
peak hasta que llega al 90% del mismo.
T2: Tiempo que transcurre entre el 90% durante la subida y bajada del impulso.
E: Tiempo que demora el impulso en llegar al 90% del máximo.
C: Tiempo que demora el impulso de llegar desde el valor máximo de su valor
hasta el 10% del mismo.
A continuación se nombran algunos datos característicos de las lámparas de
descarga.
Características de los Pulsos.
Amplitud del pulsos: 0.75 a 5 kV
Duración del Pulso: generalmente superior a 1μs
Posición del pulso: generalmente a los 90% del valor máximo de la tensión de
alimentación
Número Mínimo de pulsos: Fabricante
Mínima corriente de ignición: >0.2 A
2.4 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE LÁMPARAS
PHILIPS DE SODIO.
Sodio alta presión.
Alto del pulso 1.8 kV, mínimo
T1 1 μs, máximo
T2 2 μs, mínimo
1 pulso por ciclo, positivo, durante semiciclo positivo de la onda
Posición 60-90 grados de la tensión de circuito abierto.
El valor máximo del pulso varía según la potencia de la lámpara, así por ejemplo,
para una lámpara de sodio de alta presión de 100 w, se necesita un peak de 1.8
kV, sin embargo para una lámpara del mismo fabricante de 1 kW de potencia se
necesitan 3 kV mínimo para la ignición de la lámpara. De la misma forma, los
valores de tensión también varían según el fabricante, es así como para una
lámpara PHILIPS de 2000 watts se necesitan 1.3 kV de peak en el pulso, sin
embargo para una lámpara OSRAM de 2000 watts se necesitan de 3.5 a 5 kV de
tensión de ignición.
2.5 CIRCUITOS PARA EL ENCENDIDO DE LÁMPARAS
A continuación se analizarán dos circuitos tipos que se utilizan para
encender lámparas de descarga, ellos son: circuito en derivación y circuito que
utiliza un transformador para producir las variaciones de tensión necesarias.
2.5.1 Circuito en Derivación [1]
Este circuito se caracteriza porque utiliza el ballast como transformador
de elevación de tensión, es decir a través de éste se genera el di/dt necesario
para generar el impulso.
En la figura 2-9 se puede apreciar el esquema del circuito en
derivación, donde D representa el interruptor que genera las aperturas y cierres
necesarios para la ignición de la lámpara.
Figura 2-9 Esquema circuito en derivación
2.5.1.1 Ecuaciones que Gobiernan el Circuito en Derivación
Para generar los impulsos se utilizan como interruptor (D) un Diac, el
cual cuando la lámpara no ha encendido queda sometido a una tensión tal que
comienza a cerrar y abrir, generando de esta forma cambios bruscos en la
corriente, lo que a su vez carga el condensador C, y este lo envía a la lámpara.
Para el momento en que el Diac conduce las leyes de tensión de
Kirchhoff, aplicadas al circuito, son:
)(121
121
1 tViRdtdi
dtdiM
dtdiL =⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −⋅+⋅ (2-1)
dtdiL
dtdi
dtdiMVc
22112 2 ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −⋅= (2-2)
Ahora, al momento que el Diac deja de conducir, abre el circuito del
ignitor, en ese caso la ecuación que gobierna esa situación viene dada por:
Ballast Magnético
( ) 0121 =−⋅+⋅+⋅+ ViRq
CdtdiLL (2-3)
El valor del pulso de tensión producida por la variación de corriente
queda dada por:
( )dtdiMLVp
2122 ⋅+= (2-4)
Por lo tanto y como consecuencia de la ecuación (2-4) la tensión generada
depende de la inductancia del Ballast.
Por lo tanto el impulso quedará limitado al nivel de variación de la corriente, de la
misma forma esa variación depende de las limitaciones técnicas.
Ahora bien, para generar el peak de alta tensión se utiliza un interruptor que es
el que enciende la lámpara, nótese que no se está mencionando el mismo
interruptor que se encarga de generar los impulsos de alta tensión.
A continuación se puede apreciar el momento de la ignición de la lámpara, el
peak producido es de poco más de 3kV el cual debe ser necesario para
encender la lámpara.
En la Figura 2-10 se puede apreciar el circuito estudiado, estos valores son
tomados de un informe [7] y de normas británicas [8], desde los cuales se
pueden obtener los valores de las resistencias y especialmente los datos de
ballast característicos.
Las formas de onda obtenidas en la simulación del circuito de la figura 2-10 se
pueden apreciar en las figuras 2-11 y 2-12.
Figura 2-10 Circuito de ignición derivación
Figura 2-11 Tensión de ignición de la lámpara
Time
65.0800ms 65.1000ms 65.1200ms 65.1400ms 65.1600ms65.0628msV(C1:1)
1.00KV
2.00KV
3.00KV
0.03KV
Figura 2-12 Detalle del impulso de encendido
Los tiempos que caracterizan el impulso de encendido dependen de la lámpara
en particular en la cual se va a implementar el circuito, para ello se pueden hacer
variaciones en los componentes del circuito de la figura 2-10.
Según los valores obtenidos en las simulaciones las descargas producidas
pueden aplicarse a distintos tipos de lámparas, por ejemplo, a lámparas Philips
de sodio en alta presión, cuyo fabricante exige tensiones entre 3 y 5 kV de
tensión para el encendido.
2.5.2 Circuito para lámparas de Haluros Metálicos [1]
Como es ya sabido, el tipo de lámpara que se comporta de la mejor
manera es sin lugar a dudas la de haluros metálicos, considerando la eficiencia,
color, vida útil, etc. Si se puede hablar de inconveniente tendríamos que
considerar que este tipo de lámparas necesitan un alto valor de tensión para la
ionización de los agregados metálicos que contiene, es por ello que en general
para el encendido en frío de la lámpara, entendiéndose por este la ignición de la
lámpara después de estar apagada por un largo tiempo (en algunos casos se
habla de partida en frío después de los 5 minutos), se necesitan entre 7kV y
12 kV, considerando que en algunos casos esa tensión puede llegar hasta los 30
kV.
En la figura 2-13 se muestra el circuito que se analizará en detalle
más adelante.
La tensión en el condensador de descarga viene dada por:
1211
2 MdtdIL
dtdIV L
c ⋅−⋅= (2-5)
La tensión que se refleja en la entrada de la lámpara queda dada por:
1212
1 MdtdIL
dtdIVV BAB ⋅−⋅−= (2-6)
Figura 2-13 Circuito para lámparas de haluros metálicos
Como podemos apreciar la tensión de ignición depende del acoplamiento
magnético del transformador auxiliar y de la inductancia de sus bobinados.
2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lámparas de Haluros
Metálicos
Cuando la lámpara está encendida, la corriente genera una tensión que se
refleja a través de L1, al lado del interruptor sw2, el cual es un interruptor
controlado por tensión, como un esplosor, este funciona de tal manera que
llegando a un nivel de tensión se cierra y genera un di/dt en la bobina L1, que se
refleja en L2 aumentando la tensión entre los puntos A y B del esquema.
En la figura 2-14 se aprecia el circuito de ignición, donde Sw1 es el interruptor de
encendido de la lámpara el cual se encarga de conectar la lámpara a la red de
alimentación.
Figura 2-14 Circuito simulado
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(C,D)
-400V
0V
400VTensión CD Momento de conexion de lampara
Tension en C-D
Figura 2-15 Tensión en el interruptor
En la figura 2-15 se aprecia la tensión que se produce en el interruptor de
descarga, el cual funciona dependiendo de esta tensión.
En la siguiente gráfica, figura 2-16, se muestra la tensión en el condensador C3,
el cual es muy parecido a la tensión del interruptor, lo que es lógico tomando en
consideración que este se encuentra conectado en paralelo con el interruptor de
descarga. Solo se diferencian producto de la caída de tensión en L1.
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(C3:1,C3:2)
-400V
0V
400VTensión C3
Figura 2-16 Tensión en el condensador C3
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(L1:1,L1:2)
-200V
0V
200VTensión L1
Figura 2-17 Tensión en la bobina L1
La figura 2-17 muestra claramente la tensión que se refleja en L1 producto de la
corriente que circula por L2 durante el funcionamiento normal de la lámpara.
