Generador de Impulso

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE VALPARASO - CHILE

ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA

GENERACIN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIN

PARA DIVERSAS APLICACIONES

JOS LUIS BRAVO CARRASCO

INFORME FINAL DEL PROYECTO

PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO

DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR

AL TTULO PROFESIONAL DE

INGENIERO ELCTRICO

Septiembre 2005



INFORME FINAL

Presentado en cumplimiento de los requisitos

para optar al ttulo profesional de

Ingeniero Elctrico

otorgado por la

Escuela de Ingeniera Elctrica

de la

Pontificia Universidad Catlica de Valparaso

Jos Luis Bravo Carrasco

Profesor Gua Sr. Domingo Ruiz Caballero Profesor Correferente Sr. Ren Sanhueza Robles Profesor Correferente Sr. Reynaldo Ramos Astudillo

Septiembre 2005

ACTA DE APROBACIN

La Comisin Calificadora designada por la Escuela de Ingeniera Elctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulacin, desarrollado entre el primer semestre de 2004 y el segundo semestre de 2004, y denominado



Presentado por el Seor


Domingo Ruiz Caballero

Profesor Gua

Reynaldo Ramos Astudillo

Segundo Revisor

Raimundo Villarroel Valencia

Secretario Acadmico

Valparaso, Septiembre 2005

Agradezco a Dios por la maravillosa familia que me regal y en especial a mis Padres Luis y Diamantina por todo el apoyo, esfuerzo, dedicacin y confianza que tuvieron durante todo este tiempo. Este trabajo est dedicado a Ellos.




Profesor Gua Sr. Domingo Ruiz Caballero

RESUMEN

En el presente trabajo se analizarn distintas formas de generar

impulsos de alta tensin para distintas aplicaciones. Es as como se estudiar

dos circuitos en particular para el encendido de lmparas de descarga y se

nombrarn algunas normas aplicables a las lmparas de alta presin, no

entrando mucho en este tema, slo a modo demostrativo.

En una primera parte se estudiarn las normas que se deben aplicar al

momento de realizar ensayos de alta tensin. Estas normas, y en particular la

norma Standard Techniques for High Voltaje Testing, debe ser aplicada a

cualquier equipo, elemento o aparato elctrico o con fines elctricos en el cual

debe existir un mnimo de seguridad principalmente debido a los altos niveles de

tensin en el que ellos trabajan. As tambin la norma especfica para aisladores

de potencia, que se aplica para poder determinar si estos elementos de aislacin

cumplen con los niveles de seguridad exigidos.

Adems, se estudia la forma de generar impulsos de alta energa y que

simulan descargas atmosfricas y transitorios de maniobra en los sistemas

elctricos de potencia, principalmente el generador de impulsos tipo Marx.

Finalmente, se estudi la adquisicin de equipos de esta naturaleza.

NDICE

Pg. INTRODUCCIN 1 CAPTULO 1 NORMAS TCNICAS PARA ENSAYOS EN ALTA TENSIN 2 1.1 NORMA ANSI 4-1982 1.1.1 Definiciones Generales 2 1.1.1.1 Impulso 2 1.1.1.2 Tensin de Descarga Disruptiva 2 1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva 2 1.1.1.4 Tensin de Descarga Disruptiva de 50% 3 1.1.2 Requerimientos Generales Relativos a Procedimientos de Prueba y Objetos a Testear 3 1.1.2.1 Ensayo en Seco 3 1.1.2.2 Ensayos en Elementos Hmedos 3 1.1.2.3 Prueba de Contaminacin Artificial 3 1.1.3 Condiciones Atmosfricas 4 1.1.3.1 Factores de Correccin Atmosfrica 4 1.1.3.2 Referencia Atmosfrica 4 1.1.3.3 Obtencin de Presin 4 1.1.3.4 Factor de Correccin de Humedad y Factor de Correccin del Aire 5 1.1.4 Ensayo con Tensin de Impulso Tipo Rayo 7 1.1.4.1 Definiciones de Aplicacin General 7 1.1.4.2 Tensiones de Prueba 10 1.1.4.3 Procedimientos para las Pruebas 10 1.1.4.4 Determinacin de la Tensin de 50% 12 1.1.5 Ensayos con Tensiones de Impulso 13 1.1.5.1 Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra 13 1.1.5.2 Tiempo del 90% 14 1.1.5.3 Tiempo de Corte 14 1.1.6 Tensiones de Prueba 14 1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado 14 1.1.6.2 Impulsos especiales 15 1.1.6.3 Tolerancias 15 1.1.6.4 Generalidades 15 1.1.7 Observaciones 15 1.2 NORMA C29.1-1988 16 1.2.1 Generalidades 16 1.2.2 Definiciones 16 1.2.2.1 Aislador 16 1.2.2.2 Carcaza 17

1.2.2.3 Aislador con Pasador 17 1.2.2.4 Aislador de Poste 17 1.2.2.5 Generalidades sobre las Definiciones 17 1.2.3 Tensin de Impulso 18 1.2.3.1 Tensin de Impulso de Contorneo 18 1.2.3.2 Tensin de Impulso Crtica de Contorneo 18 1.2.3.3 Tensin de Resistencia al Impulso 18 1.2.4 Montaje de la Probeta para Pruebas Elctricas 18 1.2.4.1 Aisladores de suspensin 18 1.2.4.2 Aisladores de Aparato 19 1.2.4.3 Observaciones 20 1.2.5 Ensayos Elctricos 20 1.2.5.1 Condiciones Normalizadas 20 1.2.5.2 Humedad 21 1.2.5.3 Densidad del Aire 22 1.2.6 Ensayos con Impulsos de Tensin 22 1.2.6.1 General 22 1.2.6.2 Montaje 22 1.2.6.3 Ondas de Tensin de Impulsos 23 1.2.6.4 Valor de Tensin Crtica de Contorneo 23 1.2.7 Ensayo de Perforacin 23 1.2.7.1 Montaje 23 1.2.7.2 Aplicacin de Tensin 23 CAPTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LMPARAS DE DESCARGA 25 2.1 INTRODUCCIN 25 2.2 MODELO DE UNA LMPARA 28 2.3 NORMAS Y CARACTERSTICAS 30 2.4 CARACTERSTICAS PARTICULARES DE LMPARAS PHILIPS DE SODIO 31 2.5 CIRCUITO PARA EL ENCENDIDO DE LMPARAS 32 2.5.1 Circuito en Derivacin 32 2.5.2 Circuito para Lmparas de Haluros Metlicos 36 2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lmparas de Haluros Metlicos 38 CAPTULO 3 GENERACIN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIN 42 3.1 INTRODUCCIN 42 3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS 43 3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO 47 3.4 SIMULACIN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA 48 3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE N ETAPAS (MARX) 50

3.6 SIMULACIN GENERADOR MARX 53 CAPTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA 58 4.1 INTRODUCCIN 58 4.2 APLICACIN 58 4.2.1 Generalidades 58 4.2.2 Caractersticas Principales 59 4.2.3 Rango de Operacin 60 4.2.4 Condiciones Ambientales 60 4.2.5 Intervalo entre Impulsos 61 4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagntica 61 4.3 CARACTERSTICAS 65 4.4 SIMULACIN GENERADOR HAEFELY 67 4.5 OTROS DISPOSITIVOS 72 4.5.1 Malla a Tierra 72 4.5.2 Reja de Seguridad 72 4.5.3 Interruptor de Emergencia 73 4.5.4 Malla de Faraday 73 CAPTULO 5 ANLISIS COSTO BENEFICIO 74 5.1 INTRODUCCIN 74 5.1.1 Costo FOB 74 5.1.2 Costo CIF 74 5.2 COSTO DE ADQUISICIN GENERADOR MARX HAEFELY 75 5.3 COSTO DE ADQUISICIN KIT A.T. HAEFELY 76 5.4 EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIN 78 5.5 CONCLUSIONES 82 APNDICE A CURVAS PARA EL CLCULO DE FACTORES DE CORRECCIN A2 APNDICE B SIMULACIN KIT DE ALTA TENSIN HAEFELY B2 APNDICE C EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIN C2

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Fig. 1-1 Exponentes para correccin atmosfrica 6

