Upload
blair-burns
View
85
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Universidad de Cuenca
Faculta de IngenieríaEscuela de Ingeniería Eléctrica
TECNOLOGÍA DE LA ALTA TENSIÓN
TEMA:
GENERADORES DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
INTEGRANTES:
PROFESOR:
Ing. Carlos Durán N.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 1
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
Los circuitos de generación de alta tensión comienzan a evolucionar con la aparición de
sistemas de transmisión de gran tamaño. Dentro de la necesidades de generación de
alta tensión, para el uso de dispositivos de simulación de efectos aleatorios de alta
energía, se pueden mencionar las siguientes: disminuir efectos coronas en los cables,
transformadores y dispositivos de generación y transmisión, asegurar la continuidad del
suministro en caso de una descarga atmosférica en algún punto del sistema de
transmisión, además realizar distintas mediciones necesarias para el correcto
funcionamiento de los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía
eléctrica.
A medida que los sistemas eléctricos comienzan a aumentar su capacidad de
transmisión, se requiere aumentar la tensión, además requiere una forma de disminuir
los daños productos de transitorios de alta energía de ocurrencia aleatoria. Bajo estas
circunstancias aparecen los generadores de impulso de alta tensión. Dentro de los
cuales se pueden encontrar gran variedad, destacando de manera importante el
generador de impulsos tipo Marx creado en 1923.
Los generadores de Impulsos permiten realizar una prueba de aptitud de las
aislaciones eléctricas, evaluando su comportamiento frente a la recepción de Impulsos
o transitorios con frente brusco, de origen tanto atmosférico, como de maniobra.
TENSIONES DE IMPULSO
Las perturbaciones de la transmisión de energía eléctrica y los sistemas de distribución
son a menudo causados por dos tipos de tensiones transitorias cuyas amplitudes
pueden superar los valores máximos de la normal de corriente alterna la tensión de
funcionamiento.
El primer tipo son sobretensiones de origen atmosférico, originados por caídas de
rayos que golpean los hilos de fase de las líneas aéreas o las barras de conexión de
las subestaciones al aire libre.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 2
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
La tasa de aumento de voltaje de una onda de viajar es en su origen directamente
proporcional a la pendiente de la corriente de rayo, que puede superar los 100 kA /
microsegundos, y los niveles de tensión puede ser simplemente calculado por la
corriente multiplicada por la impedancia efectiva de la línea.
Niveles de tensión demasiado altos son inmediatamente cortadas por la ruptura del
aislamiento y por lo tanto las ondas viajan con frentes de onda empinadas y aún más
pronunciadas colas de onda puede tensionar el aislamiento de los transformadores de
potencia o de otro equipo de alta tensión severamente.
El segundo tipo es causado por fenómenos de conmutación.
La tasa de aumento de tensión es generalmente más lenta, pero es bien sabido que la
forma de onda también puede ser muy peligrosa para los sistemas de aislamiento
diferentes, especialmente al aislamiento de aire de la atmósfera en sistemas de
transmisión con niveles de tensión superiores a 245 kV.
Las diversas normas nacionales e internacionales definir las tensiones de impulso
como un voltaje unidireccional que se eleva más o menos rápidamente a un valor
máximo y luego decrece de forma relativamente lenta a cero.
Según la norma IEC 60, se hace una distinción entre el relámpago y los impulsos de
conmutación de acuerdo al origen de los transitorios.
Las tensiones de impulso con una duración frontal variando desde menos de uno hasta
unas pocas decenas de microsegundos son, en general, consideradas como tipo
impulso.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 3
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 4
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Figura 2,23 (a) muestra la forma de una "completa" tensión de impulso de rayo, así
como bocetos para la misma tensión cortado en la cola (Fig. 2,23 (b)) o en la parte
frontal (Fig. 2,23 (c)), es decir, interrumpida por una descarga disruptiva.
