EFECTO DE LAS CONDICIONES ATMOSFERICAS NORMA IEEE std 4-2012“IEEE Standard for High-Voltage Testing Techniques”

Javier Negrette Buelvas

Profesora: Clara Rosa Rojo

Medellin2013

DEFINICIONES

- Aislamiento Externo: Es el aislamiento de aire y la superficie expuesta del aislamiento sólido de una pieza de equipos, que están sujetos tanto a la tensión eléctrica y los efectos de las condiciones atmosféricas y otras tales como la contaminación, humedad, parásitos, etc

- Descarga Disruptiva: Descrga que rodea completamente el aislador bajo prueba, reduciendo el voltaje entre los electrodos practicamente a cero. Sinonimo: ruptura electrica

- Descarga Disruptiva De Voltaje: Es la tensión que causa la descarga disruptiva para las pruebas con tensión continua, tensión alterna, y la tensión de impulse, en el instante en que se produce la descarga disruptiva

- Descarga Disruptiva De Voltaje De 50% (V 50): Es el valor posible de la tensión de prueba que tiene una probabilidad del 50% de producir una descarga disruptiva.

- Flameo: Descarga disruptiva sobre la superficie de un aislamiento sólido en un gas o líquido

- Impulso: Transitorio de voltaje o corriente aplicado intencionadamente que se eleva rápidamente hasta un valor máximo y luego cae lentamente a cero.

- Sistema De Medición De Referencia: Sistema de medición que tiene suficiente precisión y estabilidad para su uso en la aprobación de otros sistemas a la hora de tomar las mediciones comparativas simultáneas con tipos específicos de formas de onda y rangos de tensión.

ALCANCE

Esta norma es aplicable a:- Pruebas dieléctricas con voltajes DC- Pruebas dieléctricas con voltajes AC- Pruebas dieléctricas con impulsos de voltajes- Pruebas con impulsos de corriente- Pruebas con combinaciones de los anteriores- Medidas de capacitancia y pérdidas dieléctricas

Esta norma es aplicable solamente a pruebas sobre equipos con voltaje nominal por encima de 1KV.

Los procedimientos se dan para la aplicación de factores de corrección para convertir los datos de prueba a condiciones atmosféricas normalizadas

Esta normal además especifica los procedimientos para equipos de prueba cuando el aislamiento externo del objeto de prueba está sometido a condiciones secas, humedad o contaminación.

TIPOS DE PRUEBAS SEGÚN NATURLEZA DE ONDA APLICADA

- Pruebas y medidas con voltajes alternos- Pruebas y medidas con voltajes directos- Pruebas y medidas con impulsos de voltaje- Pruebas y medidas con impulsos de corriente- Pruebas con voltajes compuestos y combinados

Pruebas en diferentes condiciones ambientales:

- Pruebas en Seco: El objeto de prueba deberá estar limpio y seco. A menos que se especifique lo contrario por la norma correspondiente del aparato, la prueba debe ser hecha a temperatura ambiente y el procedimiento para la aplicación de voltaje se debe hacer como se especifica en los apartados 6, 7, 8, 9 de la norma (IEEE std 4)

- Pruebas en húmedo: Busca hacer mediciones y mirar el comportamiento mediante la simulación de ambientes con ciertos niveles de humedad tanto horizontal como vertical. Para mayor información remitirse al apartado 11 de la norma

- Pruebas Contaminación Artificial: Proporciona información sobre el comportamiento del aislador en condiciones representativas de contaminación en el servicio. Se busca determinar: el máximo grado de contaminación admisible en el objeto de prueba a una tensión de prueba determinado, la máxima tensión soportada en un determinado grado de contaminación en el objeto de prueba o el 50% de Tensión soportada en un determinado grado de contaminación en el objeto de prueba. Para información detallada remitirse a la norma IEC 60507.

-CORRECCIONES ATMOSFÉRICAS

Condiciones Atmosféricas: La referencia atmosférica normalizada es:a) Temperatura: t 0=20 ºCb) Presión: b0=101,3KPa(1013mbar )c) Humedad absoluta: h0=11 g/m

3

Una presión de 1013KPa corresponde a una altura de 760mm en un barómetro de mercurio a 0ºC. La presión atmosférica en kilopascales es aproximadamente:b=0,1333H

DondeH: altura barométrica (en mmHg)

La Corrección de temperatura se considera insignificante con respecto a la altura de la columna de mercurio.

FACTORES DE CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA: La descarga disruptiva sobre el aislamiento externo depende de las condiciones atmosféricas. Por lo general la descarga disruptiva de voltaje para una trayectoria dada en el aire se incrementa debido a un aumento en la densidad o humedad del aire. Sin embargo cuando la humedad relativa está por encima del 80% la descarga disruptiva de voltaje se vuelve irregular, especialmente cuando esta ocurre sobre una superficie aislante.

