INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Brand… · “ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE EMISIONES...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” ZACATENCO “ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE EMISIONES ELECTROMAGNÉTICAS POR DESCARGAS PARCIALES” REPORTE TÉCNICO Que para obtener el título de: Ingeniero Electricista Presenta: C. Omar Brandon Macías Rivera Asesores: Ing. Roberto Linares y Miranda Ing. José Luis Delgado Mendoza México, Ciudad de México Abril, 2018
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
ZACATENCO
“ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE EMISIONES
ELECTROMAGNÉTICAS POR DESCARGAS
PARCIALES”
REPORTE TÉCNICO
Que para obtener el título de:
Ingeniero Electricista
Presenta:
C. Omar Brandon Macías Rivera
Asesores:
Ing. Roberto Linares y Miranda
Ing. José Luis Delgado Mendoza
México, Ciudad de México Abril, 2018
ÍNDICE
CAPÍTULO I. ............................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
1.1 Planteamiento del problema ............................................................................... 1
1.2 Objetivo general .................................................................................................. 2
1.2.1 Objetivos particulares ...................................................................................... 2
1.3 Justificación ........................................................................................................ 3
1.4 Alcance ................................................................................................................. 4
1.5 Antecedentes ....................................................................................................... 5
CAPÍTULO II. .............................................................................................................. 8
AISLAMIENTO Y DESCARGAS PARCIALES ........................................................... 8
2.1 Aislamiento eléctrico ................................................................................... 8
2.1.1 Propiedades de los materiales aislantes ............................................. 8
2.1.1.1 Rigidez dieléctrica ......................................................................................... 8
2.1.1.2 Constante dieléctrica .................................................................................. 10
2.1.1.3 Pérdidas dieléctricas ................................................................................... 11
2.2 Clasificación de aislantes ................................................................................. 11
2.2.1Clasificación de materiales aislantes por su estado .................................... 11
2.2.2 Clasificación de aislamientos por su uso .................................................... 12
2.2.3 Clasificación de aislamientos por sus características................................ 13
2.3 Campos eléctricos ............................................................................................ 13
2.3.1 Campos eléctricos uniformes ....................................................................... 13
2.3.2 Campos eléctricos no uniformes .................................................................. 15
2.3.2.1 Arreglos concéntricos cilíndricos y esféricos .......................................... 15
2.3.2.2 Cilindros y esferas: arreglos gemelos y conductores encima de una
superficie plana ....................................................................................................... 15
2.4 Campos magnéticos ......................................................................................... 16
2.5 Descargas Parciales ......................................................................................... 16
2.5.1 Descarga disruptiva y Descarga Parcial ...................................................... 17
2.5.2 Causas y efectos de las Descargas Parciales ............................................. 18
2.5.3 Clasificación de Descargas Parciales .......................................................... 18
2.5.3.1 Descargas Parciales internas ..................................................................... 18
2.5.3.2 Descargas Parciales corona ....................................................................... 20
2.5.3.3 Descargas Parciales superficiales ............................................................. 20
2.5.4 Circuito equivalente de una Descarga Parcial ............................................. 21
CAPÍTULO III. ........................................................................................................... 24
CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS. ............................................................... 24
3.1 Antenas .............................................................................................................. 24
3.1.1 Tipos más comunes de antenas ................................................................... 25
3.2 Parámetros generales de antenas en transmisión ......................................... 26
3.2.1 Impedancia ...................................................................................................... 26
3.2.2 Intensidad de radiación ................................................................................. 27
3.2.3 Diagrama de radiación ................................................................................... 27
3.2.4 Polarización .................................................................................................... 28
3.2.5 Directividad ..................................................................................................... 28
3.2.6 Ganancia ......................................................................................................... 29
3.2.7 Ancho de banda ............................................................................................. 29
3.3 Parámetros generales de antenas en recepción ............................................ 30
3.3.1 Teorema de reciprocidad o de Lorentz ......................................................... 30
3.3.2 Adaptación ...................................................................................................... 30
3.3.3 Área y longitud efectiva ................................................................................. 31
3.3.4 Factor de antena ............................................................................................. 32
3.4 Selección de antena .......................................................................................... 32
3.4.1 Antena Monopolo ........................................................................................... 32
3.4.2 Dipolo .............................................................................................................. 33
3.4.3 Antena de lazo ................................................................................................ 34
