Scientia Et Technica ISSN: 0122-1701
[email protected] Universidad Tecnológica de Pereira Colombia
BEDOYA BEDOYA, DUVIER; ROLDAN, FRANCISCO ABEL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ESPINTERÓMETRO PARA UN GENERADOR DE IMPULSO DE ALTA TENSIÓN PARTE I: FUNDAMENTOS Scientia Et Technica, vol. X, núm. 26, diciembre, 2004, pp. 7-11 Universidad Tecnológica de Pereira Pereira, Colombia
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Scientia et Technica Año X, No 26, Diciembre 2004. UTP. ISSN 0122-1701
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ESPINTERÓMETRO PARA UN GENERADOR DE IMPULSO DE ALTA TENSIÓN PARTE I: FUNDAMENTOS RESUMEN Se presentan los fundamentos de selección de los electrodos de un espinterómetro para un generador de impulsos de tensión de 140kV, 30 Joules. Ellos se basan en algunos principios de la electrostática, la teoría de las descargas en gases y en el IEEE Std 4 – 1995 y sus versiones anteriores. PALABRAS CLAVES: Espinterómetro, Técnicas de Alta Tensión, Impulso Tipo rayo. ABSTRACT This paper shows the sphere gap selection principles for a 140 kV, 30 Joules high voltage generator. They are based on some electrostatic principles, theory of discharge in gases and the IEEE Std 4 – 1995 and its previous versions.
KEYWORDS: Spark Gaps, High Voltage Techniques, Lightning Impulse.
1. INTRODUCCIÓN Los generadores de impulso, Figura 1, son equipos de laboratorio que generan Impulsos, Figura 2, los cuales permiten evaluar el desempeño de equipos eléctricos frente a la presencia de perturbaciones que puedan afectarlos. Entre los impulsos de tensión producidos por tales generadores, se encuentran los impulsos normalizados tipo rayo y tipo maniobra. [9] Los impulsos tipo rayo y maniobra, son coincidentes en forma, Figura 2, pero difieren en sus tiempos. Los tiempos de la forma de onda constan de dos intervalos: el primero corresponde al intervalo en que se logra el valor de la tensión pico de la onda conocido como tiempo de frente, y el segundo corresponde al intervalo en que se alcanza el 50% del valor pico de la onda en recorrido de descenso, como tiempo de cola. De esta manera se definen las ondas de impulso tipo rayo y maniobra (tiempo de frente / tiempo de cola) como:
250 ± 20% respectivamente. [14] 1,2 ± 30% µs µs y 50 ± 20% 2500 ± 60% En el generador de impulso de tensión, Figura 1, la resistencia limitadora, se encarga de disminuir la corriente que fluye al resto del circuito, con el fin de proteger los equipos y operarios. El condensador de descarga C1, se carga a través del diodo de alta tensión, cuando dicho condensador ha Fecha de recepción: 28 Septiembre 2004 Fecha de aceptación: 29 Noviembre 2004
DUVIER BEDOYA BEDOYA Ingeniero Electricista. Universidad Nacional de Colombia - Manizales
[email protected] FRANCISCO ABEL ROLDAN Ingeniero Electricista. Universidad Tecnológica de Pereira. D.E.A. Génie Électrique. I.N.P.G. Grenoble Francia. Profesor asociado Universidad Nacional de Colombia - Manizales
[email protected]
Grupo de Redes de Distribución y Potencia. Universidad Nacional de Colombia - Manizales.
alcanzado un nivel determinado de tensión, Vo pasa a ser la fuente de tensión del circuito a su derecha. El nivel de tensión de descarga Vo del condensador C1, es controlado por la separación de los electrodos del “sphere gap”. Cuando se produce la descarga (arco) en los electrodos la corriente fluye inicialmente a través de la resistencia R1 (del orden de los cientos de ohms) siendo ésta, la responsable del control del tiempo de frente de la onda de impulso. Simultáneamente con el inicio de la descarga se carga el condensador C2, también conocido como condensador de carga. Posteriormente cuando ambos condensadores C1 y C2 alcanzan el mismo nivel de energía, estos se cargan a través de la resistencia R2 (del orden de los k Ω ), la cual es la responsable del control del tiempo de cola de la onda de impulso. La onda de impulso así formada, se aplica sobre el objeto de prueba, el cual se debería encontrar en paralelo con el divisor de tensión y el espinterómetro de prueba, Figura 1. El divisor de tensión reduce la alta tensión a valores tolerables por los equipos de medida, tales como osciloscopios y voltímetros. El espinterómetro de prueba (opcional) permite recortar la onda de impulso en le frente o en la cola de la misma. El espinterómetro, conocido también como “ sphere gap”, “spark gap ”, explosor, esferas excéntricas y chispómetro entre otros; es un elemento constitutivo de los generadores de impulso; puede ser usado a la vez como interruptor o como instrumento de medida.