Aplicando los factores de corrección, una descarga disruptiva de voltaje medida en determinadas condiciones (t, b, h) se puede convertir al valor que se habría obtenido bajo las condiciones atmosféricas de referencia (t 0 ,b0 ,h0). Por el contrario, una prueba de voltaje especificada para condiciones de referencia se puede convertir al valor equivalente bajo condiciones de prueba

Se han usado ampliamente dos métodos para la corrección de pruebas de voltaje debido a condiciones atmosféricas:

a) Metodo1: Correcciones atmosféricas usando el factor K (Método recomendado para equipos nuevos)

b) Metodo2: Correcciones atmosféricas usando factores Kd y Kh (Método alternativo para air gaps <1m y comparaciones con datos históricos)

Nota: el método 1 es el método más reciente y el mas aceptado internacionalmente para corrección de voltajes. Sin embargo, el método 2 ha sido un método común para ensayos históricos y tiene valor para pruebas sobre diseños de equipos actuales.

CORRECCIONES ATMOSFÉRICAS USANDO EL METODO1

La descarga disruptiva de voltaje es proporcional al actor de corrección atmosférica K definido por: K=K 1 . K2 (1)

Donde K1:factor corrección por densidad del aire K2:factor de corrección por humedad

A menos que se especifique lo contrario en la norma del dispositivo correspondiente el voltaje, V, que se aplicara durante una prueba sobre el aislamiento externo se determina mediante: V=V 0 . K (2)

Donde V 0: voltaje a referencia atmosférica normalizada

Similarmente la descarga disruptiva de voltaje medida, V, se corrige al valor V 0 correspondiente a la referencia atmosférica normalizada

V 0=VK

El informe de la prueba siempre deberá contener las condiciones atmosféricas actuales durante la prueba y los factores de corrección aplicados.

- Factor de corrección por densidad del aire (K1): Este factor depende de la densidad relativa del aire δ y se puede expresar medianteK1=δ

m (3)

Donde m es un exponente definido más adelante

Si las temperaturas t y t 0 y las presiones atmosféricas b y b0 en las mismas unidades (KPa o mbar) la densidad relativa del aire es:

δ= bb0.273+t 0273+ t

(4)

La corrección se considera confiable para 0.8<K1<1.05

Factor de corrección por humedad (K2): El factor de corrección por humedad se puede expresar como:K2=k

w (5)

Donde w: es un exponente definido más adelante

k: es un parámetro que depende del tipo de la prueba de voltaje y se puede . obtener como función de la razón entre la humedad relativa y la densidad relativa . del aire mediante las siguientes ecuaciones:

La ecuación de impulso se basa en los resultados experimentales para un impulso de onda tipo rayo positivo. Esta ecuación se aplica también a impulsos tipo rayo negativo y conmutación de tensiones de impulso.

Para sistemas con tensiones menores a 75KV(o longitudes de gap aproximadamente menores a l=0.5m) no se aplica ninguna corrección por humedad (es decir, w=0)

Figura1. Parámetro k en función de h/δ

Exponentes m y w: Dado que los factores de corrección dependen del tipo de pre-descarga, este hecho puede tenerse en cuenta al considerar el parámetro “g” definido en la Ecuación:

g=V B

500 Lδk (9)

DondeV B: Descarga disruptiva de voltaje al 50% (medida o estimada) a las condiciones atmosféricas actuales (en KV pico). En el caso de una prueba de verificación, donde una estimación del voltaje de descarga disruptiva 50% no está disponible, V B puede suponerse que es 1,1 veces la tensión de prueba.

L: trayectoria mínima de descarga

Los exponentes m y w se obtienen a partir de la Tabla 1 para los valores especificados de g, y se representan gráficamente en la Figura 2 y la Figura 3.

Tabla1. Valores de exponentes m (corrección densidad) y w (corrección humedad) en función del parámetro g

Los valores de los exponentes m y w se han deducido a partir de los valores experimentales obtenidos en diferentes condiciones, sin embargo, estos se limitan a altitudes entre el nivel del mar y 2000 m. Los valores de uso por encima de 2.000 m están bajo consideración, especialmente para impulsos de voltaje ac y de conmutación. En ausencia de especificaciones para la corrección de altitud por encima de 2.000 m por la norma dispositivo correspondiente, se deben utilizar los factores de corrección de esta norma. Las diferencias significativas en los factores de corrección pueden surgir en esfuerzos cercanos a ruptura.

Figura2. Valor del

exponente m para

corrección de densidad del

aire en función de g

Figura3. Valor del exponente w para corrección de humedad, en función de parámetro g

Pruebas húmedas, las pruebas bajo contaminación artificial y pruebas combinadas: No se debe aplicar corrección por humedad para pruebas en húmedo o para pruebas con contaminación artificial. La corrección por densidad para este tipo de pruebas se encuentra en estudio. Para las pruebas combinadas, los factores de corrección atmosférica en relación con el componente de mayor valor se aplicarán al valor de la tensión de prueba.

