Universidad Simn Bolvar

Departamento de Conversin y Transporte de Energa

CT5181. Laboratorio de Alta Tensin

Prof. Andrs Calzadilla

INFORME

Introdruccin al Laboratorio de Alta Tensin

Prctica #1

Autores:

Juan M. Mendoza 06-39910

Patricia Rodrguez 07-41458

Sartenejas, abril de 2015

Resumen

Por medio de la prctica se busc familiarizar al estudiante con el entorno presente en el

Laboratorio de Alta Tensin, esto abarc el espacio fsico, condiciones ambientales del lugar, las

medidas de seguridad existentes, los equipos de trabajo y los sistemas de control de cada equipo

de generacin. Se inform sobre las metodologas de trabajo en los ensayos de prueba de equipos

de Alta Tensin. Se realiz el ensayo de tensin aplicada en el Kit de 100kV, obteniendo las

ondas de tensin generada y corriente de fuga, las cuales se esperaban ver un poco distorcionadas

debido a la presencia de la carga capacitiva. Finalmente, se evidenci el fenmeno de ionizacin

en varios sistemas de aislamiento como: un aislamiento tipo pin, un seccionador de cuchilla, un

espintermetro punta placa con lmina de plexigls, entre otros, de lo cual se esper que el aire

se ionizar debido a la accin del alto voltaje aplicado, que las rupturas se produjeran en las

materiales con menor distancia con el aire, y que las lneas del campo elctrico se distribuyeran

en la supercie del electrodo.

Objetivos de la prctica

1. Destacar los bloques esenciales de todo sistema de ensayos de alta tensin, constrastar con

catlogos comerciales y con literatura cientca referente.

2. Destacar las medidas de seguridad requeridas para todo ensayo elctrico en alta tensin.

3. Evidenciar metodologas para el registro de condiciones ambientales: temperatura, presin

atmosfrica y humedad.

4. Destacar los pasos a seguir y las consideraciones esenciales que se deben tener en todo

ensayo de alta tensin, durante el proceso de aplicacin de la tensin y al nalizar.

5. Evidenciar los aspectos esenciales de los fenmenos de ionizacin y ruptura en aislamiento

elctrico.

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Anlisis de Resultados

1. Dibujar los diagramas de bloques especcos de cada uno de los sistemas de

ensayos del Laboratorio de Alta Tensin: Kit de 100kV, Sala de 200kV, rea

comn (Generador AC de 920kV, Generador de Impulsos de 2MV y Genera-

dor DC de 400kV). Emplear fotos del registro fotogrco en cada diagrama.

Para cada uno de los sistemas de ensayos del Laboratorio de Alta Tensin el diagra-

ma de bloques viene dado por la siguiente gura.

Figura 1: Diagrama de Bloque Bsico

El bloque donde se produce la generacin de la seal, esta conformado por un transforma-

dor regulador y un transformador elevador. A continuacin se muestran los diagramas de

bloque de cada uno de los sistemas de ensayos del Laboratorio.

Kit de 100kV:

Figura 2: Diagrama de Bolques: Kit de 100kV.

4

Sala de 200kV:

Figura 3: Diagrama de Bloques: Sala 200kV

Generador AC de 920kV:

Figura 4: Diagrama de bloques: Generador AC de 920kV.

5

Generador de Impulso de 2,4MV:

Figura 5: Diagrama de Bloques: Generador de Impulsos de 2,4MV

Generador DC de 400kV:

Figura 6: Diagrama de Bloques: Generador DC de 400kV.

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2. Describir la infraestructura fsica de alojamiento de cada uno de los sistemas

de ensayos del Laboratorio de Alta Tensin: Kit de 100kV, Sala de 200kV, rea

comn (Generador AC de 920kV, Generador de Impulsos de 2MV y Genera-

dor DC de 400kV). Incluir respaldo fotogrco.

Sala de Extra Alta Tensin:

Esta sala del complejo del Laboratorio de Alta Tensin se encuentra en un espacio de apro-

ximadamente 1000 m2 (38 metros de largo, 25 metros de ancho y 21 metros de altura).Alberga el generador AC de 920kV, el generador de impulsos de 2MV y el generador DC

de 400kV. Adicionalmente, contiene otros equipos de medicin y acople.