Ahora se cerrará el interruptor que genera los di/dt, comenzando a los 25 [ms],
con un periodo de 20 [ms].
La figura 2-18 muestra los impulsos de tensión que se producen cuando la
lámpara no ha encendido, esto se puede apreciar durante los primeros 50 ms,
una vez que la lámpara enciende (60 ms) los impulsos de tensión ya no se
generan.
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(A,B)
-10KV
0V
10KV Ignicion
Figura 2-18 Tensión de ignición a los 25 [ms] y 45 [ms]
Time
25.04000ms 25.04100ms 25.04200ms 25.04300ms25.03901msV(A,B)
0V
2.5KV
5.0KV
7.5KV
Ignicion
Figura 2-19 Detalle del impulso de ignición
La Figura 2-19 muestra en detalle el impulso generado por el ignitor. Los
tiempos y valores están de acuerdo a la norma que regula las lámparas de
haluros metálicos.
Se debe considerar que son los interruptores los que al cerrarse o abrirse
rápidamente generan una variación de corriente en los bobinados del
transformador auxiliar, generando los peaks de alta tensión.
CAPÍTULO 3
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
3.1 INTRODUCCIÓN
Los circuitos de generación de alta tensión comienzan a evolucionar
con la aparición de sistemas de transmisión de gran tamaño. Existiendo una
variedad muy amplia de circuitos que tienen la finalidad de generar alta tensión.
Dentro de las 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 corona en 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,
manejar de manera óptima las contingencias producto de la maniobra en
sistemas de alta energía y , 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 de transmisión,
además se requiere una forma de disminuir los daños productos de transitorios
de alta energía de ocurrencia aleatoria. Bajo estas circunstancias aparecen los
generadores de impulsos de alta tensión. Dentro de los cuales se pueden
encontrar gran variedad, destacando de manera importante el generador de
impulsos tipo Marx, creado por un ingeniero alemán en el año 1923.
También existen otras formas de generar impulsos de alta tensión,
pero cuyos circuitos son de menor flexibilidad y mayor costo, estos se utilizan
principalmente en casos especiales.
3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS
Las figuras 3-1 y 3-2 muestran dos circuitos tipo para la generación de
impulsos. Esta figura muestra dos posibles combinaciones del circuito a analizar
[2], [3].
Figura 3-1 Circuito nº 1 de generación de impulsos
Figura 3-2 Circuito nº 2 de generación de impulsos
Antes de comenzar el análisis, 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:
2max1 )(
21
oVCW = (3-1)
Como C1 es siempre mucho mayor que C2 el primero determina el
costo del generador.
Para el análisis se utilizará la transformada de Laplace, el modelo para
la transformada de Laplace está representado en la figura 3-3.
Para t ≤ 0, C1 está cargado a Vo y para t > 0 este condensador está
directamente conectado a la red.
Figura 3-3 Modelo para transformada de Laplace
Para el circuito de la figura 3-3 la expresión viene dada por:
21
2)(ZZ
Zs
VsV o
+⋅= (3-2)
Donde
11
11 RsC
Z += (3-3)
sCR
sCR
Z
22
2
2
12
+= (3-4)
Sustituyendo se encuentra la expresión para la tensión de salida del
circuito la cual está definida en la ecuación 3-5.
bassk
VsV
++= 2
0 1)( (3-5)
Por la teoría de la Trasformada de Laplace, la respuesta en el dominio
del tiempo la tensión de salida viene dada por:
[ ])()( 21
)12(1)( tt ee
kVotV αα
αα−− −⋅
−⋅= (3-6)
donde α1 y α2 son las raíces de la ecuación s2+as+b.
Como se puede apreciar en la ecuación 3-6, la tensión de salida es la
superposición de dos funciones exponenciales y de diferente signo.
Para calcular la eficiencia del circuito se puede hacer dV(t)/dt=0, con
esto se concluye que el tiempo en el cual se produce el máximo de tensión viene
dado por:
)()/ln(
12
12max αα
αα−
=t (3-7)
k = R1C2 (3-8)
Realizando otros análisis matemáticos se llega a la expresión del
rendimiento del generador (ecuación 3-9).
1
21
1
CC
+=η (3-9)
La figura 3-4 muestra el gráfico del rendimiento del generador en función de la
relación entre los condensadores que conforman el circuito de generación.
Se puede observar que el circuito que tiene el mejor comportamiento, al variar la
relación entre los condensadores, es el de la figura 3-2, ya que este se comporta
de manera lineal.
Figura 3-4 Rendimiento del Generador
3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL
CIRCUITO
El camino normal de trabajo es encontrar los valores para R1 y R2 ya
que C1 y C2 son , en general, previamente conocidos [3].
Para conocer los valores de las resistencias se debe resolver el
problema de las exponenciales que gobiernan la dinámica del sistema, y éstas
vienen dadas por las ecuaciones 3-10 y 3-11.
( )⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
121
21
2
21212
411112
11CCC
CR
αααααα (3-10)
( )( )
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=
121
21
2
212121
411112
12CCC
CCR
αααααα (3-11)
En la tabla 3-1 se muestran los resultados de la resolución de las
ecuaciones para algunas formas de ondas determinadas.
Tabla 3-1 Constantes para el cálculo del Generador [3] T1/T2
(us)
Tcr/T2
(us)
1/α1
(us)
1/α2
(us)
1.2/50 ----------- 3.48 0.8
1.2/50 ------------ 68.2 0.405
1.2/200 ----------- 284 0.381
250/2500 ---------- 2877 104
----------- 250/2500 3155 62.5
Además de todo el análisis anterior se debe tomar en consideración
algunos aspectos constructivos, para ello se asume una resistencia aproximada,
según la ecuación 3-12, de manera de asegurar la no ocurrencia de
oscilaciones.
R1 ≈ R = CL
⋅2 (3-12)
Donde
21
111CCC
+= (3-13)
3.4 SIMULACIÓN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA
Existen distintos valores de energía en circuitos generador de impulso,
valor que está determinado, como ya fue explicitado en la sección 3.2 de este
documento. Asumiendo una energía de 5 kJ y una tensión de 100 kV el
condensador C1 debe tener un valor de 1 uF [2].
Con las ecuaciones 3-10 y 3-11 se pueden calcular los valores de las
resistencias necesarias para el circuito. Por lo tanto el valor de las resistencias
para una carga de 100 pF es
1 4.05R k= Ω
2 68.193R = Ω
El circuito utilizado en la simulación es el mostrado en la figura 3-5. Para la
simulación se asume que el condensador se encuentra, con anterioridad,
cargado a 100kV.
Figura 3-5 Circuito generador de impulsos
Las figuras 3-6 muestra el frente del impulso, se puede apreciar como este se
produce al momento de cerrar el esplosor, en este caso a los 10 [ms], este
tiempo debe cumplir con la norma ANSI 4-1982, analizada en el capítulo 1 de
este documento, es decir, 1.2 ± 30% [μs].
Time
10.00000ms 10.00100ms 10.00200ms 10.00300ms 10.00400ms 10.00516msV(C2:1)
0V
25KV
50KV
75KV
99KV
Figura 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso.
Time
10.00ms 10.01ms 10.02ms 10.03ms 10.04ms 10.05msV(C2:1)
0V
25KV
50KV
75KV
99KV
Figura 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso.
Al igual que en la figura anterior, la figura 3-7 muestra en este caso el tiempo de
cola, el cual debe también cumplir con la norma.
Los tiempos de frente y cola son los siguientes:
Tiempo de frente: 1.13 sμ
Tiempo de cola: 50.6 sμ
Como se puede apreciar los tiempos normalizados cumplieron a
cabalidad lo exigido por la norma ANSI 4-1982.
3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE “N” ETAPAS [3].
