modelacion generador impulso
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UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERO DIRRECCION DE POSTGRADO
ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
MODELACIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS ATMOSFÉRICOS DE LA EMPRESA CAIVET
Trabajo de Grado presentado a la ilustre Universidad Central de Venezuela por: Ing. Rosmer Gerardo Ocando Morales
Para optar al titulo de Especialista en Sistemas Eléctricos de Potencia
Caracas, Agosto del 2007
ii
©Ocando, Rosmer 2007
Hecho el Depósito de Ley
Depósito Legal lft 4872007620617
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DEDICATORIA
A mis padres y a mis hermanos, por la ayuda en todo momento.
Ocando Morales, Rosmer G.
iv
MODELACIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS ATMOSFÉRICOS DE LA EMPRESA CAIVET
Tutor Académico: M.Sc. Julio C. Molina. Tesis. Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Especialista en Sistemas Eléctricos de Potencia. Institución: U.C.V. 2007.115 + anexos.
Palabras Claves: Simulación; Generador de Impulso Atmosférico; Pspice;
ATPDraw; Capacitancia; Transformador Monofásico; Divisor de Tensión.
Resumen: Para un transformador de un determinado lote de la producción es
necesario realizarle las respectivas pruebas de rutina así como también las pruebas
tipo. Una de estas pruebas tipo es la prueba de impulso la cual se realiza mediante un
generador de impulsos atmosférico. La empresa CAIVET posee dentro de su
laboratorio de prueba un generador de impulsos; por lo que este trabajo platea la
necesidad de poder simular mediante los programa Pspice y ATPDraw los ensayos
de impulsos a un transformador monofásico. Permitiendo de esta manera poder
configurar el equipo para la prueba, así como también conocer como se determinan
los valores de resistencia, inductancia y capacitancia que permitan aplicar una onda
de impulso atmosférico señalado en la norma I.E.E.E Std-4 1995 y COVENIN 3172
al transformador monofásico. Como resultado se podrá reducir los tiempos de
configuración del generador de impulso y poder hacer los ajustes necesarios del
generador en vacío y con carga, así como también poder comparar los resultados de
las pruebas con las simulaciones.
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ÍNDICE GENERAL
RESUMEN .................................................................................................................. iv
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
1.1.- OBJETIVOS DEL PROYECTO
1.1.1.- OBJETIVO GENERAL..................................................................................... 3
1.1.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS. ........................................................................... 3
1.2.- IMPORTANCIA O JUSTIFICACION DEL PROYECTO. ................................ 4
1.3.- MARCO REFERENCIAL TEÓRICO O HISTÓRICO. ...................................... 4
1.4.- DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN: METODOLOGÍA UTILIZADA............. 7
1.5.- LIMITACIONES DEL PROYECTO ................................................................... 9
CAPÍTULO II
2.1.- FUNDAMENTOS SOBRE GENERADORES DE IMPULSOS DE TENSIÓN
..................................................................................................................................... 10
2.2.- PRINCIPIO BÁSICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS............................ 10
2.3.- FORMA DE ONDA NORMALIZADA DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.... 15
2.3.1.- RENDIMIENTO.............................................................................................. 16
2.3.2.- CIRCUITO DE CARGA. ................................................................................ 18
2.4.- GENERADOR DE IMPULSOS MULTIETAPAS............................................ 19
2.4.1.-CARACTERÍSTICAS NOMINALES DEL GENERADOR DE IMPULSO
MULTIETAPAS. .................................................................................................... 23
2.4.2- TENSIÓN NOMINAL. .................................................................................... 23
2.4.3- CAPACITANCÍA NOMINAL......................................................................... 23
2.4.4- ENERGÍA NOMINAL. .................................................................................... 24
2.4.5- NUMERO DE ETAPAS................................................................................... 24
2.5.- ESQUEMA COMPLETO DEL CIRCUITO DE PRUEBA DE IMPULSO...... 24
vi
2.6.- MÉTODOS DE INICIO DE LA DESCARGA DEL GENERADOR DE
IMPULSOS. ............................................................................................................ 26
2.7.- DISPOSITIVO ELECTROMAGNÉTICO......................................................... 27
2.8.- TRIGATRÓN. .................................................................................................... 27
2.9.-MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO. ...................... 28
2.9.1.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL
ESPINTERÓMETRO DE ESFERAS..................................................................... 28
2.9.1.1.- ERRORES DE LA MEDICIÓN................................................................... 30
2.9.1.2.-ELECTRODOS DE ESFERAS. .................................................................... 31
2.9.1.3.- RESISTENCIA SERIE EN EL CIRCUITO DE MEDICIÓN. ................... 31
2.9.1.4.- PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE
IMPULSO. .............................................................................................................. 31
2.9.1.5.- FACTOR DE CORRECCIÓN POR CONDICIONES AMBIENTALES. .. 32
2.2.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR DE
TENSIÓN Y EL OSCILOSCOPIO. ....................................................................... 33
CAPÍTULO III
3.1.- RESPUESTA DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR FRENTE A
FENOMENOS DE IMPULSO - CÁLCULO DE LA CAPACITANCIA.................. 35
3.2.-REPRESENTACIÓN DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR A
FENÓMENOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO. ................................................. 36
3.3.- TIPO DE BOBINA............................................................................................. 41
3.4.- CÁLCULO DE LA CAPACITANCÍA PARA PRUEBA DE IMPULSOS A UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.................................................................. 42
3.4.1.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT. ........................................................... 44
3.4.2.- CAPACITANCIA ENTRE AT-BTe: .............................................................. 45
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CAPÍTULO IV
4.1.- DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA
CAIVET ...................................................................................................................... 47
4.2.- CONFIGURACIONES CIRCUITALES........................................................... 48
4.2.1.- DATOS NOMINALES: .................................................................................. 49
4.2.2.- CIRCUITO EQUIVALENTE. ........................................................................ 50
4.2.3.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO. ....................................................... 52
4.3.- CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL GENERADOR DE
IMPULSOS Y SUS COMPONENTES: ................................................................. 53
4.3.1.- MESA DE COMANDO .................................................................................. 53
4.3.2. ALIMENTADOR DC....................................................................................... 55
4.3.3.- CONDENSADORES DE ETAPAS. ............................................................... 56
4.3.4.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA: ........................................................ 57
4.3.5.- RESISTENCIA DE CARGA: ......................................................................... 58
4.3.6.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL. ........................................................... 59
4.3.7.- DIVISOR DE TENSIÓN................................................................................. 61
4.3.8.- ESPINTEROMETRO VERTICAL. ................................................................ 63
4.3.9. LÍNEAS DE INTERCONEXIÓN..................................................................... 64
4.3.10.- OSCILOSCOPIO........................................................................................... 65
4.3.11.- CABLES COAXIALES. ............................................................................... 66
4.3.12.- ATENUADORES.......................................................................................... 67
4.4.- LABORATORIO DE PRUEBAS. ..................................................................... 67
4.5.- PUESTA A TIERRA DEL LABORATORIO. .................................................. 68
CAPÍTULO V
5.1.- SITUACIÓN ACTUAL DE LAS PRUEBAS CON EL GENERADOR DE
IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET ............................................................. 69
5.2.- GENERADOR DE IMPULSOS......................................................................... 69
5.2.1.- ALIMENTADOR AC. .................................................................................... 70
viii
5.2.2.- CONDENSADORES DE ETAPAS. ............................................................... 71
5.3.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA............................................................. 72
5.4.- RESISTENCIA DE CARGA. ............................................................................ 72
5.5.- ESPINTEROMETRO VERTICAL. ................................................................... 73
5.6.- DIVISOR DE TENSIÓN.................................................................................... 74
5.7.- CABLES DE MEDICIÓN.................................................................................. 75
5.8.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN............................................................ 75
5.9.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO. .......................................................... 76
5.10.- INDUCTANCIA............................................................................................... 79
5.11.- ONDAS REFLEJADAS. .................................................................................. 79
5.11.1. RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO................................................ 80
5.12.- ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA DATA. ................................ 81
5.13. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO: ............................................... 81
5.14.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE RUPTURA MEDIANTE EL
ESPINTEROMETRO. ............................................................................................ 82
CAPÍTULO VI
6.1.- SIMULACIÓN COMPUTANCIONAL DEL GENRADOR DE IMPULSOS 84
6.2.- MODELOS CIRCUITALES PARA LA SIMULACIÓN. ................................. 85
6.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.......................................................... 85
6.2.2. RESISTENCIA DE CARGA............................................................................ 85
6.2.3.-CONDENSADORES DE ETAPAS. ................................................................ 86
6.2.4.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN. ....................................................... 86
6.2.5.- DIVISOR DE TENSIÓN................................................................................. 88
6.2.6.-ESPINTERÓMETRO VERTICAL. ................................................................. 89
6.2.7.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL. ........................................................... 89
6.2.8.-OSCILOSCOPIO.............................................................................................. 90
6.2.9.-CABLES DE MEDICIÓN................................................................................ 90
6.2.10.- PUESTA A TIERRA:.................................................................................... 91
ix
6.2.11.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA BARRA DE
ATERRAMIENTO (R):......................................................................................... 91
6.2.12.-CÁLCULO DE LA CAPACITANCÍA DE LA BARRA DE
ATERRRAMIENTO (C): ....................................................................................... 92
6.2.13.-CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA DE LA BARRA DE
ATERRAMIENTO (L): .......................................................................................... 92
6.3.- SIMULACIONES............................................................................................... 92
6.3.1.- MODELACIONES DEL CIRCUITO PARA LAS PRUEBAS DE IMPULSO
EN VACIO.............................................................................................................. 93
CAPÍTULO VII
7.1.- SIMULACIÓN Y APLICACION DE LA PRUEBA DE IMPULSO A UN
TRANSFORMADOR MONOFASICO ..................................................................... 99
7.1.1- SIMULACIÓN CON EL OBJETO DE PRUEBA. .......................................... 99
7.1.2.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT. . ........................................................ 100
7.1.3 CAPACITANCIA ENTRE AT- BTe-. ............................................................ 100
7.1.4.- CAPACITANCÍA DEL GENERADOR DE IMPULSOS. ......................... 101
7.2.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE FRENTE, RESISTENCIA DE COLA
Y RESISTENCIA DE AM0RTIGUAMIENTO: ............................................... 102
7.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE ....................................................................... 102
7.2.2.- RESISTENCIA DE COLA............................................................................ 102
7.2.3.- RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO: ............................................. 102
7.3.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN PSPICE:...................................... 102
7.4.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN ATPDRAW: ............................. 105
7.5.- ENSAYO DE LA PRUEBA DE IMPULSO CON EL OBJETO DE PRUEBA
............................................................................................................................... 107
CONCLUSIONES .................................................................................................... 114
RECOMENDACIONES........................................................................................... 115
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 116
x
LISTA DE TABLAS, ILUSTRACIONES Y ANEXOS
Tabla I. Distancias de las esferas hacia cualquier objeto (extracto) .......................... 29
Tabla II. Separación de las esferas con una de éstas puesta a tierra (extracto) ......... 30
Tabla III. Factor de corrección del voltaje disruptivo ............................................... 33
Tabla IV. Características del Transformador para el Estudio.................................... 44
Tabla V. Espesores de la Bobina Para el Calculo de la Capacitancia........................ 44
Tabla VI. Lecturas de las Capacitancías con el Equipo DOBLE............................... 47
Tabla VII. Capacitancias calculadas y medidas......................................................... 47
Tabla VIII. Resistencias de frente y cola disponibles ............................................... 59
Tabla IX. Diámetros de las esferas de los espinterómetros horizontales................... 61
Tabla X. Medición de la capacitancía nominal y TANδ ............................................ 72
Tabla XI. Mediciones de resistencias electrolíticas ................................................... 73
Tabla XII. Mediciones de los parámetros eléctricos del divisor de tensión .............. 75
Tabla XIII. Mediciones de R de los conductores de interconexión........................... 76
Tabla XIV. Valores de frente y cola resultado de la simulación ............................... 98
Tabla XV. Características de Diseño del transformador de 25kva. ......................... 100
Tabla XVI. Espesores Bobina de 25kva -13800-120/240 V.................................... 101
Tabla XVII. Capacitancias calculadas y medidas.................................................... 102
Tabla XVIII. Puntos de la Onda Resultante de la Simulación con Pspice .............. 105
Tabla IXX. Punto de la Onda Resultante de la Simulación con ATPDraw............. 107
Tabla XX. Resistencias Calculadas y disponibles para la Configuración................ 108
Figura 1. Circuitos basicos de un generador de impulsos.......................................... 10
Figura 2. Circuitos para el estudio de un generador de impulsos .............................. 11
Figura 3. Onda de impulso de tensión y sus componentes ...................................... 14
Figura 4. Forma de onda plena del impulso normalizado 1,2/50 μs .......................... 16
Figura 5. Eficiencia de un generador de impulsos ..................................................... 17
Figura 6. Circuito para la carga de un generador de impulsos................................... 18
Figura 7. Circuito duplicador de voltaje tipo Greinacher .......................................... 19
xi
Figura 8. Esquema de un generador de impulsos multietapa..................................... 20
Figura 9. Circuito equivalente de la fase de carga de un generador de impulsos
multietapa................................................................................................................ 21
Figura 10.Circuito equivalente de la fase de descarga de un generador de impulsos 22
Figura 11. Circuito equivalente de un generador multietapa .................................... 23
Figura 12. Esquema completo del sistema de prueba de impulso ............................. 25
Figura 13. Inicio de la descarga de un generador de impulso con un dispositivo
electromagnético ..................................................................................................... 27
Figura 14. Espinterómetro de la primera etapa del generador con trigatrón.............. 28
Figura 15. Espinterómetros de esferas con el eje vertical y horizontal...................... 29
Figura 16. Esquema básico para la medición de la tensión de impulso..................... 34
Figura 17. Circuito del voltímetro pico...................................................................... 35
Figura 18. Red equivalente de resistencias, inductancias, capacitancias de un
transformador .......................................................................................................... 37
Figura 19. Distribución inicial y final del voltaje de impulso ................................... 38
Figura 20. Distribución de los transitorios con el impulso de voltaje........................ 38
Figura 21.Circuito equivalente de las capacitancías en la bobina.............................. 39
Figura 22. Capacitancía entre los devanados del transformador. .............................. 40
Figura 23. Tipos de núcleos según el tipo de arrollados............................................ 41
Figura 24. Bobina tipo biconcéntrica......................................................................... 42
Figura 25. Representación de la bobina como dos cilindros ..................................... 43
Figura 26. Vista de la bobina desde donde se indica la colocación de los espesores 45
Figura 27. Generador de impulsos de la empresa CAIVET ...................................... 48
Figura 28. Circuitos disponibles para configurar el generador de impulsos de
CAIVET .................................................................................................................. 49
Figura 29. Circuito equivalente del generador de impulsos multietapa..................... 51
Figura 30. Circuito de carga del generador de impulsos de CAIVET ....................... 52
Figura 31. Circuito de descarga del generador de impulsos de CAIVET.................. 52
Figura 32. Sistema de prueba de impulsos................................................................. 53
xii
Figura 33. Mesa de control del generador de impulsos ............................................. 56
Figura 34. Alimentador DC del generador de impulsos ............................................ 56
Figura 35. Capacitor de etapa del generador de impulsos ......................................... 57
Figura 36. Resistencias de frente y cola e inventario disponible ............................... 58
Figura 37. Resistencia electrolítica ............................................................................ 60
Figura 38. Espinterómetros horizontales ................................................................... 61
Figura 39. Divisor de tensión resistivo-capacitivo..................................................... 62
Figura 40. Condensador anular y la resistencia de alta tensión del divisor ............... 63
Figura 41. Resistencia de baja tensión del divisor ..................................................... 64
Figura 42. Espinterómetro vertical ............................................................................ 65
Figura 43. Ejemplo de una línea de conexión tipo trenza y tipo cinta....................... 65
Figura 44. Osciloscopio usado para las mediciones .................................................. 66
Figura 45. Cable coaxial dentro de una tubería no magnética ................................... 67
Figura 46. Ejemplo de atenuador de voltaje .............................................................. 68
Figura 47. Laboratorio, sala para pruebas trifásicas y algunos equipos .................... 68
Figura 48. Puesta a tierra del laboratorio de pruebas................................................. 69
Figura 49. Contaminación presente en algunas piezas constitutivas del generador de
impulsos .................................................................................................................. 70
Figura 50. Kilovoltímetro DC de respaldo................................................................. 71
Figura 51. Resistencias electrolíticas actualmente disponibles ................................. 74
Figura 52. Estado actual del espinterómetro vertical................................................. 74
Figura 53. Ejemplos del frente y cola de ondas impulsivas en vacío ........................ 77
Figura 54. Onda como resultado luego de cambiar las capacitancías 1 y 2 del
generador de impulsos............................................................................................. 78
Figura 55. Onda como resultado luego de cambiar las capacitancías 2 y 3 del
generador de impulsos............................................................................................. 79
Figura 56. Ejemplos de la forma de onda de tensión sin objeto de prueba, posterior a
las modificaciones- capacitancía 4 y 5.................................................................... 79
xiii
Figura 57. Patrones para la calibración de la distancia interelectródica del
espinterómetro vertical............................................................................................ 83
Figura 58. Rendimiento en función de la relación C2/C1 ........................................... 85
Figura 59. Modelo de la resistencia de frente y cola del generador........................... 87
Figura 60. Resistencia electrolítica ............................................................................ 88
Figura 61. Condensador de etapa............................................................................... 88
Figura 62. Línea de interconexión ............................................................................. 89
Figura 63. Impedancia característica de un conductor aéreo ..................................... 89
Figura 64. Modelo del divisor de tensión .................................................................. 90
Figura 65. Espinterómetro vertical ............................................................................ 91
Figura 66. Espinterómetro horizontal ........................................................................ 91
Figura 67. Modelo del osciloscopio........................................................................... 92
Figura 68. Cable coaxial ............................................................................................ 93
Figura 69. Modelo de la barra de puesta a tierra........................................................ 93
Figura 70. Ejemplo de sistema de prueba de impulso simulado en PSPICE............. 95
Figura 71. Medición de la tensión de impulso en vacío simulada en Pspice............. 96
Figura 72. Ejemplo del circuito de prueba realizada en ATPDraw ........................... 97
Figura 73. Onda de tensión obtenida luego de la simulación en ATPDraw .............. 97
Figura 74. Onda de tensión de la simulación y generador de impulso (vacio) .......... 99
Figura 75. Circuito para la simulación del transformador de 25kVA monofásico .. 104
Figura 76. Onda de Salida con la simulación con Pspice. ....................................... 105
Figura 77. Circuito para la simulación con ATPDraw. ........................................... 106
Figura 78. Onda resultante de la simulación con ATPDraw.................................... 107
Figura 79. Onda de tensión resultante a 62.2 kVpico .............................................. 109
Figura 80. Onda de tensión resultante a 122.5 kVpico ........................................... 110
Anexos . ................................................................................................................... 117
xiv
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A = Diámetro interno de la bobina. AT = Devanado de alta tensión de la bobina. B = Espacio entre la alta y baja tensión. Bil= Nivel básico de aislamiento. Bte = Devanado de baja tensión externa de la bobina. Bti = Devanado de baja tensión interna de la bobina.
=eC Capacitancia equivalente entre y . 1C 2C=GC Capacitancia a tierra. =SC Capacitancia serie.
