aislamiento-7-y-8-150314

3/31/2015

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Preparado por:

Prof. Ing. Herbert Enrique Rojas M.Sc. Ph.D(c)

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Ciclo 2015-I … Bogotá D.C.

Curso de Aislamiento Eléctrico

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1. Generación de altas tensiones AC

• Transformadores monofásicos

• Transformadores en cascada

• Transformadores resonantes

• Bobina de tesla

2. Generación de altas tensiones DC

• Rectificador de media onda

• Circuitos dobladores

• Circuitos en cascada

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REQUERIMIENTOS Y CARACTERÍSTICAS

• Usada para prueba sobre equipos de transmisión y potencia

• Pruebas en laboratorio para pruebas de aislamiento

• Baja tensión en la fuente del primario (entre 220V y 450 V a frecuencia 60 Hz)

• Pruebas sobre elementos de alta impedancia (orden de MΩ)

• Pruebas que involucran bajas corrientes (< 1 A)

• Requerimientos de bajas potencias (<10 kVA)

Métodos y equipos especiales que no requieren altas potencias

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LABORATORIOS DE ALTA TENSION

• Equipos para realización de pruebas de aislamiento

• Tensiones entre 10 kV rms y 1.5 MV rms

• Mayor parte de las pruebas son a frecuencia industrial (60Hz)

• Pruebas con tensión fase-tierra

• Formas de ondas cercanas a sinusoides puras

• Sin importar los OUTs la relación Vpico/Vrms = 2 + 5%

Potencia disipada · · ·

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LABORATORIOS DE ALTA TENSION

Potencia disipada · · ·

Capacitancia de los equipos y las muestras bajo prueba (OUT)

Cambia dependiendo del tipo de equipo(10 pF – 10000 pF)

1 Compensa capacitancias adicionales por

más elementos en el circuito Niveles de tensión

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• Tensiones necesarias para la prueba de equipos y dispositivos para transmisión ydistribución (aislamientos, cables, condensadores, CTs, PTs, transformadores depotencia, etc.)

• Pruebas en aisladores

• Pruebas destructivas en aislamientos, herramientas y equipos de protección

• Generación de alta tensión o altas corrientes DC e Impulsos

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Vn < 300 kV

Unidades de transformación simple (1 trafo)

Simplicidad, altos costos

Vn > 300 kV

Arreglos en cascada

Reduce costos en el aislamiento, facilita el transporte y la construcción,

distribuye el peso

NIVELES DE GENERACION ALTA TENSION

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TRANSFORMADORES SIMPLES

1 – Núcleo2 – Devanado primario3 – Devanado secundario

• Usualmente 1

• El núcleo y uno de los terminales de ambosdevanados son aterrizados

• (2) está cerca al núcleo y rodeado por (3)

• Se reduce el flujo de dispersión e incrementa elacoplamiento entre devanados

• El inicio de (3) está cerca al núcleo y el finalcerca del blindaje

• Las vueltas de los devanados arregladas encapas aisladas de materiales sólidos

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TRANSFORMADORES SIMPLES

(1) Núcleo (2) Devanado primario (3) devanados de alta tensión

(4) devanados de compensación (5) devanado excitación

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TRANSFORMADORES EN CASCADA

• Para tensiones entre 300 y 500 kV

• Usa varias unidades de transformación

• El peso puede ser subdividido

• Fácil transporte y conexión

• Transformadores idénticos

• Devanado de excitación dentro de cadatrafo

• Usualmente 1• Devanados de HV conectados en serie

Terciario(dev. excitación)

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TRANSFORMADORES EN CASCADA

• Requerimientos de mayor potencia entrafos de las primeras etapas

• Aislamiento de tanque en trafos II y III

• Pueden tener devanados de puntomedio 0.5V, 1.5V, 2.5V

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TRANSFORMADORES EN CASCADA

Reactancia equivalente de la configuración:

3 2 9 4

14 3 5

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TRANSFORMADORES EN CASCADA

Reactancia equivalente de la configuración:

" # $ % 1 # $ 1

&

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TRANSFORMADORES EN CASCADA

" # $ % 1 # $ 1

&

Reactancia equivalente de la configuración:

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TRANSFORMADORES RESONANTES

Aprovechan los circuitos LC que aparecen en el trafo para obtener HV

Condición de resonancia: ' ' 1 ⁄

1')

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RESONANCIA EN SERIE

* $+*, + -) $ *

En condición de resonancia: * ,*

, · 1

Factor Q:

. 1 ,

Q es la factor de multiplicación de la tensión sobre el OUT bajo condiciones de resonancia

C

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TRANSFORMADORES RESONANTES

• La potencia en la fuente disminuye avalores de KVA/Q

• La resonancia en serie reduce elcontenido armónico. Esto mejora lasformas de onda (pruebas especiales)

• En caso de ruptura en OUT la corrientese limita por la reactancia variable (L)

• Limita la cantidad de transitorios endisrupciones de algunos gases

• Se pueden conectar unidades en serie oparalelo

* , *

, · 1

,'