Las dificultades encontradas con el generador de impulsos de alta tensión de
una etapa son principalmente las referidas a los altos niveles de tensión que
están involucrados en los elementos que conforman el circuito, produciéndose
en ellos problemas de dimensiones, efecto corona considerable altos niveles de
esfuerzos de los dieléctricos en el caso de los condensadores, etc. Estos
problemas pueden hacer inaplicables el circuito de una etapa para tensiones
muy altas.
Para superar estos problemas, en 1923 E. Marx, sugiere una configuración
especial de condensadores y resistencias, donde los primeros se cargan en
paralelo y posteriormente se descargan en serie a través de esplosores o “spark
gaps”. La configuración del circuito propuesto por E. Marx se aprecia en la figura
3-8.
El funcionamiento del generador Marx es el siguiente: Al momento de conectar
la fuente de energía continua, representada como una fuente de tensión continua
en la figura 3-8, los condensadores de carga o de etapa se comienzan a cargar a
través de las resistencias de carga (Rc); la potencia exigida a la fuente va a
depender del valor de estas resistencias, una vez cargados todos los
condensadores se desconecta la fuente de alimentación. En algunos casos la
fuente no es desconectada al momento de producir la descarga del generador,
pero en este caso la fuente de alimentación del generador debe estar diseñada
para soportar cortocircuitos.
Figura 3-8 Generador de impulsos tipo Marx
Para descargar el generador con la tensión necesaria en la probeta de ensayo,
se utiliza un sistema de esplosores; estos consisten en sendas esferas de cobre
de diámetro según necesidades y nivel de tensión del generador. Estos
esplosores se cierran y conectan en serie los condensadores de etapas junto
con las resistencia de frente y cola, en la figura 3-8 R1 y R2 respectivamente.
Las ecuaciones que gobiernan este circuito son las mismas que para el caso de
los circuitos de una etapa, con la salvedad que en el caso del generador Marx
las resistencias y condensadores deben ser tomados según el número de etapas
con que cuente el generador.
Las ecuaciones son las siguientes:
∑=n
CC 1 11 `11
(3-14)
∑+= 111 ``` RRR (3-15)
Finalmente la resistencia efectiva de descarga, despreciando R1’’, viene dada
por:
∑=⋅= 222 `` RRnR (4-16)
Con los datos anteriores se debe agregar, además, que el rendimiento del
generador viene dado por distintos factores y se calcula para los mismos valores
equivalentes a un circuito de una etapa.
3.6 SIMULACIÓN GENERADOR MARX.
Para simular un generador Marx se debe, primero, calcular los elementos que
conforman un circuito de una etapa, estos cálculos se hacen con las ecuaciones
3-10 y 3-11. si se considera un circuito generador con un almacenamiento de
energía de 5 kJ por etapa y 100 kV de carga, entonces el condensador necesario
(C1) tendrá un valor de 1 uF. Suponiendo, además, una carga de 1nF entonces
las resistencias del circuito de una etapa (figura 3-2) serán:
R1 = 405.4 Ω
R2 = 68.13 Ω
Para calcular los valores del generador marx se deben aplicar las ecuaciones 3-
14, 3-15 y 3-16. según estas los valores para las resistencias y condensadores
de etapas son tal como se muestran a continuación.
R1’ = 101.35 Ω
R2’ = 17.03 Ω
C1’ = 4 uF
Con los valores calculados, se puede apreciar la configuración que tiene el
circuito en la figura 3-9, el cual es un generador Marx de 4 etapas, es decir, con
los 100 kV de carga en cada condensador, se debiese obtener, idealmente, 400
kV.
Figura 3-9 Generador Marx 4 etapas.
Las formas de onda obtenida se muestran en las figuras 3-10 a la figura 3-13.
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msV(C1:1,C1:2) V(C4:1,C4:2)
0V
50KV
100KV
Tension de Carga Condensador 4
Tension de Carga Condensador 1
Figura 3-10 Tensión en los condensadores de etapa.
Time
290.0000ms 290.0100ms 290.0200ms 290.0300ms 290.0400ms 290.0500ms 290.0600ms289.9906msV(R14:2)
0V
100KV
200KV
300KV
374KV
Figura 3-11 Tensión de salida del generador (impulso).
Time
289.600ms 289.800ms 290.000ms 290.200ms 290.400ms 290.600ms 290.800ms289.456ms-V(R21:1,R11:1)
0V
25KV
50KV
75KV
100KV
Figura 3-12 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de frente.
Time
290.00ms 290.02ms 290.04ms 290.06ms 290.08ms-V(R22:1,R21:2)
0V
50KV
100KV
Figura 3-13 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de cola.
En las figuras 3-10 a la 3-13 se puede apreciar como se comporta la tensión en
los distintos elementos que conforman el generador Marx.
La primera observación es el tiempo que toma al generador en cargar los
condensadores de etapa (Figura 3-10). Este tiempo depende de la constante que
forman las resistencias de carga con los condensadores de etapa, esto es la
constante de tiempo τ = Rc*Ce, donde Rc es la resistencia de carga de la etapa
y Ce es el condensador de cada etapa. Al ser mayor la cantidad de energía que
puede almacenar el generador, necesariamente el condensador de cada etapa
debe ser de un valor mayor, lo que implica que la constante de tiempo τ aumenta
lo que, a su vez, aumenta el tiempo necesario para cargar completamente el
generador. En generadores reales los tiempos necesarios para cargar los
condensadores va desde los 55 segundos, para un generador de 40 kJ, hasta
los 2 minutos para un generador de 80 kJ y 2.4 MV de salida.
En la figura 3.11 se aprecia la descarga de alta tensión en la salida del
generador, esta descarga debe cumplir estrictamente la norma Std 4-1982, la
cual está expuesta en el capítulo 1 de este documento. Esta norma hace
referencia a los tiempos de frente y cola del generador, los cuales deben ser de
1.2 μs de frente y 50 μs de cola. En la simulación los tiempos medidos son:
Tf = 1.15 μs
Tc = 49.8 μs
Como se puede apreciar estos tiempos están dentro de lo exigido por la norma y
sus tolerancias.
Para las figuras 3-12 y 3-13, las cuales representan las tensiones a las cuales
son sometidas las resistencias de frente y cola, determinan que estas
resistencias deben estar fabricadas para soportar altas tensiones, los mismos
valores exigidos a los condensadores de etapa.
Cabe destacar que la corriente exigida a la fuente de alimentación depende
exclusivamente de los valores de las resistencias de carga, ya que el valor de
cada condensador de carga lo determina la necesidad de energía de cada
generador en particular, lo que implica que estas deben ser de un valor tal de
asegurar la limitación de corriente y, al mismo tiempo, influir en la menor
cantidad en el rendimiento del generador.
En capítulos siguientes se darán a conocer valores reales de generadores
proporcionados por la empresa Haefely.
CAPÍTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA
4.1 INTRODUCCIÓN
A continuación se presentará el generador de 8 etapas marca Haefely modelo
SGSA 100-800, el cual se puede utilizar para hacer ensayos a distintos
dispositivos eléctricos de niveles medios de potencia y tensión.
La adquisición de este tipo de generadores acarrea una serie de gastos,
producto de los niveles de tensión a los cuales trabaja y a los altos niveles de
tecnología que conlleva trabajar con estos elementos. Dentro de las distintos
gastos asociados a la adquisición están los de compra, transporte, internación,
etc. Los cuales se verán en detalle en este capítulo.
El generador Haefely SGSA es uno de una serie de generadores que ofrece esta
firma, se ha elegido este generador en particular, principalmente por las
características de trabajo, las cuales lo hacen ideal para trabajar en laboratorios
de universidades o en pequeñas empresas del rubro de la Alta Tensión.
4.2 APLICACIÓN
4.2.1 Generalidades
El sistema de prueba de impulsos SGSA puede ser utilizado para generar
impulsos de tensiones desde 10 kV hasta 750 kV simulando, de esta manera,
descargas atmosféricas y sobre-tensiones por maniobras. El rango total de
tensión cubre desde 100 kV hasta 800 kV con una energía por etapa equivalente
a 5 kJ.