8 Cuando se usa como interruptor, origina la onda de impulso la cual puede ser plena o recortada y como instrumento de medida, permite conocer el nivel de tensión al cual dicha onda es generada y/o recortada. [10]
Figura 1. Generador de impulso de tensión.
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3, este puede ser homogéneo como el caso del arreglo de esferas y el arreglo de placas o no homogéneo como el caso del arreglo punta placa y punta - punta. La homogeneidad del campo se debe a la igualdad del área (que los iones y electrones deben ocupar) alrededor de los electrodos. Existe otro tipo de electrodos consistentes en un arreglo de placas con una pequeña curvatura en sus extremos, conocidos como perfiles de Rogowski. Dichos perfiles se diseñan siguiendo una línea equipotencial correspondiente a un nivel determinado de tensión, Figura 4, definiéndose tal perfil para esta figura en la primera línea equipotencial.
Figura 3. Tipos de arreglos, A Arreglo esferas, B arreglo placas (campo homogéneo); C arreglo punta – placa, D arreglo placa punta, E arreglo puntas, F arreglo barras (campo no homogéneo). Figura 2. Impulso de tensión.
2. DESCARGAS EN GASES Para analizar el funcionamiento del espinterómetro se deben considerar algunos fundamentos de las descargas en gases. Dichas descargas dependen de varios factores tales como: tipo de gas, forma de los electrodos, polaridad de los electrodos, tipo de tensión aplicada y condiciones atmosféricas entre otros. [2, 4, 6, 8]
2.3 Polaridad de los electrodos Las descargas en aire están directamente relacionadas con la generación de iones libres, los cuales en presencia de un campo eléctrico, adquieren una aceleración proporcional a la magnitud del campo aplicado y una velocidad proporcional a dicha aceleración y al tiempo entre choques con las demás partículas presentes en el aire.
2.1 Tipo de gas En las técnicas de alta tensión el gas más empleado es el aire, aunque existen gases cuya rigidez dieléctrica es superior, deben satisfacer otros requisitos tales como condensación, incombustibilidad y buena conductividad térmica. Entre estos gases se encuentran el Tetracloruro de Carbono (CCl4) y el Hexafloruro de Azufre (SF6). El aire es el medio más común para originar descargas ya que se encuentra libre en la naturaleza y no es necesario someterlo a procesos artificiales como el caso de otros dieléctricos.
2.2 Forma de los electrodos El tipo de descarga depende de la forma de los electrodos ya que su configuración se encuentra directamente relacionada con la formación del campo eléctrico, Figura
Figura 4. Líneas equipotenciales que definen el perfil de Rogowski.
La velocidad de los electrones es mayor que la de los iones debido a su menor masa, por esta razón frente a un campo eléctrico externo aplicado, la aceleración es mayor para un electrón que para un ión positivo. Tomando como ejemplo un arreglo punta – placa, y la polaridad de la punta positiva, Figura 5A, la baja movilidad de los iones positivos produce acumulación de estos alrededor de la punta, haciendo su desplazamiento hacia la placa muy lenta y provocando una disminución
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de aire efectiva entre electrodos. Lo que se conoce como efecto de alargamiento de puntas. Por esta razón para esta configuración el campo eléctrico máximo soportable es menor que en la configuración de campo homogéneo donde el área de los electrodos es muy grande (arreglos de placas o esferas). Si la polaridad de la punta es negativa, Figura 5B, al ser el área de las regiones cercanas a la placa más grande que las cercanas a la punta, la acumulación de los iones positivos no disminuye la distancia efectiva de aire entre electrodos, por que estos tienen que ocupar mucho mas espacio. Además la movilidad de los electrones desde la punta hacia la placa es alta siendo el proceso de alargamiento mucho menor, luego el campo eléctrico soportable máximo es mayor que en polaridad positiva.