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• Tensión media de alimentación 10 kV

• Spark gap (G) ajustado a una tensión deseada V1

• Las inductancias quedan al aire o sumergidas en aceite

• C1 y C2 ajustan la frecuencia de 10 a 150 kHz

BOBINA DE TESLA

Función de ',', , 12

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2

3'' ·1

4 $ 4 cos 48 $ cos 48

3 1 $ 2

'' 1 $ 9

9: ;<=>%;%=#8=?=@;<AB@C%=#8<=#8D='1'

Donde:

4, 4 EFG HEGG

I EFG HEGG

$ 1 $ 9

-F*F

-G*G

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Asumiendo que la energía almacenada en es transferida a

J 12 K

12

J

K: eficiencia del trafo

Amplitud máxima de la salida: LM = -G-F

= NHL GONL @ '

'

K

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BOBINA DE TESLA

Bloqueador de HF (op. 2)Bobina Tesla clásica (op. 1)

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• Necesario para pruebas de dispositivoscontra sobretensiones

• Requieren de transformadores quegeneren oscilaciones de HF

• Se genera una onda seno pura

• Los trafos no tienen núcleo de hierro

• Acumulación lenta de tensión en pocosciclos

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• Tensiones necesarias para la prueba dedispositivos electrónicos

• Pruebas en cables largos y condensadoresgrandes (estrés eléctrico)

• Pruebas donde el uso de AC es impráctico(uso de corrientes elevadas)

• Generación de impulsos de alta tensión oaltas corrientes

• Aplicaciones industriales

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CIRCUITOS RECTIFICADORES SIMPLES

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CIRCUITOS RECTIFICADORES SIMPLES

P Q2

2,->

• Tensión de rizado

• Valor medio DC

R* LM $ 2

• Factor de rizado

ST PLM

El factor de rizado debe ser menor del 5%

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CIRCUITOS RECTIFICADORES SIMPLES

DescargaImax

Rlim: Reduce las altas corrientesque pueden aparecer durante ladescarga del OUT

• Circuitos simples hasta 1.2 MV

• Si se requieren EHV-DC el tamañode los circuitos es muy grande

• Corrientes máximas de 100 mAusando Rlim

• Puede haber saturación si iL(t)=i(t)

D debe ser dimensionado parasoportar 2Vmax (tensión inversa)

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CIRCUITOS RECTIFICADOR ONDA COMPLETA

• Requiere de trafos de punto medio

• Se reduce el problema de saturación (aunque no se elimina)

• Cada diodo conduce durante T/2

• El rizado se reduce a la mitad

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CIRCUITOS RECTIFICADOR ONDA COMPLETA

• Valor medio DC

R* LM $

2

• Factor de rizado

ST PLM

El factor de rizado debe ser menor del 5%

P Q2

2,- U 12>

• Tensión de rizado

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CIRCUITOS RECTIFICADORES - Formas de onda

(a) onda seno de entrada

(b) salida con rectificador de media onda

(c) salida con rectificador de onda completa

(d) Vmax, Vmedio y tensión de rizado P pararectificador de onda completa con filtro

P

PP

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CIRCUITOS DOBLADORES – CONFIGURACION GREINACHER

• Requiere de pocos elementosadicionales (bajo costo)

• En O.C. el rizado es reducido

• En condiciones normales de cargael rizado depende de Rload y C2

• El rizado se reduce a la mitad

D2

conduciendo

D1

conduciendo

• En semiciclo (-) conduce D1

• En semiciclo (+) conduce D2

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UnidadGreinacher(m‘-n‘-n-m)

CIRCUITO EN CASCADA COCKROFT-WALTON

• Todos los condensadores de las n etapasse cargan a 2Vmax después de untiempo excepto C’n

• La columna de condensadores primos semantiene oscilando con la fuente AC

• La columna de condensadores no primospermanece constante

• Las tensiones en la posición k = n, (n-1),…, 3, 2, 1 responden a la relación:

Vout= 2(n+1-k)Vmax

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UnidadGreinacher(m‘-n‘-n-m)

CIRCUITO EN CASCADA COCKROFT-WALTON

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UnidadGreinacher

CIRCUITO EN CASCADA COCKROFT-WALTON

• Los potenciales 1’,2’,…. n’ están oscilandodebido al cambio deV(t)

• Los potenciales 1, 2, …, n permanecenconstantes respecto a tierra

• Todas las tensiones en los condensadores sonDC y la magnitud de cada etapa es 2Vmax,excepto C’n

• Todos los diodos están sometidos a 2Vmax

• La tensión máxima de salida posible es2nVmax

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CIRCUITO EN CASCADA COCKROFT-WALTON

n: número de etapas

Bajo condiciones de carga Vout nunca alcanzará 2nVmax

• Rizado

P 2> U # # 1

2 U # # 14>

• Caida de tensión

∆W >

2#3 $ #

6• Tensión de salida máxima (n>4)

W_LM ≅ 2#LM $>

2#3

• Etapas óptimas

#[\ LM · >

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CIRCUITO EN CASCADA COCKROFT-WALTON