3.4.4 Antena helicoidal ............................................................................................ 34
3.4.5 Antena de corneta .......................................................................................... 35
3.4.6 Antenas tipo parche ....................................................................................... 36
3.4.7 Arreglo de antenas ......................................................................................... 37
3.4.8 Antena log-periodic (logarítmico-periódica) ................................................ 37
3.4.9 Antena bicónica - híbrida logarítmico periódica ......................................... 38
Capítulo IV. ............................................................................................................... 41
MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES EN AMBIENTES CONTROLADOS. ... 41
4.1 Normatividad de Descargas Parciales............................................................. 41
4.2 Medición de Descargas Parciales .................................................................... 42
4.2.1 Métodos de detección de Descargas parciales ........................................... 42
4.2.1.1 Métodos eléctricos ...................................................................................... 42
4.2.1.2 Métodos no eléctricos ................................................................................. 42
4.2.2 Tipos de medición de Descargas Parciales ................................................. 43
4.2.2.2 Medición Descargas Parciales fuera de línea ........................................... 43
4.2.2.1 Medición de Descargas Parciales en línea ................................................ 43
4.2.3 Medidas convencionales de Descargas parciales ...................................... 44
4.2.3.1 Circuito directo de detección ..................................................................... 44
4.2.3.1 Circuito indirecto de detección .................................................................. 45
4.2.4 Medidas no convencionales de Descargas parciales ................................. 46
4.2.4.1 Pruebas de emisiones radiadas ................................................................. 46
4.3 Celdas de ensayo para simular Descargas Parciales .................................... 47
4.3.1 Spark gap ........................................................................................................ 48
4.3.2 Arreglo de electrodos .................................................................................... 48
Capítulo V. ................................................................................................................ 50
EXPERIMENTACIÓN ............................................................................................... 50
5.1 Sistema de medición de Descargas parciales utilizado................................. 50
5.1.1 Componentes del sistema de medición en condiciones normales ........... 50
5.1.2 Ubicación de los componentes en el sistema de medición en condiciones
normales. ................................................................................................................. 52
5.1.3 Componentes del sistema de medición, humedad y temperatura mayores.
.................................................................................................................................. 54
5.1.4 Ubicación de los componentes en el sistema de medición, humedad y
temperatura mayores. ............................................................................................. 55
5.2 Medición en condiciones normales ................................................................. 56
5.2.1 Emisiones obtenidas en condiciones normales condiciones normales ... 56
5.2.2 Cálculo de intensidad de campo eléctrico para condiciones normales .... 58
5.3 Medición en condiciones de humedad y temperatura mayores. .................. 59
5.3.1 Emisiones obtenidas en condiciones mayores de humedad y temperatura.
.................................................................................................................................. 60
5.3.2 Cálculo de intensidad de campo eléctrico para condiciones mayores de
humedad y temperatura .......................................................................................... 64
Capítulo VI. ............................................................................................................... 65
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES ................................................. 65
6.1 Análisis de resultados ...................................................................................... 65
6.1.1 Mediciones en condiciones normales .......................................................... 65
6.1.2 Mediciones en condiciones mayores de humedad y temperatura ............ 68
6.2 Conclusiones ..................................................................................................... 72
Referencias .............................................................................................................. 74
Índice de imágenes ................................................................................................. 78
Índice de tablas ....................................................................................................... 81
Abreviaturas ............................................................................................................ 82
Anexo A
Apéndice A
1
CAPÍTULO I.
INTRODUCCIÓN
1.1 Planteamiento del problema
Muchos de los equipos que se encuentran en centrales de distribución llevan más de
20 años operando, por lo que la posibilidad de que ocurra una falla aumenta. Estos
equipos no se cambian de manera continua ya que esto tiene un costo elevado que
las empresas no consideran viable, así que un mantenimiento correcto del equipo es
lo más adecuado.
El desgaste en el aislamiento de los equipos puede conducir a que se presenten
estos fenómenos de descargas parciales y con el tiempo causar una ruptura en el
mismo, pero estas descargas emiten una radiación electromagnética que puede ser
detectada para poder corregir el problema a tiempo. Estas radiaciones
electromagnéticas deben de ser tomadas en cuenta no solo para el mantenimiento
de los equipos, sino también para equipos electrónicos que se encuentren cercanos
de donde el efecto de DP’s que se estén presentando, ya que estas emisiones
pueden bajar su desempeño o inclusive impedir su funcionamiento, y si estos son
utilizados en la comunicación de datos para el monitoreo y desempeño de la central
no deben de ser afectados, ya que son de gran importancia para mantener la
continuidad del servicio de energía eléctrica. Se debe de tener una adecuada
Compatibilidad Electromagnética, para que ningún equipo sea afectado por
emisiones externas.