Posee un acceso de entrada y salida desde y hacia el interior de la estructura, por donde

se facilita la recepcin y retiro de equipos, componente y objetos en cuestin de ensayo.

Tambin cuenta con una gra-puente con capacidad de 15 toneladas de carga til.[2]

Sala de 200kV:

Conocido como Laboratorio de Descargas Parciales. Ocupa un rea de, aproximadamente,

70 m2 y se encuentra contiguo a la Sala de Extra Alta Tensin.

Se identican 2 reas separadas por una reja de proteccin: el rea de ensayos donde

se encuentran el equipo completo de corriente alterna de 200kV y 2A de capacidad y, el

rea donde se encuentra la Cnsola de Control y algunos equipos de medicin.[2]

Kit de 100kV:

Este equipo representa el instrumento de enseanza individual del laboratorio. Se encuen-

tra en una sala cerrada, sin ventanas, con unas dimensiones tales que superan cmodamente

las especicaciones del equipo en cuanto a requerimiento de espacio, el cual debe tener un

volumen de 30 m3 y una supercie de piso de 12 m2.

Se identican perfectamente 3 sectores en la sala: el rea comn donde se encuetra la

Cnsola de Control y los operadores se mueven sin riesgo de sufrir choque elctrico, el rea

de prueba donde se encuentran los equipos de trabajo con todas las medidas de seguridad

necesarias y, un saln donde reposan los instrumentos de medicin. [2]

3. Describir el sistema de seguridad de cada uno de los sistemas de ensayos del

Laboratorio de Alta Tensin: Kit de 100kV, Sala de 200kV, rea comn (Ge-

nerador AC de 920kV, Generador de Impulsos de 2MV y Generador DC de

400kV). Incluir respaldo fotogrco.

Sala de Extra Alta Tensin:

Esta sala posee una vitrina de seguridad que separa el rea de ensayos del personal presen-

te en el sitio. La misma contiene las mesas de control de los equipos de generacin de la sala.

Las puertas de acceso poseen un sistema de interrupcin del suministro de energa elctrica

a los equipos de la sala, similar al que se muestra en la gura 8, que acta en caso de que

las mismas sean abiertas de forma no programada, provocando las suspensin inmediata

de cualquier ensayo que se est realizando en el momento. A su vez, si la puerta se encuen-

tra abierta, dicho sistema de interrupcin de energa no permitir energizar los equipos de

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generacin a menos que, bajo riesgo de los operadores, se inutilice el sistema de seguridad

accionando el suiche de la gura 8.

Sala de 200 kV:

En esta sala se encuentra una reja de seguridad que separa los dos ambientes descritos an-

teriormente (ver gura 7). La misma se encuentra al potencial de tierra y posee una puerta

de acceso que, al mantenerse abierta, bloquea el sistema de energizacin de la cnsola de

control del equipo de 200kV. A su vez, dicha puerta posee un sistema de interrupcin del

suministro elctrico como se ve en la gura 8, que tiene la funcin de suspender el sumi-

nistro de energa elctrica en caso de ser abierta durante la realizacin de algn ensayo

de prueba. El suiche de la gura permite desactivar el sistema de bloqueo del suministro

elctrico para hacer pruebas con la reja abierta.

Figura 7: Reja de seguridad.

Figura 8: Sistema de Interrupcin de energa elctrica con suiche de bypass

Kit de 100 kV:

Esta sala, as como las anteriores, posee un elemento de separacin entre el rea de ensayo

y la zona segura para el personal. Dicho elelemento es una reja como se muestra en la

gura 9 y que se encuentra conectada al sistema de tierra del complejo. Tambin posee

una puerta de acceso al rea de ensayo con el mismo sistema de seguridad descrito para

la Sala de 200kV y la Sala de Extra Alta Tensin.

8

Adicionalmente, este kit de trabajo posee una prtiga de tierra (ver gura 10) que puede ser

manipulada por los operadores presentes. Permite descargar cualquier tensin remanente

en el cicuito de ensayo antes de que sea alterada su topologa.

Figura 9: Reja de seguridad.

Figura 10: Prtiga de tierra.