Fig. 1-2 Impulso Competo 8

Fig. 1-3 Impulso cortado 9

Fig. 2-1 Esquema de una lmpara de descarga 25

Fig. 2-2 Estados energticos en radiacin 26

Fig. 2-3 Esquema de radiacin 27

Fig. 2-4 Ejemplo de espectro de una lmpara de descarga 27

Fig. 2-5 Modelo lmpara de descarga [9] 28

Fig. 2-6 Simulacin modelo lmpara de descarga 29

Fig. 2-7 Caracterstica Tensin Corriente 29

Fig. 2-8 Representacin de tiempos normalizados 30

Fig. 2-9 Esquema de circuito en derivacin 33

Fig. 2-10 Circuito de ignicin en derivacin 35

Fig. 2-11 Tensin de ignicin en la lmpara 35

Fig. 2-12 Detalle del impulso de encendido 36

Fig. 2-13 Circuito para lmparas de haluros metlicos 37

Fig. 2-14 Circuito Simulado 38

Fig. 2-15 Tensin en el interruptor 39

Fig. 2-16 Tensin en el condensador C3 39

Fig. 2-17 Tensin en la bobina L1 40

Fig. 2-18 Tensin de ignicin a los 25 ms y 45 ms 40

Fig. 2-19 Detalle del impulso de ignicin 41

Fig. 3-1 Circuito n 1 de generacin de impulsos 43

Fig. 3-2 Circuito n 2 de generacin de impulsos 43

Fig. 3-3 Transformada de Laplace 44

Fig. 3-4 Rendimiento del generador 46

Fig. 3-5 Circuito generador de impulsos 49

Fig. 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso 49

Fig. 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso 50

Fig. 3-8 Generador de impulsos tipo Marx 51

Fig. 3-9 Generador Marx de 4 etapas 54

Fig. 3-10 Tensin en los condensadores de etapa 54

Fig. 3-11 Tensin de salida del generador (impulso) 55

Fig. 3-12 Tensin, durante la descarga, en la resistencia de frente 55

Fig. 3-13 Tensin, durante la descarga, en la resistencia de cola 56

Fig. 4-1 Esquema del generador Haefely 63

Fig. 4-2 Esquema de elevacin de trabajo 64

Fig. 4-3 Esquema del plano de trabajo 64

Fig. 4-4 Esquema conexin Alta Tensin 66

Fig. 4-5 Distribucin de capacitancias 67

Fig. 4-6 Unidad de carga 68

Fig. 4-7 Salida Alta tensin del generador 69

Fig. 4-8 Detalle de 2 etapas del generador 70

Fig. 4-9 Tensin en la probeta 70

Fig. 4-10 Frente de la carga 71

Fig. 4-11 Detalle de la carga del generador 71

Fig. A-1 Curva para correccin de humedad A2

Fig. A-2 Curva para el factor de correccin de presin A3

Fig. A-3 Curva para la correccin de humedad norma C29.1 A4

Fig. A-4 Curva para el clculo de m y n A5

Fig. A-5 Ejemplo de curva de probabilidad para el clculo de CFO A5

Fig. B-1 Circuito equivalente para generacin AC, 1 etapa B2

Fig. B-2 Tensin en la probeta B3

Fig. B-3 Corriente en el transformador B3

Fig. B-4 Generacin AT alterna, 2 etapas B4

Fig. B-5 Tensin AC, 2 etapas B4

Fig. B-6 Corriente transformador AC, 2 etapas B5

Fig. B-7 Circuito AT DC, 1 etapa B5

Fig. B-8 Tensin en la carga, DC, 1 etapa B6

Fig. B-9 Generador de impulsos 1 etapa B7

Fig. B-10 Impulso con carga de 7 nF, 1 etapa B7

Fig. B-11 Generador de impulsos, 2 etapas B8

Fig. B-12 Impulso a carga mxima, 2 etapas B8

Fig. B-13 Generacin de impulsos, 3 etapas B9

Fig. B-14 Impulso a carga mxima, 3 etapas B9

Fig. C-1 Carta Gantt del proyecto C3

Fig. C-2 Detalle del desarrollo del proyecto C4

Fig. C-3 Recursos utilizados C4

Fig. C-4 Detalle calendario del ensayo C5

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1-1 Aplicacin de factores de correccin atmosfrica 6

Tabla 3-1 Corrientes para el clculo del generador 47

Tabla 4-1 Caractersticas del generador 62

Tabla 4-2 Datos de dimensionamiento 65

Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800 75

Tabla 5-2 Costo Kit A.T. Haefely 77

Tabla 5-3 Valores econmicos utilizados 79

INTRODUCCIN

A medida que los sistemas elctricos fueron aumentando su capacidad,

se comenz a necesitar el transporte de la energa entre dos puntos distantes

varios kilmetros uno del otro. Todo ingeniero elctrico sabe que para disminuir

las prdidas de energa, es necesario transportar sta en alta tensin. Es en este

punto que comienza a aparecer la necesidad de dominar un rea que no se

haba desarrollado mayormente, la tcnica de la alta tensin, de manera de

asegurar el suministro elctrico a ciudades y grandes clientes para garantizar un

desarrollo econmico en los pases.

De la misma forma otra rea que se fue desarrollando rpidamente fue

la del alumbrado, naciendo la luminotecnia, y con ella una gama muy amplia de

alternativas para generar energa lumnica.

Con la llegada de las lmparas de descarga y la necesidad de producir

descargas de alta energa controlada, comienza a desarrollarse, de manera

independiente, el estudio de impulsos de alta tensin para una amplia gama de

alternativas. Es as como se tienen impulsos para: el encendido de motores de

combustin interna, el encendido de lmparas de descarga, la simulacin de

descargas atmosfricas, la simulacin de transitorios de maniobra, etc.

En este trabajo se analizarn alternativas para producir este tipo de

fenmeno, lograr su desarrollo de manera controlada y su normalizacin a nivel

internacional.

CAPTULO 1 NORMAS TCNICAS PARA LOS ENSAYOS EN ALTA TENSIN

1.1 NORMA ANSI 4-1982

1.1.1 Definiciones Generales

1.1.1.1 Impulso

Un impulso es un transitorio aperidico de tensin o corriente aplicado

intencionalmente, el cual usualmente tiene rpidos levantamientos a tensin

mxima para luego caer a cero en forma ms lenta. Dentro de los impulsos se

diferencian los impulsos tipo rayo y tipo maniobra los cuales difieren

especialmente por los tiempos de duracin.

1.1.1.2 Tensin de Descarga Disruptiva

Para las distintas formas de alta tensin la tensin de descarga disruptiva se

refiere al valor de la tensin causante de la descarga disruptiva, dicho de otra

forma el valor al cual se produjo el rompimiento del dielctrico en prueba.

1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva (p)

Se define como la probabilidad que, aplicando un cierto nivel de tensin, se

produzca la descarga disruptiva en el aislante en prueba.

1.1.1.4 Tensin de Descarga Disruptiva del 50 %

Se refiere al nivel de tensin aplicado en el cual existe un 50% de probabilidades

que se produzca descarga disruptiva en el objeto de prueba.

1.1.2 Requerimientos generales relativos a procedimientos de prueba y objetos

a testear

1.1.2.1 Ensayos en Seco

Para ensayos realizados en elementos que se encuentren secos su superficie,

en general, debe estar seca y limpia.

1.1.2.2 Ensayos con Elementos Hmedos

Se utiliza este tipo de ensayos para simular el efecto de la lluvia en los objetos

de prueba, se aplica en general a objetos que trabajan a la intemperie.

1.1.2.3 Prueba de contaminacin artificial

Este tipo de ensayo se utiliza para testear objetos que trabajan normalmente a la

intemperie y como la contaminacin normal de servicio puede afectarlos. Esta

norma no se refiere a algn tipo de contaminacin en particular, ensayo en cuyo

caso debe ser presentado en forma particular.

1.1.3 Condiciones Atmosfricas

1.1.3.1 Factores de Correccin Atmosfrica

La probabilidad de ruptura en objetos a la intemperie depende de las

condiciones atmosfricas existentes al momento del ensayo. Generalmente los

valores de variacin estn dados por la densidad del aire o la humedad.

Sobretodo cuando la humedad supera el 80% la tensin de flashover disminuye

en la superficie de los aisladores. Existen 2 factores de correccin para los

ensayos, ellos son: densidad del aire (Kd) y humedad (kh). La descarga

disruptiva es proporcional a Kd/ kh.

1.1.3.2 Referencia Atmosfrica

Los valores normalizados para el ambiente son los siguientes:

Temperatura: To=20 C

Presin: Po=101.3 Pa (760 mmHg)

Humedad: 11 (g) de H2O por m3

1.1.3.3 Obtencin de Presin

Para obtener los valores de presin se deben aplicar la siguiente ecuacin:

760

)*10*18.11(**10*1013 45 tHp = (1-1)

donde:

H: altura de un barmetro de mercurio

t= temperatura ambiente al momento del ensayo.

1.1.3.4 Factor de Correccin de Humedad y Factor de Correccin del Aire

Factor de correccin del aire viene dador por:

0273( ) ( )273

m nd

o

tpkp t

+= + (1-2)

donde:

p = presin atmosfrica bajo condiciones de prueba.

t = temperatura en C bajo condiciones de prueba.

Similarmente el factor de correccin de humedad viene dado por:

wh kk )(= (1-3)

Los factores w, m y n que se utilizan en el clculo de las ecuaciones 1-2 y 1-3,

son calculadas con la figura 1.1 y la tabla 1-1. Adems se debe utilizar la curva

de la figura A-1 del apndice correspondiente.

Figura 1-1 Exponentes para correccin atmosfrica

Tabla 1-1 Aplicacin de factores de correccin atmosfrica

Correcccin

Aire Humedad

Tipo de

Tensin

Forma

electrodo Polaridad

Exponentes

m y n Factor h

Exponente

w

+ 0

- 0

+ 1.0

- 1.0

+ 1.0

Tensin

Continua

-

1.0 Ver Fig A-4

Curva b

0

1.0

0

Tensin

Alterna

Ver Fig 1-1

Ver Fig A-4

Curva a Ver Fig. 1-1

m, n, w

0

0.5

1

5 10 d (m)

Continuacin Tabla 1-1

Correccin

Aire Humedad

Tipo de

Tensin

Forma

electrodo Polaridad

Exponentes

m y n Factor h

Exponente

w

+

- 0

+ 1.0

- 1.8

+ 1.0

Tensin

Impulso

Rayo

-

1.0 Ver Fig A-4

Curva b

0

+

-

1.0

1.0 0

+ Ver Fig. 1-1

-

Ver Fig 1-1

0* 0*

+ Ver Fig. 1-1

Tensin

Impulso

Maniobra

-

Ver Fig. 1-1

0*

Ver Fig A-4

Curva b

0*

1.1.4 Ensayo con Tensin de Impulso Tipo Rayo.

1.1.4.1 Definiciones de Aplicacin General.

1.1.4.1.1 Impulso Completo

El impulso tipo rayo es aquel tipo de transiente de tensin que no est

interrumpido por una descarga disruptiva.

Este impulso est representado en la figura 1-2.

Figura 1-2 Impulso completo

1.1.4.1.2 Impulso Cortado

Impulso Cortado es aquel tipo de impulso que est interrumpido por una

descarga disruptiva causando un rpido colapso de la tensin, prcticamente a

valores cercanos a cero. Este colapso puede ocurrir en el frente, cresta o cola

del impulso.

En la figura 1-3 se puede apreciar esquemticamente el detalle de un impulso

cortado por una descarga disruptiva en el frente del transitorio.

Figura 1-3 Impulso cortado

1.1.4.1.3 Tiempo virtual de frente(T1)

Es aquel espacio de tiempo que est definido como 1,67 veces el intervalo de

tiempo T entre el momento que el impulso va desde el 30 al 90 % del valor de

cresta. Si se producen oscilaciones se debe tomar el tiempo de la media de las

oscilaciones.

1.1.4.1.4 Origen virtual (O1) el origen virtual equivale a 0,3 del tiempo virtual de frente.

1.1.4.1.5 Tiempo virtual de medio valor (T2)

Es el intervalo de tiempo entre el origen virtual (O1) y el tiempo en el cual la

tensin a descendido hasta el 50% del valor de la cresta.

1.1.4.2 Tensiones de Prueba

1.1.4.2.1 Impulso tipo rayo normalizado El impulso tipo rayo normalizado es aquel que tiene un tiempo virtual de frente

igual a 1.2 us y un tiempo virtual de medio valor de 50 us.

Tolerancias:

Valores de cresta 5% Tiempo de frente 30% Tiempo de Cola 20%

El nivel de oscilaciones permitido es tal que stas no exceden del valor de cresta

en un 5%, para tiempos superiores al tiempo virtual de medio valor se permiten

oscilaciones de hasta un 25% en el valor normalizado.

1.1.4.3 Procedimientos para las pruebas

Los procedimientos aplicables para tipos particulares de objetos, por ejemplo, la

polaridad a ser usada, el orden de aplicacin, los intervalos entre aplicaciones, el

nmero de aplicaciones deben ser especificados para cada aparato que ser

sometido a los ensayos y segn distintos factores como la aproximacin

requerida en los resultados, la naturaleza aleatoria de los fenmenos

observados, las caractersticas medidas y finalmente la probabilidad de deterioro

progresivo producto de la aplicacin de altas tensiones.