C HL = Capacitancia medida entre la bobina de alta y baja tensión con el equipo DOBLE. C LH = Capacitancia medida entre la bobina de baja y alta tensión con el equipo
=1C Capacitancia del generador de impulso. =2C Capacitancia del objeto de carga y divisor capacitivo.
DC = Corriente continua. =21, DD Diodo rectificador de la onda de carga.
=)(xe Tensión distribuida en el devanado. =)(tI Corriente rectificada circulante por el galvanómetro.
=hI Diámetro interno del devanado de baja tensión. K= Constante dependiente del circuito seleccionado del generador de impulso.
=dK Factor de corrección en función de la densidad relativa del aire. n = Numero de etapas. L= Longitud total del arrollado. DOBLE.
=cR Resistencia de carga (electrolítica). =dR Resistencia de amortiguamiento. =1R Resistencia de frente. =2R Resistencia de Cola. =1O Origen virtual del tiempo. =LO Diámetro externo del devanado de baja tensión.
P= Presión atmosférica normalizada. Po = Presión atmosférica corregida. SG= Espinterometro horizontal. To = Temperatura ambiente normalizada. T = Temperatura ambiente a las condiciones de prueba. T1= Tiempo de frente de la onda de impulso. T2= Tiempo de la cola de la onda de impulso.
xv
=vt Tiempo de propagación de la onda en la línea. Vn = Voltaje de las etapas.
=2cV Tensión de descarga del generador de impulso.
=V~ Máxima amplitud de la onda de tensión. Vo = Tensión de carga de los capacitores del generador. a= Reciproco de la constante de tiempo T1.
=)(dα Factor geométrico propio del arrollado. b= Reciproco de la constante de tiempo T2. e = Razón entre la capacitancia a tierra de la espira respecto a su capacitancia serie. h= Factor de Rendimiento del generador de impulso.
=rρ Densidad relativa del aire.
1
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
El aislamiento es reconocido como uno de los elementos de construcción más
importantes de un transformador. Cualquier debilitamiento del aislamiento puede
ocasionar la aparición de fallas en los transformadores, y los ensayos de impulso nos
permiten conocer que tanto puede afectar una descarga atmosférica a los devanados
del transformador.
La empresa Compañía Anónima Industria Venezolana Electrotécnica
CAIVET fabricante de transformadores de distribución y potencia en Venezuela
cuenta con un generador de impulsos que se emplea para realizar pruebas de impulsos
de tensión a sus transformadores. Este se encuentra ubicado en el laboratorio de
pruebas para transformadores trifásicos, lugar donde también se efectúan las pruebas
de rutina de cortocircuito, vacío, doble tensión, tensión aplicada, entre otras. Su
fabricante es la empresa italiana ARGO (ya desaparecida) y fue adquirido por
CAIVET en el año de 1975, con la finalidad de ampliar el protocolo de pruebas a sus
productos.
Debido a la complejidad que existe en estos momentos para la configuración
del generador de impulsos la empresa está en la necesidad de buscar una manera de
reducir los tiempos para la configuración del equipo y no seguir realizándolos de
manera de ensayo y error, por lo que este trabajo plantea mediante los programas
Pspice y ATPDraw un método que permita simular el generador con un objeto de
ensayo (transformador monofásico), y buscar de esta manera la configuración ideal
para realizar las pruebas.
En el primer capítulo del presente trabajo de investigación se describen los
problemas y los objetivos tanto generales como específicos, los cuales permiten tener
una idea ampliada de las actividades desarrolladas en el trabajo.
2
El segundo capítulo se describe cuales son los fundamentos básicos de un
generador de impulso, así como cuales son los circuitos que permiten representar el
equipo de impulso. También se hace mención a como es la operación de un generador
de impulsos atmosféricos y cuales son las variables que intervienen, así mismo se
hace un análisis de la onda normalizada 1.2/50µs la cual es la aplicada según las
norma a los transformadores.
El tercer capítulo señala cual es la respuesta de los devanados de un
transformador frente a los fenómenos de impulso, la distribución del voltaje en el
devanado en el momento de la descarga. También se señala como es el tipo de
bobina o tipo de construcción del devanado para poder calcular la capacitancia del
transformador.
En el cuarto capítulo se describe de forma detallada las características del
generador de impulsos atmosféricos de la empresa CAIVET los circuitos
equivalentes del mismo, igualmente se describe los componentes que integran el
equipo de prueba tales como el divisor de voltaje capacitivo, el espinterómetro
vertical, el osciloscopio, el equipo de carga de los capacitares del generador, las
resistencias de frente y cola, los tipos de trenzas y cables disponibles para la
interconexión del generador y los atenuadores .
En el capítulo quinto se describe la situación actual de las pruebas con el
generador de impulsos así como también del estado en que se encuentran los
componentes del equipo. Al final de este capítulo se detallan algunos ajustes
realizados para calcular la resistencia de amortiguamiento, la medición de la tensión
de impulso tomando en cuenta las condiciones atmosféricas.
El sexto capítulo describe como esta conformado los circuitos para la
simulación en Pspice y ATPDraw, igualmente en este capítulo se señala como es el
calculo de la impedancia de la línea entre el generador de impulsos y el divisor de
3
tensión, también se explica como es el cálculo de la velocidad de propagación de la
onda en la línea y el cable coaxial y al final del capítulo se muestran los resultados de
la simulación en vacío del generador de impulso.
En el séptimo capítulo se describe como es el procedimiento para realizar las
pruebas con el generador de impulso, así como también los cálculos necesarios para
determinar la capacitancia del transformador que permiten configurar el equipo de
prueba, además se muestra cuales son los valores que se necesitan del transformador
para los cálculos.
1.1.- OBJETIVOS DEL PROYECTO.
1.1.1.- OBJETIVO GENERAL.
Desarrollar un modelo que permita representar y validar mediante el
programa ATPDraw y Pspice el generador de impulso de la empresa CAIVET, y
obtener mediante estas simulaciones la configuración y software ideal para realizar
las pruebas de impulso para los transformadores monofásicos.
1.1.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
1). Describir la situación actual para la ejecución de las pruebas de impulso de los
transformadores monofásicos de la empresa CAIVET.
2). Desarrollar un esquema de conexión del generador de impulsos para la realización
de las pruebas a los transformadores monofásicos.
3). Diseñar un modelo mediante el programa ATPDraw y Pspice que permita simular
el generador y el objeto de prueba para reducir los tiempos de configuración del
generador.
4
4). Diseñar un procedimiento para realizar las pruebas de impulso para los
transformadores monofásicos.
5). Validar y comparar las mediciones realizadas con los Software y las obtenidas en
el laboratorio.
1.2.- IMPORTANCIA O JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
1). Se tiene un mejor conocimiento de los elementos que intervienen en la
configuración del generador de impulsos atmosféricos de la empresa CAIVET, y de
esta manera poder realizar las pruebas de acuerdo a las normas nacionales e
internacionales.
2). Poder realizar simulaciones antes de aplicar la prueba a algún objeto, en este caso
un transformador monofásico y de esta manera poder conocer la mejor configuración
del equipo antes de la prueba.
3). Reducir los tiempos para realizar las pruebas con el generador de impulsos, ya que
este estudio permite obtener los parámetros que se necesitan calcular y medir para
poder realizar las pruebas.
4). Mejor compresión desde el punto de vista teórico y práctico de cómo son las
pruebas de impulso atmosférico aplicadas a los transformadores monofásicos.
1.3.- MARCO REFERENCIAL TEÓRICO O HISTÓRICO.
Los ensayos de aislamiento a impulso normalizado que simulan los
transitorios con frente brusco de origen atmosférico o de maniobra, se realizan con
generadores de impulso.
5
El esquema básico de los generadores de impulso fue originalmente propuesto
por E. Marx en 1924, los generadores de Marx son probablemente la manera más
común de generar los impulsos de alto voltaje para probar cuando el nivel voltaico
requerido es más alto que el disponible cargando voltajes de fuente, consiste en un
cierto grupo de capacitores que se cargan en paralelo por medio de rectificadores de
alta tensión, a través de resistencias de carga. La descarga de los capacitores se
realiza a través de espinterómetros de esferas en un circuito serie que incluye
resistencias amortiguadoras de las oscilaciones.
La carga de los capacitores y en consecuencia la tensión total del generador
puede variarse regulando la tensión del rectificador. La polaridad de la tensión se
cambia invirtiendo las conexiones de los capacitores al rectificador.
El método más utilizado para originar la descarga del generador consiste en
aplicar un impulso de tensión al electrodo central de un espinterómetro con tres
esferas, que está colocado entre el primer y segundo grupo, por medio de una fuente
auxiliar. Iniciada la descarga, ésta se propaga a todos los espinterómetros de la
cadena.
Hay ensayos en los que se requiere la aplicación de tensión alterna al aparato
y simultáneamente aplicar la onda de impulso, esto exige que el dispositivo de
disparo actúe en modo sincronizado.
Una de las más importantes aplicaciones del ensayo de impulso, es la
detención de las fallas. No existe un método definitivo para este propósito, pero la
experiencia ha demostrado que la utilización de una combinación de todos los
métodos, asegura la detección de fallas.
La detección, mediante osciloscopios diseñados para pruebas de alto voltaje o
en su defecto osciloscopios convencionales, esta basado en la premisa que: cuando un
aislamiento falla en el caso de las pruebas a transformadores, cambia la impedancia
6
cuando este es sometido a los impulsos de tensión. Este cambio causara variaciones
en la corriente de impulso que fluye a través del devanado y en la tensión media a
través del mismo.
Debido a la complicada naturaleza del ensayo de impulso y a las diferentes
formas de construcción de transformadores, los fabricantes de estos han desarrollado
a través de los años, técnicas de pruebas apropiadas para su uso.
Existen tres técnicas apropiadas de ensayo, entre las cuales tenemos:
a. Conexión de los terminales no sometidos a impulso.
b. Devanados de baja impedancia.
c. Uso de condensadores a través de las resistencias shunt de corriente.
El propósito de ensayar el transformador es simular su uso en campo. Por lo
tanto, esto no es tan simple y directo como suena. El ambiente de un transformador
cambia frecuentemente con los años, bien porque sea trasladado o porque se le
adicionen en paralelo equipos o líneas. En el ensayo muchas veces se debe tener en
cuenta los efectos de las líneas, cables, generadores, pararrayos, etc. Más difícil aún
es determinar que clase de descarga atmosférica va a recibir y como esta va a entrar
en el sistema de distribución o transmisión.
Generalmente, las ondas de las descargas atmosféricas varían
considerablemente. Para uniformizar estos ensayos, ciertas formas de onda se han
normalizado; en la actualidad, la onda utilizada para los transformadores es de
1.2/50μs; sin embargo, en algunos casos es difícil obtener la duración de 50μs en la
cola de la onda. En estos casos es necesario utilizar la capacitancia máxima del
generador.
Para conocer como es el comportamiento de las pruebas en alta tensión
actualmente existen determinados software que permiten estudiar dichos fenómenos,
uno de estos software son el Pspice y el ATPDraw. El primero se ha conformado
7
como el mejor y el más utilizado simulador de circuitos electrónicos. Si bien soporta
el análisis de circuitos analógicos y digitales, es en el campo analógico donde
PSPICE ha alcanzado su máxima utilidad.
Además el PSPICE es un, programa de edición gráfica de circuitos,
analizador de ondas u osciloscopio virtual, editor de estímulos, una aplicación
específica para optimizar el comportamiento del circuito.
El programa ATPDraw es un procesador del ATP en ambiente Windows,
usado para construir circuitos eléctricos, en el cual se puede seleccionar los
componentes desde un menú los cuales tienen cajas de dialogo donde puedes
introducir los valores que lo componen. Este programa fue creado por: The
Bonneville Power Administration, USA, and SINTEF Energy Research, Norway.
En este punto es conveniente insistir en dos aspectos básicos que nunca se
debe olvidar:
1). Los simuladores, por muy potentes no son mas que una aproximación a la realidad
y en consecuencia nunca pueden sustituir la práctica de manejo real de los circuitos
electrónicos y eléctricos. Por tanto, el mejor uso que se puede realizar es
combinándolo con el trabajo en el laboratorio.
2). Los simuladores hacen las tareas que le encomienda el usuario y por lo tanto no
debe perderse la perspectiva de que es una herramienta que la maneja el técnico.
1.4.- DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN: METODOLOGÍA UTILIZADA.
El diseño de la investigación se ubica dentro de la categoría de proyecto
factible a su vez, la investigación es de tipo proyectivo, debido a que este tipo de
investigación intenta proponer soluciones a una situación determinada. Igualmente
8
implica explorar, describir, explicar y proponer alternativas de cambio, y ejecutar la
propuesta, que en este caso es la modelación del generador de impulsos de la empresa
CAIVET.
El área de investigación se ubica en la planta I de la empresa fabricante de
transformadores, ya que este sitio se encuentra con los equipos necesarios para
realizar las pruebas de impulso atmosférico para los transformadores. Debido a que
es necesario saber la situación actual de cada uno de los elementos que componen al
equipo, se realiza la verificación de cada uno de estos de manera detallada y
consultando trabajos previos realizados en el tema de estudio.
Para la recolección de la información y datos requeridos para el desarrollo del
proyecto se procederá de la siguiente manera:
Observación directa la cual se logrará a través de las pruebas que se realicen
con el equipo para conocer la situación actual del generador de impulsos, lo cual
contribuirá al desarrollo de la investigación.
1. Revisión de registros, consistirá en la obtención de información a través de
documentos, como informes técnicos, reportes, planos normas, mediciones, así como
también interpretación, análisis y revisión de las diferentes investigaciones realizadas
en el área de esta investigación, y cualquier otro documento relacionado con el
mismo.
2. El instrumento a emplear para desarrollar el proyecto de investigación,
consistirá en la aplicación de una guía de observación directa, para la resolución del
primer objetivo especifico, donde se establecerán las actividades, que se realizan en la
actualidad, mientras que para el tercer objetivo especifico, será la aplicación del
programa de simulación para reducir los tiempos de configuración del generador de
impulsos para los ensayos de los transformadores.
9
El análisis de los datos obtenidos en el desarrollo del proyecto, se empleara la
verificación de los ensayos con las normas nacionales e internacionales que señalan
la validación de las pruebas de impulso para los transformadores.
1.5.- LIMITACIONES DEL PROYECTO
Las limitaciones más importantes en el estudio es la falta de un osciloscopio
con suficientes canales que permitan capturar las señales según las normas durantes
las pruebas. El espinterómetro vertical disponible presenta un fuerte desnivel ya que
las esferas no están alineadas en su eje central, lo cual produce grandes errores al
momento de realizar los ajustes para niveles mayores a 150kV Bil. Igualmente no se
cuenta con un medidor de presión atmosférica en el laboratorio.
10
CAPÍTULO II
2.1.- FUNDAMENTOS SOBRE GENERADORES DE IMPULSOS DE
TENSIÓN.
El generador de impulsos es un equipo que genera intencionalmente
transitorios de alto nivel de tensión para simular sobretensiones tipo atmosférico y de
maniobra, con la finalidad de verificar la capacidad que posee un determinado
dispositivo o máquina de soportar dicho impulso sin que ocurra ruptura dieléctrica en
su aislamiento.
Su aplicación principal es la realización de pruebas de aislamiento (prueba de
impulso) en equipos y maquinaria eléctrica en general.
2.2.- PRINCIPIO BÁSICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS.
Muchos años de investigación han determinado que una sobretensión
atmosférica se puede representar como un impulso unidireccional de tensión y
obtenerse a partir de los circuitos mostrados en la Figura 1. [1]-[2]:
Circuito a Circuito b
Figura 1. Circuitos básicos de un generador de impulsos
Analizando cualquiera de los dos circuitos propuestos se obtiene que
inicialmente el condensador C1 (que forma parte del generador de impulsos) es
cargado con tensión continua Vo, de polaridad positiva o negativa, y luego es
11
súbitamente descargado en un circuito conformado por el condensador C2 y las
resistencias R1 y R2. Este proceso de descarga se inicia en el instante en el cual se
establece entre las esferas del (espinterómetro horizontal) un arco eléctrico y la
tensión se transfiere a C2, que representa básicamente a un objeto bajo prueba.
Entonces, la expresión analítica del voltaje de impulso en C2 tiene la forma [1]-[2]:
)()(2
ttoC eeKVtv βα −− −⋅⋅= (1)
donde Vo es la tensión de carga del condensador C1, K una constante que depende del
circuito seleccionado (ver Figura 1) y α y β las raíces de la ecuación característica
del sistema, cuyos inversos son las constantes de tiempo del mismo.
Si los parámetros de resistivos y capacitivos de la Figura 1 son constantes y
los valores de α y β de la expresión (1) son relativamente diferentes entre sí, entonces
se pueden analizar separadamente dos circuitos: el del frente de onda y el de la cola,
como se muestran en la Figura 2, para realizar este análisis tomaremos el circuito (b)
de la Figura 1[1]- [3].
Figura 2. Circuitos para el estudio de un generador de impulsos
Ahora bien, considerando el circuito del frente de onda en el momento en que
ocurre la descarga entre las esferas del espinterómetro SG, el condensador C2 se carga
con la constante de tiempo T1:
12
21
2111
1CCCC
RT+⋅
==−β
(2)
definida como el producto de la resistencia de frente R1 con la capacidad equivalente
serie de los dos condensadores C1 y C2. Generalmente, se asume que C1>>C2 por lo
que la relación se puede simplificar a:
211 CRT ⋅≅ (3)
que indica que la duración del frente de la onda de tensión en el condensador C2 es
directamente proporcional a la resistencia de frente R1 y a la capacidad del objeto de
prueba C2.
Haciendo un proceso análogo en el circuito de cola, en el instante en el cual la
transferencia de carga de C1 a C2 es cero (debido a una redistribución de la carga
eléctrica entre ambos), los condensadores se descargan en la resistencia R2 con una
constante de tiempo T2 igual a:
)(12122 CCRT +==−
α (4)
y simplificando con la suposición C1>>C2, se tiene que:
122 CRT ⋅≅ (5)
que depende proporcionalmente de la resistencia de cola R2 y la capacidad C1.
Es importante señalar que conociendo los valores de C1, C2, T1 y T2 es posible
establecer, al menos en una primera aproximación, los valores necesarios de R1 y R2
para obtener en el objeto bajo prueba la forma de onda de tensión de impulso
determinada [1]- [2].
Analizando el circuito (b) de la Figura 1, a partir del instante en ocurrir la
transferencia de energía entre el capacitor C1 y C2 se tiene la siguiente ecuación en
el dominio de la frecuencia:
13
( ) )*(1* 2 bSaSk
VV O
S ++= (6)
Donde:
,111
222111⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
CRCRCRa (7)
,1
2121⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
CCRRb (8)
21CRk =
Entonces tenemos que para la ecuación en el dominio del tiempo, el voltaje en
el capacitor C2 es:
( ) [ ])exp()exp()(
121
12
ttk
VV O
t αααα
−−−−
= (9)
donde 1α y 2α son las raíces de la ecuación 0*2 =++ bSaS ó
baa−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛±=
2
21 22,αα (10)
Como el voltaje en C2 es )(tV , y es la superposición de dos funciones exponenciales
de señales diferentes. De acuerdo con la ecuación 10 la respuesta negativa de la raíz
resulta una constante de tiempo más grande, que es 1/1 α , que el tiempo positivo que
es 2/1 α . Un gráfico que pueda expresar la ecuación 10 es indicado es la Figura 3.