4. Investigar en el manual del Kit de 100kV MESSWANDLER BAU del Labora-

torio de Alta Tensin: su funcionalidad, sus especicaciones tcnicas, el diagra-

ma de su circuito elctrico, las caractersticas de su transformador elevador de

100kV, las caractersticas de sus resistencias y capacitancias, y la descripcin

bsica de sus instrumentos de medicin incluyendo el espintermetro.

De acuerdo al manual del Kit de 100 kV del Laboratorio de Alta Tensin [1], tiene como

funcin servir de equipo para pruebas en alto voltaje, permitiendo la generacin de tensin

en AC, DC o impulsos hasta un tope de 260 kV con potencia de salida alrededor de los 5

kVA.

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Las especicaciones tcnicas de trabajo, segn el tipo de tensin generada, se presentan

en la siguiente tabla

Tabla 1: Especicaciones de trabajo en tensin y potencia de salida. [1]

Tensin generada Una estapa Doble etapa

Voltaje AC 100 kV/5 kVA 200 kV/5 kVA

Voltaje DC 100 kV/5 mA 200 kVA/5 kVA

Impulso 130 kV/85 Ws 260 kV/170 Ws

El equipo como un todo, posee el esquema de circuito elctrico que se presenta en la gura

11.

Figura 11: Diagrama del circuito elctrico [1]

El Kit posee un transformador elevador como el de la gura 12, sumergido en aceite tipo

TEO 100/10. Tanto la base como el tope son de aluminio fundido y este ltimo sirve de

electrodo de salida.

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Figura 12: Transformador elevador de 100 kV[1]

El ncleo de hierro se encuentra suspendido entre las dos tapas del cilindro y las bobi-

nas estan enrolladas a cada lado del ncleo. La bobina elevadora est compuesta por un

arrollado de acoplamiento de baja tensin la cual es usada como fuente de exitacin para

otro transformador en conguracin cascada. Las especicaciones tcnicas del equipo se

presentan en la gura 13.

Figura 13: Hoja de datos del transformador elevador de 100 kV[1]

Este equipo posee una gran cantidad de componente adicionales de naturaleza resistiva

y capacitiva, entre otros, los cuales permiten armar un circuito elctrico acorde con la

necesidad del momento. Estos componentes estn construidos con unas dimensiones tales,

que se tiene una distancia de separacin centro a centro de: 750 mm horizontalmente y

650 mm verticalmente.

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Capacitancias: construidos con lminas metlicas en paralelo e impregnadas en acei-

te, encapasuladas al vaco en un contenedor cilndrico de 110 mm de dimetro. Segn el

uso al que estn destinados pueden tener un soporte de tensin entre 100 kV y 140 kV con

una capacitancia que va desde los 100 pF hasta los 10000 pF.

Resistencias: de manera similar a las capacitancias, las resistencias estan encapsula-

das en cilindros de 110 mm de dimetro. Algunas tiene ranuras de ventilacin para ayudar

a la disipacin del calor, mientras que otras estn completamente selladas para mantener

aislado el aceite del contacto con el ambiente. El valor nominal oscila entre 290 y los 25500

. Independientemente del uso que se les den, la tensn mxima de soporte ser de 140 kV

Los equipos de medicin desarrollados para este equipo fueron diseados para ser pe-

queos en tamao, econmicos, fciles de usar y con una precisin en la medida igual o

menor al 2%5. Presentar el registro realizado durante la Actividad 2 de las condiciones am-

bientales del Laboratorio de Alta Tensin y describir la metodologa empleada

en cada medicin.

Para registar las condiciones ambientales del Laboratorio de Alta Tensin, se utilizaron

los instrumentos que se muestran en la gura 14.

Figura 14: Instrumentos para medicin de las condiciones ambientales del Laboratorio de Alta

Tensin.