Distintos mtodos para hacer los ensayos se describen a continuacin y segn el

tipo de objeto que se examinar.

1.1.4.3.1 Ensayo de Resistencia en Aislamiento sin Capacidad de Auto-

restablecerse

Se aplican 3 impulsos en el nivel de tensin requerida segn forma y polaridad

del impulso. El aparato es aprobado si no hay, durante la aplicacin de la

prueba, indicios de falla usando mtodos de deteccin estandarizados por el

fabricante.

1.1.4.3.2 Ensayo de Resistencia en Aislamiento con Capacidad de Auto-

restablecerse

Existen 3 formas de hacer este ensayo:

Primero. Se aplican 15 impulsos, a nivel de tensin de prueba segn aspectos

tcnicos. Se satisface la prueba cuando no ocurren ms de 2 descargas

disruptivas.

Segundo: Se aplican 3 impulsos y en ninguno de los ensayos debe producirse

descarga disruptiva, si se produjese ms de una falla disruptiva el aparato es

considerado en falla. Si se produce 1 descarga disruptiva se aplican 3 nuevos

impulsos, si en ninguno de ellos se produce descarga disruptiva el aparato pasa

la prueba.

En este caso se aplica la tcnica del 50% de descargas disruptivas, el test es

satisfactorio si la tensin determinada es menor que

( )3.111

%50 V (1-4)

donde = desviacin estndar en p.u. de la tensin de descarga disruptiva. El siguiente valor pueden ser utilizado para aislamiento de aire:

impulso rayo =0.03.

1.1.4.4 Determinacin de la Tensin de 50%

1.1.4.4.1 Mtodo Mltiple Nivel

Se aplican al menos 10 impulsos en distintos niveles de tensin, donde la

variacin de tensin comienza al 3% de la tensin del 50% esperada.

El valor de tensin del 50% es encontrado de una curva de probabilidad de

descarga disruptiva versus probabilidad de tensin de prueba. La aproximacin

de la determinacin de este valor aumenta con el nmero de aplicaciones de

tensin, pero en general no se necesitan ms de 20 aplicaciones en cada nivel.

1.1.4.4.2 Mtodo Up and Down

Una tensin Vk es elegida, la cual puede ser un 50% del nivel de tensin de

descarga disruptiva esperado. Se toma adems una variacin de tensin V igual al 3% de Vk.

La prueba comienza con la aplicacin de un impulso con nivel de tensin Vk, si

este no causa una descarga disruptiva se somete a una nueva tensin igual a

Vk+V, si este produce descarga disruptiva entonces se hace la prueba con Vk-V. Este procedimiento se contina un nmero suficiente de veces y se cuenta el nmero de impulsos aplicado, desde donde se obtiene que:

=

v

vv

nVn

V %50 (1-5)

Si no se est conforme con los resultados se deben aplicar ms impulsos; Sin

embargo, no se deben aplicar ms de 40 impulsos ni menos de 20. Adems, si

es necesario y la desviacin estndar es muy pequea se puede cambiar el valor

de V.

1.1.5 Ensayos con Tensiones de Impulso Tipo Maniobra

1.1.5.1 Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra

1.1.5.1.1 Impulso Tipo Maniobra

El impulso tipo maniobra est definido en la seccin 1.1.6.1 de este documento.

1.1.5.1.2 Tiempo a Cresta (Tcr)

El tiempo a cresta de un impulso tipo maniobra se define como el

intervalo entre el origen actual y el instante en el cual la tensin del impulso

alcanza su valor mximo.

1.1.5.1.3 Tiempo Virtual de Medio Valor (T2)

El tiempo virtual de medio valor para un impulso tipo maniobra es el intervalo de

tiempo entre el origen actual y el instante en que la cada del impulso llega a la

mitad del valor de la tensin de cresta o tensin mxima.

1.1.5.2 Tiempo del 90% (Td)

El tiempo del 90% es el intervalo de tiempo durante el cual la tensin

del impulso excede el 90% del valor de cresta o valor mximo.

1.1.5.3 Tiempo de Corte (Tc)

El tiempo de corte de un impulso tipo maniobra es el intervalo de tiempo entre el

origen actual y el instante en el cual se produce el colapso de la tensin o corte

del impulso.

1.1.6 Tensiones de Prueba

1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado

El impulso tipo maniobra normalizado es un impulso que tiene un tiempo a cresta

Tcr de 250 us y un tiempo de medio valor T2 de 2500 us. Este tipo de impulso se

representa como impulso 250/2500.

1.1.6.2 Impulsos Especiales

Cuando los requerimientos del ensayo no estn satisfechos con un impulso tipo

maniobra normalizado se pueden hacer los ensayos con impulsos 100/2500 y

500/2500.

1.1.6.3 Tolerancias

Si el aparato que est siendo sometido a ensayo no requiere otros valores

especificados, son aceptadas las siguientes diferencias en los valores

normalizados.

Valor Cresta 3% Tiempo a Cresta 20%

Tiempo de Medio Valor 60%

En caso que en algn ensayo en particular y debido a caractersticas del ensayo,

los valores arriba descritos pueden ser modificados dentro de parmetros

establecidos, y segn fabricante.

1.1.6.4 Generalidades

En el caso de clculos, determinacin de valores, etc Se deben aplicar los

sistemas de clculo y aproximacin descritos en esta norma.

1.1.7 Observaciones

Existen, adems de los puntos antes descritos, una serie de informacin mucho

ms elaborada que da a conocer esta norma, sin embargo los puntos mostrados

anteriormente representan la informacin necesaria para el desarrollo del

proyecto.

Las curvas referidas a la seccin 1.3 de este documento se encuentran en el

apndice A.

1.2 NORMA C29.1-1988

1.2.1 Generalidades

La norma se divide en cinco partes:

mbito.

Definiciones.

Montaje de la muestra para pruebas elctricas.

Pruebas elctricas.

Pruebas mecnicas.

Pruebas de Galvanizacin.

Rutinas en los ensayos.

Por el inters de este proyecto solo se estudiarn los procedimientos

de los ensayos elctricos y especficamente los ensayos con impulso que regula

esta norma

1.2.2 Definiciones

1.2.2.1 Aislador

Un aislador es un dispositivo proyectado para dar un soporte flexible o

rgido a conductores y equipamiento elctrico y para aislar esos conductores o

equipamientos de tierra, otros conductores o equipamientos.

Un aislador comprende una o ms partes aislantes las cuales

conectan dispositivos que estn, en la mayora de los casos, permanentemente

conectados.

1.2.2.2 Carcaza

La carcaza es una parte constituyente de un aislador, la cual est

formada por una manta o mantas de material aislante sin conexin a otros

dispositivos.

1.2.2.3 Aislador con Pasador

Un aislador con pasador es una aislador que tiene un pasador para

montaje rgido a travs de ste.

1.2.2.4 Aislador de Poste

El aislador de poste es un aislador para montaje en una columna, que

tiene medios para ensamble directo o rgido.

1.2.2.5 Generalidades Sobre las Definiciones

Adems de las definiciones anteriores existen otras ms especficas,

pero que no sern incluidas dentro de este documento porque no aportan

mayores datos al trabajo de proyecto.

1.2.3 Tensiones de Impulso

1.2.3.1 Tensin de Impulso de Contorneo.

Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa

contorneo a travs del medio que rodea al aislador.

1.2.3.2 Tensin de Impulso Crtica de Contorneo

Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa

contorneo en un 50% de las aplicaciones.

1.2.3.3 Tensin de Resistencia al Impulso

Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, no

produce contorneos, perforaciones o descarga disruptiva.

1.2.4 Montaje de la Probeta para Pruebas Elctricas

1.2.4.1 Aisladores de Suspensin

1.2.4.1.1 Montaje

A menos que se especifique otra cosa, la probeta ser suspendida

verticalmente al final de un conductor aterrizado, de manera tal que la distancia

vertical de la parte superior del aislador a la estructura de soporte no debe ser

menor a 3 pies (914 mm).

1.2.4.1.2 Electrodo Energizado

El electrodo energizado o conductor debe ser una barra recta y lisa o

un tubo que su dimetro interior no sea menor a pulgadas(19 mm) y no

superior que 121 pulgadas (38 mm). Este debe ser acoplado a la parte de la

probeta de manera tal que la distancia del borde ms bajo del aislador y la parte

superior de este (electrodo) estar entre 0.5 y 0.7 del dimetro menor del

aislador. El conductor deber ser horizontal y estar a la derecha de la probeta.

El largo del conductor debe ser tal de manera de asegurar que no se producir

descarga entre sus extremos.

1.2.4.1.3 Proximidad de Otros Objetos

No debe haber ningn objeto, que no sea parte constituyente del

ensayo, a una distancia menor al equivalente a 121 veces la distancia necesaria

para producir contorneo en la probeta en un ensayo en seco. Con una distancia

mnima aceptable de 3 pies (914 mm).

1.2.4.2 Aisladores de Aparatos

1.2.4.2.1 Montaje

A menos que se indique otra cosa, la probeta debe ser montada

verticalmente recto respecto a la horizontal, aterrizado en un canal de 10

pulgadas (254 mm), con la tierra hacia abajo. El modo de soporte ser tan largo

de manera tal de asegurar que no se producir contorneo en el principio o final

de la superficie, as y todo esta no debe ser menor que 3 pies (914 mm) sobre la

tierra.

1.2.4.2.2 Electrodo Energizado

El dimetro del electrodo ser aproximadamente de 5% de la distancia

de contorneo de un ensayo en seco y dentro de los siguientes lmites: mximo

de 124 pulgadas (114 mm) y mnimo de 12 pulgada (13 mm). El largo del

conductor debe ser tal de manera de asegurar la no ocurrencia de contorneo

entre sus extremos. Este debe ser montado de manera firme sobre la probeta.

1.2.4.2.3 Proximidad de otros objetos

Ningn elemento debe estar ms cerca de la probeta que 121 veces la

distancia de arco en seco, con un mnimo de 3 pies (914mm).

1.2.4.3 Observaciones

Adems de los tipos de aisladores especificados anteriormente, la norma regula

otros tipos de aisladores, los que no estn especificados en este documento y no

representan un punto de tope para este estudio.

1.2.5 Ensayos Elctricos

1.2.5.1 Condiciones normalizadas

Las tensiones de contorneo en seco deben ser corregidas de acuerdo

con la norma ANSI 4-1978, exceptuando las siguientes condiciones

normalizadas, que sern aplicadas:

Presin Baromtrica: 29.92 pulgadas de mercurio

(10.086 x 410 pascal)

Temperatura: 77 F (25 C)

Presin de Vapor: 0.6085 pulgadas de mercurio

(2.051 x 310 pascal).