De la ecuación 10 se puede definir lo siguiente:
b
a==+
21
21
.αααα
(11)
14
Figura 3. Onda de impulso de tensión y sus componentes.[7]
Si no se conocen los valores de resistencia se pueden calcular usando la
ecuación 11, y el (circuito b) de la Figura 1 así como también los valores de a y b de
la ecuación 7 y 8, tenemos que 1R y 2R es:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
221
21
2
212111 .
)(4111121
CCC
CR
αααααα (12)
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=
221
21
2
2121212 .
)(41111)(2
1CCC
CCR
αααααα (13)
Igualmente existen otras ecuaciones validas que permiten determinar de
manera muy aproximada los tiempos de frente y cola [6]. Entonces siguiendo el
análisis del circuito b de la Figura 1, podemos señalar que el tiempo (tiempo de
frente) que tarda en cargar 2C a través de 1R será aproximadamente:
15
eCRCC
CCRt 121
2111 .3..3 =
+= (14)
donde 21
21.CC
CCCe += , si 1R esta expresada en ohms y eC en microfarads, 1t se obtiene
en microsegundos.
De igual manera para determinar el tiempo de cola tenemos que tanto la
capacitancia 1C y 2C son descargadas a través de 1R y 2R por lo que tenemos que
el tiempo al 50% de la descarga es aproximadamente:
))((7.0 21212 CCRRt ++= (15)
2.3.- FORMA DE ONDA NORMALIZADA DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
Aunque las formas de onda de las sobretensiones atmosféricas poseen gran
variedad, se han normalizado algunas de ellas para efectuar pruebas de impulso en
equipos y máquinas eléctricas. Como onda normalizada de tensión impulsiva se
entiende como aquella que posee unas características bien definidas respecto a la
duración y amplitud de la misma y para el caso de la sobretensión atmosférica la
Norma ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7] establece las siguientes:
• Valor pico V : es la máxima amplitud de la onda, medida desde la referencia
de voltaje, con una tolerancia de %3± .
• Tiempo de frente T1: es el primer tiempo que, medido desde un tiempo virtual
TO1, transcurre entre el 30% y el 90% del valor pico, multiplicado por 1,67.
La duración del lapso será sT μ%302,11 ±= . Esto es sT μ6,18,0 1 ≤≤ .
• Tiempo de cola T2: es el mayor tiempo que transcurre hasta alcanzar el 50%
del máximo valor pico. Su valor es sT μ%20502 ±= o sT μ6040 2 ≤≤ .
La Figura 4 muestra la onda plena de impulso normalizado tipo atmosférico
1,2/50 μs.
16
Figura 4. Forma de onda plena del impulso normalizado 1,2/50 μs [7]
Donde 1T es el tiempo de frente virtual de un impulso de tiempo atmosférico
el cual es de 1.67 veces el intervalo de tiempo transcurrido entre los instante cuando
un impulso tiene como valores 30% y 90% del valor pico. Tales instantes de se
denominan puntos A y B del frente de la onda. Esto significa que:
)(*67.1 30901 ttT −= (16)
También T2 es el intervalo de tiempo entre el origen virtual 1O y el instante
en el tiempo cuando el voltaje ha disminuido a la mitad del valor pico. Por lo que T2
se llama tiempo de cola del impulso el cual es:
)*5.1*5.0( 3090502 tttT −+=
2.3.1.- RENDIMIENTO.
El factor de aprovechamiento o rendimiento de la tensión se entiende como el
cociente entre el voltaje pico V del impulso y el valor de la tensión continua a la cual
está cargado el condensador C1. Esto es:
NVV
o *ˆ
=η (17)
Donde: N = numero de etapas.
Además, si T2>>T1 se pueden hacer las siguientes aproximaciones [1], [2] para
los circuitos de la Figura 1:
Para el circuito (a), el rendimiento queda definido como:
17
1
221
1
1
1
CCCC
C
+=
+≅η
(18)
y para el circuito (b):
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡+
=+
⋅+
≅
1
2
2
121
1
12
2
11
1
CC
RRCC
CRR
Rη
(19)
Se evidencia que el rendimiento depende de la relación 1
2
CC ; es decir, de la
capacidad del generador y la del circuito externo. A continuación, la Figura 5
muestra la eficiencia en función de 1
2
CC para distintas formas de onda normalizada y
considerando los dos circuitos en análisis [4]- [5].
Figura 5. Eficiencia de un generador de impulsos [5]
Se evidencia que la configuración (a) presenta mejor rendimiento que la (b),
obteniéndose el máximo rendimiento a un valor de 05,012 ≅CC , por lo que resulta
18
conveniente en la práctica que la capacidad C1 del generador sea muy superior a la
del circuito externo y en particular a la del objeto de prueba C2. De esto se concluye
que una condición de diseño es 21 20 CC ⋅≅ [10]. Es necesario acotar que los circuitos
analizados presentan cierta inductancia L que, si es de magnitud considerable
(decenas de μH), puede modificar en gran medida las características del sistema. Esto
se explicará más adelante.
2.3.2.- CIRCUITO DE CARGA.
Como se ha mencionado, el generador de impulsos se alimenta de una fuente
DC de valor nominal relativamente bajo (algunos kilovoltios). El circuito
comúnmente empleado para obtener dicha alimentación es un rectificador de tensión
alterna, que se muestra en la Figura 6 [4].
Figura 6. Circuito para la carga de un generador de impulsos
La tensión DC aplicada en C1 es obtenida por medio de la rectificación de la
onda alterna presente en la salida de un transformador elevador controlada por un
variador de tensión (VARIAC). Cabe destacar que la resistencia R tiene dos funciones
esenciales: limitar la corriente absorbida por el generador y desacoplarlo del circuito
alimentador en el momento en que se produzca el impulso. Asimismo, desde el punto
de vista económico no se utiliza un transformador elevador con tensión secundaria
mayor a cientos de kilovoltios, por lo que en la práctica se implementa un circuito
duplicador de voltaje como se indica en la Figura 7 [1], [3], [4].
19
Figura 7. Circuito duplicador de voltaje tipo Greinacher
El variac alimenta al transformador elevador de voltaje (en el orden de
kilovoltios) que a su vez está conectado al circuito propuesto por Greinacher: el
condensador serie y el diodo D1. Esta configuración produce la carga del condensador
C en un semiciclo de onda y permite la contribución “transformador+condensador”
en el siguiente semiciclo, lo que da origen a una onda de voltaje del doble de
magnitud respecto a los terminales del transformador. Finalmente, esta onda obtenida
es rectificada por el diodo D2 (rectificador de media onda) y el voltaje DC resultante
proporciona el nivel de carga del condensador de etapa C1. Siendo V la tensión rms en
el secundario del transformador, entonces la tensión en C1 (en régimen permanente)
resulta:
VVo ⋅= 2 (20)
Esto significa que la tensión de carga es del orden de las centenas de
kilovoltios. Cabe destacar, que el circuito duplicador de voltaje debe ser de polaridad
invertible y que los diodos D1 y D2 deben estar diseñados para soportar la tensión V
cuando se polarizan en reverso [1], [2], [4].
2.4- GENERADOR DE IMPULSOS MULTIETAPAS.
Desde el punto de vista económico, el empleo de un generador de una sola
etapa ver Figura 1, es válido para tensiones que no superen los kilovoltios de diseño
de la etapa [4]. Además, para obtener un rango amplio de tensiones de prueba es
necesario disponer de un generador de impulsos de varias etapas que cumpla con la
20
siguiente característica: que mediante la conexión en serie de dichas etapas se
produzca la tensión de prueba deseado al momento de la descarga. Cuyo ejemplo se
muestra en la Figura 8.
El generador consta de n etapas en donde los condensadores C1 de cada una
de éstas son cargados en paralelo, a la tensión DC deseada, a través de la resistencia
de frente R1, de cola R2 y de carga Rc (ésta última de un valor mucho más grande que
las demás -alrededor de las decenas de Kohm-), como se esquematiza en la Figura 9.
Figura 8. Esquema de un generador de impulsos multietapa [3]
21
Figura 9. Circuito equivalente de la fase de carga de un generador de impulsos
multietapa [4]
Cuando ha transcurrido cuatro o cinco veces la constante de tiempo de este
proceso (t1), todos los condensadores se cargan a la tensión pico VV ⋅= 20 . En este
instante, el generador de impulsos está disponible para iniciar la descarga en el
circuito externo.
Posteriormente, en la fase de descarga del generador y considerando que la
resistencia de carga Rc→∞, el circuito queda reducido al representado en la Figura
10.
22
Figura 10.Circuito equivalente de la fase de descarga de un generador de impulsos
Si se provoca la descarga disruptiva en los espinterómetros, las n etapas se
“conectan” en serie y en la salida de alta tensión AT del generador aparecerá una
tensión dada por la relación:
VnVAT ⋅⋅⋅= 2η (21)
donde η es el rendimiento de una etapa, n es el número de etapas y V es el valor
eficaz de la tensión de salida del transformador elevador. Cabe destacar que con
respecto a AT y a C2, el generador es un circuito de una etapa con capacitancía
equivalente C1/n, resistencia de frente equivalente 1Rn ⋅ y resistencia de cola
equivalente 2Rn ⋅ ; cuyo esquema se ve en la Figura 11.
23
Figura 11. Circuito equivalente de un generador multietapa [2]-[4]
Este circuito es muy útil para calcular los parámetros del generador puesto
que se reduce a alguno de los circuitos de una etapa señalados en la Figura 1.
2.4.1.-CARACTERÍSTICAS NOMINALES DEL GENERADOR DE IMPULSO
MULTIETAPAS.
Como todas las máquinas o aparatos, el generador de impulsos es definido por
varios datos que representan sus características eléctricas, a saber [2], [4]:
2.4.2.- TENSIÓN NOMINAL.
La tensión nominal de salida de un generador de n etapas es el voltaje máximo
de carga Vo multiplicado por el número de etapas, esto es: on VnV ⋅= . En realidad el
voltaje máximo del impulso V que puede ser aplicado al objeto de prueba es menor
que oVn ⋅ ya que el rendimiento en la generación de la tensión de impulso es menor al
100%. Típicamente, el voltaje de carga Vo está en el rango de 50 kV a 400 kV
mientras que los generadores son construidos para impulsos de voltaje que pueden
llegar hasta los 5 MV.
2.4.3- CAPACITANCIA NOMINAL.
La capacitancia nominal C1/n de un generador de impulsos es la capacitancia
por etapa C1 dividida entre el número de etapas n. Generalmente, C1/n es mínimo
24
cinco veces la capacitancia del objeto de prueba o de lo contrario la eficiencia de
voltaje será muy baja [6] (para diseño con máximo rendimiento ver el inciso 2.3 de
este capítulo). Usualmente, la capacitancia por etapa se diseña para valores que estén
por el orden de los 200 nF a 2000 nF.
2.4.4- ENERGÍA NOMINAL.
La energía nominal de un generador está dada por la máxima energía que éste
puede almacenar; y se puede calcular empleando la expresión 212
1oVCnW ⋅⋅⋅= . El
rango típico está entre los 10 kJ y 100 kJ.
2.4.5- NUMERO DE ETAPAS.
La selección del número de etapas depende de varios factores. Para formas de
onda con oscilaciones apreciables, muchas veces es necesario reducir la inductancia L
del circuito y esto se logra limitando las etapas y por consiguiente, el número de
resistencias de frente y cola se mantienen en la mínima cantidad posible. El otro
factor es el voltaje de carga Vo, que indica la cantidad de capacitores de carga a
utilizar y por ende el número de etapas n. Por lo general, los generadores de impulsos
pueden tener desde unas pocas etapas hasta, por ejemplo, cincuenta de ellas.
2.5.- ESQUEMA COMPLETO DEL CIRCUITO DE PRUEBA DE IMPULSO.
El circuito del generador de impulsos multietapa debe ser completado con
otros elementos indispensables para la prueba de impulso; es decir, anexarle los
aparatos y equipos necesarios para la medición de la tensión de carga Vo de las etapas
del generador y la medición de la tensión de impulso V aplicada al objeto de prueba.
La Figura 12 muestra el esquema completo para realizar una prueba de impulso tipo
atmosférico 1,2/50 μs [4].
25
Figura 12. Esquema completo del sistema de prueba de impulso
El sistema de prueba está conformado por el generador de impulsos, el
alimentador DC para la carga de los capacitores de etapa (con su respectivo divisor
óhmico), el divisor de tensión para la medición de la tensión de impulso, el
espinterómetro vertical y el objeto de prueba.
La medición de la tensión de carga Vo se realiza por medio del divisor de
tensión, siendo (Rm+r) el valor total de la resistencia e (I) la corriente que la
atraviesa, por lo que la tensión está dada por la ley de Ohm:
26
( ) IrRmVo ⋅+= (22)
Por otra parte, la medición de la tensión de impulso se efectúa mediante el
divisor de tensión que disminuye el voltaje a un valor adecuado para ser registrado
por un osciloscopio. Cabe destacar que los elementos constituyentes del divisor de
tensión -resistencia de alta tensión, de baja tensión, inductancia y capacitancia-
pueden incidir directamente en la forma de onda de la tensión de impulso, como se
explicará más adelante.
2.6.- MÉTODOS DE INICIO DE LA DESCARGA DEL GENERADOR DE
IMPULSOS.
El inicio de la descarga entre las esferas de cada etapa del generador se hace
de forma “natural” o mediante el uso de un sistema auxiliar [2]-[3]. El primer método
(descarga natural), se aplica para obtener la tensión de impulso deseada con alguno de
los siguientes procedimientos:
• Con las esferas ajustadas a una distancia superior a la del inicio de la
descarga, el generador es cargado a una tensión prefijada. Luego, se disminuye la
separación interelectródica con un accionamiento a distancia hasta provocar la
ruptura del aire.
• Las esferas de la primera etapa se ajustan a una distancia correspondiente a la
tensión de descarga. Luego, se aumenta pausadamente la tensión de carga hasta
que ocurra la ruptura.
Una alternativa al método de ruptura natural es el empleo de un sistema
auxiliar para el inicio de la descarga, el cual posee como principal ventaja una mayor
precisión del valor de la tensión provista por el generador, resultando en la reducción
de la dispersión de campo eléctrico que se verifica en el caso de inicio natural. A
27
continuación se describen algunas técnicas empleadas para iniciar la descarga con
sistemas auxiliares.
2.7.- DISPOSITIVO ELECTROMAGNÉTICO.
El espinterómetro de la primera etapa está compuesto por tres esferas,
mostradas en la Figura 13, donde las externas 1 y 3 soportan toda la tensión de carga
mientras que la esfera central 2 es sometida a un potencial intermedio a través de un
divisor óhmico. Mediante un dispositivo electromagnético se conecta un contacto
metálico entre las esferas 2 y 3 de tal modo que aparezca la tensión de carga entre las
esferas 1 y 2, provocando la descarga natural.
Figura 13. Inicio de la descarga de un generador de impulso con un dispositivo
electromagnético [4]
2.8.- TRIGATRÓN.
El espinterómetro de la primera etapa del generador está constituido por una
esfera y una semiesfera (ambas huecas); dentro de ésta última se instala un electrodo
eléctricamente aislado (aproximadamente de un milímetro de diámetro) que tiene
como función iniciar “la chispa” que conduce a la descarga completa entre el
espinterómetro. El esquema se muestra en la Figura 14.
28
Figura 14. Espinterómetro de la primera etapa del generador con trigatrón [1]
La aplicación de una tensión de varios kilovoltios (alrededor de 4 kV a 10 kV) entre el
electrodo interno y la semiesfera puesta a tierra provocan distorsión del campo
eléctrico que asegura una descarga controlable entre los dos electrodos principales
(esfera-semiesfera) a un valor de tensión disruptiva más bajo que el requerido en
condiciones de ruptura natural.
2.9.-MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
En la prueba de impulso es necesario efectuar la medición de la tensión que se
aplica al objeto de prueba, la cual se puede hacer utilizando algunos de los siguientes
métodos: a través de un espinterómetro de esferas, por medio del divisor de tensión
conectado a un osciloscopio y por medio del divisor de tensión conectado a un
voltímetro pico.
2.9.1.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL
ESPINTERÓMETRO DE ESFERAS.
La norma ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7] define al espinterómetro como “un
dispositivo constituido por dos electrodos metálicos, esféricos y de igual diámetro,
donde la distancia que los separa es regulada a voluntad”. Al aplicar entre dichas
esferas un potencial, la descarga -a cierta distancia de ruptura- ocurre a un valor de
tensión predeterminado. La disposición física de las esferas se hace vertical u
horizontalmente, como se ve en la Figura 15.
29
Figura 15. Espinterómetros de Esferas con el Eje Vertical y Horizontal [7]
Las dimensiones mostradas son las distancias exigidas a los soportes y bases
de las esferas, donde A y B son las distancias mínimas a tierra (clearances) del
espinterómetro respecto a cualquier objeto circundante. Cabe destacar, que para
espacios interelectródicos pequeños la ubicación de cualquier objeto a tierra en la
vecindad del espinterómetro no afecta considerablemente la medición, pero a
espacios entre esferas más grandes la presencia de superficies tales como paredes -
incluso a la distancia B- tiene un importante efecto. La Tabla I muestra las
separaciones mínimas y máximas que debe tener el espinterómetro respecto a
cualquier objeto ubicado en las cercanías.
Tabla I. Distancias de las esferas hacia cualquier objeto (extracto) [7]
Diámetro de las esferas D
[mm] Amín Amáx Bmín
62,5 7D 9D 14S
125 6D 8D 12S
250 5D 7D 10S
500 4D 6D 8S
750 4D 6D 8S
1000 3,5D 5D 7S
30
Adicionalmente, en la Tabla II se encuentra un extracto de las calibraciones
para impulsos de tensión tipo atmosférico 1,2/50 μs de polaridad negativa al 50% de
la tensión disruptiva [1]-[2]-[7], válidas para las siguientes condiciones ambientales:
• Temperatura ambiente=20 ºC
• Presión atmosférica=101,3 kPa=760 mmHg.
Es de notar que una de las esferas es conectada a tierra, específicamente al
circuito de retorno del generador de impulsos, mientras que la otra va al terminal de
alta tensión que conecta también al objeto de prueba.
Tabla II. Separación de las esferas con una de éstas puesta a tierra (extracto) [1]-[2]-[7]
Voltaje pico [kV]
Diámetro de las esferas [cm] Separación de las esferas [mm]
6,25 12,5 25
5 17,2 16,8
10 31,9 31,7
15 45,5 45,5
20 58,5 59,0
25 69,5 72,5 72,5
30 79,5 85,0 86,0
35 (87,5) 97,0 99,0
2.9.1.1.- ERRORES DE LA MEDICIÓN.
Las mediciones de impulsos de voltaje están generalmente sujetas a
considerables errores causados por contaminación en el aire (polvo y otras partículas)
y alrededor o en contacto con las esferas (polvo, grasa, etc.); por lo que los valores de
la Tabla II -definidas para espaciamientos superiores a 0,5D- poseen un error de
31
±5% si las distancias máximas a tierra de la Tabla I son respetadas. El error de los
demás valores se ubica en ±3% [4], [7].
2.9.1.2.-ELECTRODOS DE ESFERAS.
Los requerimientos en cuanto a las dimensiones y montaje de las esferas que
constituyen al espinterómetro establecen que las mismas deben ser construidas de tal
manera que sus superficies sean lisas, libres de irregularidades (en especial en los
puntos de ruptura dieléctrica), que la curvatura sea lo más uniforme posible y además
limpias y secas. Asimismo, el diámetro de la esfera medido entre dos puntos
cualesquiera de su superficie no debe exceder el 2% de su valor nominal [7].