La temperatura y la presin se registraron haciendo uso del termmetro y el barmetro,

respectivamente; mientras que para registrar la humedad (absoluta, relativa) se hizo uso

del psicmetro que se muestra en la gura 14, a travs del cual se registraron dos valores:

Tabla 2: Mediciones obtenidas con el Psicmetro

Bulbo Seco (F) Bulbo Humedo (F)

80 72

12

Con estos valores y los de temperatura y presin obtenidos se pudo acceder a las Tablas

Psicomtricas, de las cuales a travs de varias interpolaciones se obtuvo los valores de la

humedad absoluta, humedad relativa y temperatura de roco del Laboratorio de Alta Ten-

sin. Estos ltimos fueron vericados con los datos proporcionados por la pgina ASHRAE

Dayton Chapter, dandonos un error menor al 3% , por ello los valores reportados en el

presente informe son los obtenidos en la mencionada pgina.

Tabla 3: Condiciones Ambientales del Laboratorio de Alta Tensin

Temperatura Presin Atmosfrica Humedad Absoluta Humedad Relativa Temperatutra de Roco

25C 80,6F 667,6 mmHg 26,28 inhHg 17,50

gm369,40% 20,6C

6. Dibujar las formas de onda de tensin y corriente registradas durante la Acti-

vidad 3. Incluir la medida del microampermetro empleado.

Para realizar el ensayo de tensin aplicada, se procedio a aplicar 10kV con el Kit de

100kV de acuerdo al circuito que se muestra en la Figura 15.

Figura 15: Circuito para el ensayo de tensin aplicada de 10kV.de tensin.[3]

Etapa previa:

Primeramente, procedemos a obtener la tensin de ruptura del equipo, con el n de evitar

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futuros daos en los equipos. Para obtener esta tensin, se procedio a colocar una resis-

tencia de 10M, la cual se utiliza para cuidar trmicamente al transformador, y evitarque cagan en los instrumentos de medicin corrientes muy elevedas. Finalmente se pro-

cedio a hacer fallar el montaje realizado , y se obtuvo que la Tensin de ruptura es: 24,75kV

Calculo de la Resistencia

Observando el montaje de la gura 15, para realizar la prueba es necesario determinar

el valor de la resistencia que se encuentra conectada al microamperimetro y al espinter-

metro. Sabiendo que en el divisor de voltaje caen 10kV y que el factor de conversin es de4870, se procedio a medir la corriente de fuga: 25,62A. Sabiendo el valor de la corrientede fuga, pudimos calcular el valor de la Capacitacin C = 6, 796pF .

Para dicho valor de Capacitancia y Corriente de fuga y manteniendo V= 1V la resis-

tencia a utilizar es R = 39k

Ensayo de Tensin Aplicada de 10kV

Finalmente procedemos a realizar la prueba, siguiendo el circuito de la gura 15, el mon-

taje nal se muestra a continuacin.

Figura 16: Montaje para el ensayo de tensin aplicada de 10kV

Los resultados obtenidos son:

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Figura 17: Forma de Onda de Tensin. Ensayo de tensin aplicada

Figura 18: Forma de Onda de Corriente. Ensayo tensin aplicada.

La corriente de fuga, I = 24, 88A, es diferente a la registrada anteriormente, sin embargolos resultados obtenidos son aceptables ya que hay un error menor a 1%.

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7. Presentar el registro fotogrco de la Actividad 5, indicando el registro tensin

realizado y destacando los fenmenos de ionizacin y ruptura presenciados.

Expintermetro con conguracin punta-placa con una lmina de plexigls suspendi-

da en aire entre los electrodos: a continuacin se muestra el montaje realizado para

observar las lneas del Campo elctrico en la lmina de plexigls y determinar la ten-

sin de ruptura. Para esta conguracin no hubo ruptura, a pesar de que se le aplico

83,33kVpico y exista una separaicin de 20mm.

Figura 19: Montaje Espnterometro con conguracin punta placa con lmina de plexigls.

El fenmeno no se pudo registrar fotogracamente debido a la poca resolucin de las

cmaras utilizadas.

Lmina de plexigls pero empleando el chispmetro AR Modelo 4501 en conguracin

punta-punta:

Cuando se aplico tensin de 35kV en el medio de la lmina no hubo ruptura en la

conguracin. En cambio cuando se aplico tensin en el borde de la lmina la ruptura

ocurrio a V = 29kV/2. Las lneas de campo se pueden observar en la siguiente gura.

Figura 20: Lneas de Campo distribuida en la lmina de plexigls a 35kV.