1.2.5.2 Humedad

Para el caso particular de aisladores se debe considerar una forma en

especial de medir la humedad para esta norma, mtodo al cual no se har mayor

referencia en este informe.

La ecuacin para corregir las mediciones segn la humedad en sistema de

mediciones internacional es la siguiente:

0.087 ( ) (1 0.00115 )h sP P b t t t = + (1-6)

Donde:

hP = Vapor de presin, en pascal

sP = Presin, en pascal, de vapor acuoso saturado a la temperatura t

b = Presin baromtrica, en pascal

t = Temperatura del aire, en C

t = Temperatura del aire de bulbo seco, en C.

1.2.5.3 Densidad del aire

El valor de tensin de contorneo (flashover) debe ser corregido para la

equivalencia con las condiciones atmosfricas normalizadas, que para el sistema

internacional de medidas es la siguiente:

0.002955(273 )d

PKT

= + (1-7)

donde:

P=Presin baromtrica en pascal

T= Temperatura del aire en C.

1.2.6 Ensayos con Impulsos de Tensin

1.2.6.1 General

Los ensayos de impulsos de alta tensin para contorneo son solo hechos en

pruebas en seco.

1.2.6.2 Montaje

La probeta ser montada de acuerdo a la seccin 3 de esta norma.

1.2.6.3 Onda de tensin de impulso

Todas las pruebas sern hechas con ondas del tipo 1.2/50 microsegundos, y de

acuerdo a la norma ANSI/IEEE 4-1978.

1.2.6.4 Valor de tensin crtica de impulso de contorneo

El clculo del nivel crtico de tensin de contorneo debe ser hecho de acuerdo a

la norma ANSI/IEEE 4-1978.

En general todas las correcciones deben ser hechas de manera tal de aplicar

esta norma o en su defecto la norma ANSI/IEEE 4-1978. Las curvas de

correccin referidas a la seccin 1.2.5.1 de este documento se encuentran en el

apndice A.

1.2.7 Ensayo de Perforacin

1.2.7.1 Montaje

La prueba de perforacin debe ser implementada solo para aisladores

completamente ensamblados. La probeta debe ser inmersa en aceite aislante

con la suficiente rigidez dielctrica de manera de asegurar la no ocurrencia de

contorneo. Y cualquier parte del aislador debe estar sumergido 6 pulgadas (152

mm).

1.2.7.2 Aplicacin de tensin

La tensin debe ser aplicada entre los electrodos, como est descrito en la

seccin 4.11.1 de la norma [4]. La tensin inicial aplicada debe llegar

rpidamente a la tensin de contorneo en seco. La tensin posteriormente ser

aumentada con una razn de 10kV cada 15 segundos hasta llegar al valor de

tensin en el cual ocurre la perforacin.

CAPTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LMPARAS DE DESCARGA

2.1 INTRODUCCIN

Las lmparas de descarga constituyen una forma alternativa de producir luz de

una manera ms eficiente y econmica que las lmparas incandescentes. Por

eso, su uso est tan extendido hoy en da. La luz emitida se consigue por

excitacin de un gas sometido a descargas elctricas entre dos electrodos.

Segn el gas contenido en la lmpara y la presin a la cual est sometido

tendremos distintos tipos de lmparas.

En las lmparas de descarga, la luz se consigue estableciendo una corriente

elctrica entre dos electrodos situados en un tubo lleno con un gas o vapor

ionizado.

Figura 2-1 Esquema de una lmpara de descarga

Electrodos

Red

Ballast Tubo Descarga

En el interior del tubo, se producen descargas elctricas como consecuencia de

la diferencia de potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un

flujo de electrones que atraviesa el gas. Cuando uno de ellos choca con los

electrones de las capas externas de los tomos les transmite energa y pueden

suceder dos cosas.

La primera posibilidad es que la energa transmitida en el choque sea lo

suficientemente elevada para poder arrancar al electrn de su orbital. Este,

puede a su vez, chocar con los electrones de otros tomos repitiendo el proceso.

Si este proceso no se limita, se puede provocar la destruccin de la lmpara por

un exceso de corriente.

La otra posibilidad es que el electrn no reciba suficiente energa para ser

arrancado. En este caso, el electrn pasa a ocupar otro orbital de mayor energa.

Este nuevo estado acostumbra a ser inestable y rpidamente se vuelve a la

situacin inicial. Al hacerlo, el electrn libera la energa extra en forma de

radiacin electromagntica, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrn

no puede tener un estado energtico cualquiera, sino que slo puede ocupar

unos pocos estados que vienen determinados por la estructura atmica del

tomo. Como la longitud de onda de la radiacin emitida es proporcional a la

diferencia de energa entre los estados inicial y final del electrn y los estados

posibles no son infinitos, es fcil comprender que el espectro de estas lmparas

sea discontinuo.

Figura 2-2 Estados Energticos en Radiacin

Figura 2-3 Esquema de radiacin

Figura 2-4 Ejemplo de espectro de una lmpara de descarga

Debido a la forma discontinua del espectro de estas lmparas, la luz emitida es

una mezcla de unas pocas radiaciones monocromticas; en su mayor parte en la

zona ultravioleta (UV) o visible del espectro. Esto hace que la reproduccin del

color no sea muy buena y su rendimiento en color tampoco.

Para solucionar este problema podemos tratar de completar el espectro con

radiaciones de longitudes de onda distintas a las de la lmpara. La primera

opcin es combinar en una misma lmpara dos fuentes de luz con espectros que

se complementen como ocurre en las lmparas de luz de mezcla

(incandescencia y descarga). Tambin podemos aumentar la presin del gas. De

esta manera se consigue aumentar la anchura de las lneas del espectro de

manera que formen bandas anchas y ms prximas entre s. Otra solucin es

aadir sustancias slidas al gas, que al vaporizarse emitan radiaciones

monocromticas complementarias. Por ltimo, podemos recubrir la pared interna

del tubo con una sustancia fluorescente que conviertan los rayos ultravioletas en

radiaciones visibles.

2.2 MODELO DE UNA LMPARA DE DESCARGA

Este modelo lo utiliz el seor Ivn Quiroz, ex alumno de la Escuela, en el

informe final de carrera [7].

Bsicamente, este modelo consta de una fuente de tensin en serie con una

resistencia de muy bajo valor. El modelo se puede apreciar el la Figura 2-5.

Figura 2-5 Modelo lmpara de descarga

Time

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60msV(V2:+) V(R1:1)

-400V

0V

400V

Figura 2-6 Simulacin modelo lmpara de descarga

I(R1)

-300KA -200KA -100KA -0KA 100KA 200KA 300KAV(R1:1)

-400V

0V

400V

Figura 2-7 Caracterstica Tensin-Corriente

El modelo simulado en la figura 2-5 a travs de Pspice [9] se puede apreciar en

la figura 2-6, en la cual se detalla la tensin de la fuente de alimentacin, la cual

alimenta la lmpara. Esta tensin es sinusoidal. Adems se puede apreciar en

esta figura la tensin del modelo, la cual es cuadrada y de la misma frecuencia

que la fuente de tensin.

La resistencia que caracteriza el modelo es de pendiente negativa, pero tiene el

problema, que es lineal, lo cual se puede apreciar en la figura 2-7.

Sin embargo, y a pesar de la linealidad del modelo, este funcion bastante bien

para simular ignitores de lmparas de haluros metlicos y de mercurio de alta

presin.

2.3 NORMAS Y CARACTERSTICAS

Existe una variedad de normas aplicables a las lmparas de descarga que

regulan distintos tpicos de estos dispositivos, en este trabajo se darn a

conocer solo los datos necesarios del inters del proyecto [1].

Las normas que regulan el encendido y operacin de lmparas de descarga son

las siguientes:

IEC-0662 Sodio alta presin

IEC-1167 Haluros Metlicos

IEC-0992 Ballast

IEC-0923-0926-0927 Dispositivos de partida.

Figura 2-8 Representacin tiempos normalizados

T2

T1

E

C

Tensin sinusoidal 50/60 Hz

Pulso de ignicin

La figura 2-8 muestra los tiempos estandarizados para impulsos necesarios en el

encendido de lmparas de descarga.

El pulso principal debe ir montado sobre la seal alterna de alimentacin, la cual

est representada en la figura con lnea punteada.

Las letras de la figura representan tiempos, tal como se indica a continuacin:

T1: Tiempo que transcurre desde que el impulso alcanza el 30% de su valor

peak hasta que llega al 90% del mismo.

T2: Tiempo que transcurre entre el 90% durante la subida y bajada del impulso.

E: Tiempo que demora el impulso en llegar al 90% del mximo.

C: Tiempo que demora el impulso de llegar desde el valor mximo de su valor

hasta el 10% del mismo.

A continuacin se nombran algunos datos caractersticos de las lmparas de

descarga.

Caractersticas de los Pulsos.

Amplitud del pulsos: 0.75 a 5 kV

Duracin del Pulso: generalmente superior a 1s Posicin del pulso: generalmente a los 90% del valor mximo de la tensin de

alimentacin

Nmero Mnimo de pulsos: Fabricante

Mnima corriente de ignicin: >0.2 A

2.4 CARACTERSTICAS PARTICULARES DE LMPARAS

PHILIPS DE SODIO.

Sodio alta presin.

Alto del pulso 1.8 kV, mnimo

T1 1 s, mximo

T2 2 s, mnimo 1 pulso por ciclo, positivo, durante semiciclo positivo de la onda

Posicin 60-90 grados de la tensin de circuito abierto.

El valor mximo del pulso vara segn la potencia de la lmpara, as por ejemplo,

para una lmpara de sodio de alta presin de 100 w, se necesita un peak de 1.8

kV, sin embargo para una lmpara del mismo fabricante de 1 kW de potencia se

necesitan 3 kV mnimo para la ignicin de la lmpara. De la misma forma, los

valores de tensin tambin varan segn el fabricante, es as como para una

lmpara PHILIPS de 2000 watts se necesitan 1.3 kV de peak en el pulso, sin

embargo para una lmpara OSRAM de 2000 watts se necesitan de 3.5 a 5 kV de

tensin de ignicin.

2.5 CIRCUITOS PARA EL ENCENDIDO DE LMPARAS

A continuacin se analizarn dos circuitos tipos que se utilizan para

encender lmparas de descarga, ellos son: circuito en derivacin y circuito que

utiliza un transformador para producir las variaciones de tensin necesarias.

2.5.1 Circuito en Derivacin [1]

Este circuito se caracteriza porque utiliza el ballast como transformador

de elevacin de tensin, es decir a travs de ste se genera el di/dt necesario

para generar el impulso.