2.9.1.3.- RESISTENCIA SERIE EN EL CIRCUITO DE MEDICIÓN.
La conexión de alta tensión del generador de impulsos con el espinterómetro
es generalmente hecha a través de una resistencia no-inductiva (máximo L=30 μH) de
un valor que no exceda los 500 Ω. Esta condición aplica en los casos en los que se
utilizan esferas de diámetros grandes con la finalidad de eliminar las oscilaciones de
alta frecuencia (ocasionadas por las ondas viajeras reflejadas por efecto de
desacoplamiento de las impedancias características de las líneas de interconexión)
entre el espinterómetro y el conductor de alta tensión conectado al mismo. En casos
donde se empleen esferas de diámetros más pequeños, este fenómeno se considera
despreciable [7], [12].
2.9.1.4.- PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE
IMPULSO.
Garantizando que las superficies de las esferas del espinterómetro vertical
están en buen estado y libres de contaminación (y aún así, en el mejor de los casos, el
32
error es del 3%), para la determinación del valor pico de la tensión de impulso existen
dos procedimientos, a saber [4], [7]:
• Si la tensión es de valor desconocido se ajusta, en pasos, la distancia
interelectródica a no más del 2% del valor esperado para la descarga y se
aplican seis (6) impulsos para cada ajuste. El intervalo entre cada descarga no
debe ser menor a 5s. La tensión disruptiva al 50% (V50%) se obtiene
interpolando entre dos ajustes de la distancia interelectródica ó el ajuste de
tensión, entonces el primero corresponderá a dos (2) descargas ocurridas en
los seis impulsos sugeridos y la otra en cuatro (4) descargas o mas.
• Otro procedimiento es el de mantener la distancia interelectródica constante y
prefijada al valor indicado en la Tabla II. Variando la tensión del generador
no más del 2% del valor esperado y aplicando sucesivamente dos series de
diez (10) impulsos al espinterómetro (el intervalo de tiempo entre cada
impulso no debe ser menor a 5s) se verifica la tensión tabulada V50% si ocurren
de cuatro a seis descargas en dichas series.
2.9.1.5.- FACTOR DE CORRECCIÓN POR CONDICIONES AMBIENTALES.
Las tensiones de descarga reportadas en la Tabla II están referidas a
condiciones ambientales normalizadas (temperatura ambiente=20 ºC, presión
atmosférica=760 mmHg), por lo que si existe un cambio en alguna de éstas es
necesario reajustar el voltaje V50% aplicando un factor de corrección.
El valor de la tensión de descarga corregida V50%corr se puede definir por
medio de la siguiente expresión:
%50%50 VkV dcorr ⋅= (23)
33
donde kd es el factor de corrección en función de la densidad relativa del aire ρr y
V50% es la tensión de descarga a condiciones ambientales normalizadas (ver Tabla
II).
La expresión para calcular la densidad relativa del aire ρr está dada por:
tt
pp o
or +
+⋅=
273273
ρ (24)
donde po es la presión atmosférica normalizada (760 mmHg), p es la presión
atmosférica a las condiciones de prueba, to la temperatura ambiente normalizada
(20ºC) y t la temperatura en grados centígrados a las condiciones de prueba. En la
Tabla III se muestra el factor de corrección de la tensión disruptiva kd a distintos
valores de densidad relativa del aire [6].
Tabla III. Factor de corrección del voltaje disruptivo
DRA 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15
kd 0,72 0,77 0,82 0,86 0,91 0,95 1,00 1,05 1,09 1,13
Entonces, para determinar la tensión de ruptura -a una separación de esferas
dada- cuando la DRA es diferente de la unidad se selecciona el valor kd asociado y se
emplea la expresión (23).
Otro aspecto a resaltar es el error introducido por efectos de la humedad en el
aire dentro del recinto de la prueba (alrededor del 3% en laboratorios [7]), aunque
para niveles de tensión menores a 300 kV éste se considera despreciable.
2.2.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO MEDIANTE EL DIVISOR
DE TENSIÓN Y EL OSCILOSCOPIO.
Este es el método de medición de tensión de impulso ampliamente utilizado.
El divisor de tensión, al conectarse en el terminal de alta tensión del sistema de
34
prueba, reduce el voltaje a un valor accesible para la medición con el osciloscopio
(algunas centenas de voltios) y la interconexión se hace vía cable coaxial, como se
muestra en la Figura 16.
El divisor consta de dos impedancias en serie Z1 y Z2 (con Z1>>Z2) donde la
tensión de impulso a ser medida es aplicada entre los terminales exteriores de la
configuración y el osciloscopio es conectado entre el terminal intermedio y el externo
inferior.
Figura 16. Esquema básico para la medición de la tensión de impulso
35
CAPÍTULO III
3.1-RESPUESTA DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR FRENTE
A FENÓMENOS DE IMPULSO – CALCULO DE LA CAPACITANCIA
Cuando una descarga atmosférica incide en un transformador el voltaje
originado se distribuye por todo el devanado, produciendo esfuerzos dieléctricos
sobre el aislamiento. El efecto de la incidencia de un impulso en un devanado del
transformador puede dividirse en tres periodos de tiempo [8].
Como en el primer intervalo es extremadamente corto, usualmente fracciones
de microsegundos. En este periodo no puede penetrar una cantidad significativa de
corriente al devanado debido a su inductancia. La única corriente que penetra es la
corriente de desplazamiento que aparece en las capacitancias asociadas al arrollado.
Esta origina una distribución inicial de voltaje que es totalmente capacitiva y que
responde a la forma:
d
d
xL
xEe
α
α
sinh
.sinh.= (27)
Donde: dα es un factor geométrico propio del arrollado y L la longitud total
de mismo.
La constante ε es la razón entre la capacitancia a tierra de la espira respecto a
su capacitancia serie, sg CC=ε . La no uniformidad en la distribución del potencial
se produce por la no uniformidad en la corriente de fuga que circula a lo largo del
devanado, esto debido a la derivación de parte de esta corriente por las capacitancias
a tierra. La constante ε define la no uniformidad de la distribución de potencial en el
devanado con respecto a tierra.
36
3.2.-REPRESENTACIÓN DE LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR
FRENTE A IMPULSOS ATMOSFÉRICOS.
Si representamos el transformador como una red equivalente compuesta por
resistencias, inductancias y capacitancias, Figura 17. En esta figura se observa que el
aislamiento entre espiras, próximo al terminal por donde penetra el impulso, esta
sometido a los mayores esfuerzos dieléctricos. Esto explica el porque de la alta
incidencia de fallas en las primeras espiras del devanado y particularmente, recobra
importancia cuando el impulso posee un tiempo de formación de cresta reducido.
Figura 17. Red Equivalente de Resistencias, Inductancias, capacitancias de un transformador
=L Inductancia =SC Capacitancia Serie entre Bobinas =gC Capacitancia Shunt Bobinas Tierra =LR Pérdida de la Resistencia Inductiva =SR Pérdida de la Resistencia Capacitiva Serie =gR Pérdida de la Resistencia Capacitiva Shunt
En el instante de la incidencia del impulso en el transformador los elementos
capacitivos solo reaccionan en el frente de la onda estableciéndose de esta manera
una distribución inicial del potencial que usualmente es no uniforme. Igualmente en
el final del fenómeno lo cual ocurre durante la cola de la onda, el elemento resistivo
37
es el que prevalece estableciéndose una distribución final usualmente uniforme, tal
como se muestra en la Figura 18.
Figura 18. Distribución Inicial y Final del Voltaje de Impulso [11]
Entre el extremo inicial y final del arrollado se desarrollan complejos sistemas
de oscilaciones como se muestran en la Figura 19, las cuales son efectos de la
transferencia de energía electrostática a electromagnética; producidas en las
inductancias y las capacitancias del arrollado.
Figura 19. Distribución de los Transitorios con el impulso de voltaje [11]
38
La respuesta electromagnética se produce por el acople capacitivo entre
arrollado, tal como se muestra en la figura 19. Esta configuración puede interpretarse
como un sistema de condensadores, en el cual el voltaje se reparte en proporción
directa a la capacitancia. El acople capacitivo de un punto respecto a otro es mayor
mientras mas próximos estén.
La respuesta electromagnética es más lenta en el tiempo y puede ser analizada
mediante el circuito equivalente del transformador, como se muestra en la figura 20.
Figura 20.Circuito Equivalente de las Capacitancias en la Bobina
Algunas alternativas para solucionar estos inconvenientes a los devanados del
transformador sometidos a fenómenos de impulso son los siguientes:
- Reforzar el aislamiento en las primeras espiras sometidas a esfuerzos
dieléctricos. A pesar de esto, todavía se detectan fallas en este punto del
aislamiento, debido fundamentalmente a la respuesta oscilatoria del potencial
en los tiempos posteriores.
- Ínter lazar el devanado, de forma de que su secuencia eléctrica no coincida con
su secuencia geométrica, equilibrando las diferentes capacitancias a tierra.
- Colocar pantallas metálicas adyacentes a los devanados, compensando la
corriente de fuga a través de las capacitancias a tierra.
39
Como en la matriz de capacitancia de barra esta contenida la información
acerca de la red capacitiva del transformador. Esta red es responsable de la
distribución inicial de voltaje en los devanados, como lo señalamos anteriormente.
Entonces la red capacitiva modela los efectos electrostáticos del arrollado
relacionados con el campo eléctrico que aparece al aplicar el voltaje sobre los
terminales. En este estudio no se toma en cuenta los efectos magnéticos que pueden
estar asociados a las corrientes de desplazamiento de las corrientes capacitivas [9].
Los esfuerzos electrostáticos que aparecen sobre el devanado en la prueba de
impulso dependen en último caso de la distribución de los campos eléctricos en el
exterior de los conductores del devanado. Al reducir el análisis de campos a un
análisis circuítal a través de un número finito de elementos, por lo que se pueden
identificar tres tipos de parámetros en la red, a saber, capacitancias entre los
elementos del arrollado, capacitancias entre un elemento y tierra, y capacitancia serie
a lo largo del elemento.
Aunque en estricta teoría exista una capacitancia entre cada par posible de
elementos en el presente estudio se considerará solamente la capacitancia entre los
devanados del transformador. Ver figura 21. Donde:
BTE: Devanado de Baja Tension Externa de la Bobina.
AT: Devanado de Alta Tensión de la Bobina.
BTI: Devanado de Baja Tensión Interna de la Bobina.
Figura 21. Capacitancía Entre los Devanados del Transformador.
40
Es necesario, para poder aplicar con efectividad las técnicas desarrolladas en
el presente trabajo, y poder establecer una relación entre la geometría de los
arrollados bajo estudio y los parámetros de sus redes equivalentes. [11].
Las bobinas que estudiaremos tienen arrollados tipo capas, debido a su
simetría, presentan una mejor distribución de esfuerzos mecánicos y eléctricos,
proporcionando un buen comportamiento en fenómenos transitorios.
De acuerdo al tipo de núcleo que se utiliza, el arrollado pude ser construido de
dos formas, tal como se muestra en la Figura 22.
a) Concéntrico: Para núcleo tipo Columna.
b) Alterno: Para núcleos tipo acorazado.
Figura 22. Tipos de Núcleos Debido al Tipo de Arrollados.
En el núcleo tipo acorazado el arrollado tiene forma rectangular, lo que
facilita el enfriamiento y reduce el espacio ocupado por el devanado. El núcleo tiene
forma rectangular, lo que asegura una superficie máxima para el paso del flujo en el
interior de los arrollados. La desventaja de esta forma constructiva radica en que
utiliza una longitud mayor de conductor.
41
3.3.- TIPO DE BOBINA.
Para nuestro estudio utilizaremos una bobina de estructura biconcéntrica, en
donde, generalmente, el arrollado de baja tensión se divide en dos partes, una interior
y otra exterior, respecto al devanado de alta tensión. Este tipo de estructura reduce
los valores de tensión de cortocircuito para una misma potencia. Esto permite obtener
equipos de mayor potencia nominal para las mismas dimensiones y peso del núcleo.
Figura 23.
Figura 23. Bobina Tipo Biconcéntrica
Normalmente cada sección de la bobina tiene una capacitancía entre el
arrollado sometido a la prueba de impulso y la bobina que es aterrada, entonces todas
las capacitancías en paralelo a tierra es la suma de las capacitancias individuales de la
bobina [20].
42
3.4.- CALCULO DE LA CAPACITANCIA PARA PRUEBA DE IMPULSOS A
UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.
Para el cálculo de la capacitancia tomaremos un devanado de baja tensión
interno como un cilindro en paralelo con el devanado de alta tensión y este en
paralelo con el devanado de baja tensión externo. Figura 24.
Figura 24. Representación de la bobina como dos cilindros
Entonces para calcular la capacitancia entre los devanados tenemos que [20]:
BLACh.06.1= (28)
Donde A es el diámetro interno de la bobina de baja tensión interna y la alta tensión la cual se calcula mediante:
LH OIA += (29)
43
=HI Diámetro interno del devanado de alta tensión (superficie metálica).
=LO Diámetro externo del devanado de baja tensión (superficie metálica).
=L Longitud de la columna de la bobina desde arriba hasta abajo plano estático.
=B Espacio entre la alta tensión y la baja tensión en milímetros. Metal a Metal.
Para evaluar la capacitancia de un transformador monofásico de distribución,
tomaremos los valores de un transformador tipo estándar el cual tiene los siguientes
valores nominales de diseño:
Tabla IV. Características del Transformador para el Estudio
kVA. 15 Tensión A.T. (V) 13800 Tensión B.T. (V) 120/240
kV Bil Alta Tensión 125 kV Bil Baja tensión 30
Frecuencia (Hz) 60 Conductor A.T. Alambre de Cobre (Ø0.83mm) Conductor B.T. Foil de Aluminio (120*0.3mm)
Espesor Papel Aislante 0.125mm Espesor Papel Refrigerante 3.25mm
De la hoja de diseño del transformador tomamos los espesores de la bobina (ver
Tabla V), esta tabla nos permitirá determinar el valor de la capacitancia.
Tabla V. Espesores de la Bobina para el Cálculo de la Capacitancia
(Todas las medias estan en milímetro)
CAB BT CAB AT Espes. A1 Espes. A2 Espes. B1 (BT) Espes. B2(AT) Esp. Med
BASE 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 BTI 11.2 11.2 14.6 14.6 12.1
BARR1 3.0 3.0 4.9 3.0 3.2 AT 28.0 28.0 34.5 36.5 30.0
BARR2 3.0 3.0 4.9 3.0 3.2 BTE 11.2 11.2 14.6 14.6 12.3
AISL EXT 0.8 0.8 2.3 0.8 0.8 TOTALES 59.2 59.2 77.7 74.6
44
En la siguiente Figura 25 podemos ver como es la distribución de los espesores
en la bobina.
Figura 25. Vista de la Bobina desde donde se indica la colocación de los
Espesores
Tomando los valores del cuadro de espesores y utilizando las Ecuaciones (28) y
(29), tenemos lo siguiente:
3.4.1.- CAPACITANCÍA ENTRE BTi – AT.
Cálculo de las Áreas:
mmmmmmmmBarrBTIBaseMedioEspI H 3.172.31.120.2)1(.( =++=++=
mmmmmmBTIBaseMedioEspOL 1.141.120.2)(.( =+=+=
mmmmmmA 4.311.143.17 =+=
45
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm)
mmB 3=
Capacitancia BTi-AT:
3.4.2.- CAPACITANCÍA ENTRE AT – BTe.
Cálculo de las Áreas:
mmmmmmmmmmATBarrBTIBaseMedioEspI H
3.47302.31.120.2)1(.(
=+++=+++=
mmmmmmBarrMedioEspIO HL 5.5033.47)2(.( =+=+=
mmmmmmA 8.975.503.47 =+=
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm)
Capacitancia AT-BTe:
pFmmmmC h 36.72,41463
120*)8.97(*06.1 ==
Capacitancia Total:
Entonces la capacitancia total de la bobina es:
pFpFC Totalh 72.08.547872,414636.1331 =+=
Este valor obtenido se suma al valor de la capacitancia del divisor de tensión
para realizar los ajustes y cálculos necesarios para las pruebas de impulso 1.2/50μs al
transformador, este valor total es el que se conoce como 2C .
pFmmmmCh 36.13313
120*)4.31(*06.1 ==
mmB 3=
46
Luego de este cálculo se procedió a comprobar el mismo midiendo la
capacitancia mediante el equipo DOBLE el cual posee un error de medición de ±2%
(ver Anexo 6), donde (C LH) es la capacitancia entre el devanado de baja tensión
interna y alta tensión, y (C HL) es la capacitancia entre el devanado de alta tensión y
baja tensión externa.
Tabla VI. Lecturas de las Capacitancias con el Equipo DOBLE
Modo UST Lectura (pF) C LH 1320 C HL 3987
En la Tabla VII se puede observar los valores de capacitancia obtenidos
mediante los cálculos y los valores de capacitancia medidos con el equipo DOBLE.
Tabla VII. Capacitancias Calculadas y Medidas
Bti-AT (pF) AT-BTe (pF) Calculados 1331.36 4146,36
Medidos 1320 3987
Como los valores de capacitancia son influenciados por la geometría de la
bobina, estos muchas veces no son constantes para todos los diseños de una misma
capacidad y características de construcción. Así podemos ver en la tabla anterior VII
como los valores calculados y los medidos difieren uno del otro.
47
CAPÍTULO IV
4.1.- DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DE IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET
El generador de impulsos de tensión de la empresa CAIVET se emplea para
realizar pruebas de impulso a sus transformadores de potencia según los lineamientos
de los estándar ANSI/IEEE Standard 4-1995 [7]. La Figura 26 muestra al generador
de impulsos a estudiar:
Figura 26. Generador de impulsos de la empresa CAIVET
Las dimensiones físicas del generador de impulsos abarcan aproximadamente
seis metros de altura -desde la base hasta el último condensador- y un metro con diez
centímetros entre cada una de las columnas aislantes que soportan a los capacitores de
etapa. Alrededor de éste se encuentran dispuestos los demás equipos constituyentes
del sistema de prueba de impulsos, a saber: el divisor de tensión, el espinterómetro
vertical y líneas de interconexión, así como también los shunts y los cables coaxiales.
48
Por otra parte, la mesa de control del generador y el osciloscopio se ubican en
la Sala de Pruebas del Laboratorio Trifásico; disponiendo en su totalidad un área
aproximada de nueve metros cuadrados.
4.2.- CONFIGURACIONES CIRCUITALES.
El generador de impulsos de CAIVET puede ser configurado -por diseño- a
partir de los circuitos básicos de una etapa ilustrados en la Figura 27:
Figura 27. Circuitos disponibles para configurar el generador de impulsos de
CAIVET
Cada uno está conformado por el capacitor de etapa C1, la resistencia de frente
R1, la resistencia de cola R2, el espinterómetro de esferas SG y la capacitancia del
circuito externo y objeto de prueba C2. Las condiciones iniciales de los circuitos son:
• El capacitor de etapa C1 está cargado a un voltaje de prueba (positivo o
negativo) VC1=Vo.
• La tensión del capacitor C2 es cero. Esto es VC2=0.
• El espinterómetro de esferas está ajustado a una distancia superior a aquella
que inicia la descarga disruptiva.
49
Por otra parte, la configuración (b) es la que proporciona el mayor
rendimiento de tensión tal como se muestra en la Figura 27, y se ha seleccionado
como el arreglo idóneo para efectuar las pruebas de impulso.