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2.5 Condiciones atmosféricas Dentro de los parámetros de diseño y operación del espinterómetro deben considerarse factores como: presión, humedad, densidad relativa del aire y altura sobre el nivel del mar. Al variar estos parámetros varía la formación de la descarga, es así como al aumentar la altura sobre el nivel del mar disminuye la presión y se aumenta la probabilidad de descarga. A manera de ejemplo, si se tiene un arreglo electródico a nivel del mar, para campo homogéneo cuya separación es de un centímetro con aire como dieléctrico, en el cual se aumenta la tensión produciéndose una descarga a los 30 kV. Si se considera el mismo arreglo electródico a nivel de Manizales (promedio de 2150 m.s.n.m.) la descarga se presentará alrededor de los 24kV y si se lleva tal arreglo a una altura a nivel de Bogotá (promedio 2600 m.s.n.m.), la descarga se producirá alrededor de los 22kV.
3. SELECCIÓN DE LOS ELECTRODOS Para la selección de los electrodos se considera su forma y tamaño.
3.1 Forma de los electrodos
Figura 5. Influencia de la polaridad en descargas
En resumen si se considera un campo no homogéneo presente entre un arreglo electrodico, por ejemplo, entre una punta y una placa, la descarga se establece de forma diferente si parte del ánodo o del cátodo. La mayor intensidad de campo aparece en la punta, y aquí se sobrepasa primero la rigidez dieléctrica del gas.
2. 4 Tipo de tensión aplicada El tipo de tensión aplicada a los electrodos tiene una influencia directa en el estudio de campos tanto homogéneos como no homogéneos, pudiéndose considerar 3 tipos de tensiones: directa, alterna e impulso. En el caso de tensión directa la descarga depende de la polaridad de los electrodos y es el caso típico de la descarga punta placa como se mencionó anteriormente. En tensión alterna se produce durante cada semiperíodo el mismo fenómeno que para tensión directa. Las descargas por impulso, conocidas como descargas de choque, tienen un comportamiento completamente diferente a las descargas en tensión directa y alterna, Figura 2.
Puesto que el espinterómetro se desempeña como un interruptor, se debe procurar que este funcione en todos los casos con una mínima dispersión respecto un nivel de tensión de operación. Esto se logra para un arreglo de electrodos que presente una distribución homogénea de campo eléctrico. Es posible construir un espinterómetro utilizando el arreglo de placas, así como es posible construirlo con el arreglo de Rogowski o el arreglo de esferas. Utilizando el arreglo de placas se pueden producir descargas a partir de campo eléctrico homogéneo, siempre y cuando, la descarga se produzca en todo el centro de las placas más no hacia sus extremos. Pero a niveles elevados de tensión y grandes distancias interelectrodicas, la concentración de campo se hace muy notoria en dichos extremos, aumentando de este modo la probabilidad de descarga en esta región debido al campo eléctrico no homogéneo, que asocia lo que conduce a lecturas erróneas. El perfil de Rogowski ofrece una solución frente a estos problemas de concentración de campo, ya que tiene una curvatura en los extremos (Figura 4) que coincide con una línea equipotencial correspondiente a una tensión de diseño V. El campo será homogéneo siempre y cuando el nivel de tensión existente entre los electrodos sea menor o igual a la tensión V; cuando la tensión supere este valor, la concentración de campo comenzará a aparecer hacia los extremos presentando el mismo problema del arreglo de placas.
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10 El arreglo esfera-esfera no presenta estos problemas de concentración de campo; el campo es netamente homogéneo siempre y cuando la distancia de separación de las esferas no supere la mitad del diámetro de las mismas. Por lo tanto el arreglo de electrodos más adecuado para la construcción del espinterómetro de 140kV es el arreglo de esferas.
3.2 Tamaño de los electrodos [14] El cálculo del diámetro de los electrodos se hace por medio de tablas de tensión. Estas tablas proveen el diámetro de los electrodos en función de su separación y de la tensión de disrupción, cuya probabilidad es 50% disruptiva con precisión del 3%, según la máxima tensión suministrada por el generador. Cabe mencionar que se debe hacer la corrección de los datos para la altura de operación del generador, ya que estos se encuentran a condiciones estándar (sobre el nivel del mar). La altura de interés, es en promedio 2150 metros sobre el nivel del mar. Los valores estándar del diámetro de las esferas establecidos por el IEEE std 4 -1995 son: • • • • • • • •
Esto quiere decir que la misma descarga o disrupción que se produce a 140 kV a condiciones estándar, equivale a 111,464 kV a 2150 metros sobre el nivel del mar. Esto se puede explicar por la pérdida de rigidez dieléctrica del aire a medida que aumenta la altitud como se indica a continuación (ley de Paschen): Si se considera a Ra como el valor de la rigidez dieléctrica del aire a condiciones estándar (30 kV/cm), aplicando el factor de corrección k, se obtiene el nuevo valor corregido de Ra a 2150 m.s.n.m. (23,64 kV/cm). Esto refleja una pérdida en el nivel del aislamiento con la altitud.