En la figura 2-9 se puede apreciar el esquema del circuito en

derivacin, donde D representa el interruptor que genera las aperturas y cierres

necesarios para la ignicin de la lmpara.

Figura 2-9 Esquema circuito en derivacin

2.5.1.1 Ecuaciones que Gobiernan el Circuito en Derivacin

Para generar los impulsos se utilizan como interruptor (D) un Diac, el

cual cuando la lmpara no ha encendido queda sometido a una tensin tal que

comienza a cerrar y abrir, generando de esta forma cambios bruscos en la

corriente, lo que a su vez carga el condensador C, y este lo enva a la lmpara.

Para el momento en que el Diac conduce las leyes de tensin de

Kirchhoff, aplicadas al circuito, son:

)(1211211 tViRdtdi

dtdiM

dtdiL =+

+ (2-1)

dtdiL

dtdi

dtdiMVc 22112 2 +

= (2-2)

Ahora, al momento que el Diac deja de conducir, abre el circuito del

ignitor, en ese caso la ecuacin que gobierna esa situacin viene dada por:

Ballast Magntico

( ) 0121 =+++ ViRqCdtdiLL (2-3)

El valor del pulso de tensin producida por la variacin de corriente

queda dada por:

( )dtdiMLVp 2122 += (2-4)

Por lo tanto y como consecuencia de la ecuacin (2-4) la tensin generada

depende de la inductancia del Ballast.

Por lo tanto el impulso quedar limitado al nivel de variacin de la corriente, de la

misma forma esa variacin depende de las limitaciones tcnicas.

Ahora bien, para generar el peak de alta tensin se utiliza un interruptor que es

el que enciende la lmpara, ntese que no se est mencionando el mismo

interruptor que se encarga de generar los impulsos de alta tensin.

A continuacin se puede apreciar el momento de la ignicin de la lmpara, el

peak producido es de poco ms de 3kV el cual debe ser necesario para

encender la lmpara.

En la Figura 2-10 se puede apreciar el circuito estudiado, estos valores son

tomados de un informe [7] y de normas britnicas [8], desde los cuales se

pueden obtener los valores de las resistencias y especialmente los datos de

ballast caractersticos.

Las formas de onda obtenidas en la simulacin del circuito de la figura 2-10 se

pueden apreciar en las figuras 2-11 y 2-12.

Figura 2-10 Circuito de ignicin derivacin

Figura 2-11 Tensin de ignicin de la lmpara

Time

65.0800ms 65.1000ms 65.1200ms 65.1400ms 65.1600ms65.0628msV(C1:1)

1.00KV

2.00KV

3.00KV

0.03KV

Figura 2-12 Detalle del impulso de encendido

Los tiempos que caracterizan el impulso de encendido dependen de la lmpara

en particular en la cual se va a implementar el circuito, para ello se pueden hacer

variaciones en los componentes del circuito de la figura 2-10.

Segn los valores obtenidos en las simulaciones las descargas producidas

pueden aplicarse a distintos tipos de lmparas, por ejemplo, a lmparas Philips

de sodio en alta presin, cuyo fabricante exige tensiones entre 3 y 5 kV de

tensin para el encendido.

2.5.2 Circuito para lmparas de Haluros Metlicos [1]

Como es ya sabido, el tipo de lmpara que se comporta de la mejor

manera es sin lugar a dudas la de haluros metlicos, considerando la eficiencia,

color, vida til, etc. Si se puede hablar de inconveniente tendramos que

considerar que este tipo de lmparas necesitan un alto valor de tensin para la

ionizacin de los agregados metlicos que contiene, es por ello que en general

para el encendido en fro de la lmpara, entendindose por este la ignicin de la

lmpara despus de estar apagada por un largo tiempo (en algunos casos se

habla de partida en fro despus de los 5 minutos), se necesitan entre 7kV y

12 kV, considerando que en algunos casos esa tensin puede llegar hasta los 30

kV.

En la figura 2-13 se muestra el circuito que se analizar en detalle

ms adelante.

La tensin en el condensador de descarga viene dada por:

12112 MdtdIL

dtdIV Lc = (2-5)

La tensin que se refleja en la entrada de la lmpara queda dada por:

12121 MdtdIL

dtdIVV BAB = (2-6)

Figura 2-13 Circuito para lmparas de haluros metlicos

Como podemos apreciar la tensin de ignicin depende del acoplamiento

magntico del transformador auxiliar y de la inductancia de sus bobinados.

2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lmparas de Haluros

Metlicos

Cuando la lmpara est encendida, la corriente genera una tensin que se

refleja a travs de L1, al lado del interruptor sw2, el cual es un interruptor

controlado por tensin, como un esplosor, este funciona de tal manera que

llegando a un nivel de tensin se cierra y genera un di/dt en la bobina L1, que se

refleja en L2 aumentando la tensin entre los puntos A y B del esquema.

En la figura 2-14 se aprecia el circuito de ignicin, donde Sw1 es el interruptor de

encendido de la lmpara el cual se encarga de conectar la lmpara a la red de

alimentacin.

Figura 2-14 Circuito simulado

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(C,D)

-400V

0V

400VTensin CD Momento de conexion de lampara

Tension en C-D

Figura 2-15 Tensin en el interruptor

En la figura 2-15 se aprecia la tensin que se produce en el interruptor de

descarga, el cual funciona dependiendo de esta tensin.

En la siguiente grfica, figura 2-16, se muestra la tensin en el condensador C3,

el cual es muy parecido a la tensin del interruptor, lo que es lgico tomando en

consideracin que este se encuentra conectado en paralelo con el interruptor de

descarga. Solo se diferencian producto de la cada de tensin en L1.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(C3:1,C3:2)

-400V

0V

400VTensin C3

Figura 2-16 Tensin en el condensador C3

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(L1:1,L1:2)

-200V

0V

200VTensin L1

Figura 2-17 Tensin en la bobina L1

La figura 2-17 muestra claramente la tensin que se refleja en L1 producto de la

corriente que circula por L2 durante el funcionamiento normal de la lmpara.

Ahora se cerrar el interruptor que genera los di/dt, comenzando a los 25 [ms],

con un periodo de 20 [ms].

La figura 2-18 muestra los impulsos de tensin que se producen cuando la

lmpara no ha encendido, esto se puede apreciar durante los primeros 50 ms,

una vez que la lmpara enciende (60 ms) los impulsos de tensin ya no se

generan.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120msV(A,B)

-10KV

0V

10KV Ignicion

Figura 2-18 Tensin de ignicin a los 25 [ms] y 45 [ms]

Time

25.04000ms 25.04100ms 25.04200ms 25.04300ms25.03901msV(A,B)

0V

2.5KV

5.0KV

7.5KV Ignicion

Figura 2-19 Detalle del impulso de ignicin

La Figura 2-19 muestra en detalle el impulso generado por el ignitor. Los

tiempos y valores estn de acuerdo a la norma que regula las lmparas de

haluros metlicos.

Se debe considerar que son los interruptores los que al cerrarse o abrirse

rpidamente generan una variacin de corriente en los bobinados del

transformador auxiliar, generando los peaks de alta tensin.

CAPTULO 3


3.1 INTRODUCCIN

Los circuitos de generacin de alta tensin comienzan a evolucionar

con la aparicin de sistemas de transmisin de gran tamao. Existiendo una

variedad muy amplia de circuitos que tienen la finalidad de generar alta tensin.

Dentro de las necesidades de generacin de alta tensin, para el uso de

dispositivos de simulacin de efectos aleatorios de alta energa, se pueden

mencionar las siguientes: disminuir efectos corona en cables, transformadores y

dispositivos de generacin y transmisin, asegurar la continuidad del suministro

en caso de una descarga atmosfrica en algn punto del sistema de transmisin,

manejar de manera ptima las contingencias producto de la maniobra en

sistemas de alta energa y , adems, realizar distintas mediciones necesarias

para el correcto funcionamiento de los sistemas de generacin, transmisin y

distribucin de energa elctrica.

A medida que los sistemas elctricos comienzan a aumentar su

capacidad de transmisin, se requiere aumentar la tensin de transmisin,

adems se requiere una forma de disminuir los daos productos de transitorios

de alta energa de ocurrencia aleatoria. Bajo estas circunstancias aparecen los

generadores de impulsos de alta tensin. Dentro de los cuales se pueden

encontrar gran variedad, destacando de manera importante el generador de

impulsos tipo Marx, creado por un ingeniero alemn en el ao 1923.

Tambin existen otras formas de generar impulsos de alta tensin,

pero cuyos circuitos son de menor flexibilidad y mayor costo, estos se utilizan

principalmente en casos especiales.

3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS

Las figuras 3-1 y 3-2 muestran dos circuitos tipo para la generacin de

impulsos. Esta figura muestra dos posibles combinaciones del circuito a analizar

[2], [3].

Figura 3-1 Circuito n 1 de generacin de impulsos

Figura 3-2 Circuito n 2 de generacin de impulsos

Antes de comenzar el anlisis, se debe mencionar que el principal valor

del generador es la mxima energa acumulada por el generador en el interior

del condensador C1, y viene dada por:

2max1 )(21

oVCW = (3-1)

Como C1 es siempre mucho mayor que C2 el primero determina el

costo del generador.

Para el anlisis se utilizar la transformada de Laplace, el modelo para

la transformada de Laplace est representado en la figura 3-3.

Para t 0, C1 est cargado a Vo y para t > 0 este condensador est directamente conectado a la red.

Figura 3-3 Modelo para transformada de Laplace

Para el circuito de la figura 3-3 la expresin viene dada por:

21

2)(ZZ

ZsV

sV o += (3-2)

Donde

11

11 RsC

Z += (3-3)

sCR

sCR

Z

22

2

2

12

+= (3-4)

Sustituyendo se encuentra la expresin para la tensin de salida del

circuito la cual est definida en la ecuacin 3-5.

bassk

VsV ++= 20 1)( (3-5)

Por la teora de la Trasformada de Laplace, la respuesta en el dominio

del tiempo la tensin de salida viene dada por:

[ ])()( 21)12(

1)( tt eekVotV

= (3-6)

donde 1 y 2 son las races de la ecuacin s2+as+b. Como se puede apreciar en la ecuacin 3-6, la tensin de salida es la

superposicin de dos funciones exponenciales y de diferente signo.

Para calcular la eficiencia del circuito se puede hacer dV(t)/dt=0, con

esto se concluye que el tiempo en el cual se produce el mximo de tensin viene

dado por:

)()/ln(

12

12max

=t (3-7)

k = R1C2 (3-8)

Realizando otros anlisis matemticos se llega a la expresin del

rendimiento del generador (ecuacin 3-9).