4.2.1.- DATOS NOMINALES:
Los datos nominales que caracterizan al generador de impulsos de la empresa
CAIVET son los siguientes:
• Modelo: M 7.5-600-4V - 1970
• Forma de onda: 1.2/50 μs
• Voltaje de alimentación: 208 V
• Tensión de los servicios auxiliares: 24 V
• Tensión nominal: El máximo voltaje de carga del generador es Vn=600 kV.
• Capacitancia nominal: El generador de impulsos posee dieciséis
condensadores de valor nominal C1=0,25 μF cada uno y un voltaje nominal
Vn=100 kV.
• Energía nominal: La energía máxima disponible por el generador es W= 7,5
kJ.
• Número de etapas: Considerando a cada capacitor como una etapa, el número
posible a configurar en el generador de impulsos es n=16.
Cabe resaltar que a lo largo de los años se le incorporaron diez capacitores
adicionales (C=0,25 μF y V=100 kV) hasta llegar a un total de dieciséis instalados,
modificando así las condiciones de operación del generador. Asimismo, el alcance de
las pruebas de impulso tipo 1,2/50 μs realizadas en los transformadores de CAIVET,
requiere tensiones de prueba o BIL que no excedan los 200 kV (valor aplicado a
transformadores de potencia con Vn=34,5 kV).
50
4.2.2.- CIRCUITO EQUIVALENTE.
A partir de la configuración (a) seleccionada, el esquema multietapa del
generador de impulsos de CAIVET se muestra en la Figura 28.
El generador de impulsos está basado en el circuito multietapa tipo “Marx”,
en donde los condensadores de etapa Cn inicialmente se cargan en paralelo a la
tensión nVV ATo = y luego son conectados en serie, por medio del cierre de los
espinterómetros, para obtener en el terminal AT la tensión de prueba deseada. El
proceso de carga de los capacitores de etapa ocurre a través de las resistencias R1, R2
y Rc, donde la tensión es suministrada por un alimentador DC tipo Greinacher. En la
Figura 29 se muestra el circuito equivalente de la carga del generador.
Figura 28. Circuito equivalente del generador de impulsos multietapa
51
Figura 29. Circuito de carga del generador de impulsos de CAIVET
La descarga del generador ocurre cuando las esferas de los espinterómetros
son acercadas entre sí hasta que exista ruptura dieléctrica en su espacio
interelectródico. La tensión de salida es finalmente aplicada al circuito externo y al
objeto de prueba, como lo ilustra la Figura 30.
Figura 30. Circuito de descarga del generador de impulsos de CAIVET
52
Es de notar el hecho de que durante el tiempo en que transcurre la descarga
(aproximadamente 350 μs) el alimentador está aislado del generador (por medio del
diodo), para posteriormente reconectarse e iniciar el ciclo de carga de los capacitores
de etapa.
4.2.3.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO.
El circuito completo para realizar la prueba de impulso consta del generador,
el divisor de tensión, el espinterómetro vertical y los conductores que los
interconectan, así como también los cables coaxiales, atenuadores y shunts acoplados
al osciloscopio. La Figura 31 representa la configuración utilizada para efectuar las
pruebas.
Figura 31. Sistema de prueba de impulsos
53
El dispositivo empleado para la medición de la tensión de carga de los
capacitores de etapa es un divisor óhmico conectado a la salida del alimentador DC.
De igual modo, la tensión de impulso es medida a través del divisor resistivo
apantallado y conectado al osciloscopio.
4.3.- CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL GENERADOR DE
IMPULSOS Y SUS COMPONENTES:
La descripción constructiva del generador de impulsos, sus características
técnicas y conexiones con los demás dispositivos que conforman el sistema de prueba
de impulso se hace a continuación:
4.3.1.- MESA DE COMANDO
Tanto los circuitos de alimentación y protección como los dispositivos de
control, señalización y medición de los elementos que conforman el sistema de
prueba de impulsos (a excepción del divisor para la medición de la tensión de
impulso), se encuentran ubicados en la mesa de comando del generador de impulsos.
En el interior de la mesa se localizan los circuitos eléctricos de:
• La alimentación principal: línea trifásica de 208 V
• La alimentación del generador: línea monofásica de 208 V
• La alimentación del espinterómetro vertical: línea trifásica de 208 V
• La alimentación de los espinterómetros horizontales: línea monofásica de 208
V
En el panel frontal de la mesa están instalados los siguientes elementos (ver
Figura 32):
• Variac: forma parte del circuito de carga del generador y alimenta a la fuente
DC. La tensión alterna a aplicar va desde 0 a 208 V y la escala del selector
posee 100 divisiones.
54
• Voltímetro: para medir el voltaje de salida del variac. Se encontró dañado y se
sustituyó por otro analógico de escala 0-150 V, 100 divisiones, con error de
2,5%.
• Amperímetro: para la medición de la corriente absorbida por el variac.
• Kilovoltímetro: usado para la medición de la tensión de carga a la salida del
alimentador DC. Tiene dos escalas de 50 y 100 divisiones con un error a
escala completa de 1%.
• Medidor de la distancia de separación de los espinterómetros horizontales:
voltímetro (Clase 1) ajustado para la medición milimétrica del espacio
interelectródico. La escala tiene 100 divisiones que representan 1mm/división.
Actualmente esta fuera de servicio.
• Control manual de los espinterómetros horizontales: posee dos pulsadores
que controlan la separación de las esferas de cada etapa del generador.
• Control manual del espinterómetro vertical: consta de dos pulsadores para
controlar la distancia relativa (aumento o disminución del espacio
interelectródico) de las esferas del espinterómetro vertical.
• Conectores del transformador 1:1 y el filtro pasa-bajo: sirven para alimentar
el osciloscopio de impulso. Actualmente están fuera de servicio.
• Conmutador de encendido/apagado: posee una llave para encender o apagar
la mesa de comando del generador.
Además posee luces indicadoras de la polaridad de la tensión de carga del
alimentador, un pulsador para activar una sirena y un espacio reservado para la
instalación de un trigatrón.
Finalmente, la mesa de comando se encuentra ubicada en la Sala de Pruebas
del Laboratorio Trifásico.
55
Figura 32. Mesa de control del generador de impulsos
4.3.2.- ALIMENTADOR DC
Como se ha mencionado, la fuente DC suministra la carga de los
condensadores de etapa del generador y se basa en el circuito duplicador Greinacher.
Los datos nominales son:
• Modelo: AI 100 – 1970
• Voltaje de alimentación: 0-208 V
• Tensión nominal: 100 kV
• Corriente nominal: 6 A
Éste se encuentra instalado en la base del generador dentro de una cuba de
aceite dieléctrico. La Figura 33 muestra el alimentador DC y sus componentes:
Figura 33. Alimentador DC del generador de impulsos
56
Dentro del tanque se encuentran instalados el transformador elevador (208
V/40000 V, 3,5 kVA), tres condensadores en serie (C=0,04 μF y V=16000 V), los
diodos de carga y rectificación, el selector de polaridad positiva o negativa y el
divisor resistivo para la medición de la tensión de carga de los capacitores de etapa.
La alimentación es ajustada a través del variac y la tensión de salida en kV DC se
mide en el terminal (bushing) de alta tensión, que a su vez está conectado
directamente con el capacitor de la primera etapa para suministrarle la tensión de
carga deseada.
4.3.3.- CONDENSADORES DE ETAPAS.
Cada uno de los condensadores de etapa es de placas paralelas aisladas en
papel impregnado de aceite y sellado dentro de un recipiente metálico, como se indica
en la Figura 34:
Figura 34. Capacitor de etapa del generador de impulsos
Los datos nominales del condensador son:
• Fabricante: ICAR.
• Capacitan cía nominal: 0,25 μF.
• Voltaje máximo de carga: 100 kV DC Forma de onda: 1/50 μs.
57
Cada uno está instalado horizontalmente en columnas de baquelita formando
una torre y la separación entre ellos equivale al tamaño de la tapa del contenedor de
un capacitor.
4.3.4.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA:
La resistencia que se conecta para obtener la onda 1,2/50 μs se muestra en la
Figura 35. Consiste en un filamento de cobre depositado dentro de un cilindro
aislante, de 48 cm de largo y 6 cm de diámetro, cuyo interior es llenado de aceite
dieléctrico para mejorar la capacidad de disipación de calor del resistor. La principal
característica es la propiedad no inductiva con que es diseñada, utilizando para esto el
método Ayrton-Perry [10]. Asimismo, la instalación de todas ellas en forma de zig-
zag hace que la inductancia interna total del generador sea mínima [21].
Figura 35. Resistencias de frente y cola e inventario disponible
Finalmente, el inventario de las resistencias en aceite se muestra en la Tabla
VIII.
58
Tabla VIII. Resistencias de frente y cola disponibles
# Rnom
[Ω] #
Rnom
[Ω] #
Rnom
[Ω] #
Rnom
[Ω] #
Rnom
[Ω] #
Rnom
[Ω]
1 9,1 13 25,7 25 50,0 37 102,2 49 510,0 61 986,0
2 9,8 14 26,1 26 50,0 38 102,4 50 516,0 62 990,0
3 10,0 15 30,0 27 50,2 39 347,0 51 528,0 63 992,0
4 10,0 16 30,0 28 51,0 40 350,0 52 535,0 64 999,0
5 10,2 17 30,0 29 74,8 41 351,0 53 648,0 65 1008,0
6 10,5 18 30,0 30 74,9 42 354,0 54 652,0 66 1015,0
7 10,6 19 30,3 31 75,0 43 354,0 55 652,0 67 1023,0
8 10,7 20 30,5 32 75,1 44 358,8 56 653,0 68 1023,0
9 24,3 21 30,6 33 100,2 45 360,0 57 662,0 69 1025,0
10 24,4 22 30,8 34 100,8 46 362,0 58 677,0 70 1035,0
11 24,8 23 50,0 35 101,0 47 507,0 59 963,0 71 ∞
12 25,1 24 50,0 36 101,7 48 508,0 60 976,0 72 ∞
4.3.5.- RESISTENCIA DE CARGA:
La resistencia empleada para carga de los condensadores de cada una de las
etapas del generador es del tipo electrolítico o también llamada “resistencia de agua”
y se instala, una por etapa, en la columna móvil de los espinterómetros. Ésta se
muestra en la Figura 36 y la función principal es limitar la corriente de carga además
de desacoplar las etapas en el momento de la descarga del generador; esto es debido a
que Rc>>R2>R1 (ver Figuras 29 y 30).
59
Figura 36. Resistencia electrolítica
Los componentes para formar la solución -soluto y solvente- son el sulfato de
cobre pentahidratado (CuSO4-5H2O) y el agua destilada, cuyas concentraciones son
determinadas para un valor nominal Rc=15 kΩ. Cabe destacar que esta mezcla es un
ácido débil, por lo que los electrodos (ánodo y cátodo) han de sufrir corrosión [22].
4.3.6.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL.
Las esferas metálicas huecas, dispuestas en pares por cada etapa, se utilizan
como el mecanismo de conmutación que permite la descarga del generador de
impulsos. Una esfera del espinterómetro se instala, por etapa, en una columna rígida
de baquelita mientras que la opuesta se coloca en una columna móvil cuyo
movimiento se acciona por medio del control instalado en la mesa de comando; esto
trae como consecuencia que todas las esferas están a la misma distancia respecto a las
que están fijas.
Al aumentar el espacio interelectródico de las esferas se permite la carga del
generador y al disminuirlo se procede a la descarga de cada una de las etapas hacia el
objeto de prueba (ver apartado 3.2.). Este método de inicio de la descarga es del tipo
natural o espontáneo. La figura 37 muestra las esferas, de diámetro nominal D=12,5
cm, instaladas en el generador de impulsos.
60
Figura 37. Espinterómetros horizontales
Asimismo, la Tabla IX muestra las mediciones de los diámetros exteriores
realizadas a un grupo de esferas disponibles en inventario. Dichas medidas se han
efectuado utilizando una cinta métrica para determinar aproximadamente el valor de
la circunferencia de cada una ellas referidas al plano vertical y horizontal (y
posteriormente utilizar la expresión C=πD).
Tabla IX. Diámetros de las esferas de los espinterómetros horizontales
Nº Dnom [cm] Dh [cm] Dv [cm] Dprom [cm] Observaciones
1 12,50 12,30 12,40 12,35 En buen estado
2 12,50 12,30 12,30 12,30 Signos de erosión, abollada
3 12,50 12,20 12,10 12,15 Signos de erosión, abollada
4 12,50 12,30 12,30 12,30 En buen estado
5 12,50 12,40 12,50 12,45 Abollada
6 12,50 12,40 12,40 12,40 Signos de erosión
7 12,50 12,30 12,50 12,40 Signos de erosión
61
Nº Dnom [cm] Dh [cm] Dv [cm] Dprom [cm] Observaciones
8 12,50 12,30 12,30 12,30 En buen estado
9 12,50 12,40 12,40 12,40 En buen estado
10 12,50 12,40 12,46 12,43 Pequeñas abolladuras y virutas
4.3.7.- DIVISOR DE TENSIÓN.
El sistema completo de prueba de impulsos tiene un divisor resistivo tipo
apantallado para la medición de la tensión de impulso, tal y como se muestra en la
Figura 38.
Figura 38. Divisor de Tensión Resistivo-Capacitivo
El lado de alta tensión está conformado por dos etapas idénticas resistivo-
capacitivas conectadas en serie. Los datos nominales del divisor son:
• Resistencia de A.T.: 12 kΩ
62
• Resistencia de B.T.: 20 Ω o 50 Ω
• Marca: ICAR
• Capacitancia nominal: 1500 pF
• Voltaje nominal: 1 MV de impulso 1,2/50 μs Forma de onda: 1,2/50
Cada etapa mide una altura aproximada de dos metros, por lo que la total está
alrededor de los cuatro metros. Asimismo, unos tirantes están colocados para
proporcionarle mayor sujeción a la etapa superior. El cilindro aislante, donde se
encuentra alojada la resistencia de alta tensión, mide 1,95 m de altura y 5,90 cm de
diámetro y al igual que las de frente y cola, ésta resistencia contiene aceite dieléctrico
en su interior y es de característica anti-inductiva.
Por otro lado, el condensador es un arreglo de placas paralelas cilíndricas y
cuyo dieléctrico es un cilindro hueco (o en forma de anillo) de papel baquelizado
impregnado en aceite, de 1,95 m de altura, 20 cm de diámetro externo y 6 cm de
diámetro interno. La Figura 39 muestra a la resistencia de alta tensión y al
condensador anular.
Figura 39. Condensador anular y la resistencia de alta tensión del divisor
De igual modo, la resistencia de baja tensión se conecta en serie
“atornillándola” a la resistencia de alta tensión y está diseñada para poseer baja
63
inductancia. También dispone de una toma coaxial para la conexión hasta el
osciloscopio, como se puede ver en la Figura 40.
Figura 40. Resistencia de baja tensión del divisor
Finalmente, el Laboratorio cuenta con dos resistencias de alta tensión
adicionales de valor nominal RAT=6 kΩ cada una y dos resistencias de baja tensión de
20Ω y 50Ω, aproximadamente.
4.3.8.- ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
Otro componente necesario para la prueba de impulso es el espinterómetro
vertical. El Laboratorio Trifásico tiene uno (ver Figura 41) con las siguientes
características nominales:
• Modelo: V250 – 1970
• Voltaje nominal: 395 kV
• Diámetro de las esferas: 12.50 cm
La esfera superior se instala en el brazo fijo de alta tensión mientras que la
inferior se conecta en un soporte móvil accionado por los pulsadores de control
ubicados en la mesa de comando; además cuenta con un medidor que señala la
distancia interelectródica.
64
Figura 41. Espinterómetro vertical
Adicionalmente se le puede conectar una resistencia amortiguadora en un
pedestal ubicado en la parte superior del brazo de alta tensión para minimizar los
efectos producidos por el desacoplamiento de las impedancias características de los
conductores de interconexión y también por la inductancia de este circuito de prueba.
4.3.9. LÍNEAS DE INTERCONEXIÓN.
Los conductores que se emplean para conectar el generador de impulsos con
el divisor y éste con el espinterómetro vertical y a su vez con el objeto de prueba, son
del tipo cinta y/o trenza y se muestran en la Figura 42.
Figura 42. Ejemplo de una línea de conexión tipo trenza y tipo cinta
Como el conductor mencionado se puede considerar una línea de transmisión
de parámetros distribuidos [15], entonces se definirá por su impedancia característica
65
Zlínea y el tiempo de viaje que tarda el impulso en propagarse por el medio τv.
Asimismo, la inductancia que surge del arreglo geométrico de las conexiones con los
equipos (es decir, de la interconexión del generador-divisor-espinterómetro-objeto de
prueba) se define aproximadamente por la ecuación de una línea monofásica bifilar, a
saber.
)ln(104 7
rDL′
⋅⋅= − [H/m] (30)
donde r´ es el radio del conductor (=RMG si es trenzado) y D la altura respecto al
plano de tierra.
4.3.10.- OSCILOSCOPIO.
El osciloscopio usado para las mediciones es un osciloscopio convencional,
marca Philips, modelo PM3335, que se muestra a continuación (ver Figura 43).
Figura 43. Osciloscopio usado para las mediciones
Las características que posee este instrumento son las siguientes:
• Tasa de muestreo: 20 MS/s (o intervalo de muestreo cada 50 ns)
• Tamaño del registro: 4096 muestras/adquisición
• Ancho de banda: 60 MHz
66
Comparando estos valores con los sugeridos por el estándar IEEE Std 1122-
1998 [23], se obtiene que la tasa de muestreo (sampling rate) es inferior a la mínima
establecida de 60 MS/s (o 17 ns). Esto sugiere que el barrido de la señal no registra
todos los puntos a muestrear, perdiendo así información de la misma.
Este osciloscopio solo cuenta con un canal para la medición, siendo esta una
de las limitantes para la medición de la onda de corriente en las pruebas de impulso.
4.3.11.- CABLES COAXIALES.
Los cables coaxiales se emplean para transmitir la tensión de impulso y la
tensión proporcional de la onda de corriente (debida al shunt, cuando se introduce el
objeto bajo prueba) y son del tipo convencional RG-59 (ver Figura 44). Éstos poseen
las siguientes características:
• Impedancia característica: 75 Ω ± 3
• Dieléctrico: Polietileno (εr=4)
Figura 44. Cable coaxial dentro de una tubería no magnética
Para evitar problemas de interferencia electromagnética se apantalla el cable
introduciéndolo dentro de una tubería no magnética y protegida por otra de plástico
[24], [25].
67
4.3.12.- ATENUADORES.
Los atenuadores mostrados en la Figura 45 se utilizan para la reducción de la
onda impulsiva y posterior medición con el osciloscopio y está formada por un
circuito resistivo tipo π que se “acopla” entre el cable coaxial y el osciloscopio.
Figura 45. Ejemplo de atenuador de voltaje
Por último, los factores nominales de atenuación disponibles son: 1/20, 1/10 y
1/5.
4.4.- LABORATORIO DE PRUEBAS.
El Laboratorio de pruebas para transformadores trifásicos abarca un área total
aproximada de 300 m2, incluyendo la sala de pruebas. En este sitio se efectúan los
ensayos de rutina a todos productos de la línea de producción trifásica y las pruebas
de impulsos a aquellos transformadores que así lo ameriten (tanto trifásicos como
monofásicos). La Figura 46 muestra algunas áreas del Laboratorio:
Figura 46. Laboratorio, sala para pruebas trifásicas y algunos equipos
68
En esta área están dispuestos tanto el generador de impulsos, divisor y
espinterómetro como los equipos para la realización, entre otras, de las siguientes
pruebas:
• Prueba de vacío y cortocircuito
• Prueba de tensión aplicada
• Prueba “Doble” y medición de la resistencia de aislamiento
4.5.- PUESTA A TIERRA DEL LABORATORIO.