Si bien las definiciones se indican claramente, se debe enfatizar que el O1 'origen virtual
"se define donde la línea AB corta el eje de tiempo. T1 El "tiempo frente ', de nuevo un
parámetro virtual, se define como 1,67 veces el intervalo T entre los instantes en que el
impulso es 30 por ciento y 90 por ciento del valor pico de los impulsos de rayos
completos o cortados
Para impulsos de corte de frente "tiempo de corte 'Tc es aproximadamente igual a T1.
La razón para definir el punto A a nivel de tensiones del 30 por ciento se pueden
encontrar en la mayoría de los registros de las tensiones de impulso medidos. Es muy
difícil obtener una pendiente suave en el aumento de tensión primero, como los
sistemas de medición, así como capacidades parásitas e inductancias pueden provocar
oscilaciones.
Para la mayoría de aplicaciones, el T1 frontal (virtual) el tiempo es 1,2 ms, y el tiempo
(virtual) para T2 medio valor de y es 50 ms. En general, las especificaciones permiten
una tolerancia de hasta un 30 por ciento para T1 y 20 por ciento para los T2. Dichas
tensiones de impulso se conoce como un impulso T1/T2, y por lo tanto el impulso 1.2/50
aceptada es la tensión de impulso de rayo estándar de hoy. Impulsos de rayos son por
lo tanto de muy corta duración, principalmente si se cortan en la parte frontal.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 5
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Figura 2,24 ilustra la pendiente de un impulso de conmutación. Considerando que el
tiempo medio para T2 se define de forma similar como antes, el tiempo hasta el pico Tp
es el intervalo de tiempo entre el origen actual y el instante en que la tensión ha
alcanzado su valor máximo. Esta definición podría ser criticada, ya que es difícil
establecer el valor de cresta real con gran precisión. Un parámetro adicional es por lo
tanto el tiempo Td, el tiempo en el 90 por ciento del valor de cresta. Las definiciones
diferentes en comparación con el tipo impulso se puede entender si la escala de tiempo
se destaca: el impulso de conmutación estándar tiene parámetros de tiempo
(incluyendo tolerancias) de:
T p=250 μs±20 %
T 2=2500 μs±60 %
Y por lo tanto se describe como un impulso 250/2500. Para la investigación
fundamental sobre la resistencia de aislamiento de espacios de aires largos u otros
aparatos, el tiempo hasta el pico tiene que ser variado entre aproximadamente 100 y
1.000 ms, como la fuerza de ruptura de los sistemas de aislamiento puede ser sensible
a la forma de onda de tensión.1
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 6
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
GENERADOR DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN
Generador de Impulsos de Tensión
Algunas de las tensiones más elevadas que se utilizan en la actualidad corresponden a
los impulsos transitorios producidos por los generadores de impulsos. Se han obtenidos
impulsos de 10 millones de volts mediante dos generadores de 5 millones de volts
cargados con polaridades opuestas.
La forma de onda de los impulsos suele tener un crecimiento rápido, seguido de una
disminución menos rápida hasta cero, viniendo dada la característica tensión-tiempo
por la ecuación siguiente:
v=A(e−mt+e−nt)
Las tres ondas de utilización normal en ensayos de laboratorio son la 0.5-5, la 1-10 y la
1.5-40. La primera cifra se refiere al tiempo, en microsegundos, necesario para
alcanzar el valor de cresta de la onda; la segunda cifre indica el tiempo, en
microsegundos, hasta alcanzar la mitad del valor de cresta en la cola de la onda. Las
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 7
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
tensiones de impulsos se usan para ensayar el comportamiento de los equipos
industriales frente a las sobretensiones atmosféricas y de maniobra.
GENERADORES DE IMPULSOS DE TENSIÓN SU APLICACIÓN EN ENSAYOS DE
TRANSFORMADORES
El esquema básico de los generadores de impulsos, fue originalmente propuesto por E.
Marx en 1924, constituyendo hasta la actualidad, la manera más común de generar
impulsos de alta tensión, para realizar aquellas pruebas en donde el nivel requerido, es
mucho más alto que el disponible en la fuente base.
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 estos
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,
dependerá de la tensión sobre el rectificador, y su polaridad, de la posición del mismo.