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Aislador de lnea tipo pin, bajo ruptura:

La gura 21 muestra el montaje realizado. Para dicha conguracin la tensin de

ruptura es: V=83,33kVpico. La distancia del conductor al plano de tierra es 23cm.

Figura 21: Montaje Aislador de linea lnea tipo pin

8. Registro realizado durante la Actividad 4, tensin inducida en un seccionador

de media tensin.

Aplicando tensin en un lado de la cuchilla del seccionador y midiendo tensin del otro

lado, la tensin de la fuente necesario para alcanzar 2kV en el electrodo otante es

Vruptura = 38, 33kV pico yVruptura = 27, 11kV rms. El montaje de esta conguracin es elque sigue.

Figura 22: Montaje para inducir tensin en un seccionador de media tensin.

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Conclusiones

1. Los sistemas de ensayos de alta tensin del Laboratorio estan conformador por cinco blo-

ques esenciales: el primer bloque de generacin (conformado principalmente por el trans-

formador elevador y el transformador regulador) seguido por el o los acoplamientos de

medicin y el objeto de prueba, estas primeras etapas se encuentran aisladas por seguri-

dad, fuera de estos encontramos los instrumentos de medicin y la consola de control.

2. Para llevar a cabo y durante los ensayos de alta tensin debemos estar pendiente de las

medidas de seguridad para evitar daos a los equipos y a nosotros mismos, entre estas

medidas destacan: los suiches de las puertas ubicados en cada una de las salas, por medio

de los cuales se interrumpe el suministro de energa elctrica en caso de ser abierta la

puerta durante la realizacin de algn ensayo de prueba, los colores verde y rojo de los

botones de las consola de control, que nos indican verde-se puede pasar y rojo- no pasar.

Adems, antes de tocar cualquier equipo de la conguracin debe colocarse siempre a

tierra el sistema a travs de un contacto elctrico directo (en el caso del Kit de 100kV por

medio de una prtiga).

3. El registro de las condiciones digitales fuern realizadas slo por instrumentos analgicos:

psicrmetro (Tablas psicrmetricas), barmetro y termmetro no se pudo realizar el cons-

traste de las metodologas. Sin embargo, observamos que las condiciones registradas con

los instrumentos son muy similares a los datos ofrecidos por la pgina ASHRAE Dayton

Chapter, se registra un error menor al 3%, por lo que estos ltimos sern los tomados en

las futuras prcticas, para evitar calculos engorrosos y evitar prdida de tiempo.

4. Durante la aplicacin de tensin debemos ubicarnos en la consola de control de forma

adecuada, de manera que, cuando aplicamos tensin gradualmente a la conguracin de-

bemos colocar la otra mano sobre el botn de seguridad de la consola, el cual nos permite

apagar de golpe el sistema en caso de alguna eventualidad. Adems, para ingresar a la

zona con la conguracin debemos percatarnos de los colores presentes en la consola y

una vez adentro debemos llevar a tierra el sistema para evitar cualquier dao al personal.

Durante el montaje debemos aseguranos de que exista continuidad entre los equipos.

5. Luego de realizarse la ruptura entre dos electrodos, se percibe la ionizacin del aire en

presencia del alto voltaje durante la prueba, pues se observo que las lmparas de la sala

buscaban prenderse an cuando el suiche de las mismas estaban en o, incluso luego de la

prueba el ambiente queda ionizado, pudiendose oler el ozono presente. Se pudo escuchar

el efecto corona, en aquellos casos que no se percibio ruptura y en los casos que hubo

ruptura pudimos observar las descargas parciales, especialmente en el caso del aislador

tipo pin observamos como la descarga viajaba a travs de la supercie. Adicionalmente

se pudo constatar que las lneas de campo se distribuyen en la supercie del electrodo, la

cual entre mayor sea, mayor ser la tensin de ruptura de la conguracin.

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Bibliografa

[1] Messwandler-Bau GMBH BAMBERG. High Voltage Construction Kit. Alemania.

[2] Laboratorio A: Laboratorio de Alta Tensin de la Uniersidad Simn Bolvar. Disponible en:

http://www.laba.usb.ve/alt/investigacion.htm.

[3] USB. Prctica 1: Introduccin al laboratorio de alta tensin. Gua de Laboratorio de Alta

Tensin, 2014.

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