Mediciones realizadas anteriormente (que datan de hace ocho años
aproximadamente) indican que la resistencia de puesta a tierra en el Laboratorio de
Pruebas Trifásicas es de Ω≅ 5gndR y consta básicamente de dos barras de
Cooperweld enterradas de la siguiente manera: una en la cercanía del generador de
impulsos y otra cerca del transformador elevador empleado para la prueba de tensión
aplicada, tal como se indica en la Figura 47. La conexión del generador de impulsos
con la barra enterrada se hizo por medio de una cinta cobre de 3 m de largo, 60 mm de
ancho y 2 mm de espesor.
Figura 47. Puesta a tierra del laboratorio de pruebas
69
CAPÍTULO V
5.1.- SITUACIÓN ACTUAL DE LAS PRUEBAS CON EL GENERADOR DE
IMPULSOS DE LA EMPRESA CAIVET
Las pruebas de impulso atmosférico realizadas en los transformadores de la
empresa CAIVET, históricamente han sido y se aplican de manera de ensayo y error,
ya que no se tiene en cuenta los valores de la carga en este caso del transformador,
específicamente los valores de resistencia y capacitancias del mismo. Igualmente no
se conoce como calcular los valores de resistencia de frente y cola del generador de
impulsos para estimar con más precisión la onda normalizada. Entonces es necesario
conocer estos valores para comprobar el funcionamiento (mediante medición y
observación) de los diferentes elementos involucrados en la prueba de impulso de los
transformadores fabricados por CAIVET. A continuación se hace el diagnóstico de
los elementos más importantes que conforman el sistema de la prueba 1,2/50 μs:
5.2.- GENERADOR DE IMPULSOS.
El generador de impulsos, en general, presenta evidente falta de
mantenimiento en sus partes externas, localizándose gran cantidad de polvo, aceite y
óxido en las columnas de soporte, condensadores de etapa, bushings, láminas
conectores, puentes y cables de unión. Es importante señalar que la contaminación
afecta negativamente el correcto desempeño de los equipos y más aún en la Alta
Tensión. Algunos ejemplos del estado físico en que se encuentra el generador se
muestran en la Figura 48.
Figura 48. Contaminación presente en algunas piezas constitutivas del generador de
impulsos
70
En la etapa de inspección del equipo se procedió a la limpieza parcial del
generador empleando como solvente alcohol isopropílico y cera para desmanchar.
Cabe destacar que el uso de productos para mantenimiento industrial (limpiadores,
desengrasantes y desoxidantes) es la mejor solución para minimizar el efecto de la
contaminación sobre los equipos y las mediciones eléctricas. En un trabajo previo [5],
se realizo una limpieza general del equipo.
5.2.1.- ALIMENTADOR AC.
Todos los componentes y accesorios del alimentador están funcionando
adecuadamente, asimismo su circuito de alimentación (variac) y el sistema de puesta
a tierra de los capacitores. La medición de la tensión de carga se hace por medio del
divisor de tensión resistivo (RAT=99 MΩ y RBT=1 MΩ) instalado en el interior de la
cuba de aceite. Adicionalmente, está instalado un segundo divisor resistivo
directamente en la salida de alto voltaje del alimentador pero cuyo lado de baja
tensión no está conectado a ningún voltímetro en la mesa de comando.
Figura 49. Kilovoltímetro DC de respaldo
71
5.2.2.- CONDENSADORES DE ETAPAS.
Se realizó una limpieza de sus superficies, el estado físico externo de cada uno
de los dieciséis condensadores de etapa considerándose “satisfactorio” puesto que no
presentan cambios estructurales y/o signos visibles de deterioro en el chasis y
bushings. Ahora bien, para tener una certeza de cuánto se han alejado las propiedades
eléctricas del condensador de etapa de su comportamiento ideal (o de diseño), se
tomaron las mediciones realizadas por [5], (error de medición ±1%) la capacitancia
nominal y el factor de disipación (tanδ), cuyos resultados se indican en la Tabla X,
Tabla X. Medición de la capacitancia nominal y tanδ
# Cnom
[μF]
Cmed
[μF] tanδ #
Cnom
[μF]
Cmed
[μF] tanδ #
Cnom
[μF]
Cmed
[μF] tanδ
1 0,25 0,2409 0,005 7 0,25 0,2412 0,004 13 0,25 ---- ----
2 0,25 0,2491 0,004 8 0,25 0,2432 0,007 14 0,25 ---- ----
3 0,25 0,2457 0,004 9 0,25 0,2416 0,008 15 0,25 ---- ----
4 0,25 0,2457 0,003 10 0,25 0,2418 0,007 16 0,25 ---- ----
5 0,25 0,2508 0,004 11 0,25 ---- ----
6 0,25 0,2442 0,004 12 0,25 ---- ----
Cabe resaltar, que a los capacitores nº 11 al nº 16 no se les pudo efectuar las
mediciones debido a condiciones inseguras de trabajo. Igualmente se realizo la
medición de las capacitancias parasitas entre cada uno de los capacitores (N.1 hasta
N. 8), dando como resultado valores entre (3pF – 7pF) por ser valores tan bajos
comparados con los valores del objeto de prueba (transformador) y por que no
influyen en el resultado de la onda, estos no fueron tomados en consideración para la
72
simulación. El equipo de prueba utilizado para la medición de las capacitancias
parasitas fue un tester convencional de ±2% de error, ver ANEXO 5.
5.3.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.
Para verificar el estado físico de las resistencias se procedió limpiarlas y
revisarlas exteriormente así como también medirles sus propiedades eléctricas. En
general, la mayoría se encuentra en buen estado aunque algunas presentaron fugas de
aceite y signos de quemaduras. En el Anexo 1, Se indican las mediciones efectuadas
por [5] al inventario conseguido en el Laboratorio.
Los valores de resistencia medida difieren alrededor del 1% respecto a los
nominales, siendo aceptable su uso en pruebas.
5.4.- RESISTENCIA DE CARGA.
Para efectuar pruebas de impulso considerando más de una etapa instalada
(hasta tres) se dispone de siete resistencias electrolíticas. Por lo que se procedió a
realizar las mediciones de las resistencias electrolíticas ver (Tabla XI), las cuales
tienen ±1% de error de acuerdo al equipo utilizado, asimismo en la Figura 51 se
observa el actual inventario disponible.
Tabla XI. Mediciones de resistencias electrolíticas
# 1 2 3 4 5 6 7
Rmed [kΩ] 12,09 12,04 13,30 20,26 13,78 17,87 16,50
73
Figura 50. Resistencias electrolíticas actualmente disponibles
5.5.- ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
Algunas esferas disponibles en el inventario presentan abolladuras en su
superficie, por lo que no es posible realizar las mediciones de la tensión de impulso
con ellas y se han sustituido por otro espinterómetro de diámetro D=12,5 cm.
Además, la columna que soporta el brazo de alta tensión presenta una fractura interna
que ocasiona un desnivel entre las mismas, como se puede ver en la Figura 51,
Figura 51. Estado actual del espinterómetro vertical
74
El no poder garantizar una simetría entre el eje vertical del espinterómetro
puede ocasionar errores en la medición si el espacio interelectródico es
suficientemente grande.
5.6.- DIVISOR DE TENSIÓN.
En la actualidad existe un divisor de tensión resistivo- capacitivo, el cual fue
verificado sus valores nominales, los valores obtenidos fueron los siguientes:
Tabla XII. Mediciones de los parámetros eléctricos del divisor de tensión. Error
±1%
# RAT Rnom [Ω] Rmed [Ω] Lmed [mH]
1 6000 5925 ----
2 6000 6135 ----
3 6000 6170 ----
4 6030 6125 ---- # RBT Rnom [Ω] Rmed [Ω] Lmed [μH]
1 50 50,75 1,2
2 20 20,19 1,2 # C Cnom [pF] Cmed [pF] Tanδ @ 1 kHz
1 3000 3395 0,007
Los valores nominales y los obtenidos tiene un margen de diferencia para los
valores de resistencia de alta de 1.34%, resistencia de baja 1.32% y para el capacitor
11.63% valores que no influyen en los resultados finales de las pruebas.
Originalmente este divisor de tensión tenía otra etapa de iguales características
a las señaladas anteriormente, el cual fue desinstalado por presentar fuga de aceite.
75
5.7.- CABLES DE MEDICIÓN.
Se cuenta con cables coaxiales de 7 m de longitud del tipo RG-59 los cuales
están protegidos mediante una tubería del tipo PVC.
5.8.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN.
Como se ha mencionado anteriormente, los conductores empleados para
realizar las conexiones entre el generador de impulsos y los demás elementos
constitutivos del sistema de prueba son trenzas y cintas. La Tabla XIII señala
algunas mediciones realizadas a una muestra de cada uno de ellos.
Tabla XIII. Mediciones de R de los conductores de interconexión R [Ω]
Tipo Longitud
[m] f=1 kHz Rprom
Trenza 1 0,065 0,065
Cinta 1 0,078 0,077
Además de esto, la cinta de cobre se puede emplear para las conexiones del
circuito a tierra del generador-divisor-objeto de prueba [5].
Por otro lado, en el conductor de alta tensión (trenza) se pueden presentar
distorsiones durante la propagación de la onda de impulso en el mismo, las cuales se
pueden calcular con la siguiente expresión [1].
ov C
l=τ (31)
donde vτ es el tiempo de propagación de la onda en la línea en (seg), l es la longitud
de la línea en metros y oC la velocidad de la luz ( 610300x m/s). Sustituyendo los
valores medidos de la trenza se tiene que para una longitud promedio de 3-4 m, para
76
los valores señalados anteriormente tenemos que el tiempo de propagación de la onda
en el cable es 10ns aproximadamente.
5.9.- SISTEMA DE PRUEBA DE IMPULSO.
Algunos ejemplos de mediciones de la onda de tensión de impulso realizadas
en pruebas en vacío (específicamente, sin objeto de prueba pero con el capacitor de
precarga del divisor de tensión) antes de efectuar la configuración al generador de
impulsos y sus componentes, se muestra en la Figura 52.
Figura 52. Ejemplo del frente y cola de la onda de impulso en vacío
La gráfica expuesta corresponde a una configuración de resistencia de frente
R1=102W, resistencia de cola R2= 709W, capacitancias del generador de impulso
0.125mF (2 etapas) y para valores aproximados de tensión de impulso V=60 kV de
polaridad negativa y rango de temperatura ambiente Tamb=21ºC-24ºC; que demuestran
77
el comportamiento inadecuado del sistema respecto a las normas estudiadas y además
altas oscilaciones en el frente de la onda mayor a 3%.
El ejemplo de la Figura 53 es resultado de conectar únicamente al divisor de
tensión y al espinterómetro vertical; es decir, las pruebas se hicieron en vacío y se
pueden apreciar fuertes oscilaciones en el frente de onda que hacen de obligatoria
necesidad su disminución o amortiguación. Por lo tanto, es prioridad obtener la onda
de impulso normalizada en esta condición.
Figura 53. Onda como resultado de conectar las capacitancias 1 y 2 del
generador de impulsos.
Luego de esto se procedió a realizar la prueba de manera de obtener el menor
ruido en el frente de la onda de impulso, además los ajuste que se realizaron fueron
los de ir cambiando las capacitancias del generador de impulso de manera progresiva
y escalonada, resultado de esto se puede ver en la Figura 54.
78
Figura 54. Onda como resultado conectar las capacitancias 2 y 3 del generador de
impulsos.
Figura 55. Ejemplos de la forma de onda de tensión sin objeto de prueba, posterior a las modificaciones- Capacitancia 4 y 5 conectadas.
79
Así pues, para este caso planteado no hubo soluciones inmediatas debido a
que se decidió, como una primera acción correctiva importante, aplicar el
mantenimiento parcial al generador de impulsos como:
a. Se sustituyo de la línea de cobre de Ø4mm, por una línea de Ø15mm.
b. Se cambiaron las capacitancias del generador de impulso.
c. Se calibro la distancia de los espinterómetros horizontales de manera de
reducir el ruido en el frente de la onda.
Es evidente que las formas de onda obtenidas con los nuevos cambios no
tienen la forma de la onda de impulso normalizada tipo atmosférico 1,2/50 μs, lo que
hace necesario analizar los fenómenos involucrados en el comportamiento de dicha
forma de onda. Éstos son básicamente la inductancia presente en el circuito y las
reflexiones de la onda viajera por el mismo, así como también los valores de
resistencia de frente y cola.
5.10.- INDUCTANCIA.
Como se ha explicado, las inductancias internas del generador de impulsos
(debida principalmente a las resistencias de frente y cola) y las externas (debida a los
conductores de interconexión) oscilan con la capacitancia del circuito externo. Según
la norma internacional ANSI/IEEE Std 4-1995[7] y la norma europea IEC 60 [12], el
sobrepico máximo de las oscilaciones no debe exceder el 3% del valor de la tensión
pico aplicado al “objeto de prueba”. Normalmente la inductancia del generador de
impulso es aproximadamente de 3 a 5 μH por etapa y el conductor es de 1μH/m. [6].
5.11.- ONDAS REFLEJADAS.
El otro fenómeno involucrado son las oscilaciones superpuestas de alta
frecuencia debidas a los rebotes de onda viajera en la línea conectada entre el
80
generador y el divisor de tensión y también entre el divisor y el espinterómetro
vertical (considerando que las impedancias características de los cables coaxiales
están acopladas con los atenuadores).
5.11.1. RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO.
Como el divisor de tensión presenta una respuesta oscilatoria se hace
necesario introducir una resistencia de amortiguación cuyo cálculo previo se puede
hacer con la siguiente expresión (para condición crítica) [1], [3], [5], [6], [10]:
CLRd ⋅= 2 (32)
Donde L=es la inductancia del generador de impulso y C=es la capacitancia
del divisor y la carga, en el momento del ensayo. También se puede utilizar una
expresión empírica válida para la condición en la cual la respuesta inicial alcanza un
máximo sobrepico de 10% respecto al escalón y que proporciona el valor de Rd, a
saber [10]:
CLRd ⋅= 2,1 (33)
Para el ensayo en vacío se realizara el siguiente ejemplo; con un valor de L= 3μH ,
C=3000pF y aplicando la ecuación 32 y 33 tenemos lo siguiente:
Ω=⋅= 2.633000
32pF
HRdμ Ω=⋅= 9.37
300032.1
pFHRd
μ
Es evidente que el rango de la resistencia de amortiguamiento no supera las
decenas de ohmios, por lo que es importante el valor de Rd no sólo porque amortigua
las oscilaciones sino que influye proporcionalmente en el tiempo de frente de la onda,
por lo que tiene que existir para su determinación un compromiso entre el
81
amortiguamiento y T1, por lo que es necesario tomar en cuenta el valor de la
capacitancía de la carga.
Cada vez que existe variación del valor de capacitancia, ya sea por cambios en
el divisor capacitivo como en el valor del objeto de prueba o carga es necesario
calcular el valor de Rd.
5.12.- ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE LA DATA.
Con el procesamiento de las gráficas obtenidas luego de las pruebas, se
conecta el osciloscopio a través de un puerto RS232 al PC, mediante le programa
AnyWave Software Versión 2.2 The Fluke Corporation. Mediante esta ventaja que
posee el osciloscopio utilizado para esta medición, es que permite convertir la señal
medida en un archivo delimitado por comas o extensión CSV por medio de un
comando llamado hardcopy y que se puede abrir fácilmente con la hoja de cálculo
EXCEL. Esto implica graficar y procesar los registros empleando las herramientas
computacionales del programa, generando así un ahorro de tiempo que no se obtiene
con los cálculos manuales.
5.13. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE IMPULSO.
Considerando la situación actual del espinterómetro vertical (con esferas de
%15,12 ±=nomD cm desalineadas verticalmente debido a la fractura interna del
soporte de la esfera superior) y también considerando las condiciones atmosféricas
del laboratorio como presión, temperatura y humedad, no es posible garantizar -a
priori- que la tensión de ruptura V50% empleada para hacer las calibraciones sea la
obtenida por tablas. Para verificar esto, se procedió a efectuar una serie impulsos de
tensión con el espinterómetro cuyos resultados se exponen, a manera de ejemplo, a
continuación. Las condiciones de la prueba son las siguientes:
82
a. Separación de las esferas (de diámetro Dnom=12,5 cm): 2 cm
b. Tensión disruptiva V50% (tabulada): 59 kV de polaridad negativa
c. Temperatura ambiente( en el momento de la prueba): 26ºC
d. Presión atmosférica (en el momento de la prueba): 910 mmbar
La falta de alineación vertical entre las esferas no permite un ajuste exacto de
la distancia interelectródica; a pesar de ello, se emplearon separadores metálicos a
manera de patrones (ver Figura 56) para verificar y/o corregir la separación deseada
aproximada.
Figura 56. Patrones para la calibración de la distancia interelectródica del
espinterómetro vertical
5.14.- MEDICIÓN DE LA TENSIÓN DE RUPTURA MEDIANTE EL
ESPINTERÓMETRO.
Considerando las condiciones ambientales señaladas anteriormente, se
calcularon las tensión de ruptura de acuerdo a [6 ]-[7 ]-[10].
KVV nr *= (34)
Donde, rV representa la tensión real (corregida), nV tensión normalizada de
acuerdo a la tabla Tensión vs. Distancia del espinterómetro vertical, donde K es una
función de la densidad del aire, entonces d es:
83
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+∗=
tbd
273289,0 ; b en mbar (35)
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior tenemos 87.0=d
interpolando en la tabla 7.6 del [6], Anexo 2, tenemos K =0.88 y la tensión de
acuerdo al tipo de esfera y distancia interelectródica en el espinterómetro vertical será
de 59kV, ver Anexo 4 entonces la tensión disruptiva corregida es:
kVkVVr 92.5188.0*59%)50( == .
Finalmente, se evidencia una diferencia de 1.13% entre la tensión teórica y la
corregida por las condiciones atmosféricas por lo que es importante y necesario al
momento de realizar cualquier prueba realizar estas correcciones.
84
CAPÍTULO VI
6.1 SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DEL GENERADOR DE IMPULSOS.
Un aspecto a considerar en la prueba de impulsos de tensión es el tiempo que
se invierte en predeterminar los parámetros del generador de impulsos -resistencia de
frente y cola, número de etapas, número de capacitores por etapa- para obtener la
forma de onda normalizada 1,2/50 μs (los operadores del equipo afirman que la
duración del preajuste puede ser de hasta un día), trayendo como consecuencia un
injustificado aporte de horas/hombre y retraso en el cronograma de pruebas de los
transformadores en producción.
Por consiguiente, si se conocen adecuadamente los valores de los parámetros
disponibles y los fenómenos involucrados en la prueba de impulso es posible realizar
una simulación del sistema y utilizarla como referencia importante en el ajuste inicial
de la configuración. A partir de esta consideración, es necesario “precisar” cuál es el
modelo circuital más conveniente para cada uno de los parámetros involucrados en el
sistema de prueba de impulsos, como se explicará en el siguiente apartado.