1

21

1

CC+

= (3-9)

La figura 3-4 muestra el grfico del rendimiento del generador en funcin de la

relacin entre los condensadores que conforman el circuito de generacin.

Se puede observar que el circuito que tiene el mejor comportamiento, al variar la

relacin entre los condensadores, es el de la figura 3-2, ya que este se comporta

de manera lineal.

Figura 3-4 Rendimiento del Generador

3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL

CIRCUITO

El camino normal de trabajo es encontrar los valores para R1 y R2 ya

que C1 y C2 son , en general, previamente conocidos [3].

Para conocer los valores de las resistencias se debe resolver el

problema de las exponenciales que gobiernan la dinmica del sistema, y stas

vienen dadas por las ecuaciones 3-10 y 3-11.

( )

+

+

+=

121

21

2

21212

411112

11CCC

CR (3-10)

( )( )

+

++

++= 121

21

2

212121

411112

12CCC

CCR (3-11)

En la tabla 3-1 se muestran los resultados de la resolucin de las

ecuaciones para algunas formas de ondas determinadas.

Tabla 3-1 Constantes para el clculo del Generador [3] T1/T2 (us)

Tcr/T2 (us)

1/1 (us)

1/2 (us)

1.2/50 ----------- 3.48 0.8

1.2/50 ------------ 68.2 0.405

1.2/200 ----------- 284 0.381

250/2500 ---------- 2877 104

----------- 250/2500 3155 62.5

Adems de todo el anlisis anterior se debe tomar en consideracin

algunos aspectos constructivos, para ello se asume una resistencia aproximada,

segn la ecuacin 3-12, de manera de asegurar la no ocurrencia de

oscilaciones.

R1 R = CL2 (3-12)

Donde

21

111CCC

+= (3-13)

3.4 SIMULACIN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA

Existen distintos valores de energa en circuitos generador de impulso,

valor que est determinado, como ya fue explicitado en la seccin 3.2 de este

documento. Asumiendo una energa de 5 kJ y una tensin de 100 kV el

condensador C1 debe tener un valor de 1 uF [2].

Con las ecuaciones 3-10 y 3-11 se pueden calcular los valores de las

resistencias necesarias para el circuito. Por lo tanto el valor de las resistencias

para una carga de 100 pF es

1 4.05R k= 2 68.193R =

El circuito utilizado en la simulacin es el mostrado en la figura 3-5. Para la

simulacin se asume que el condensador se encuentra, con anterioridad,

cargado a 100kV.

Figura 3-5 Circuito generador de impulsos

Las figuras 3-6 muestra el frente del impulso, se puede apreciar como este se

produce al momento de cerrar el esplosor, en este caso a los 10 [ms], este

tiempo debe cumplir con la norma ANSI 4-1982, analizada en el captulo 1 de

este documento, es decir, 1.2 30% [s].

Time

10.00000ms 10.00100ms 10.00200ms 10.00300ms 10.00400ms 10.00516msV(C2:1)

0V

25KV

50KV

75KV

99KV

Figura 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso.

Time

10.00ms 10.01ms 10.02ms 10.03ms 10.04ms 10.05msV(C2:1)

0V

25KV

50KV

75KV

99KV

Figura 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso.

Al igual que en la figura anterior, la figura 3-7 muestra en este caso el tiempo de

cola, el cual debe tambin cumplir con la norma.

Los tiempos de frente y cola son los siguientes:

Tiempo de frente: 1.13 s Tiempo de cola: 50.6 s

Como se puede apreciar los tiempos normalizados cumplieron a

cabalidad lo exigido por la norma ANSI 4-1982.

3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE N ETAPAS [3].

Las dificultades encontradas con el generador de impulsos de alta tensin de

una etapa son principalmente las referidas a los altos niveles de tensin que

estn involucrados en los elementos que conforman el circuito, producindose

en ellos problemas de dimensiones, efecto corona considerable altos niveles de

esfuerzos de los dielctricos en el caso de los condensadores, etc. Estos

problemas pueden hacer inaplicables el circuito de una etapa para tensiones

muy altas.

Para superar estos problemas, en 1923 E. Marx, sugiere una configuracin

especial de condensadores y resistencias, donde los primeros se cargan en

paralelo y posteriormente se descargan en serie a travs de esplosores o spark

gaps. La configuracin del circuito propuesto por E. Marx se aprecia en la figura

3-8.

El funcionamiento del generador Marx es el siguiente: Al momento de conectar

la fuente de energa continua, representada como una fuente de tensin continua

en la figura 3-8, los condensadores de carga o de etapa se comienzan a cargar a

travs de las resistencias de carga (Rc); la potencia exigida a la fuente va a

depender del valor de estas resistencias, una vez cargados todos los

condensadores se desconecta la fuente de alimentacin. En algunos casos la

fuente no es desconectada al momento de producir la descarga del generador,

pero en este caso la fuente de alimentacin del generador debe estar diseada

para soportar cortocircuitos.

Figura 3-8 Generador de impulsos tipo Marx

Para descargar el generador con la tensin necesaria en la probeta de ensayo,

se utiliza un sistema de esplosores; estos consisten en sendas esferas de cobre

de dimetro segn necesidades y nivel de tensin del generador. Estos

esplosores se cierran y conectan en serie los condensadores de etapas junto

con las resistencia de frente y cola, en la figura 3-8 R1 y R2 respectivamente.

Las ecuaciones que gobiernan este circuito son las mismas que para el caso de

los circuitos de una etapa, con la salvedad que en el caso del generador Marx

las resistencias y condensadores deben ser tomados segn el nmero de etapas

con que cuente el generador.

Las ecuaciones son las siguientes:

= n CC 1 11 `11

(3-14)

+= 111 ``` RRR (3-15)

Finalmente la resistencia efectiva de descarga, despreciando R1, viene dada

por:

== 222 `` RRnR (4-16)

Con los datos anteriores se debe agregar, adems, que el rendimiento del

generador viene dado por distintos factores y se calcula para los mismos valores

equivalentes a un circuito de una etapa.

3.6 SIMULACIN GENERADOR MARX.

Para simular un generador Marx se debe, primero, calcular los elementos que

conforman un circuito de una etapa, estos clculos se hacen con las ecuaciones

3-10 y 3-11. si se considera un circuito generador con un almacenamiento de

energa de 5 kJ por etapa y 100 kV de carga, entonces el condensador necesario

(C1) tendr un valor de 1 uF. Suponiendo, adems, una carga de 1nF entonces

las resistencias del circuito de una etapa (figura 3-2) sern:

R1 = 405.4

R2 = 68.13

Para calcular los valores del generador marx se deben aplicar las ecuaciones 3-

14, 3-15 y 3-16. segn estas los valores para las resistencias y condensadores

de etapas son tal como se muestran a continuacin.

R1 = 101.35

R2 = 17.03

C1 = 4 uF

Con los valores calculados, se puede apreciar la configuracin que tiene el

circuito en la figura 3-9, el cual es un generador Marx de 4 etapas, es decir, con

los 100 kV de carga en cada condensador, se debiese obtener, idealmente, 400

kV.

Figura 3-9 Generador Marx 4 etapas.

Las formas de onda obtenida se muestran en las figuras 3-10 a la figura 3-13.

Time

0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300msV(C1:1,C1:2) V(C4:1,C4:2)

0V

50KV

100KV

Tension de Carga Condensador 4

Tension de Carga Condensador 1

Figura 3-10 Tensin en los condensadores de etapa.

Time

290.0000ms 290.0100ms 290.0200ms 290.0300ms 290.0400ms 290.0500ms 290.0600ms289.9906msV(R14:2)

0V

100KV

200KV

300KV

374KV

Figura 3-11 Tensin de salida del generador (impulso).

Time

289.600ms 289.800ms 290.000ms 290.200ms 290.400ms 290.600ms 290.800ms289.456ms-V(R21:1,R11:1)

0V

25KV

50KV

75KV

100KV

Figura 3-12 Tensin, durante la descarga, en la resistencia de frente.

Time

290.00ms 290.02ms 290.04ms 290.06ms 290.08ms-V(R22:1,R21:2)

0V

50KV

100KV

Figura 3-13 Tensin, durante la descarga, en la resistencia de cola.

En las figuras 3-10 a la 3-13 se puede apreciar como se comporta la tensin en

los distintos elementos que conforman el generador Marx.

La primera observacin es el tiempo que toma al generador en cargar los

condensadores de etapa (Figura 3-10). Este tiempo depende de la constante que

forman las resistencias de carga con los condensadores de etapa, esto es la

constante de tiempo = Rc*Ce, donde Rc es la resistencia de carga de la etapa y Ce es el condensador de cada etapa. Al ser mayor la cantidad de energa que

puede almacenar el generador, necesariamente el condensador de cada etapa

debe ser de un valor mayor, lo que implica que la constante de tiempo aumenta lo que, a su vez, aumenta el tiempo necesario para cargar completamente el

generador. En generadores reales los tiempos necesarios para cargar los

condensadores va desde los 55 segundos, para un generador de 40 kJ, hasta

los 2 minutos para un generador de 80 kJ y 2.4 MV de salida.

En la figura 3.11 se aprecia la descarga de alta tensin en la salida del

generador, esta descarga debe cumplir estrictamente la norma Std 4-1982, la

cual est expuesta en el captulo 1 de este documento. Esta norma hace

referencia a los tiempos de frente y cola del generador, los cuales deben ser de

1.2 s de frente y 50 s de cola. En la simulacin los tiempos medidos son:

Tf = 1.15 s Tc = 49.8 s

Como se puede apreciar estos tiempos estn dentro de lo exigido por la norma y

sus tolerancias.

Para las figuras 3-12 y 3-13, las cuales representan las tensiones a las cuales

son sometidas las resistencias de frente y cola, determinan que estas

resistencias deben estar fabricadas para soportar altas tensiones, los mismos

valores exigidos a los condensadores de etapa.

Cabe destacar que la corriente exigida a la fuente de alimentacin depende

exclusivamente de los valores de las resistencias de carga, ya que el valor de

cada condensador de carga lo determina la necesidad de energa de cada

generador en particular, lo que implica que estas deben ser de un valor tal de

asegurar la limitacin de corriente y, al mismo tiempo, influir en la menor

cantidad en el rendimiento del generador.

En captulos siguientes se darn a conocer valores reales de generadores

proporcionados por la empresa Haefely.

CAPTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA

4.1 INTRODUCCIN

A continuacin se presentar el generador de 8 etapas marca Haefely modelo

SGSA 100-800, el cual se puede utilizar para hacer ensayos a distintos

dispositivos elctricos de niveles medios de potencia y tensin.

La adquisicin de este tipo de generadores acarrea una serie de gastos,

producto de los niveles de tensin a los cuales trabaja y a los altos niveles de

tecnologa que conlleva trabajar con estos elementos. Dentro de las distintos

gastos asociados a la adquisicin estn los de compra, transporte, internacin,

etc. Los cuales se vern en detalle en este captulo.