El no corregir el problema presentado en los equipos en el momento adecuado
puede llevar a fallas considerables en los equipos y además afectar a las personas.
Al ocurrir una falla en equipos de centrales de distribución, conduciría a no tener un
suministro de la energía por algún tiempo o a tener un servicio de mala calidad, pero
lo más importante es el personal y los usuarios, ya que, estas son la prioridad.
2
1.2 Objetivo general
Analizar el espectro de frecuencias de las ondas electromagnéticas radiadas,
generadas por descarga eléctrica como estudio básico para desarrollar una técnica
de diagnóstico en línea, para equipos eléctricos instalados en centrales de
distribución.
1.2.1 Objetivos particulares
- Identificar un rango adecuado de frecuencia en el que las Descargas Parciales
ocurren para su posterior detección.
- Proponer un tipo de antena adecuada para la medición en el rango de frecuencias
propuesto.
- Simular el efecto de Descarga Parcial para el análisis de emisiones
electromagnéticas.
- Explicar los efectos y/o problemas que pueden causar las emisiones
electromagnéticas radiadas por descargas parciales en equipos eléctricos y
electrónicos.
3
1.3 Justificación
Las investigaciones sobre técnicas de diagnóstico para equipos de energía han sido
activadas durante mucho tiempo para lograr fuentes de alimentación altamente
estables. Las principales causas de fallas en los equipos ubicados en centrales de
distribución son la ruptura del aislamiento y malas conexiones que se manifiestan por
el fenómeno de DP’s, los cuales son causados por tensiones eléctricas, efectos
térmicos y químicos; todo esto está estrechamente relacionado con el rendimiento y
la vida útil de los equipos. Además de que una falla en estos equipos puede provocar
accidentes al personal que lo opera o al usuario. Esto define la importancia de
conocer las frecuencias que emite dicho fenómeno.
4
1.4 Alcance
En este trabajo, se hace un análisis de emisiones electromagnéticas, que son
causadas por las DP’s. Tomando esto en cuenta se hacen también experimentos y
simulaciones para observar el comportamiento de estas descargas.
Se presenta un análisis de los resultados obtenidos por experimentos que se
realizaron y se explican los posibles efectos que las emisiones electromagnéticas
pueden causar en los equipos ubicados en centrales de distribución. El estudio de
DP’s tiene ciertas bases de acuerdo con normas y diversas investigaciones que se
han dado, además que se tienen diferentes tipos de medición para estas. En este
proyecto se desarrolla una técnica de diagnóstico en línea para la detección de DP’s
que se tendrá como propuesta.
Los experimentos se realizaron en el laboratorio de Compatibilidad Electromagnética
de la sección de posgrado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad profesional Adolfo López Mateos (ESIME Zacatenco), con equipo que este
cuenta.
Como se mencionó, este trabajo no se enfoca a un equipo eléctrico en especial,
como puede ser un transformador, motor, celdas de media tensión, interruptores,
entre otros, ya que lo que se pretende es el análisis de emisiones electromagnéticas
por DP’s, su interpretación y aportar una técnica de diagnóstico en línea. En futuros
trabajos se puede tomar en cuentan el análisis hecho del espectro electromagnético
y sus implicaciones para poder construir equipos que puedan ser utilizados en campo
en mediciones enfocadas a equipos eléctricos como los ya mencionados, ya que se
cuenta con las bases de las pruebas realizadas en laboratorio de este trabajo.
5
1.5 Antecedentes
Los equipos eléctricos de potencia son de gran importancia para mantener la
continuidad del servicio de energía eléctrica, si alguno de estos equipos falla el
tiempo y costo de reparación es muy elevado. Por lo que técnicas de mantenimiento
preventivo son de vital importancia en estos equipos.
Hay diversos procedimientos de detección de DP’s que se han desarrollado a lo largo
del tiempo, cada vez considerando un rango mayor de frecuencias conforme estos
procedimientos evolucionan y considerando emisiones electromagnéticas externas,
ajenas al propio efecto de DP’s, en el análisis de este fenómeno.
Los inicios del reconocimiento de las DP’s, se remontan al año de 1777, donde
Lichtemberg reportó resultados novedosos de estudios experimentales; durante una
sesión de la Real Sociedad en Göttingen. Utilizando el “Elektrophor” de Volta, este
instrumento mostraba fantásticas figuras de polvo, semejantes a estrellas y círculos.
Transcurrieron más de 100 años hasta que se aclaró, que las figuras de polvo
representaban descargas en superficies dieléctricas, apareciendo como canales de
descargas eléctricas (Carvajal Martínez, 2003, pág. 2).