CORRECCIONES ATMOSFERICAS USANDO EL METODO2

Existen dos factores:a) Factor de corrección por densidad del aire Kdb) Factor de corrección por humedad Kh

La descarga disruptiva de voltaje es proporcional a Kd /K h

Si no se especifica lo contrario en el estándar correspondiente del dispositivo, la tensión que se aplicará durante una prueba de verificación de aislamiento externo se determina multiplicando el voltaje especificado por Kd /K h. Del mismo modo, los voltajes medidos descarga disruptiva se corrigen a las aplicables para la atmósfera estándar de referencia dividiendo por kd / kh.

Se deja a la norma correspondiente del dispositivo para especificar si tienen que ser aplicados o no las correcciones a los valores de tensión en aquellos casos en los que están implicados aislamientos tanto externos como internos. El informe del ensayo debe contener siempre las condiciones atmosféricas actuales durante la prueba y se debe indicar si las correcciones han sido aplicadas o no.

- Factores de corrección por humedad y densidad del aire: El factor de corrección para densidad del aire está dado por:

Kd=pp0

m 273+t 0273+t

n

(10)

DondeP: presión atmosférica bajo condiciones de pruebaT: temperatura en ºC bajo condiciones de prueba

Similarmente el factor de corrección por humedad está dado por:Kh=k

w (11)

La constante k se muestra en la figura4 como función de la humedad absoluta, la curva a o la curva b se aplican dependiendo del tipo de voltaje. Los exponentes m, n y w dependen del tipo y la polaridad del voltaje y la distancia de flameo d, dada en la tabla 2 y la figura 4. A falta de información más precisa, m y n se asume que son iguales.

Figura4. Factor de corrección por humedad en función de la humedad absoluta

Tabla2. Aplicación de factores de corrección atmosférica

Los electrodos en la tabla 2 esencialmente son:

D

D

a) Gaps que dan un campo esencialmente uniforme

b) Gaps varilla-varilla y objetos de prueba con electrodos que dan un campo no uniforme, pero con distribución de voltaje esencialmente simétrica.

c) Gaps plano-varilla y objetos prueba con características similares, tales como aisladores de suspensión, es decir, electrodos que dan un campo no uniforme con una distribución de tensión asimétrica pronunciada

Para cualquier disposición de electrodos no caer en una de las clases anteriores, se debe aplicar sólo el factor de corrección de la densidad del aire, usando exponentes m = n = 1, y no hay corrección de humedad.

Para las pruebas húmedas, se debe aplicar el factor de corrección de la densidad del aire, pero no el factor de corrección de humedad. Para las pruebas de contaminación artificial no se debe utilizar ninguno de los factores de corrección

Figura5. Valores de los exponentes m y n para corrección de densidad del aire y w para corrección por humedad, en función de la distancia disruptiva d

IMPLEMENTACION ALGORISMO EN MATLAB PARA FACTOR DE CORRECCION CONDICIONES AMBIENTALES

Para la implementación de este algoritmo se requiere del valor de humedad absoluta para la ciudad de Medellin. Los demás valores de las condiciones ambientales son:

t 0=20 ºCb0=101.3KPah0=11 g/m

3

t=26.9 ºCb=85.3KPa(640mmHg)hr=55%

Se requiere determinar la humedad absoluta, para lo cual nos basamos en la carta psicométrica para el aire a 1Atm de presión, la cual se encuentra en función de la presión del bublo seco, presión del bulbo húmedo, humedad relativa, temperatura de punto de rocio, etc. Para nuestro caso entraremos a la grafica de la carta por medio de la tempertura de bulbo seco (26.9 ºC) y la humedad relativa (55%) para lo cual se estima un valor de 12g/Kg. Para convertir este valor a g/m3 se multiplica por la densidad del aire que se puede determinar por medio del estándar CIPM-1981/91, el cual solo mencionaremos y no ahondaremos por no ser objeto de nuestro trabajo. Con este estándar se determina un valor de 1.17K g/m3 y con lo cual se determina que la humedad absoluta es de 13.8g/m3, la cual es una relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco.

≤

Figura6. Carta Psicométrica para aire seco a 1Atm de presión

Figura7. Fórmula para el cálculo de la densidad del aire (CIPM-1981/91)

Para nuestro algoritmo se supuso un voltaje para el sistema de 75KV y una distancia de ruptura minima de 0.02343m, tomados de la practica realizada en el laboratorio sobre “Medición de voltaje de flameo y corriente de fuga” y para el cual se obtuvieron los siguientes resultados:

K=0.8839g=0.8005k= 1.0693K1=0.8288K2=1.0666δ=0.8225

Por lo cual para el valor que se tenía conocido de 0.83 de la corrección atmosférica se tiene un error del 6%, lo que valida la certeza del método

REFERENCIAS

[1] “IEEE Standard for High- Voltage Testing Techniques” IEEE std 4-2013; IEEE Power and Energy Society.

[2] “Termodinámica”; Cengels. Y, Boles. M; Sexta Edición; Ed. Mc Graw Hill; 2008.

[3] “Revised formula for the density of moist air (CIPM-2007)”; Picard. A, Davis. R; Metrología. IOP Publishing; 2008.

[4 ] http://www.dolzhnos.com.ar/htm/densidad_del_aire.htm