Para las modelaciones del generador de impulso utilizaremos el programa
Pspice y ATPDraw los cuales presentan características de diseño completamente
diferentes ya que el primero es un completo simulador para diseños analógicos y
digitales, fundamentalmente se utiliza en la rama de la electrónica, el segundo es para
realizar análisis de transitorios en sistemas eléctricos de potencia, el cual puede ser
adquirido libremente mediante una solicitud a cualquier comité dependiendo de la
ubicación del solicitante. Con sus sofisticados modelos internos, puede simular
diseños de alta frecuencia, diseños de circuitos integrados de baja potencia y circuitos
de potencia.
85
6.2.- MODELOS CIRCUITALES PARA LA SIMULACIÓN.
La escogencia de los modelos circuitales de los elementos y dispositivos que
conforman tanto al generador de impulsos como al sistema de pruebas se hace a
continuación:
6.2.1.- RESISTENCIA DE FRENTE Y COLA.
La Figura 57 representa el modelo típico de las resistencias de frente y cola
utilizadas en el generador de impulsos de CAIVET, donde R y L equivalen a la
resistencia e inductancia nominales considerándolas como parámetros concentrados
[13], [26]. La inductancia de estas no se tomara en cuenta para la modelación ya que
las mismas no afectan la onda. La capacitancia en paralelo, que representa al aceite
dieléctrico, no será tomada en cuenta por ser de un valor extremadamente pequeño
(mediciones realizadas establecen un rango aproximado de 7 pF a 15 pF), por lo que
en la modelación no existirá un cambio importante al despreciarla.
Figura 57. Modelo de la resistencia de frente y cola del generador
6.2.2. RESISTENCIA DE CARGA.
La resistencia electrolítica se puede representar como una resistencia
concentrada o un circuito abierto (debido al gran valor que posee respecto a las de
86
frente y carga). La Figura 58 muestra como se pudiera representar en la simulación
computacional. Aunque para efectos de nuestro ensayo no la utilizaremos ya que por
ser un valor muy alto que tiende a infinito (∞ ) y solamente esta presente en el
momento de la carga de los capacitores.
Figura 58. Resistencia electrolítica
6.2.3.-CONDENSADORES DE ETAPAS.
Asumiendo el modelo teórico clásico de un dieléctrico [10]-[14], la
capacitancia de etapa del generador de impulsos se define por una rama resistiva y
capacitiva en paralelo, como se muestra en la Figura 59. El condensador Cp es la
capacitancia ideal del dieléctrico y la resistencia Rp representa las pérdidas de energía
del mismo. Ésta última está en el orden de giga-ohmios, por lo que a de ser
despreciada en la simulación.
Figura 59. Condensador de etapa
6.2.4.- CONDUCTOR DE INTERCONEXIÓN.
El conductor de interconexión se puede representar como una línea de
transmisión sin pérdidas con parámetros distribuidos [31], tal y como se muestra en la
Figura 60.
87
Figura 60. Línea de interconexión
De esta consideración, la impedancia característica Zlínea se puede estimar de
forma aproximada con el empleo de la curva mostrada en la Figura 61 [18].
Figura 61. Impedancia característica de un conductor aéreo [5]
Pero nosotros la calcularemos a través de la siguiente ecuación [1],
2
.211(21..4*60 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛++−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
LHLn
DHLnZlinea (36)
para una altura promedio del conductor de H=2m; L=4m. y un radio promedio de
r=0,015 m. se obtiene una Ω≅ 64.376líneaZ , valor que es bastante típico para este tipo
de conductores. Asimismo, experiencias han demostrado que el tiempo de
propagación de la onda ( vτ ), esta influenciado por la velocidad de la luz [1] el tiempo
88
de propagación se calcula con la expresión cx
v =τ , donde x es la longitud del
conductor y c es la velocidad de la luz ( smxc /10300 6= ). Entonces para una
longitud de mx 4= , nsv 10≅τ
6.2.5.- DIVISOR DE TENSIÓN.
Conociendo que el divisor de tensión es del tipo resistivo con apantallamiento
capacitivo, el circuito que puede modelar aproximadamente a este equipo es el
mostrado en la Figura 62 [1], [16]. Éste está conformado por la resistencia de alta
tensión RAT, su inductancia LAT, la resistencia e inductancia de baja tensión, RBT y LBT
respectivamente, por la capacitancía C=3000 pF y por las capacitancias a tierra
uniformemente distribuidas Ce (despreciables respecto a C).
Figura 62. Modelo del divisor de tensión
89
6.2.6.-ESPINTERÓMETRO VERTICAL.
En la descarga del generador de impulsos el espinterómetro vertical no tiene
actuación alguna en este proceso (para onda plena), por lo que se puede despreciar o
modelar como un capacitor de valor pequeño (simples mediciones realizadas en el
equipo con esferas de diámetro Dnom=12,5 cm y separación de 80 cm arrojaron que la
capacitancia es de aproximadamente 25-35 pF). La Figura 63 muestra el
espinterómetro de esferas.
Figura 63. Espinterómetro vertical
6.2.7.-ESPINTERÓMETRO HORIZONTAL.
Para iniciar la descarga del generador de impulsos las esferas de etapa se
pueden sustituir por un cortocircuito [14],[17] o por un interruptor inicialmente
abierto, que se ve en la Figura 64.
Figura 64. Espinterómetro horizontal
Un aspecto a considerar en la modelación es el valor de la resistencia de
“cierre” del interruptor o resistencia del arco eléctrico, la cual se calcula con la Ley
de Toepler, a saber [18]:
90
∫ ⋅
⋅≅
dtIdaR
arco
Tarco (37)
donde aT= 31080 −⋅ Vs/m y d es el espacio interelectródico. Típicamente Rarco oscila
entre 0-1000Ω y como por lo general la caída de tensión no es significativa para los
niveles de tensión empleados en las pruebas de impulsos con el generador de
CAIVET, se utilizará Rarco=0-10Ω.
6.2.8.-OSCILOSCOPIO.
El circuito del osciloscopio utilizado para las pruebas de la tensión de impulso
será el mostrado en la Figura 65 y representa la impedancia de entrada de los canales
de medición.
Figura 65. Modelo del osciloscopio
6.2.9.-CABLES DE MEDICIÓN.
El modelo del cable coaxial se indica en la Figura 66 y se considera ideal (sin
pérdidas), por lo que los parámetros que lo definen son la impedancia característica
Zo y el tiempo de viaje (o de retardo) tv. Éste último se calcula con la expresión
vdtv = , donde d es la distancia del cable y v es la velocidad de propagación de la
onda de impulso en el mismo, las características técnicas del cable coaxial RG-59
señala que la velocidad de propagación es del 83% de la velocidad de la luz entonces
la velocidad para este cable será de smxv /10240 6= y el tiempo de propagación será
de nssmxmtv 83.20/102405 6 == [6]-[14].
91
Figura 66. Cable coaxial
6.2.10.- PUESTA A TIERRA:
Asumiendo el electrodo de puesta a tierra como parámetro concentrado, el
modelo circuital del mismo, para fenómenos transitorios, queda definido como el
mostrado en la Figura 67 [3].
Figura 67. Modelo de la barra de puesta a tierra
La resistencia, inductancia y capacitancia de la barra -de longitud l y radio a-
se pueden calcular con las siguientes expresiones [3]:
6.2.11.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA BARRA DE
ATERRAMIENTO (R):
)4ln(4 a
lRπρ
= (38)
Ω=Ω
=Ω
= 17.52
.34.10)012.0
2*4ln(*4
.20m
mmmmR
π
92
6.2.12.-CÁLCULO DE LA CAPACITANCIA DE LA BARRA DE
ATERRRAMIENTO (C):
910)4ln(18
−⋅⋅
⋅=
dl
lC rε (39)
pf
mm
mC 79,15310)
012.02*4ln(18
2*9 9 =⋅⋅
= −
6.2.13.-CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA DE LA BARRA DE
ATERRAMIENTO (L):
HdlulL 710)4ln(.2 −⋅⋅= (40)
Hm
mmL μ6,210)012,0
2*4ln(.1).2(*2 7 =⋅= −
donde ρ es resistividad del terreno (de 20 a 30 Ωm), μ la permitividad de la barra
(típicamente de valor μ=1,00) y εr la constante dieléctrica relativa del suelo (εr=9 para
terrenos típicos).
6.3.- SIMULACIONES
Agrupando todos los elementos descritos anteriormente, se logra establecer la
configuración básica para una prueba de impulso. Ahora bien, una prioridad es lograr
simular el circuito de prueba en condiciones de vacío ya que, como se mencionó
anteriormente, al determinar los parámetros normalizados en esta situación se puede
asegurar que la forma de onda cuando se incluye el objeto de prueba no sufre
modificaciones sustanciales (para ciertos casos); A continuación se explican en
detalle las simulaciones propuestas:
93
6.3.1.- MODELACIONES DEL CIRCUITO PARA LAS PRUEBAS DE
IMPULSO EN VACIO.
A continuación un ejemplo de un circuito propuesto tanto en Pspice como en
ATPDraw, para la simulación de pruebas de impulso en Pspice se ilustra en la Figura
68 y se han considerado todos los cálculos y mediciones anteriormente descritas. Más
adelante se verá como la simulación sirve para obtener, en muy buena aproximación,
la forma de onda deseada para condiciones de vacío y deja abierta la simulación de
un transformador típico fabricado por CAIVET.
Figura 68. Ejemplo de sistema de prueba de impulso simulado en PSPICE
94
Figura 69. Medición de la tensión de impulso en vacío simulada en Pspice
A continuación se muestra el circuito realizado en ATPDraw, para la
simulación del generador de impulso en vació el cual se muestra en la Figura 70.Para
la simulación con el ATPDraw se utilizaron los mismos valores de la simulación con
el Pspice.
La forma de onda de tensión resultante de la simulación en ATPDraw se
muestra en la Figura 71.
95
Figura 70. Ejemplo del circuito de prueba realizada en ATPDraw
Figura 71. Onda de tensión obtenida luego de la simulación en ATPDraw
96
Luego de la simulación tanto en Pspice como el ATPDraw se puede observar
como ambos programas muestran de manera aproximada como es la onda de impulso,
hay que tomar en cuenta que las mismas realizaron en vació sin objeto de prueba.
Se puede notar en la tabla siguiente como a pesar de tener tanto para la
simulación en Pspice como en ATPDraw los mismos elementos en el circuito e igual
valor en los elementos, los valores de tiempo en el valor pico de tensión difiere
0,27μs. Se puede señalar que esta diferencia puede ser provocada por los algoritmos
de iteración de los programas, sin embargo no influye en el resultado final de las
pruebas por ser un valor muy pequeño.
Tabla XIV. Valores de Frente y Cola Resultado de la Simulación
Simulación ATPDraw Simulación Pspice Frente (1.83μs; -54.02V) (2.10μs;-54.56V)
Cola (39.10μs; -27,07V) (39.10;-27.30V)
Es importante señalar que no se tomaron en cuenta las condiciones
ambientales para el calculo de los valores de resistencia de frente y cola, solamente se
calculo estos valores mediante las ecuaciones 14 y 15 y con una tensión de prueba de
100kV pico.
En la siguiente Figura 72, se grafico las tres ondas es decir la onda de ambas
simulaciones y una tomada de una prueba en vacío del generador de impulso
configurado con los mismos valores de la simulación.
97
Prueba en Vacio
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Tiempo (ms)
Tens
ion
(V)
IMPULSO SIMULACION ATPDraw SIMULACION Pspice
Figura 72. Onda de tensión de la Simulación y Generador de Impulso (Vacio)
Figura 73. Frente de Onda de tensión de la Simulación y Generador de Impulso
(Vacío)
98
En la Figura 73 se puede verificar el tiempo de frente virtual el cual esta
presente entre el 30% y 90% del valor máximo de la onda capturada en la simulación
y la prueba con el generador de impulso, lo cual permite visualizar el valor de tiempo
de frente T1, entonces:
Tiempo a 30% =at 950ns
Tiempo a 90% =bt 1.9µs
Se calcula el diferencial de tiempo tΔ entre el punto del tiempo entre el 30%
y 90%.
=−=Δ ab ttt 1.9µs-950ns = 0.95 µs
T1= 1.67*Δ t =1.67*0.95 µs=1.58 µs
Sin embargo se puede ver como la simulación independientemente de que esta
sea realizada en Pspice o ATPDraw permite obtener un valor dentro de lo establecido
por la norma Std-4 IEEE, la cual señala que el tiempo donde ocurre la tensión pico a
de estar entre (0,8μs - 1,6μs).
Es importante señalar que la desviación en la cola de la onda y el ruido en la
cresta de la onda de la onda originada del generador de impulso Figura 72, esta
influenciada por las características y el estado actual de algunos elementos del equipo
de prueba como son las resistencias y las etapas del equipo.
Igualmente el tiempo de cola el cual es el tiempo que transcurre hasta alcanzar
el 50% del máximo valor pico su valor no esta entre (40μs -60μs), ya que el valor
medido fue de -39,10μs es decir 0.90μs por debajo del valor mínimo señalado en la
norma.
99
CAPÍTULO VII
7.1.- SIMULACIÓN Y APLICACIÓN DE LA PRUEBA DE IMPULSO A UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.
7.1.1.- SIMULACIÓN CON EL OBJETO DE PRUEBA.
Para comprobar la utilización de la simulación en las pruebas de impulso
realizaremos la prueba a un transformador de tipo monofásico tipo distribución
marca CAIVET, siguiendo lo señalado por la norma venezolana COVENIN 3172 y
Std-4 IEEE [19], [7].
El objetivo de esta prueba consiste en comprobar el aislamiento entre espiras
del devanado bajo ensayo, entre este y los demás devanados y el tanque o cualquier
otro elemento puesto a tierra cuando se le aplica una onda de choque. El
transformador que utilizaremos para la simulación y su posterior comprobación
mediante la utilización del generador de impulso tiene las siguientes características:
Tabla XV. Características de Diseño del Transformador de 25kVA.
Capacidad Nominal 25 kVA Tensión Alta Tensión 13800/23900Y(Voltios) Tensión Baja Tensión 120/240 (Voltios)
Nivel de Aislamiento AT 125kV Bil Nivel de Aislamiento BT 30kV Bil
Frecuencia 60Hz Conductor de Alta Tensión Alambre de Cobre (Ø 1.03mm) Conductor de Baja Tensión Foil de Aluminio (160*0.6mm)
Como nuestro objetivo no es comprobar el aislamiento del transformador ni
mucho menos hacerle un análisis de acuerdo a su tipo de construcción, solo nos
enfocaremos a comprobar las simulaciones y poder realizar la comprobación de las
mismas con el objeto de prueba.
100
Primero se calcula los valores de capacitancía del objeto de prueba, tomando
los espesores del diseño se tiene lo siguiente:
Tabla XVI. Espesores Bobina de 25kVA -13800-120/240 V. (Todas las medidas están en milímetros)
CUADRO DE ESPESORES CAB BT CAB AT
Espes. A1 Espes. A2 Espes. B1 (BT) Espes. B2(AT) Esp. medBASE 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
BTI 12.7 12.7 16.1 16.1 13.9 BARR1 3.0 3.0 5.0 3.0 3.2
AT 27.5 27.5 37.3 39.3 31 BARR2 3.0 3.0 5.0 3.0 3.2
BTE 12.7 12.7 16.1 16.1 14.0 AISL EXT 0.8 0.8 2.3 0.8 0.8
TOTALES 61.8 61.8 83.8 80.4 7.1.2.- CAPACITANCIA ENTRE BTi – AT.
Cálculo de las Áreas:
mmmmmmmmBarrBTIBaseMedioEspI H 1.192.39.130.2)1(.( =++=++=
mmmmmmBTIBaseMedioEspOL 9.159.130.2)(.( =+=+=
mmmmmmA 359.151.19 =+=
Espacio Entre la Bobina BTi-AT en (mm)
mmB 2.3=
Capacitancia BTi-AT
pFmmmmCh 18552.3160*)35(*06.1 ==
7.1.3.- CAPACITANCIA ENTRE AT– BTe
Cálculo de las Áreas:
101
mmmmmmmmmmATBarrBTIBaseMedioEspI H
1.50312.39.130.2)1(.(
=+++=+++=
mmmmmmBarrMedioEspIO HL 3.532.31.50)2(.( =+=+=
mmmmmmA 4.1033.531.50 =+=
Espacio Entre la Bobina BTI-AT en (mm)
mmB 2.3=
Capacitancia AT-BTi.
pFmmmmCh 2.54802.3
160*)4.103(*06.1 ==
Entonces la capacitancia total de la bobina es:
pFpFChTotal 2.73352.54801855 =+=
Este valor obtenido se suma al valor de la capacitancia del divisor de tensión
para realizar los ajustes y cálculos necesarios para las pruebas de impulso 1.2/50μseg
al transformador, este valor total es el que se conoce como 2C .
Este valor lo validamos con el equipo DOBLE dando como resultado lo siguiente:
Tabla XVII. Capacitancias Calculadas y Medidas
Bti-AT (pF) AT-BTe (pF) Calculados 1855 5480.2
Medidos 2230 4580
7.1.4.- CAPACITANCIA DEL GENERADOR DE IMPULSOS. Para la simulación del generador de impulso utilizaremos 2 etapas las cuales
tienen cada una los siguientes valores nominales: 0.25μF – 100kV, entonces a
capacitancia de generador 1C :
FfC μμ 125.02
25.01 ==
102
7.2.- CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE FRENTE, RESISTENCIA DE COLA Y RESISTENCIA DE AM0RTIGUAMIENTO:
Utilizando las ecuaciones 15 y 16 del capitulo I, tenemos lo siguiente:
7.2.1.-RESISTENCIA DE FRENTE:
Para un tiempo sT μ2.11 = , pFpFpFC 2.1033530002.73352 =+= y FC μ125.01 = , entonces:
Ω=+
= 48.4131*
2.10335*125.02.10335125.0*2.11 pFuF
pFuFusR
7.2.2.- RESISTENCIA DE COLA:
Para un tiempo sT μ502 = , pFC 2.103352 = , FC μ125.01 = y Ω= 48.412R
entonces:
Ω=Ω−+
= 14.48348.412.10335125.0
1*7.0
1*502 pFuFusR
7.2.3.- RESISTENCIA DE AMORTIGUAMIENTO:
Ω== 18.482.10335
6.2pF
HRdμ
Los valores de resistencia de frente, cola y amortiguamiento que se calcularon
anteriormente son los valores que utilizan para la simulación en Pspice y ATPDraw,
así como también para la configuración del generador de impulso para la prueba con
el transformador.
7.3.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN PSPICE:
103
La siguiente Figura 74 representa el circuito para la simulación en Pspice,
podemos ver el valor que se utilizo para 2C es la suma de la capacitancía del divisor
que es de 3000pF y 7335.2pF que es el valor calculado de la capacitancía del
transformador además la tensión en los capacitores del generador es de 125kV.
Figura 74. Circuito para la simulación del transformador de 25kVA monofásico
En la Figura 75 se observa el resultado de la simulación en Pspice, así como
también se marcaron los puntos más importantes para el análisis de la misma la cual
se resume en la Tabla XVIII.
104
Figura 75. Onda de salida con la simulación en Pspice.
En el siguiente cuadro se observa los puntos registrados en la grafica anterior.
TABLA XVIII. Puntos de la onda resultante de la simulación con Pspice
Punto Nº Tiempo (µs) Voltaje V(-) 1 0.940 -15.14V 2 2.046 -46.30V 3 3.306 -51.33V 4 47.64 -25.00V
Los puntos señalados en el cuadro anterior principalmente el intervalo del
punto 1 y 2 de la grafica representa el 30% y 90% de la tensión pico de la onda lo que
permite asegurar que la configuración del circuito en vació permite tener un frente de
onda dentro de los tiempos que señala la norma Std-4 IEEE ya que el punto 1.2μs
esta dentro de este intervalo. Así mismo el punto 4 donde ocurre el 50% de la tensión
105
aplicada en la simulación esta dentro del margen de tiempo normalizado para este
tipo de onda el cual debe estar entre (40μs-60μs).