Las aplicaciones posibles están estandarizadas de acuerdo a las normas IEC,
ANSI e IEEE y algunas de aplicación específica [4].
El sistema puede ser actualizado de varias maneras para pruebas especiales o
para mejoramiento de su operación. El generador permite la incorporación de
circuitos y componentes adicionales que sirven para optimizar las posibles
pruebas que se pueden realizar con este, dentro de las cuales se pueden
nombrar:
• Transformadores de distribución.
• Pequeños transformadores de potencia.
• Cables
• Descargadores
• Motores y generadores
• Aisladores
• Bushing
• Transformadores de medida
El sistema completo puede ser controlado desde una unidad central de proceso
(computador).
4.2.2 Características Principales
• Tensión máxima de carga 800 kV
• Energía por etapa 5 kJ
• Disparo confiable a través de trigatrón.
• Fácil operación con sistema de control por microprocesador.
• Equipado con resistencias para la generación de impulsos
tipo rayo y tipo maniobra
• Dispositivo único de tierra de protección
• Fácil reconfiguración en caso de ser necesario
• Las resistencias pueden ser intercambiadas en caso de ser
necesario.
• Diferentes tipos de base
• Comunicación entre sistemas de control y medida.
4.2.3 Rango de Operación
La tensión mínima de salida es de 10 kV, independiente de la polaridad. Esto se
obtiene con solo una etapa del generador, las sobrantes se deben conectar en
paralelo o simplemente desconectarlas. El rango máximo de operación,
independiente de la polaridad, es de 100 kV con las 8 etapas conectadas.
4.2.4 Condiciones Ambientales
El generador de impulsos es operativo con temperatura entre 0 ºC y 45 ºC y una
humedad relativa ≤ 95% (sin condensación).
La temperatura permisible para el transporte y almacenamiento de los equipos
están dentro del rango de -20 ºC a 60ºC, con una humedad relativa ≤ 95% (sin
condensación).
Los valores estandarizados que aparecen en este documento equivalen para las
siguientes condiciones normalizadas: T = 20 ºC, b = 1013 mbar y RH= 80%.
Además los valores de tensión están calculados de manera de trabajar hasta
1000m de altura sobre el nivel del mar. Sobre esta elevación, la tensión se
reduce en un 1% por cada 100 m.
4.2.5 Intervalo Entre Impulsos
Con una tensión de carga máxima, el mínimo tiempo de operación del generador
entre impulsos viene dado por la tabla 4-1. Estos valores quedan definidos por
las limitaciones térmicas de los elementos, además del nivel de tensión
alcanzado, de manera tal que si se quiere trabajar a un intervalo menor entre
impulsos solo se puede hacer con niveles menores de tensión.
4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagnética
La interferencia electromagnética es inevitable en las pruebas con impulsos de
tensión. El sistema está diseñado especialmente para disminuir la interferencia
del campo eléctrico por un correcto funcionamiento de los sistemas de control y
medida.
Los sistemas de comunicación y control están apropiadamente blindados y
aterrizados. Las entradas y salidas están protegidas contra sobretensiones.
Los componentes del sistema están aterrizados con material apropiado tal como
cobre trenzado o con láminas que aseguran los potenciales a tierra en niveles
seguros.
Las señales de medición obtenidas desde la alta tensión van desde los 100 V
hasta los 1600 V de manera de asegurar una alta relación señal/ruido.
Tabla 4-1 Características del generador Haefely SGSA
Impulso
1.2/50
Impulso
250/2500
Tensión
Máxima
Carga
Energía
Máxima
Capaci-
Tancia
Impulso
Máxima
Carga
Tensión
Max.
Salida
Máxima
Carga
Tensión
Max.
Salida
Tiempo
Entre
Impulsos
Código kV kJ nF nF kV nF kV s
100-5 100 5 1000 16 90 2.7 80 40
200-10 200 10 500 12.5 180 3.2 155 40
300-15 300 15 333 10 270 3.3 230 40
400-20 400 20 250 8.5 360 3.4 305 40
500-25 500 25 200 7 445 1.7 380 40
600-30 600 30 167 6.2 540 1.7 460 40
700-35 700 35 143 5.6 630 1.7 535 50
800-40 800 40 125 5.3 700 2.3 605 55
Figura 4-1 Esquema del generador Haefely.
El esquema presentado en la figura 4-1 muestra un desglose de los distintos
componentes con que cuenta el generador Haefely, en ésta se puede apreciar,
de izquierda a derecha, los siguientes componentes: Rectificador de carga, el
cual se encarga de rectificar la alta tensión alterna que proviene desde el
transformador de alta tensión. Luego se puede apreciar el generador Marx. A
continuación el divisor de tensión, que se encarga de disminuir la tensión a
niveles tolerables para los instrumentos de medición. Posteriormente se puede
apreciar la probeta, es decir donde se sitúa el elemento al cual se van a hacer
los ensayos.
Otros dispositivos que no están individualizados en la figura 4-1, pero que
pueden ser adquiridos a parte del equipo son: resistencia shunt para la medición
de corriente, sistema de amortiguación para efectos inductivos, espinterómetros
para la generación de impulsos cortados, divisores de tensión con efecto de
amortiguación rápido, etc.
Además de los datos eléctricos existen una serie de factores en la construcción,
los cuales deben ser considerados al momento de adquirir uno de estos equipos.
Entre estos factores se cuenta el recinto donde deben ser colocados los equipos,
esto es el laboratorio de alta tensión.
Dentro de las especificaciones que se exigen para la instalación del generador
están las referidas a áreas de seguridad, estas se especifican en las figuras 4-2
y 4-3, donde se detallan las dimensiones y distancias mínimas permisibles de
manera de asegurar que los elementos que forman parte de los circuitos y
dispositivos no alteren las mediciones, la seguridad, aproximaciones, etc.
En la tabla 4-2 se muestran, entre otros, los datos que se representan en las
figuras 4-2 y 4-3.
Figura 4-2 Esquema de elevación de trabajo.
Figura 4-3 Esquema del plano de trabajo.
Tabla 4-2 Datos de dimensionamiento generador SGSA
WW
H
1 m 1.8 m
1.15 m
1.16 m GeneradorProbeta
Divisor De Tensión Unidad
De Carga
W Min. H2
Divisor
Distancia
Segura
Muros
Alto Peso Código Capaci-
tancia Resistor Altura Peso
W H1 C R H2
m m kg
pF Ω m kg
0.2 0.9 210 CS 100-1000 1000 130 1.5 60
0.4 1.2 250 CS 200-1000 1000 130 1.5 60
0.6 1.6 308 CS 300-1000 1000 130 1.5 60
0.8 1.9 370 CS 400-1000 1000 130 1.5 60
1.0 2.3 432 CS 500-500 500 270 2.3 100
1.2 2.6 494 CS 600-500 500 270 2.3 100
1.4 3.0 556 CS 700-500 500 270 2.4 110
1.6 3.3 618 CS 800-670 670 230 3.2 150
4.3 CARACTERÍSTICAS
Como se puede apreciar en la tabla 4-1, existen distintas formas de configurar el
sistema de generación, con los cuales se pueden obtener tensiones de distinto
nivel. La manera de obtener estos distintos niveles de tensión es a través de
configuraciones distintas de los elementos del generador, estos son las
resistencias y condensadores, los cuales pueden ser conectados y
desconectados de manera de lograr la configuración deseada para el nivel de
tensión necesario. Es así como se puede construir un generador de 1, 2, 3,
hasta 8 etapas, cuyas características particulares están individualizadas en la
tabla 4-1.
Si se observa la tabla 4-1 el rango mínimo de carga es con el divisor de tensión
conectado -el divisor de tensión debe estar siempre conectado- y sin otro
elemento como probeta. Si se supone una configuración del generador con 8
etapas y si se refiere a la tabla 4-1, el rango máximo de carga es de 2.3 nF, es
decir la probeta puede tener como máximo un valor de 2.3 nF, incluido el
conductor utilizado para llevar la energía hasta la probeta. Se debe recordar que
la probeta puede ser desde un aislador, una cadena de estos, transformadores,
etc. La representación esquemática se puede apreciar en la figura 4-4.