El método más utilizado para provocar la descarga del generador, consiste en aplicar,
por medio de una fuente auxiliar, un breve impulso de tensión al electrodo central de un
espinterómetro de ignición, ubicado entre el primer y segundo grupo.
Iniciada la descarga, ésta se propagará a todos los espinterómetros de la cadena.
La base para la detección de anomalías sobre una muestra bajo ensayo, realizada
mediante el análisis comparativo de los registros en osciloscopios, se fundamenta en
que cuando un aislamiento falla al ser sometido a impulsos de tensión - como en el
caso de las pruebas a transformadores, cambiará también su impedancia.
Este cambio causará variaciones en la corriente de impulso que fluye a través del
devanado, y en la tensión media a través del mismo.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 8
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Debido a la complicada naturaleza del ensayo de impulso, y a las diferentes formas de
constructivas de los transformadores, los fabricantes han desarrollado a través de los
años, las más apropiadas técnicas de pruebas.
El propósito de ensayar un transformador con tensión de impulso, es el de simular su
uso en campo, y en el ensayo muchas veces se deben tener en cuenta los efectos de
las líneas, cables, generadores, pararrayos, etc. Más difícil aun, es determinar que
clase de descarga atmosférica va a recibir, y como esta descarga tenderá a comportar
en el sistema de distribución o de transmisión.
PRINCIPIO BASICO DEL GENERADOR DE IMPULSOS (GI): 3
Los años de investigación han determinado que una sobre-tensión atmosférica se
puede representar como un impulso unidireccional de tensión, y obtenerse a partir de
los circuitos mostrados en la Figura A y B:
Analizando cualquiera de los dos circuitos, se obtiene que inicialmente el capacitor C1
(que representa al GI), es cargado con tensión continua Vo, y luego es súbitamente
descargado en un circuito formado por el capacitor C2 y las resistencias R1 y R2.
Este proceso de descarga se inicia en el instante en cual se establece un arco eléctrico
entre las esferas del espinterómetro SG, y la tensión es transferida a C2, que
representa al objeto bajo prueba.
La tensión de impulso en C2 tiene la forma:
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 9
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
vc2=V 0∗K∗(e−αt−e−βt)
Donde Vo es la tensión de carga de C1, K una constante que depende del circuito
seleccionado, y a y ÃY las raíces de la ecuación característica del sistema, cuyos
inversos son las constantes de tiempo del mismo.
Si los parámetros resistivos y capacitivos de la Figura 1 son constantes, y los valores
de a y ÃY de la expresión (1) son relativamente diferentes entre sí, entonces se pueden
analizar separadamente en dos circuitos:
Circuitos para el estudio de un GI
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:
−1β
=T1=R1
C1∗C2
C1+C2
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:
T 1≅ R1∗C2
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 10
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
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 decola, 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:
−1α
=T2=R2(C1+C2)
Y simplificando con la suposición C1>>C2, se tiene:
T 2≅ R2∗C1
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 en una primera aproximación, los valores necesarios de R1 y R2, para
obtener la forma de onda de tensión de impulso en el objeto bajo prueba,
Igualmente, existen otras ecuaciones validas que permiten determinar de manera muy
aproximada los tiempos de frente y cola.
Entonces siguiendo el análisis del circuito B de la Figura 1, podemos señalar que el
tiempo (tiempo de frente) que tarda en cargar C2 a través de R1 será
aproximadamente:
t 1=3∗R1∗C1∗C2
C1+C2
=3∗R1∗C e
Si R1 esta expresada en Ω y Ce en μF, t1 se obtiene en μseg.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 11
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
De igual manera para determinar el tiempo de cola tenemos que tanto la capacitancia
C1y
C2 son descargadas a través de R1y R2 por lo que tenemos que el tiempo al 50% de la
descarga es aproximadamente:
t 2=0.7 (R1+R2 )∗(C1+C2)
GENERADOR BÁSICO
GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS
A continuación se muestra dos circuitos tipo para la generación de impulsos. Estas
figuras muestran dos posibles combinaciones del circuito a analizar.