El primer instrumento de medición utilizado para la detección eléctrica de DP’s, fue el
puente de factor de pérdidas aplicado por Schering, desarrollado en 1919 y aplicado
para este propósito en 1924. Un año después en 1925 Schwaiger reconoce las
características de radio frecuencia de las descargas corona (Carvajal Martínez, 2003,
pág. 3).
En 1928, Lloyd y Starr utilizan dos pares de placas de deflexión perpendiculares en
el interior del tubo de Braun para la visualización de eventos de DP. Un par fue
sometido a la tensión de prueba instantánea, mientras que el otro par se conectó a
un condensador, que se utiliza para la acumulación de carga de Corona Generada.
Este enfoque temprano, llamado el Método del Paralelogramo, permitió una
excelente medición de banda ancha en líneas aéreas de transmisión. Ese mismo
año, Byrstly introdujo un circuito equivalente para la evaluación de las pérdidas de
DP bajo condiciones de C.A. (Contreras Carrillo, 2016, pág. II).
6
En las primeras etapas, un progreso esencial en el desarrollo de detectores sensibles
de DP, se logró debido a la aplicación de amplificadores de banda agosta, basados
en circuitos resonantes tal como lo reportó Arman y Starr en 1936 (Carvajal Martínez,
2003, pág. 3).
El primer intento exitoso para medir DP’s en línea fue un sistema desarrollado por
J.S. Johnson, utilizado para detectar descargas en las ranuras de motores y
generadores en 1951. Las descargas parciales eran detectadas como pulsos de
voltaje en el neutro del generador, tratadas con un filtro pasa-banda y desplegadas
en un osciloscopio. Esta técnica tenía el serio inconveniente de que el
reconocimiento y discriminación de las DP’s enmascaradas por el ruido
electromagnético, la cual dependía de la habilidad de un experimentado observador
(Hernández Berber, 2008, pág. 10).
En 1954 se tuvo disponible comercialmente el primer detector de DP portátil
diseñado por Mole (Carvajal Martínez, 2003, pág. 3).
En 1966 Bailey estimó la duración de pulsos originados en cavidades de dieléctricos
sólidos, encontrando duraciones del orden de nanosegundos (Carvajal Martínez,
2003, pág. 3).
Algunas mediciones en laboratorio bajo condiciones controladas de interferencia
demostraron que las formas de onda de la corriente producida por las DP’s pueden
alcanzar frentes de corta duración, del orden de 0.7ns, lo cual equivale a frecuencias
cercanas a 1 GHz (Azcárraga Ramos, 2004, pág. 5).
En los años 70’s, empezaron a utilizarse las técnicas de radio frecuencia (RF) para
detectar DP’s en hidrogeneradores y turbogeneradores por medio de un
Transformador de Corriente (TC) de alta frecuencia instalado en el neutro del
generador (Hernández Berber, 2008, pág. 10).
En 1973 Okamoto reportó la supresión del ruido en el caso de pruebas de DP en
transformadores de 500 kV. Así también en 1975 Black presentó un sistema para la
discriminación de pulsos para la detección de descargas en ambientes ruidosos
(Carvajal Martínez, 2003, pág. 3).
7
En los 80’s, los detectores de descargas parciales, disponibles comercialmente,
utilizaban solamente un ancho de banda de medición en frecuencias menores a 1
MHz. Mediciones prácticas llevadas a cabo por Fujimoto y Boggs en 1981 y por
Boggs y Stone en 1982, mediante la utilización de la técnica de osciloscopios de alta
velocidad con un ancho de banda de hasta 1 GHz, confirmaron la duración de pulsos
originados en cavidades de dieléctricos sólidos (Carvajal Martínez, 2003).
La aparición de las computadoras personales en los 80’s y su uso intensivo en los
90’s rápidamente influenciaron el enfoque en el área de análisis de la distribución de
pulsos de las descargas, principalmente en lo que respecta a los sistemas de
medición, ya que estos cambiaron de sistemas con instrumentación basada en
hardware a sistemas con técnicas basadas en software (Carvajal Martínez, 2003,
pág. 4).
En el moderno diagnóstico de las DP’s, no solo los pulsos individuales de DP son de
interés. Mucha información puede ser obtenida por los también llamados patrones de
DP’s (Partial Discharge Pattern Analysis, PDPA) (Contreras Carrillo, 2016, pág. II).