El generador Haefely SGSA es uno de una serie de generadores que ofrece esta

firma, se ha elegido este generador en particular, principalmente por las

caractersticas de trabajo, las cuales lo hacen ideal para trabajar en laboratorios

de universidades o en pequeas empresas del rubro de la Alta Tensin.

4.2 APLICACIN

4.2.1 Generalidades

El sistema de prueba de impulsos SGSA puede ser utilizado para generar

impulsos de tensiones desde 10 kV hasta 750 kV simulando, de esta manera,

descargas atmosfricas y sobre-tensiones por maniobras. El rango total de

tensin cubre desde 100 kV hasta 800 kV con una energa por etapa equivalente

a 5 kJ.

Las aplicaciones posibles estn estandarizadas de acuerdo a las normas IEC,

ANSI e IEEE y algunas de aplicacin especfica [4].

El sistema puede ser actualizado de varias maneras para pruebas especiales o

para mejoramiento de su operacin. El generador permite la incorporacin de

circuitos y componentes adicionales que sirven para optimizar las posibles

pruebas que se pueden realizar con este, dentro de las cuales se pueden

nombrar:

Transformadores de distribucin. Pequeos transformadores de potencia. Cables Descargadores Motores y generadores Aisladores Bushing Transformadores de medida

El sistema completo puede ser controlado desde una unidad central de proceso

(computador).

4.2.2 Caractersticas Principales

Tensin mxima de carga 800 kV Energa por etapa 5 kJ Disparo confiable a travs de trigatrn. Fcil operacin con sistema de control por microprocesador. Equipado con resistencias para la generacin de impulsos

tipo rayo y tipo maniobra

Dispositivo nico de tierra de proteccin Fcil reconfiguracin en caso de ser necesario Las resistencias pueden ser intercambiadas en caso de ser necesario.

Diferentes tipos de base Comunicacin entre sistemas de control y medida.

4.2.3 Rango de Operacin

La tensin mnima de salida es de 10 kV, independiente de la polaridad. Esto se

obtiene con solo una etapa del generador, las sobrantes se deben conectar en

paralelo o simplemente desconectarlas. El rango mximo de operacin,

independiente de la polaridad, es de 100 kV con las 8 etapas conectadas.

4.2.4 Condiciones Ambientales

El generador de impulsos es operativo con temperatura entre 0 C y 45 C y una

humedad relativa 95% (sin condensacin).

La temperatura permisible para el transporte y almacenamiento de los equipos

estn dentro del rango de -20 C a 60C, con una humedad relativa 95% (sin

condensacin).

Los valores estandarizados que aparecen en este documento equivalen para las

siguientes condiciones normalizadas: T = 20 C, b = 1013 mbar y RH= 80%.

Adems los valores de tensin estn calculados de manera de trabajar hasta

1000m de altura sobre el nivel del mar. Sobre esta elevacin, la tensin se

reduce en un 1% por cada 100 m.

4.2.5 Intervalo Entre Impulsos

Con una tensin de carga mxima, el mnimo tiempo de operacin del generador

entre impulsos viene dado por la tabla 4-1. Estos valores quedan definidos por

las limitaciones trmicas de los elementos, adems del nivel de tensin

alcanzado, de manera tal que si se quiere trabajar a un intervalo menor entre

impulsos solo se puede hacer con niveles menores de tensin.

4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagntica

La interferencia electromagntica es inevitable en las pruebas con impulsos de

tensin. El sistema est diseado especialmente para disminuir la interferencia

del campo elctrico por un correcto funcionamiento de los sistemas de control y

medida.

Los sistemas de comunicacin y control estn apropiadamente blindados y

aterrizados. Las entradas y salidas estn protegidas contra sobretensiones.

Los componentes del sistema estn aterrizados con material apropiado tal como

cobre trenzado o con lminas que aseguran los potenciales a tierra en niveles

seguros.

Las seales de medicin obtenidas desde la alta tensin van desde los 100 V

hasta los 1600 V de manera de asegurar una alta relacin seal/ruido.

Tabla 4-1 Caractersticas del generador Haefely SGSA

Impulso

1.2/50

Impulso

250/2500

Tensin

Mxima

Carga

Energa

Mxima

Capaci-

Tancia

Impulso

Mxima

Carga

Tensin

Max.

Salida

Mxima

Carga

Tensin

Max.

Salida

Tiempo

Entre

Impulsos

Cdigo kV kJ nF nF kV nF kV s

100-5 100 5 1000 16 90 2.7 80 40

200-10 200 10 500 12.5 180 3.2 155 40

300-15 300 15 333 10 270 3.3 230 40

400-20 400 20 250 8.5 360 3.4 305 40

500-25 500 25 200 7 445 1.7 380 40

600-30 600 30 167 6.2 540 1.7 460 40

700-35 700 35 143 5.6 630 1.7 535 50

800-40 800 40 125 5.3 700 2.3 605 55

Figura 4-1 Esquema del generador Haefely.

El esquema presentado en la figura 4-1 muestra un desglose de los distintos

componentes con que cuenta el generador Haefely, en sta se puede apreciar,

de izquierda a derecha, los siguientes componentes: Rectificador de carga, el

cual se encarga de rectificar la alta tensin alterna que proviene desde el

transformador de alta tensin. Luego se puede apreciar el generador Marx. A

continuacin el divisor de tensin, que se encarga de disminuir la tensin a

niveles tolerables para los instrumentos de medicin. Posteriormente se puede

apreciar la probeta, es decir donde se sita el elemento al cual se van a hacer

los ensayos.

Otros dispositivos que no estn individualizados en la figura 4-1, pero que

pueden ser adquiridos a parte del equipo son: resistencia shunt para la medicin

de corriente, sistema de amortiguacin para efectos inductivos, espintermetros

para la generacin de impulsos cortados, divisores de tensin con efecto de

amortiguacin rpido, etc.

Adems de los datos elctricos existen una serie de factores en la construccin,

los cuales deben ser considerados al momento de adquirir uno de estos equipos.

Entre estos factores se cuenta el recinto donde deben ser colocados los equipos,

esto es el laboratorio de alta tensin.

Dentro de las especificaciones que se exigen para la instalacin del generador

estn las referidas a reas de seguridad, estas se especifican en las figuras 4-2

y 4-3, donde se detallan las dimensiones y distancias mnimas permisibles de

manera de asegurar que los elementos que forman parte de los circuitos y

dispositivos no alteren las mediciones, la seguridad, aproximaciones, etc.

En la tabla 4-2 se muestran, entre otros, los datos que se representan en las

figuras 4-2 y 4-3.

Figura 4-2 Esquema de elevacin de trabajo.

Figura 4-3 Esquema del plano de trabajo.

Tabla 4-2 Datos de dimensionamiento generador SGSA

WW

H

1 m 1.8 m

1.15 m

1.16 m GeneradorProbeta

Divisor De Tensin Unidad

De Carga

W Min. H2

Divisor

Distancia

Segura

Muros

Alto Peso Cdigo Capaci-

tancia Resistor Altura Peso

W H1 C R H2

m m kg

pF m kg

0.2 0.9 210 CS 100-1000 1000 130 1.5 60

0.4 1.2 250 CS 200-1000 1000 130 1.5 60

0.6 1.6 308 CS 300-1000 1000 130 1.5 60

0.8 1.9 370 CS 400-1000 1000 130 1.5 60

1.0 2.3 432 CS 500-500 500 270 2.3 100

1.2 2.6 494 CS 600-500 500 270 2.3 100

1.4 3.0 556 CS 700-500 500 270 2.4 110

1.6 3.3 618 CS 800-670 670 230 3.2 150

4.3 CARACTERSTICAS

Como se puede apreciar en la tabla 4-1, existen distintas formas de configurar el

sistema de generacin, con los cuales se pueden obtener tensiones de distinto

nivel. La manera de obtener estos distintos niveles de tensin es a travs de

configuraciones distintas de los elementos del generador, estos son las

resistencias y condensadores, los cuales pueden ser conectados y

desconectados de manera de lograr la configuracin deseada para el nivel de

tensin necesario. Es as como se puede construir un generador de 1, 2, 3,

hasta 8 etapas, cuyas caractersticas particulares estn individualizadas en la

tabla 4-1.

Si se observa la tabla 4-1 el rango mnimo de carga es con el divisor de tensin

conectado -el divisor de tensin debe estar siempre conectado- y sin otro

elemento como probeta. Si se supone una configuracin del generador con 8

etapas y si se refiere a la tabla 4-1, el rango mximo de carga es de 2.3 nF, es

decir la probeta puede tener como mximo un valor de 2.3 nF, incluido el

conductor utilizado para llevar la energa hasta la probeta. Se debe recordar que

la probeta puede ser desde un aislador, una cadena de estos, transformadores,

etc. La representacin esquemtica se puede apreciar en la figura 4-4.

Adems de las capacitancias parsitas del conductor que lleva la

energa a la probeta se debe considerar la capacitancia del conductor que

energiza el divisor de tensin, en la figura 4-5 se ven en detalle todas las

capacitancias incluidas en un ensayo.

Figura 4-4 Esquema conexin Alta Tensin

Probeta

Divisor de Tensin

Figura 4-5 Distribucin de Capacitancias.

En el caso de las capacitancias parsitas de los conductores se pueden estimar

asumiendo la distribucin de campo elctrico entre un conductor y un plano, que

para el caso en particular que interesa a este trabajo el plano equivale a la tierra

de proteccin utilizada.

As, y segn la teora de campos elctricos, el valor aproximado para el caso en

particular del generador Haefely, los conductores agregaran un valor de 500 fF

cada uno a la capacitancia total, esta situacin se apreciar en detalle en la

simulacin del Generador.

Es necesario dejar en claro que en el caso de un ensayo real, las capacitancias

se miden antes de realizar la prueba y calibrar el generador.

4.4 SIMULACIN GENERADOR HAEFELY

Para simular las descargas que produce el generador haefely, es

necesario saber de antemano cuales son los valores de las resistencias y

capacitancias de los distintos componentes que conforman el generador, estos

se pueden apreciar en las siguientes figuras.