Además de las capacitancias parásitas del conductor que lleva la
energía a la probeta se debe considerar la capacitancia del conductor que
energiza el divisor de tensión, en la figura 4-5 se ven en detalle todas las
capacitancias incluidas en un ensayo.
Figura 4-4 Esquema conexión Alta Tensión
Probeta
Divisor de Tensión
Figura 4-5 Distribución de Capacitancias.
En el caso de las capacitancias parásitas de los conductores se pueden estimar
asumiendo la distribución de campo eléctrico entre un conductor y un plano, que
para el caso en particular que interesa a este trabajo el plano equivale a la tierra
de protección utilizada.
Así, y según la teoría de campos eléctricos, el valor aproximado para el caso en
particular del generador Haefely, los conductores agregarían un valor de 500 fF
cada uno a la capacitancia total, esta situación se apreciará en detalle en la
simulación del Generador.
Es necesario dejar en claro que en el caso de un ensayo real, las capacitancias
se miden antes de realizar la prueba y calibrar el generador.
4.4 SIMULACIÓN GENERADOR HAEFELY
Para simular las descargas que produce el generador haefely, es
necesario saber de antemano cuales son los valores de las resistencias y
capacitancias de los distintos componentes que conforman el generador, estos
se pueden apreciar en las siguientes figuras.
Capacitancia Conductor 1
Capacitancia Conductor 2
Probeta Divisor de Tensión
Figura 4-6 Unidad de carga
La unidad de carga está formada por todos los dispositivos necesarios para
elevar la tensión desde los 220 V hasta los 100 kV necesarios para cargar el
generador, dentro de estos dispositivos se encuentra el transformador elevador,
el puente rectificador (doblador de tensión) y el regulador de tensión. En este
caso se simuló la unidad de carga como un transformador, cuyos datos fueron
tomados desde el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Técnica
Federico Santa María, donde se encuentra una unidad de similares
características. Además de los dispositivos nombrados cabe destacar que el
transformador tiene características de diseño que lo hacen inmune a las
radiointerferencias, efectos capacitivos y efectos corona, todos indeseables al
momento de la realización de un ensayo en alta tensión. Además, la unidad de
carga cuenta con un divisor de tensión de 100 kV con una resistencia de alta
tensión de 200 MΩ, con el cual se toma la muestra que se lleva a la unidad
central de proceso o unidad central de control que viene incluida dentro del
equipo.
Por lo tanto no es necesario para la simulación incorporar un condensador que
simule las capacitancias parásitas a la salida de la unidad de carga.
Figura 4-7 Salida alta tensión del generador
En el caso de la salida del equipo, entiéndase como tal el lado de la probeta, y
todo el sistema de alta tensión de prueba y medición, se deben tomar en
consideración las capacitancias parásitas, tal como indica la figura 4-7, en el
caso particular de este equipo la capacitancia aproximada entre elementos
(Probeta y Divisor) es de 500 fF (fento Faradios), los que se muestran en la
figura 4-7 como C_parásita 1 y C_parásita 2, respectivamente.
Como es sabido se simulará el generador con sus 8 etapas, en la figura 4-8 se
puede apreciar una sección del generador (2 etapas) con los condensadores de
carga (125 nF), las resistencias de cola (67.65 Ω), las resistencias de frente (51
Ω) y las resistencias de carga que tienen un valor de 50 kΩ. Esta configuración
se repite 8 veces que son las que conforman el grueso del generador Haefely.
Figura 4-8 Detalle de dos etapas del generador.
Uniendo todas las partes y corriendo el programa Pspice 9.2 para la
simulación, la figura 4-9 muestra la tensión que se produce en la probeta, sobre
el elemento que está siendo sometido a estudio; es así como al realizar la
medición de los tiempos de frente y cola de esta forma de onda se puede
concluir que estos tiempos se encuentran dentro de la norma ANSI 4-1982
(capítulo 1) sobre ensayos en alta tensión (1.2 us y 50 us de frente y cola ,
respectivamente). Los tiempos observados en la simulación son de 1.18 us y 48
us para tiempo de frente y cola, respectivamente.
Time
20.0100ms 20.0200ms 20.0300ms 20.0400ms 20.0500ms20.0026msV(DIVAT:1)
0V
200KV
400KV
600KV
760KV
Figura 4-9 Tensión en la probeta.
Time
20.003ms 20.004ms 20.005ms 20.006msV(DIVAT:1)
0V
200KV
400KV
600KV
760KV
Figura 4-10 Frente de la descarga
Time
0s 10s 20s 30s 40s 50s 60sV(R5:2,Ce10:2) V(Ce1_1:1,Ce1_2:2)
0V
50KV
100KV
Figura 4-11 Detalle de la carga del generador
La diferencia del valor de tensión entre los condensadores de la primera y última
etapa no representa problema en el funcionamiento del generador en general.
Sin embargo, en la figura 4-11, se puede concluir que el tiempo mínimo que
debe transcurrir antes de poder generar la descarga es de a lo menos 50
segundos, por lo que la simulación del proceso de carga del generador se acerca
a lo esperado en la realidad. Este tiempo de carga se debe comparar con el
valor que aparece en la tabla 4-1.
4.5 OTROS DISPOSITIVOS
Para trabajar con el Generador Haefely, y debido a los niveles altos de
tensión, es necesario implementar una serie de medidas tendientes a disminuir
los riesgos de trabajar con alta tensión, estas medidas son las siguientes: malla
a tierra, reja de seguridad e interruptores de emergencia.
4.5.1 Malla a Tierra
La malla a tierra a la cual se conectará el sistema de prueba debe tener
una resistencia máxima de 2Ω, de manera de asegurar una tensión de paso
mínimo, además con esta característica se asegura la no ocurrencia de
oscilaciones en los componentes del sistema de alta tensión, protegiendo de
esta manera los dispositivos de posibles daños.
4.5.2 Reja de Seguridad
Para asegurar que ninguna persona va a ingresar al sector donde se
encuentra el aparato, este debe ser protegido con una reja metálica la cual debe
tener un espaciado máximo de 50 milímetros y una altura mínima de 1.8 metros.
4.5.3 Interruptores de Emergencia
En todas las puertas de acceso al laboratorio de alta tensión de deben
instalar interruptores de emergencia, los cuales permanecerán cerrados si todas
las puertas del laboratorio se encuentran cerradas, en caso que una de las
puertas sea abierta el sistema será desenergizado a través de una unidad
central donde irán conectados los interruptores.
4.5.4 Malla de Faraday
Aunque el caso de la reja de Faraday no es de protección presta una utilidad
muy alta. El transformador que viene incorporado con el Generador tiene la
particularidad de utilizarse para la medición de descargas parciales. Este tipo de
mediciones se ven altamente afectadas por las radiaciones electromagnéticas de
frecuencias utilizadas en la radiodifusión, radioafición, celulares, etc. por lo que
estas pueden llevar a errores en las mediciones, de manera de asegurar que
esto no suceda se implementa la reja de Faraday.
La reja de Faraday es una malla de metal, con un espaciado no superior a los 10
mm, la reja de Faraday debe cubrir por completo toda el área del laboratorio
donde se realizan las pruebas, incluido el piso. Todas las uniones que forman la
malla deben estar solidamente soldadas de manera de asegurar a cabalidad la
continuidad eléctrica de ésta.
CAPÍTULO 5
ANÁLISIS COSTO BENEFICIO
5.1 INTRODUCCIÓN
En la aplicación de un estudio económico de la compra e
implementación de equipos de alta tensión, es necesario adelantar algunos
conceptos utilizados en el mercado internacional.
5.1.1 Costo FOB (Free on Board)
Costo del producto instalado a bordo del buque, en el puerto de origen.
Este costo incluye los gastos de documentación, costos financieros, gastos de
agencias de aduanas y el transporte terrestre hasta el puerto de embarque. Es el
proveedor el que se encarga de fijar este costo.