4. CONCLUSIONES
625 mm 125 mm 250 mm 500 mm 750 mm 1000 mm 1500 mm 2000 mm
Los parámetros de espinterómetro son :
El cálculo del diámetro de las esferas se hace a partir de la tensión en el secundario del transformador: Vs = 100 kV (1)
Multiplicando por
obtiene el factor de corrección k, el cual redefine el valor de la tensión de operación del espinterómetro en relación con su operación a condiciones estándar. [6] 1 k= (3) 1 + (1.25E - 4) * H(metros) k = 0,88177 (4) Aplicando el factor de corrección k, a la tensión del espinterómetro, Vecorregido = 0,7881777 *141,421kV = 111,464kV (5)
2 para obtener los valores picos
Ve = 2 *100 kV
(2)
Donde, Vs es la tensión en el secundario del transformador Ve es la tensión pico presente en el espinterómetro. Se recomienda el diámetro de 12.5 cm según las tablas 50% disruptivas para impulsos tipo rayo de polaridad positiva, con una distancia interelectrodica no mayor al radio de las esferas (62.5 mm) y precisión del 3%. Esta tabla arroja un valor máximo de tensión disruptiva de 160 kV, lo cual está muy por encima del valor de la tensión presente en el espinterómetro. Los anteriores cálculos son a condiciones estándar. Haciendo la corrección por altura, de acuerdo a la expresión (3), la cual considera la variación de los parámetros atmosféricos en función de la altitud, se
diseño
encontrados
Tensión estándar de diseño: 140kV Tensión máxima de trabajo: 160 kV Tensión corregida de diseño: 111kV Esferas de 125 mm de diámetro Separación máxima de esferas homogéneo): 62.5 mm
por
el
(campo
Para aprovechar al máximo la fuente de alimentación del generador, el diseño del espinterómetro debe considerar la máxima tensión suministrada por este. El diseño del espinterómetro con esferas garantiza campo homogéneo siempre y cuando la distancia entre electrodos sea menor que el radio de las esferas. A mayores niveles de tensión se emplean mayores diámetros en las esferas, para que se conserve la homogeneidad del campo eléctrico, la cual garantiza la aparición de la descarga con poca dispersión a un mismo nivel de tensión. Las descargas eléctricas en gases dependen de factores tales como la polaridad de los electrodos, el tipo de tensión aplicada, la forma de los electrodos, el tipo de gas y las condiciones atmosféricas, entre los más importantes. Así mismo las condiciones atmosféricas son afectadas por la altitud sobre el nivel del mar. De esta manera, una estructura aislante que trabaja a un nivel de
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tensión dado, se encuentra más exigida cuando opera a mayor altura.
5. BIBLIOGRAFIA [1] AGUET, Michel et IANOZ, Michel. Traité D´Électricité. Deuxiène Édition. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes. 1990. v. XXII. [2] AREVALO, Liliana. Estudio de la Física del efecto corona. Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. 2002. [3] BEDOYA, Duvier. Diseño y Construcción de un Espinterómetro para un Generador de Impulso Tipo Rayo 1.2/50 µs – 140 kV. Trabajo de Grado. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, 2004. [4] BEJARANO, Liliana. Estudio de la influencia de la humedad bajo condiciones controladas en la disrupción del aire. Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. 2002 [5] BROSTOW, Witold. Introducción a la ciencia de los materiales. [6] ENRÍQUEZ, Harper. Técnica de las Altas Tensiones. Segunda edición. Editorial Limusa, México.1990. [7] KIND, Dieter. High Voltage Test Techniques. Butterworth-Heinemann Ltd, 305 Pag. Londres, March, 1999. [8] KRAUSS, John D. Electromagnetismo. Tercera edición. México D.F.1994. [9] KUFFEL, E and ZAENGL, W. S High Voltage Engineering. Londres: Pergamon Press. 1970 . [10] ROMAN, Francisco. Manual de Prácticas Docentes de Alta Tensión. Marzo de 1988. [11] ROTH, Arnold. Técnica de la alta tensión. México: Labor. 1966. 398 p. [12] SCHWAB, A. High Voltage Measurement, MIT press. 1972. [13] SIEGERT, Luis A. Alta Tensión y Sistemas de Transmisión, Limusa, México D.F. [14] IEEE std 4 – 1995. Standard Techniques for High Voltage Testing. [15] IEC 60-1 General Requirements Relating to Test Procedures and Test Objects .
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