Capacitancia Conductor 1

Capacitancia Conductor 2

Probeta Divisor de Tensin

Figura 4-6 Unidad de carga

La unidad de carga est formada por todos los dispositivos necesarios para

elevar la tensin desde los 220 V hasta los 100 kV necesarios para cargar el

generador, dentro de estos dispositivos se encuentra el transformador elevador,

el puente rectificador (doblador de tensin) y el regulador de tensin. En este

caso se simul la unidad de carga como un transformador, cuyos datos fueron

tomados desde el Laboratorio de Alta Tensin de la Universidad Tcnica

Federico Santa Mara, donde se encuentra una unidad de similares

caractersticas. Adems de los dispositivos nombrados cabe destacar que el

transformador tiene caractersticas de diseo que lo hacen inmune a las

radiointerferencias, efectos capacitivos y efectos corona, todos indeseables al

momento de la realizacin de un ensayo en alta tensin. Adems, la unidad de

carga cuenta con un divisor de tensin de 100 kV con una resistencia de alta

tensin de 200 M, con el cual se toma la muestra que se lleva a la unidad central de proceso o unidad central de control que viene incluida dentro del

equipo.

Por lo tanto no es necesario para la simulacin incorporar un condensador que

simule las capacitancias parsitas a la salida de la unidad de carga.

Figura 4-7 Salida alta tensin del generador

En el caso de la salida del equipo, entindase como tal el lado de la probeta, y

todo el sistema de alta tensin de prueba y medicin, se deben tomar en

consideracin las capacitancias parsitas, tal como indica la figura 4-7, en el

caso particular de este equipo la capacitancia aproximada entre elementos

(Probeta y Divisor) es de 500 fF (fento Faradios), los que se muestran en la

figura 4-7 como C_parsita 1 y C_parsita 2, respectivamente.

Como es sabido se simular el generador con sus 8 etapas, en la figura 4-8 se

puede apreciar una seccin del generador (2 etapas) con los condensadores de

carga (125 nF), las resistencias de cola (67.65 ), las resistencias de frente (51 ) y las resistencias de carga que tienen un valor de 50 k. Esta configuracin se repite 8 veces que son las que conforman el grueso del generador Haefely.

Figura 4-8 Detalle de dos etapas del generador.

Uniendo todas las partes y corriendo el programa Pspice 9.2 para la

simulacin, la figura 4-9 muestra la tensin que se produce en la probeta, sobre

el elemento que est siendo sometido a estudio; es as como al realizar la

medicin de los tiempos de frente y cola de esta forma de onda se puede

concluir que estos tiempos se encuentran dentro de la norma ANSI 4-1982

(captulo 1) sobre ensayos en alta tensin (1.2 us y 50 us de frente y cola ,

respectivamente). Los tiempos observados en la simulacin son de 1.18 us y 48

us para tiempo de frente y cola, respectivamente.

Time

20.0100ms 20.0200ms 20.0300ms 20.0400ms 20.0500ms20.0026msV(DIVAT:1)

0V

200KV

400KV

600KV

760KV

Figura 4-9 Tensin en la probeta.

Time

20.003ms 20.004ms 20.005ms 20.006msV(DIVAT:1)

0V

200KV

400KV

600KV

760KV

Figura 4-10 Frente de la descarga

Time

0s 10s 20s 30s 40s 50s 60sV(R5:2,Ce10:2) V(Ce1_1:1,Ce1_2:2)

0V

50KV

100KV

Figura 4-11 Detalle de la carga del generador

La diferencia del valor de tensin entre los condensadores de la primera y ltima

etapa no representa problema en el funcionamiento del generador en general.

Sin embargo, en la figura 4-11, se puede concluir que el tiempo mnimo que

debe transcurrir antes de poder generar la descarga es de a lo menos 50

segundos, por lo que la simulacin del proceso de carga del generador se acerca

a lo esperado en la realidad. Este tiempo de carga se debe comparar con el

valor que aparece en la tabla 4-1.

4.5 OTROS DISPOSITIVOS

Para trabajar con el Generador Haefely, y debido a los niveles altos de

tensin, es necesario implementar una serie de medidas tendientes a disminuir

los riesgos de trabajar con alta tensin, estas medidas son las siguientes: malla

a tierra, reja de seguridad e interruptores de emergencia.

4.5.1 Malla a Tierra

La malla a tierra a la cual se conectar el sistema de prueba debe tener

una resistencia mxima de 2, de manera de asegurar una tensin de paso mnimo, adems con esta caracterstica se asegura la no ocurrencia de

oscilaciones en los componentes del sistema de alta tensin, protegiendo de

esta manera los dispositivos de posibles daos.

4.5.2 Reja de Seguridad

Para asegurar que ninguna persona va a ingresar al sector donde se

encuentra el aparato, este debe ser protegido con una reja metlica la cual debe

tener un espaciado mximo de 50 milmetros y una altura mnima de 1.8 metros.

4.5.3 Interruptores de Emergencia

En todas las puertas de acceso al laboratorio de alta tensin de deben

instalar interruptores de emergencia, los cuales permanecern cerrados si todas

las puertas del laboratorio se encuentran cerradas, en caso que una de las

puertas sea abierta el sistema ser desenergizado a travs de una unidad

central donde irn conectados los interruptores.

4.5.4 Malla de Faraday

Aunque el caso de la reja de Faraday no es de proteccin presta una utilidad

muy alta. El transformador que viene incorporado con el Generador tiene la

particularidad de utilizarse para la medicin de descargas parciales. Este tipo de

mediciones se ven altamente afectadas por las radiaciones electromagnticas de

frecuencias utilizadas en la radiodifusin, radioaficin, celulares, etc. por lo que

estas pueden llevar a errores en las mediciones, de manera de asegurar que

esto no suceda se implementa la reja de Faraday.

La reja de Faraday es una malla de metal, con un espaciado no superior a los 10

mm, la reja de Faraday debe cubrir por completo toda el rea del laboratorio

donde se realizan las pruebas, incluido el piso. Todas las uniones que forman la

malla deben estar solidamente soldadas de manera de asegurar a cabalidad la

continuidad elctrica de sta.

CAPTULO 5

ANLISIS COSTO BENEFICIO

5.1 INTRODUCCIN

En la aplicacin de un estudio econmico de la compra e

implementacin de equipos de alta tensin, es necesario adelantar algunos

conceptos utilizados en el mercado internacional.

5.1.1 Costo FOB (Free on Board)

Costo del producto instalado a bordo del buque, en el puerto de origen.

Este costo incluye los gastos de documentacin, costos financieros, gastos de

agencias de aduanas y el transporte terrestre hasta el puerto de embarque. Es el

proveedor el que se encarga de fijar este costo.

5.1.2 Costo CIF (Cost, Insurange and Freight)

Es el Costo en puerto de embarque (FOB) ms los gastos de flete

martimo, seguro y arancel en destino.

El costo CIF = FOB + 0.07*FOB + 0.02*FOB (5-1)

El arancel correspondiente al ingreso de este tipo de tecnologa desde

EEUU es nulo, debido al tratado de libre comercio que mantiene Chile con ese

pas.

Adems de los costos anteriormente citados se debe agregar los

correspondientes a manejo en aduana, que equivalen a 0.25% del costo CIF.

Existe otra opcin en la gran gama de alternativas para los ensayos en

alta tensin, este es el equipo Kit de Alta Tensin de la misma firma. La

garanta de este equipo es que en el se pueden realizar ensayos de distintos

tipos, estos son: alta tensin alterna, alta tensin continua, impulsos rayo y

maniobra y descargas parciales.

La desventaja principal del Kit Haefely de Alta Tensin, comparada

con el modelo SGSA 100-800 es que tiene una capacidad de carga menor, lo

que limita el tipo de equipo al cual se pueden realizar ensayos de impulsos.

La simulacin del Kit Haefely se encuentra en el apndice B.

A continuacin se analizarn los costos asociados a la adquisicin de

cada equipo.

5.2 COSTO DE ADQUISICIN GENERADOR MARX HAEFELY

Los costos asociados a la adquisicin de un generador Marx de 8

etapas de Marca Haefely, modelo SGSA 100-800 se muestran en la tabla 5-1.

Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800

COSTO F.O.B. U$ 240.000,00

FLETE (7% FOB) U$ 16.800,00

SEGURO (2% FOB) U$ 4.800,00

Continuacin Tabla 5-1

C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) U$ 261.600,00

ARANCEL U$ 0,00

MANEJO EN ADUANA U$ 654,00

VALOR EN FAENA U$ 262.254,00

TRANSPORTE E INSTALACIN U$ 1.000,00

COSTO TOTAL U$ 263.254,00

Como se puede apreciar el costo total de la adquisicin del equipo

generador de alta tensin asciende hasta los U$ 263.254.

5.3 COSTO ADQUISICIN KIT DE ALTA TENSIN HAEFELY

Los costos de adquisicin del kit de alta tensin haefely se puede

apreciar en la tabla 5-1.

Este equipo en comparacin con el SGSA 100-800 tiene un costo

mucho ms elevado, lo que hace imprescindible referir bien los datos y

conjeturas para que la decisin de adquisicin de un equipo u otro se base en un

anlisis completo de manera de tomar la decisin correcta, hay que recordar que

la inversin es bastante fuerte.

Tabla 5-2 Costo KIT A.T. Haefely

COSTO F.O.B. U$ 320.000,00

FLETE (7% FOB) U$ 22.400,00

SEGURO (2% FOB) U$ 6.400,00

C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) U$ 348.800,00

ARANCEL U$ 0,00

MANEJO EN ADUANA U$ 872,00

VALOR EN FAENA U$ 349.672,00

TRANSPORTE E INSTALACIN U$ 1.000,00

COSTO TOTAL U$ 350.672,00

Como se puede apreciar de la informacin mostrada en las tablas

anteriores la diferencia en la adquisicin entre un equipo y otro es bastante

significativo, del orden de los U$ 90.000, sin embargo se debe mencionar que en

el caso del equipamiento ms costoso este puede realizar un amplio nmero de

ensayos, caracterstica que no cumple el generador Marx.

5.4 EJEMPLO DE ENSAYO DE ALTA TENSIN

Existe una gran variedad de ensayos que se pueden realizar con un

generador Marx, lo ms comunes son los siguientes:

Envejecimiento

Contaminacin

Mecnicos

Aceite

Todos estos ensayos varan en su beneficio econmico segn distintos

factores, como por ejemplo fletes y seguros de transporte, asesoras, estudios

especializados, tiempos de ensayo, utilizacin de recursos humanos y

tecnolgicos, etc. por lo que como referencia el cobro por ensayos de estudio en

alta tensin pueden variar entre los U$ 5.000 y los U$ 50.000. Adems de la

variacin en los factores antes mencionados debe agregarse que la periodicidad

de la solicitud de estos servicios no es constante y por ello es difcil establecer,

en un periodo determinado, la cantidad de veces que se utilizarn los servicios

del generador.

Sin embargo, y a modo de ejemplo, se dar el detalle de un proyecto

de medicin de Critical Flashover con contaminacin en aisladores. Este

proyecto est basado en un estudio solicitado por una empresa minera para

determinar la influencia de con

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Generador de Impulso