5.1.2 Costo CIF (Cost, Insurange and Freight)
Es el Costo en puerto de embarque (FOB) más los gastos de flete
marítimo, seguro y arancel en destino.
El costo CIF = FOB + 0.07*FOB + 0.02*FOB (5-1)
El arancel correspondiente al ingreso de este tipo de tecnología desde
EEUU es nulo, debido al tratado de libre comercio que mantiene Chile con ese
país.
Además de los costos anteriormente citados se debe agregar los
correspondientes a manejo en aduana, que equivalen a 0.25% del costo CIF.
Existe otra opción en la gran gama de alternativas para los ensayos en
alta tensión, este es el equipo “Kit de Alta Tensión” de la misma firma. La
garantía de este equipo es que en el se pueden realizar ensayos de distintos
tipos, estos son: alta tensión alterna, alta tensión continua, impulsos rayo y
maniobra y descargas parciales.
La desventaja principal del Kit Haefely de Alta Tensión, comparada
con el modelo SGSA 100-800 es que tiene una capacidad de carga menor, lo
que limita el tipo de equipo al cual se pueden realizar ensayos de impulsos.
La simulación del Kit Haefely se encuentra en el apéndice B.
A continuación se analizarán los costos asociados a la adquisición de
cada equipo.
5.2 COSTO DE ADQUISICIÓN GENERADOR MARX HAEFELY
Los costos asociados a la adquisición de un generador Marx de 8
etapas de Marca Haefely, modelo SGSA 100-800 se muestran en la tabla 5-1.
Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800
COSTO F.O.B. U$ 240.000,00
FLETE (7% FOB) U$ 16.800,00
SEGURO (2% FOB) U$ 4.800,00
Continuación Tabla 5-1
C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) U$ 261.600,00
ARANCEL U$ 0,00
MANEJO EN ADUANA U$ 654,00
VALOR EN FAENA U$ 262.254,00
TRANSPORTE E INSTALACIÓN U$ 1.000,00
COSTO TOTAL U$ 263.254,00
Como se puede apreciar el costo total de la adquisición del equipo
generador de alta tensión asciende hasta los U$ 263.254.
5.3 COSTO ADQUISICIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY
Los costos de adquisición del kit de alta tensión haefely se puede
apreciar en la tabla 5-1.
Este equipo en comparación con el SGSA 100-800 tiene un costo
mucho más elevado, lo que hace imprescindible referir bien los datos y
conjeturas para que la decisión de adquisición de un equipo u otro se base en un
análisis completo de manera de tomar la decisión correcta, hay que recordar que
la inversión es bastante fuerte.
Tabla 5-2 Costo KIT A.T. Haefely
COSTO F.O.B. U$ 320.000,00
FLETE (7% FOB) U$ 22.400,00
SEGURO (2% FOB) U$ 6.400,00
C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) U$ 348.800,00
ARANCEL U$ 0,00
MANEJO EN ADUANA U$ 872,00
VALOR EN FAENA U$ 349.672,00
TRANSPORTE E INSTALACIÓN U$ 1.000,00
COSTO TOTAL U$ 350.672,00
Como se puede apreciar de la información mostrada en las tablas
anteriores la diferencia en la adquisición entre un equipo y otro es bastante
significativo, del orden de los U$ 90.000, sin embargo se debe mencionar que en
el caso del equipamiento más costoso este puede realizar un amplio número de
ensayos, característica que no cumple el generador Marx.
5.4 EJEMPLO DE ENSAYO DE ALTA TENSIÓN
Existe una gran variedad de ensayos que se pueden realizar con un
generador Marx, lo más comunes son los siguientes:
Envejecimiento
Contaminación
Mecánicos
Aceite
Todos estos ensayos varían en su beneficio económico según distintos
factores, como por ejemplo fletes y seguros de transporte, asesorías, estudios
especializados, tiempos de ensayo, utilización de recursos humanos y
tecnológicos, etc. por lo que como referencia el cobro por ensayos de estudio en
alta tensión pueden variar entre los U$ 5.000 y los U$ 50.000. Además de la
variación en los factores antes mencionados debe agregarse que la periodicidad
de la solicitud de estos servicios no es constante y por ello es difícil establecer,
en un periodo determinado, la cantidad de veces que se utilizarán los servicios
del generador.
Sin embargo, y a modo de ejemplo, se dará el detalle de un proyecto
de medición de “Critical Flashover” con contaminación en aisladores. Este
proyecto está basado en un estudio solicitado por una empresa minera para
determinar la influencia de contaminantes que se depositaban en los aisladores
debido a las faenas en la mina.
El problema surge cuando en la empresa se producen descargas en
los aisladores. Estas fallas podrían deberse a contaminantes, existentes en el
ambiente de trabajo, para verificar esta teoría se solicita el servicio.
El proyecto contempla los siguientes tópicos económicos, los cuales
se muestran en la tabla 5-3.
Tabla 5-3 Valores económicos utilizados.
VALORES
HORAS HOMBRE INGENIERO 1,50 UF U$ 42,50
HORAS HOMBRE TÉCNICO 0,50 UF U$ 14,17
COSTO REPOSICIÓN MARX U$ 263.254,00
COSTO REPOSICIÓN KIT U$ 350.672,00
USO EQUIPO MARX POR 8 HORAS U$ 263,25
USO EQUIPO KIT AT POR 8 HORAS U$ 350,67
TASA DE CAMBIO $ 600,00
VALOR UF $ 17.000,00
Según CEFA de Italia (Tomada desde Universidad de la Plata,
Argentina) para el cobro de servicios por utilización de laboratorio de alta tensión
se toma la siguiente referencia; además de las horas hombre ingeniero y técnico
se debe agregar un tanto por mil del costo de reposición del equipo utilizado por
un periodo de 8 horas de este.
Los ensayos que se pueden realizar en un laboratorio de alta tensión
contemplan tres etapas de trabajo: Instalación y Preparación, Desarrollo de los
ensayos y Análisis de Datos. Cada uno de estos puntos involucra cierta cantidad
de profesionales, según las necesidades.
A continuación se dará la especificación de un ensayo de alta tensión
a un grupo de aisladores para estudiar como afecta la contaminación en el
desempeño eléctrico de éstos.
Las características de cada etapa son las siguientes: Instalación y
Preparación, esta etapa se refiere al armado, configuración y calibración de los
equipos que se verán involucrados en los ensayos. En el caso de contaminación
es en esta etapa que se debe implementar las probetas y cantidades de
contaminantes que serán aplicados en la prueba. Además, se deben calibrar los
equipos según los niveles de tensión necesarios.
En la segunda etapa, desarrollo de los ensayos, se llevan a cabo las
descargas y es cuando se utiliza con mayor detenimiento los equipos
generadores de alta tensión y los equipos de medición involucrados. También la
contaminación de aisladores es fundamental que se realice según normas
aplicables y que darán la veracidad al resultado final.
Por último, la tercera etapa refiere al análisis de los datos obtenidos
durante el desarrollo del proyecto de ensayo, en esta se ven involucrados
principalmente ingenieros que son los que darán el veredicto sobre el resultado y
la influencia de los contaminantes.
Como se puede apreciar en el apéndice C el costo total del proyecto,
es decir la suma a cobrar al cliente por realizar este estudio alcanza U$
11.161,72. es decir del orden de $6.600.000. costo que no es despreciable,
pero sin embargo en la mayoría de los casos es más económico para una
empresa realizar estos estudios comparado con las pérdidas que producen fallas
en el sistema eléctrico.
Para hacer un análisis cuantitativo de los beneficios económicos que
involucran los equipos de alta tensión se buscará una frecuencia de solicitud de
ensayos, tomando como valor de referencia el cobro calculado en el ensayo por
contaminación, es decir, se estimará una mínima cantidad de eventos de este
tipo por año de manera que en el lapso de 20 años, periodo de vida útil
garantizado de los equipos, el costo de oportunidad del capital necesario para la
adquisición sea menor a la adquisición.
De la teoría económica una forma de analizar la rentabilidad de un
proyecto es a través del factor denominado valor actual Neto(VAN) o valor
presente neto(VPN) a una cierta tasa de retorno(TRMA). Es decir, se analizará
cuantos ensayos al año se necesitarían para que la inversión se justifique.