Fig_1
Fig_2
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 12
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Antes se debe mencionar que el principal valor del generador es la máxima energía
acumulada por el generador en el interior del condensador C1 y viene dada por:
W=12∗C1∗(V 0 MAX)
2
Como C1 es mayor a C2 el primero determina el costo del generador.
Para el análisis se utiliza la transformada de Laplace, el modelo para la transformada
se representa a continuación
Para t ≤ 0, C1 está cargado a V0 y para t > 0 este condensador está directamente
conectado a la red.
Para el circuito anterior la expresión viene dada por:
V (s )=
V 0
s∗Z2
Z1+Z2
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 13
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Donde,
Z1=1
C1 s+R1
Z2=
R2
C2 s
R2+1
C2 s
Reemplazando se encuentra la expresión para la tensión de salida del circuito la cual
está definida en como:
V (s )=
V 0
k∗1
s2+as+b
a=( 1R1C1
+ 1R1C2
+ 1R2C2
)
b=( 1R1 R2C1C2
)
k=R1C2
Y para la fig_2,se tienen las siguientes constantes:
a=( 1R1C1
+ 1R1C2
+ 1R2C1
)
b=( 1R1 R2C1C2
)
k=R1C2
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 14
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Entonces, para ambos circuitos se obtiene la siguiente transformada en el dominio del
tiempo
V ( t )=
V 0
k∗1
(∝2−∝1 )∗[e−∝1 t−e−∝2 t ]
Donde ∝2 y ∝1 son las raíces de la ecuación s2+as+b=0.
∝1 ,∝2=a2±√( a
2)
2
−b
Por tanto la tensión de salida es la superponían de dos funciones exponenciales de
diferentes signos. La raíz negativa conduce a una mayor constante de tiempo 1∝1
, que
la positiva, que es 1∝2
. La figura demuestra la posibilidad de generar ambos tipos de
tensiones de impulso con estos circuitos.
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 15
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Aunque se podría asumir que ambos circuitos son equivalentes, una gran diferencia
ocurre si la eficiencia es calculada. La eficiencia es definida como: ɳ=V p
V 0, donde V p es
el valor del pico de la tensión de salida. Este puede ser calculado encontrando
dV (t)dt
=0; esta vez el valor de pico está dado por:
tmax=ln (∝2/∝1)∝2−∝1
K= R1∗C2
Y sustituyendo en la ecuación V (t), tenemos:
ɳ=(α2 /∝1)
−[(α 2
∝1
−∝1)]
−(α 2/∝1)−[(
α1
∝2
−∝1)]
k (α 2−∝1)
Dado que la forma de impulso T1/T2 o Tp/T2 de la tensiones de impulsos, los valores de
∝1 y α 2 deben ser iguales. Debemos primero calcular este término para el circuito fig_2
de los circuitos de los generadores básicos el cual tiene siempre una más alta
eficiencia para un radio dado de C2
C1, como durante la descarga los resistores R1 y R2 no
forman un sistema de división de tensión. El producto R1C2 es encontrado de acuerdo a
las ecuaciones,
α 2∗∝1=b
α 2+∝1=a
Y reemplazando las anteriores ecuaciones al valor de k se obtiene:
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 16
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
k=R1C2=12 (α2+∝1
α2∗∝1)[1−√1−4
α 2∗∝1
(α2+∝1 )2(1+
C2
C1
)]
Para C2≤ C1, que se realiza para todos los circuitos básicos, y con α 2>>∝1 para todas
las formas de ondas normalizadas, se puede simplificar la ecuación como:
k ≅1+
C2
C1
(α2+∝1)
Y la sustitución de la ecuación anterior en de la eficiencia finalmente resulta en :
ɳ= 1
1+C2
C1
SI nuevamente la desigualdad ∝2≫∝1 se toma en cuenta. La eficiencia de tensión en
este circuito es por tanto de elevación continua , si C2
C1 decrece a cero. La ultima
ecuación indica la razón por qué la descarga de la capacitancia C1 debe ser mucho
mas grande que la C2.