7.4.- CIRCUITO PARA LA SIMULACIÓN EN ATPDRAW:
En la Figura 76 se muestra el circuito para la simulación en ATPDraw, los
valores utilizados fueron los mismos utilizados para la simulación en Pspice, cabe
señalar que para la simulación en ATPDraw la línea de conexión entre el generador
de impulso y el divisor se utilizo el valor de velocidad de propagación de la onda a
diferencia de la simulación en Pspice donde se utilizo el valor de tiempo de
propagación de la onda, igualmente este mismo criterio se utilizo para el cable
coaxial.
Figura 76. Circuito para la simulación en ATPDraw.
En la Figura 77 se muestra la onda como resultado de la simulación en ATPDraw con carga es decir con un transformador.
106
Figura 77. Onda resultante de la simulación en ATPDraw.
En el siguiente cuadro vemos los puntos registrados en la grafica anterior.
TABLA IXX. Punto de la onda resultante de la simulación con ATPDraw
Punto Nº Tiempo (µs) Voltaje V(-) 1 0.890 -15.20V 2 1.98 -46.16V 3 3.20 -50.98V 4 46.97 -25.16V
Los puntos señalados en la TABLA IXX, son los puntos tomados de la
grafica de la simulación en ATPDraw, se puede señalar que los puntos 1 y 2 son el
intervalo de tiempo entre 30% y 90% del frente de la onda. Igualmente el punto 3 es
el punto del valor pico de la onda de voltaje y el punto 4 es el punto del 50% del valor
pico de voltaje de la onda. Al igual que la simulación en Pspice los tiempo del frente
de onda como en la cola de la onda están dentro de los parámetros de la norma Std-4
IEEE, por lo tanto se puede señalar que ambas pruebas cumplen con la norma y por lo
tanto simular las prueba de impulso a un transformador monofásico con ambos
programas permiten visualizar o aproximarse a la onda normalizada.
107
7.5.- ENSAYO DE LA PRUEBA DE IMPULSO CON EL OBJETO DE
PRUEBA:
Luego de haber realizado las simulaciones necesitamos comprobar las mismas
por lo que se procedió a configurar el generador de impulsos con los valores
calculados para la simulación.
Como los valores de resistencias calculados no son exactos para las
resistencias disponibles se coloco las siguientes resistencias:
TABLA XX. Resistencias calculadas y disponibles para la configuración.
Resistencias de
Frente Resistencia de
Cola Resistencia de
Amortiguamiento Calculada 41.48W 483.14W 48.18W Disponible R4-R5=40W R3+R27=459.8W R6=50.2W
Aparte de realizar la configuración del generador de impulsos con las
resistencias de frente, cola y amortiguamiento, también se calculo las condiciones
atmosféricas para la prueba las cuales son las siguientes:
Temperatura ambiente = 29ºC.
Presión Atmosférica = 970mbar.
Entonces la densidad del aire será:
92.0º29273
970289,0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+∗=
Cmbard
Acuerdo a la tabla 7.6 de [6], tenemos K =0.88 entonces la tensión disruptiva
es:
KvkvVr 125.5893.0*5.62%)50( ==
108
Para la tensión anterior los espinterometro horizontales romperán la rigidez
dieléctrica del espacio interelectrodico y procederá a ocurrir la descarga.
Es necesario aclarar que para los transformadores sumergidos en líquidos
aislantes es necesario que la muestra a ensayar deba estar ensamblada con los
aisladores y terminales correspondientes al diseño del transformador además debe
estar lleno al nivel apropiado del líquido aislante [19].
En la Figura 78 se muestra la onda de tensión graficadas en Excel como
resultado de la prueba de impulso atmosférico aplicada al transformador, así como
también las ondas simuladas tanto en Pspice como en ATPDraw al 50% del kV Bil.
La onda de impulso aplicada en el ensayo fue corregida de acuerdo a las
condiciones atmosféricas presentes en el laboratorio al momento del ensayo.
Onda de Tension a 62.2kV
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Tiempo en (ms)
Tens
ion
(v)
G. Impulso Simulacion ATPDraw Simulacion Pspice FIGURA 78. Onda de tensión resultante a 62.2 kV pico
109
FIGURA 79. Frente onda de tensión resultante a 62.2 kVpico
En la Figura 79 se verifica el tiempo de frente virtual el cual esta presente
entre el 30% y 90% del valor máximo (32.8V) de la onda capturada en la simulación
con los programas ATPDraw, Pspice y la prueba con el generador de impulso, lo cual
permite verificar el valor de tiempo de frente T1 entonces para:
Tiempo a 30% =at 890ns
Tiempo a 90% =bt 1.98µs
Se calcula el diferencial de tiempo tΔ entre el punto del tiempo entre el 30%
y 90%.
=−=Δ ab ttt 1.98µs-890ns = 0.91 µs
T1= 1.67*Δ t =1.67*0.91 µs=1.51 µs
110
El resultado de 1.51µs esta dentro de lo establecido por la norma IEEE std- 4
para el tiempo de frente T1.
Igualmente se procedió a realizar la prueba al 100% del nivel básico de
aislamiento, para el cual se obtuvo la siguiente grafica, ver Figura 80.
Prueba a 122.5kV con Carga
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Tiempo (ms)
Tens
ion
(v)
G. IMPULSO SIMULACION ATP SIMULACION PSPICE
FIGURA 80. Onda de tensión resultante a 122.5 kVpico
En la onda de la Figura 80 representa la onda de tensión aplicada al
transformador de 25kVA a tensión de impulso corregida por las condiciones
atmosféricas, a pesar de tener perturbaciones en el pico de la onda esto no implica
señalar que la onda esta fuera de los parámetros de oscilaciones mayores a 5% que
señala la norma Std-4 IEEE.
111
FIGURA 81. Frente de onda de tensión con carga a 122.5kV.
Para la Figura 81 se verificó el tiempo de frente virtual el cual esta presente
entre el 30% y 90% del valor máximo (55 V) de la onda capturada en la simulación
con los programas ATPDraw, Pspice y la prueba con el generador de impulso, lo cual
permite visualizar el valor de tiempo de frente T1 entonces para:
Tiempo a 30% =at 940ns
Tiempo a 90% =bt 1.05µs
Se calcula el diferencial de tiempo tΔ entre el punto del tiempo entre el 30%
y 90%.
=−=Δ ab ttt 1.05µs-940ns = 0.11 µs
T1= 1.67*Δ t =1.67*0.11 µs=1.83 µs
El frente de la onda a 122.5kV con carga no esta dentro de los parámetros
establecidos por la norma rango entre (0.8 μs – 1.6 μs).
112
En la onda aplicada al 50% y 100% de la tensión de ensayo puede observarse
como la onda capturada en el osciloscopio (G. Impulso color azul), presenta
perturbaciones en el frente de la onda, principalmente en la cresta de la misma
provocadas principalmente por los elementos del generador de impulso.
7.6.- Simulaciones con los Programas Pspice y ATPDraw con Carga.
Las simulaciones realizadas para el punto anterior se graficaron en Excel tanto
para la tensión aplicada al 50% y 100% al transformador de 25kVA, los valores
utilizados son los mostradas en la Tabla XX.
Simulación a 62.2kV con Carga
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Tiempo en (ms)
Tens
ión
(v)
Simulacion ATPDraw Simulacion Pspice Figura 82. Simulación con objeto de prueba al 50% de la tensión de ensayo.
113
Simulación a 122.5kV con Carga
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Tiempo (ms)
Tens
ión
(v)
SIMULACION ATP SIMULACION PSPICE
Figura 83. Simulación con objeto de prueba al 100% de la tensión de ensayo.
En ambas graficas se pude observar como la simulación en Pspice difiere con
respecto a la simulada en ATPDraw en el frente de la onda principalmente en la
cresta de la onda es decir en el punto donde las capacitancias tienen el mismo
potencial de energía. Igualmente esta diferencia se muestra en la trayectoria de la
descarga es decir en la cola de la onda.
Entonces se puede observa como las curvas de la Figura 82 y 83 no son
exactamente iguales una de la otra, por lo que podemos señalar que esto ocurre
porque el algoritmo con que trabajan los programas son diferentes y esto hace que las
mismas no sean exactamente iguales y por lo tanto podemos establecer una diferencia
de 0.5% basados en los resultados de las simulaciones.
114
CONCLUSIONES
Luego de realizar las diferentes investigaciones que incluyeron revisiones de
temas relacionados a las pruebas de impulso y libros de ingeniería de alta tensión, se
creo un circuito tanto en Pspice como en ATPDraw que permite simular y
representar de forma aproximada el generador de impulsos de la empresa CAIVET.
Se simularon pruebas en el generador de impulso que permitieron estimar de
manera teórica y práctica la representación de un transformador monofásico, además
de esto poder calcular la capacitancia del transformador y de esta manera tener con
mas certeza los valores, que permiten simular y realizar las pruebas de impulso a los
transformadores.
La utilización de los programas Pspice y ATPDraw en la simulación permitió
conocer el funcionamiento del equipo bajo dos modelos circuitales diferentes desde el
punto de vista de la colocación o diagramación de los elementos para la simulación,
sin embargo el ATPDraw es mas sencillo de programar y permite manipular el
archivo fuente del mismo así como también al momento de surgir algún error este
programa señala donde esta ocurriendo el mismo.
A través de la simulación de las pruebas de impulso con el generador se logra
reducir los tiempo de ajuste del equipo de aproximadamente 6 horas, además se
conoce cuales son los elementos que intervienen en la prueba real y cuales son los
parámetros que se necesitan calcular antes de aplicar dicha prueba.
115
RECOMENDACIONES
A pesar de poder realizar algunas pruebas y obtener la señal se tensión es
necesario el cambio del osciloscopio ya que el existente no permite capturar dos
señales a la vez además de esto es muy engorroso poder guardar la señal en el pc y
luego imprimirlas.
Simular con los programas Pspice o ATPDraw antes de aplicar las pruebas al
transformador o cualquier objeto de ensayo para obtener una mejor configuración del
generador de impulso.
Medir y calcular los valores de capacitancia de cada unidad a ensayar antes de
la prueba y de esta manera poder configurar el generador de impulsos.
Desarrollar un modelo que permita realizar pruebas en transformadores
trifásicos.
116
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[2] T. Gallagher, A. Pearmain, “High voltage. Measurement, testing and design”, John Wiley &
Sons. 1973.
[3] M. Khalifa, “High-Voltage Engineering Theory and Practice”, Marcel Dekker, Inc, 1990.
[4] J. Urquidi, “Guía de Laboratorio de Alta Tensión CT-5181”, U. Simón Bolívar. 1978.
[5] C. Vilensky, “Diagnostico del Generador de Impulsos de la Empresa CAIVET”,(informe de
Pasantia),Universidad Simón Bolívar, 2006.
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para Optar al Titulo de Magíster en Ingeniería Eléctrica, U.S.B., 1986.
[10] A. Bossi, “La Tecnica Delle Prove ad Impulsi”, Editoriale Delfino- Milano, 1965.
[11] J. C. Rodríguez, “Efecto de la Forma de Onda de Impulso en el Aislamiento de
Transformadores de Distribución”,Tesis para Optar al Titulo de Magíster en Ingeniería
Eléctrica , U.S.B.,1993.
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[13] MicroSim Corporation- “Pspice User’s Guide”, 2000.
[14] L. Siegert, “Alta Tensión y Sistemas de Transmisión”, Editorial Limusa, 1988.
117
[15] C. Mazzetti, U. Ratti, “Criteria for the Elimination of High Frequency Oscillations in Steep
Front HV Impulse Generators”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.
PAS-96, Nº 1, January/February 1977.
[16] IEC Technical Committee, “Proposals for a guide on impulse Voltage Testing Power
Transformer and Reactors”. 1971.
[17] J. Suthar, J. Laghari, “Usefulness of Spice in High Voltage Engineering Education”, IEEE
Transactions on Power Systems, Vol. 6, Nº 3, August 1991
[18] C. Wagner, G. McCann, “Wave Propagation on Transmission Lines”, Electrical
Transmission and Distribution Reference Book, Westinghouse Electric Corporation, Fourth
Edition, 1964.
[19] COVENIN 3172: 1995. “Transformador de Potencia Método de Ensayo”,1995
[20] Westinghouse – “Voltage Distribution and Stress Calculation”, 1961.
[21] J. Wolf, G. Voigt, “A New Solution for the Extension of the Load Range of Impulse Voltage
Generators”, Haefely Publication E 1-84, 1997.
[22] Fichas Internacionales de Seguridad Química, “Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales de
España”, 2003.
[23] IEEE Standard 1122-1998, “IEEE Standard for Digital Recorders for Measurements in
High-Voltage Impulse Tests”, 1998.
[24] W. Kotheimer, “Theory of Shielding and Grounding of Control Cables to Reduce Surges”,
Publication GER-3205, General Electric Co, 1973.
[25] R. Malewski, “Digital Techniques in High-Voltage Measurements”, IEEE Transactions on
Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, Nº 12, December 1982.
[26] R. Bianchi Lastra, “ATP Para Inexpertos”, Universidad Nacional de la Plata, 1998.
ANEXO Nº 1
RESISTENCIAS DE FRENTE Y COLA EXISTENTES
Rmed [Ω] Lmed [μH] # Rnom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHzRprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
1 508,0 508,50 508,5 508,5 ---- 16,0
2 24,8 25,12 25,14 25,13 ---- 3,2
3 358,8 358,50 358,4 358,45 ---- ----
4 10,0 10,47 10,47 10,47 ---- 0,3
5 30,0 31,00 31,01 31,01 ---- 4,9
6 50,2 50,64 50,63 50,64 ---- 4,2
7 30,8 30,93 30,92 30,93 ---- 4,9
8 10,2 10,57 10,57 10,57 ---- 0,3
9 25,7 25,97 25,97 25,97 ---- 5,1
10 10,7 10,59 10,6 10,6 ---- 0,3
11 24,4 24,64 24,65 24,65 ---- 3,3
12 24,3 24,72 24,73 24,73 ---- 3,2
13 50,0 50,43 50,42 50,43 ---- 4,1
14 25,1 25,44 25,44 25,44 ---- 3,1
15 10,0 10,99 10,99 10,99 ---- 0,6
16 9,1 9,27 9,27 9,27 ---- 0,4
17 74,8 75,86 75,86 75,86 ---- 4,2
18 74,9 75,17 75,16 75,17 ---- 3,9
19 30,3 30,67 30,67 30,67 ---- 5,8
Rmed [Ω] Lmed [μH] # Rnom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHzRprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
20 75,1 75,26 75,24 75,25 ---- 5,1
21 9,8 10,03 10,03 10,03 ---- 0,6
22 10,6 10,48 10,48 10,48 ---- 0,3
23 26,1 25,99 25,98 25,99 ---- 6,8
24 10,5 10,83 10,84 10,84 ---- 0,1
25 30,6 30,95 30,94 30,95 ---- 5,8
26 510,0 511,00 511,1 511,05 ---- ----
27 101,0 101,10 101,1 101,1 ---- 2,0
28 1023,0 1020,00 1020,00 1020,0 ---- ----
29 102,4 102,70 102,7 102,7 ---- 3,9
30 653,0 654,60 654,0 654,3 ---- ----
31 100,8 101,20 101,4 101,3 ---- 6,6
32 354,0 359,40 359,2 359,3 ---- ----
33 652,0 653,80 653,7 653,75 ---- 38,8
34 102,2 103,20 103,3 103,25 ---- 5,8
35 362,0 362,50 362,7 362,60 ---- 11,3
36 347,0 347,70 347,8 347,75 ---- 11,8
37 528,0 527,80 527,9 527,85 ---- 18,3
38 963,0 965,00 965,0 965,00 ---- 63,9
39 350,0 349,90 350,1 350,00 ---- 11,3
40 507,0 505,80 506,1 505,95 ---- 21,9
41 354,0 354,70 354,7 354,7 ---- 11,0
Rmed [Ω] Lmed [μH]
# Rnom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHzRprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
42 986,0 986,00 986,0 986,0 ---- 79,8
43 1023,0 1306,00 1309,0 1307,5 ---- 32,9
44 1025 1025,00 1025,0 1025,0 ---- ----
45 648 649,00 648,8 648,9 ---- ----
46 1035 1034,00 1034,0 1034,0 ---- ----
47 662 663,70 663,4 663,55 ---- ----
48 360 358,80 358,8 358,8 ---- ----
49 100,2 99,80 99,8 99,8 ---- 1,4
50 677 678,80 678,8 678,8 ---- 37,8
51 652,0 653,60 653,6 653,6 ---- ----
52 999,0 1007,00 1008,0 1007,5 ---- 59,0
53 516,0 517,20 517,2 517,2 ---- 20,1
54 1015,0 1017,00 1018,0 1017,5 ---- 60,5
55 992,0 1004,00 1002,0 1003,0 ---- 78,2
56 976,0 982,00 982,0 982,0 ---- 55,0
57 1008,0 1007,00 1007,0 1007,0 ---- 76,1
58 990,0 990,00 991,0 990,5 ---- 35,8
59 30,0 31,23 31,23 31,23 ---- 4,5
60 50,0 51,42 51,44 51,43 ---- 4,9
61 535,0 512,40 512,0 512,2 ---- 23,5
62 50,0 50,98 50,97 50,98 ---- 4,9
63 351,0 351,60 351,6 351,6 ---- 5,2
Rmed [Ω] Lmed [μH] # Rnom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHzRprom [Ω]
f=120 Hz f=1 kHz
64 101,7 102,00 102,0 102,0 ---- 5,0
65 75,0 75,50 75,52 75,51 ---- 3,8
66 51,0 51,15 51,14 51,15 ---- 4,6
67 30,5 30,64 30,63 30,64 ---- 5,2
68 50,0 52,89 52,84 52,87 ---- 3,4
69 30,0 31,54 31,53 31,54 ---- 6,4
70 30,0 30,56 30,56 30,56 ---- 5,9
71 30,0 ---- 5,3 E6 ---- ---- ----
72 Sin ID ---- 99 E6 ---- ---- ----
ANEXO Nº 2
ANEXO Nº 3
Onda de Impulso a 100% Tensión de Impulso
ANEXO Nº 4.
Placa del Espinterometro Vertical
Esfera de 12.5 cm de Diámetro
Distancia (cm)
Polaridad Negativa (kV)
Distancia (cm)
Polaridad Negativa (kV)
0.50 16.8 5.0 129 0.60 19.9 5.5 138 0.70 23.0 6.0 146 0.80 26.0 6.5 154 0.90 28.9 7.0 161 1.0 31.7 7.5 168 1.2 37.4 8.0 174 1.4 42.9 9.0 185 1.5 45.5 10 195 1.6 48.1 11 1.8 53.5 12 2.0 59.0 13 2.2 64.5 14 2.4 70.0 15 2.6 75.0 16 2.8 80.0 17 3.0 85.0 18 3.1 97.0 19 4.0 108.0 20 4.5 119.0
ANEXO Nº 5
Tester para la Medición de la Capacitancias del Generador de Impulsos
ANEXO Nº 6
Equipo Doble para Medición de la Capacitancía del Transformador.