Cabe destacar que los beneficios de la implementación de un
laboratorio de alta tensión no son solo cuantitativos, sino también cualitativos,
tanto para el prestigio de la universidad como para el alumnado, el cual tendrá
un espectro más amplio en las áreas de la ingeniería eléctrica.
El valor presente neto se calcula según la siguiente ecuación:
( ) ( )1 1
j jj j
j j
Ingresos EgresosVAN
TRMA TRMA= −
+ +∑ ∑ (5-2)
Donde j representa el periodo, en nuestro caso el egreso equivale al capital
inicial de adquisición del equipo y los ingresos el costo de cada ensayo por el
número de estos que se realizan en un periodo (año).
La tasa de retorno para una inversión superior a 3 años es de 4.1%.
Con estos datos podemos calcular ahora el Van para nuestro proyecto,
el cual es de:
VAN = U$ 7557.65
Este valor es para una solicitud de 2.1 ensayos por periodo, es decir,
que se debiesen esperar por cada periodo 3 ensayos de manera de asegurar la
buena rentabilidad de la compra.
Para el Kit de Alta Tensión el van es positivo para 2.9 ensayos por
periodo, con un valor de:
VAN = U$ 6.450,97.
5.5 CONCLUSIONES
En el caso del generador Haefely el valor del VAN es mayor que el
obtenido por el Kit Hafely, esto indica como primer análisis que en caso de existir
el capital se debe optar por el Generador Haefely, sin embargo, esta conclusión
es muy apurada ya que no se han tomado en cuenta otros factores que no son
cuantitativos, factores que involucran al alumnado, profesorado y todos los que
pertenecen a la escuela de ingeniería eléctrica. Esto es, no se busca la
adquisición de un equipo de alta tensión solo por el hecho que puede llegar a ser
un buen negocio dependiendo de las solicitudes de servicio que se tenga, sino
además que con la compra de estos equipos se amplía el campo de estudio
dentro de la Universidad, los alumnos tienen una nueva área de estudio, los
profesores una nueva área de enseñanza, sino que además la universidad gana
en prestigio debido a que aumenta su espectro de enseñanza situándola como
una de las tres universidades que cuentan con este tipo de equipos en nuestro
país. Bajo estas consideraciones y siguiendo la misma línea de análisis
podemos concluir que la mejor alternativa de adquisición es el Kit de Alta
Tensión Haefely debido, principalmente, a la gran cantidad de ensayos distintos
que se pueden realizar con este equipo en comparación con el SGSA 100-800.
CONCLUSIONES
Al finalizar el trabajo podemos hacer varias reflexiones respecto de lo
estudiado.
Las normas estudiadas son solo una pequeña parte de una gran
variedad de normas y dentro de las cuales se desprenden otras que dependen
del tipo de trabajo en el cual se va aplicar una norma específica, por ejemplo
para alta tensión la norma principal es la 4-1982 estudiada en el capítulo 1 de
este trabajo. Sin embargo, para hacer ensayos de la misma índole en la cual se
aplica esta norma se deben considerar otras como la c29.1 de ella, dependiendo
del tipo de aislador, se debe aplicar la c29.10, c29.11, etc. Es decir sería muy
difícil para un solo trabajo dar a conocer todas las normas existentes.
Al igual que en alta tensión las lámparas de descarga deben ser
reguladas para asegurar que en caso del reemplazo del ignitor este cumpla con
lo exigido por los fabricantes de manera de asegurar su correcto funcionamiento,
es así que existen también normas que regulan el alto, ancho, duración, etc de
los impulsos, sin embargo las normas no son tan explícitas y detalladas
comparadas con las normas aplicadas a la alta tensión.
El generador Marx es la alternativa más utilizada para generar impulsos
de hasta 5 MV de tensión debido a la baja complejidad en su fabricación y su
diseño no varía mayormente entre fabricantes. El principal trabajo de simular
estos efectos se refiere principalmente a la forma de producir la descarga, de
hecho estas descargas se producen a través de dieléctricos, como el aire, que
aún en la actualidad no están del todo comprendidas por los expertos. Sin
embargo, la aplicación de software para este y otros estudios es de vital
importancia ya que se puede saber como se van a comportar los elementos ante
un evento fortuito como un rayo que cae en un sistema de transmisión, y es para
eso que se debe estar preparado de manera de asegurar la continuidad y calidad
del servicio eléctrico además de la disminución en los costos económicos.
El gran problema para una universidad de recursos limitados es el alto
costo de implementar tecnología de punta en el análisis y generación de alta
tensión, sin embargo a través de un análisis exhaustivo de costos y beneficios se
puede determinar que estos equipamientos pueden equiparar el costo de
instalarlos. No solo por el hecho de que se habla de equipos que cuestan miles
de dólares sino que acarrea una serie de beneficios para la universidad que no
son cuantitativos, pero que tienen gran importancia para una institución que
busca expandirse al mundo.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Coaton, J.R. & Marsden A.M., Lamp and Lighting, Arnold, Fourth
Edition, 1997.
[2] Gallaguer, Pearmain, High Voltage: Measurement, Testing and Design,
John Wiley and Sons, 1984.
[3] Kuffel, E., Zaengl, W.S., High Voltage Engineering, Fundamentals,
Hammond p., 1984.
[4] IEEE, Power Engineering Society, Standard Techniques for High
Voltage Testing, 1982.
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Insulators, 1988.
[6] Escuela del Técnico Electricista, Tomo 12, Técnica de la Alta Tensión,
Labor S.A., 1970.
[7] Quiroz N., Iván P., Diseño, Construcción y Evaluación Técnica y
Económica de un Ignitor para Lámparas de Descarga de Haluros
Metálicos. Informe Final de Proyecto de Título, Escuela de Ingeniería
Eléctrica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Mayo de 2000.
[8] British Standard, General and Safety Requirements for Starting Device,
England, 1990.
[9] Cadense Design Systems, PSpice version 9.2, 1998-2000.
APÉNDICE A
CURVAS PARA EL CÁLCULO DE FACTORES DE CORRECCIÓN
APÉNDICE A
CURVAS DE NORMAS PARA CORRECCIÓN DE FACTORES
Figura A-1 Curva para corrección de humedad
Figura A-2 Curva para el factor de corrección de presión
Figura A-3 Curva para corrección de humedad Norma C29.1
Figura A-4 Curva para el cálculo de m y n.
Figura A-5 Ejemplo de curva de probabilidad para cálculo de CFO.
APÉNDICE B
SIMULACIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY
APÉNDICE B
SIMULACIÓN KIT ALTA TENSIÓN HAEFELY
B.1 GENERACIÓN ALTA TENSIÓN ALTERNA
Para generar alta tensión alterna se utiliza el transformador Elevador, el
cual consta de tres etapas, cada una capaz de generar 100 kV efectivos. Este
transformador consta de tres devanados dos de los cuales están en relación 1:1
para poder formar la cascada necesaria para elevar la tensión a niveles
superiores a los 100 kV. Las características intrínsecas del transformador fueron
obtenidas desde un transformador de similares características existente en la
Universidad Técnica Federico Santa María.
B.1.1 Generación Alta Tensión Alterna con una Etapa
Figura B-1 Circuito equivalente para generación AC, 1 etapa.
Las formas de onda siguientes representan la tensión en la carga y la
corriente en el secundario del transformador. Todas las simulaciones estarán
hechas a plena carga, es decir con la capacidad máxima de carga del
transformador.
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msV(CARGA:1)
-200KV
0V
200KVRMS(V(CARGA:1))
0V
100KV
200KV
SEL>>
Figura B-2 Tensión en la probeta
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msI(L2)
-200mA
0A
200mA
SEL>>
RMS(I(L2))0A
50mA
100mA
Figura B-3 Corriente en el transformador
B.1.2 Generación Tensión Alterna con dos Etapas
Como se explicó anteriormente para generar el doble de tensión se
utiliza el transformador con una configuración en cascada, tal como se muestra
en el circuito siguiente.