El circuito de la fig_1 es menos favorable . El cálculo de la eficiencia puede ser basado
en la sustitución de ∝1 y∝2 en la ecuación de la eficiencia desde el hallazgo de las
raices y el tratamiento del radio R1
R2
=f (C2
C1
), que incrementa fuertemente con el
decremento de C2
C1 . Con menor aproximanciones y la desigualdad ∝2≫∝1se puede
encontrar el resultado
ɳ≌C1
(C1+C2)¿¿
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 17
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
La comparación de las eficiencias muestra que el decremento de ɳ debido aun factor
adicional. Como el radio R1
R2 es dependiente de la forma de la onda, la dependencia
simple C2
C1 solo es perdido. Para 1.2/50μs impulso y un impulso similar de tensión el
rapido incremento de R1
R2 conduce a un decremnto deɳ para
C2
C1
⪅0.1; Por tabnto la
eficiencia se mueve a traves de un optimo valor y se decrementa por algo C2
C1 asi como
los valores de circuito. Aguien podria incluso mostrar que para pequeñas C2
C1 los radios
de este ciruito podrian fallar en algun momento del trabajo.
En la práctica, ambos circuitos se utilizan. Si el resistor de H.V. son localizados en
paralelo al objeto de prueba, su valor de resistencia puede contribuir a descargar el
circuito,. El resistor de frente R1 es a menudo subdividido principalmente en los
generadores de etapas múltiples tratados más adelante. Sin embargo, la dependencia
de los factores de eficiencia de tensión se muestra en la figura, para el standart de la
tensión de impulso 1.2/50 usec como bien como esta en otras formas de onda
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 18
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
CIRCUITOS MULTIPLICADORES DE MARX
El circuito del generador de impulsos de Marx multiplica la tensión de la fuente de
potencia mediante la carga de condensadores en paralelo y la descarga de los mismos
en serie. En el circuito típico del generador de impulsos de Marx (de 4 etapas) se utiliza
corriente alterna rectificada mediante válvulas de vacío hallándose conectados a tierra
uno de los terminales del objeto sometido a ensayo y uno de los terminales de
transformador. Primeramente, los condensadores se cargan en paralelo a través de la
resistencia R de carga, conectándose después en serie y descargándose sobre el
elemento sometido a prueba mediante al descarga disruptiva simultanea de los
descargadores de esferas G. El impulso se produce al inyectar una tensión iniciadora
suficiente para provocar la descarga en el electrodo central del descargador de tres
electrodos situado entre los primeros grupos de condensadores. Para obtener el
aislamiento acumulativo de los grupos de condensadores se procede al montaje de los
elementos sobre una estructura a base de porcelana y de madera en forma de
escaleras o en forma helicoidal ascendente.2
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 19
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Circuito básico de 6 etapas de un generador Marx
La selección de los niveles de tensión de los generadores de impulsos, es
extremadamente importante.
Sin una tensión no es suficientemente alta, la falla no se descompondrá, y con
demasiada tensión, el cable puede ser dañado. Si la falla no se descompone, no habrá
ningún ruido que la identifique y la ubique con exactitud. Un factor muy importante, es
que el pulso de tensión se duplicará en amplitud de pico a pico en un cable abierto no
fallado, al reflejarse desde el extremo abierto aislado. Esto también se aplica si el cable
está fallado, pero la duplicación de tensión solo ocurre entre la falla y el extremo abierto
del cable.
Esto se reduce a que si el operador está usando 15 kV de tensión de prueba, las
secciones mencionadas anteriormente, estarían expuestas a una onda de choque de
15 kV pico a pico, o sea 30 kV.3
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 20
Universidad de Cuenca Facultad de Ingeniería
Bibliografíax
[1] E. Kuffel, W. Zaengl, and Jhon Kuffel, High Voltage Engineering Fundamentals, Segunda ed. Great Britain, 2000.
[2] Donald M. Fink, H.Wayne Leaty, and John carroll, Manual Practico de electricidad para ingenieros. espana: Reverte, 1984.
[3] Inducor. (2008) www.inducor.com.ar. [Online]. http://www.inducor.com.ar/articulostecnicos/localizacion_de_fallas_parte3.pdf
x
TECNOLOGIA DE ALTA TENSIÓN Página 21