Figura B-4 Generación AT alterna, 2 etapas.
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msV(CM21:1)
-400KV
0V
400KVRMS(V(CM21:1))
0V
200KV
400KV
SEL>>
Figura B-5 Tensión AC, 2 etapas.
Time
0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msI(L6)
-40mA
0A
40mARMS(I(L6))
0A
20mA
40mA
SEL>>
Figura B-6 Corriente transformador AC, 2 etapas.
B.2 GENERACIÓN ALTA TENSIÓN CONTINUA.
Para generar alta tensión continua el kit haefely tiene, al igual que en el caso de tensión alterna, tres niveles de tensión que se pueden obtener a través de distintas configuraciones. B.2.1 Generación Tensión Continua con una Etapa
Figura B-7 Circuito AT DC, 1 etapa.
Time
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0sV(RM1:1)
0V
50KV
100KV
150KV
Figura B-8 Tensión en la carga, DC 1 etapa.
Según la norma IEC 600060-1, la ondulación en un ensayo de alta
tensión continuo no debe superar el 3%. En el caso de la simulación se
comprueba que la ondulación es de 2.78%.
B.3 GENERACIÓN DE IMPULSOS
1 Etapa.
Al igual que para el caso de la generación de alta tensión alterna y
continua, el kit haefely tiene la capacidad de trabajar con distintos niveles de
tensión. Como es sabido de toda la teoría de la generación de impulsos el
rendimiento del generador es influenciado por la relación entre la carga y las
resistencia de cola y frente. Es así como para el caso específico del kit haefely
viene una serie de resistencias de cola y frente para distintos niveles de carga.
En la simulación solo se aplicará para el nivel máximo de carga, el que en
general, implica el menor nivel de tensión.
B.3.1 Generación de Impulsos con una Etapa
Figura B-9 Generador de impulsos, 1 etapa.
Time
40.000ms 40.020ms 40.040ms 40.060msV(Carga1:1)
0V
40KV
80KV
105KV
Figura B-10 Impulso con una carga de 7 nF. 1 etapa.
B.3.2 Generación de Impulsos con dos Etapas
Figura B-11 Generador de impulsos, 2 etapas.
Time
40.00ms 40.01ms 40.02ms 40.03ms 40.04ms 40.05msV(6)
0V
50KV
100KV
150KV
197KV
Figura B-12 Impulso a carga máxima, 2 etapas.
B.3.3 Generación de Impulsos con tres Etapas.
Figura B-13 Generación de Impulsos, 3 etapas.
Time
40.00ms 40.02ms 40.04ms 40.06msV(CB13:1)
0V
100KV
200KV
287KV
Figura B-14 Impulso a carga máxima, 3 etapas.
APÉNDICE C
EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN
APÉNDICE C
EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN
Todos estos ensayos varían en su beneficio económico según distintos
factores, como por ejemplo fletes y seguros de transporte, asesorías, estudios
especializados, tiempos de ensayo, utilización de recursos humanos y
tecnológicos, etc. por lo que como referencia el cobro por ensayos de estudio en
alta tensión pueden variar entre los U$ 5.000 y los U$ 50.000. Además de la
variación en los factores antes mencionados debe agregarse que la periodicidad
de la solicitud de estos servicios no es constante y por ello es difícil establecer,
en un periodo determinado, la cantidad de veces que se utilizarán los servicios
del generador
A continuación se verá el detalle de los cobros realizados a un cliente
para la solicitud de un ensayo en particular.
Como ya se especificó este trabajo se realizará en tres etapas, las
cuales están individualizadas en las figuras que aparecen más adelante.
Los costos asociados a cada etapa del trabajo se detallan en la figura
C-1.
Se debe dejar en claro que este trabajo es una pequeña muestra de
cómo se realiza un ensayo en alta tensión, dentro de los cuales existe una
infinidad de aplicaciones que están reguladas por normas específicas
dependiendo del tipo de ensayo que se realiza.
Figura C-2 Detalle del desarrollo del proyecto.
Figura C-3 Recursos utilizados
Id Nombre de tarea Costo total1 ENSAYO CONTAMINACIÓN 11.161,72 U$2 INSTALACIÓN Y PREPARACIÓN 1.756,72 U$3 Recepción Probeta 170,00 U$
Ingeniero1 170,00 U$4 instalación Probeta 453,36 U$
Ingeniero1 340,00 U$Técnico1 113,36 U$
5 constrastación Equipo A.T. 453,36 U$Ingeniero1 340,00 U$Técnico1 113,36 U$
6 Preparación Ensayos 680,00 U$Ingeniero2 680,00 U$
78 DESARROLLO DE ENSAYOS 5.265,00 U$9 Ensayo Tensión Flashover s/contaminación 1.755,00 U$
Ingeniero1 1.020,00 U$Técnico1 340,08 U$equipo A.T. 394,92 U$
10 Ensayo de Tensión con aplicación de Contam 1.755,00 U$Ingeniero1 1.020,00 U$Técnico1 340,08 U$equipo A.T. 394,92 U$
11 Ensayo de Tensión con aplicación de Contam 1.755,00 U$Ingeniero1 1.020,00 U$Técnico1 340,08 U$equipo A.T. 394,92 U$
1213 ANÁLISIS DE DATOS 4.140,00 U$14 Análisis de datos 2.070,00 U$
Ingeniero1 1.020,00 U$Ingeniero2 1.020,00 U$Equipo Análisis de Datos 30,00 U$
15 Preparación Informe 2.070,00 U$Ingeniero1 1.020,00 U$Ingeniero2 1.020,00 U$Equipo Análisis de Datos 30,00 U$
Detalles
Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.Trab.
J V S D L12 dic '04
12h 24h12h 24h4h4h8h 8h4h 4h4h 4h
8h4h4h8h8h
Id Nombre del recurso Capacidad máxima Tasa estándar1 Ingeniero1 100% 42,50 U$/hora2 Ingeniero2 100% 42,50 U$/hora3 Técnico1 100% 14,17 U$/hora4 Técnico2 100% 14,17 U$/hora5 equipo A.T. 100% 32,91 U$/hora6 Equipo Análisis de Datos 100% 1,25 U$/hora
Figura C-4 Detalle calendario del ensayo
Como se puede apreciar y haciendo un compendio de la información
aparecida en las figuras anteriores el costo total del proyecto asciende hasta los
U$ 11600, los cuales deben ser cobrados al potencial cliente del laboratorio.
El mayor costo se produce en la segunda y tercera etapa, debido
principalmente al mayor tiempo de dedicación, costo de los equipos involucrados
y mayor número de horas ocupadas por los profesionales.
Id Nombre de tarea Duración Comienzo Fin Pre Nombre1 ENSAYO CONTAMINACIÓN 18 días vie 10-12-04 mar 04-01-052 INSTALACIÓN Y PREPARACIÓN 3 días vie 10-12-04 mar 14-12-043 Recepción Probeta 0,5 días vie 10-12-04 vie 10-12-04 Ingenier4 instalación Probeta 1 día vie 10-12-04 lun 13-12-04 3 Ingenier5 constrastación Equipo A.T. 1 día lun 13-12-04 mar 14-12-04 4 Técnico6 Preparación Ensayos 2 días lun 13-12-04 mar 14-12-04 3 Ingenier78 DESARROLLO DE ENSAYOS 9 días mié 15-12-04 lun 27-12-049 Ensayo Tensión Flashover s/conta 3 días mié 15-12-04 vie 17-12-04 6 Ingenier10 Ensayo de Tensión con aplicación 3 días lun 20-12-04 mié 22-12-04 9 Ingenier11 Ensayo de Tensión con aplicación 3 días jue 23-12-04 lun 27-12-04 10 Ingenier1213 ANÁLISIS DE DATOS 6 días mar 28-12-04 mar 04-01-0514 Análisis de datos 3 días mar 28-12-04 jue 30-12-04 11 Ingenier15 Preparación Informe 3 días vie 31-12-04 mar 04-01-05 14 Ingenier
c