Se tomarán en cuenta trabajos anteriores basados en el método de medición
convencional para el desarrollo del presente trabajo, pero también trabajos como el
de Yorgo Psonis Sánchez, Dae-Won Park, Gyung-Suk Kil, Sang-Gyu Cheon, Sun-
Jae Kim, Hyeon-Kyu Cha, y otros autores más que se enfocan en métodos más
actuales de medición de DP’s, más en específico los que detectan las emisiones
electromagnéticas radiadas por este fenómeno.
8
CAPÍTULO II.
AISLAMIENTO Y DESCARGAS PARCIALES
2.1 Aislamiento eléctrico
En los equipos eléctricos ubicados en centrales de distribución tales como
transformadores, celdas eléctricas de media tensión, interruptores, transformadores
de potencial (TP’s), transformadores de corriente (TC’s), entre otros, tienen
diferentes medios aislantes. La calidad de los aislamientos y el envejecimiento de
estos, hace que se generen DP’s que pueden causar daños.
Un aislante eléctrico es un material con baja capacidad de conducción, esto implica
que tenga una resistencia eléctrica muy elevada, “la circulación de corriente de fuga
o de paso a través de ellos es muy débil, el nivel de aislamiento no es siempre
absoluto” (Saguay Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 20). Idealmente no tienen que
conducir corriente eléctrica, pero todos tienen un punto o valor en el que llegan a
conducirla, así que si se quiere utilizar un aislante se debe tener en cuenta los
parámetros de corriente y tensión que se tienen en el conductor o medio a aislar.
2.1.1 Propiedades de los materiales aislantes
2.1.1.1 Rigidez dieléctrica
La rigidez dieléctrica de un material es conocida, como el máximo gradiente de
potencial que puede soportar el mismo, sin que llegue a producirse una descarga
disruptiva, antes de que se produzca su destrucción por perforación, sin que llegue a
una degradación física de sus propiedades aislantes (Saguay Tacuri & Torres
Cuenca, 2011, pág. 27).
En la tabla 1 se muestran valores de rigidez dieléctrica para algunas substancias.
9
Tabla 1. Valores de rigidez dieléctrica para algunas substancias (Enríquez Harper,
1978, pág. 105).
SUBSTANCIA
Rigidez dieléctrica
kV/cm Volt/m
Aire 30 3 x 106
Aceite 300 30 x 106
Baquelita 250 25 x 106
Caucho 210 21 x 106
Ebonita 200 20 x 106
Mica 2000 200 x 106
Papel 400 40 x 106
Vidrio 300 30 x 106
Parafina 400 40 x 106
Porcelana 300 30 x 106
También existe la rigidez dieléctrica superficial cuando la tensión se aplica entre dos
puntos de la superficie del aislante. En este caso la rigidez dieléctrica es el cociente
entre la tensión de perforación y la distancia entre los electrodos (que se colocan de
una manera similar a la indicada en la imagen 1) (Rodriguez Pozueta, 2015, pág. 3).
Imagen 1. Rigidez dieléctrica superficial (Rodriguez Pozueta, 2015, pág. 2).
10
2.1.1.2 Constante dieléctrica
La constante dieléctrica o permitividad relativa representa la cantidad de energía
electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y por unidad de
gradiente de potencial, y es una propiedad característica de cada material (Saguay
Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 24).
La constante dieléctrica del vacío es de Ɛ0 = 8.85 x 10-12 F/m, y para obtener la
constante dieléctrica absoluta del medio es:
Ɛ = Ɛ𝑟 ∗ Ɛ0
Donde Ɛr es la constante dieléctrica o permitividad relativa del material. En la tabla
número 2 se muestran algunas de estas constantes.
Tabla 2. Valores de constante dieléctrica o permitividad relativa de materiales
dieléctricos (Saguay Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 25).
(1)c
11
2.1.1.3 Pérdidas dieléctricas
Estas ocurren cuando se aplica una tensión a el aislamiento y presentaran las
siguientes características:
a) Se presentara una corriente que dependerá de la resistividad del aislamiento y su
paso producirá calentamiento por efecto Joule (Saguay Tacuri & Torres Cuenca,
2011, pág. 25).
b) Las masas polares vibrarán siguiendo la excitación a la que están sometidas. Este
fenómeno producirá un calentamiento en el material que reflejará el proceso
energético que ocurre en su interior (Saguay Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 26).
Cuando la tensión a la que se somete el aislante es alterna o, al menos, variable en
el tiempo, aparece el fenómeno de la histéresis dieléctrica. Las pérdidas por
histéresis dieléctrica son mayores que las debidas al efecto Joule de las corrientes
de fuga (Rodriguez Pozueta, 2015, pág. 7).
2.2 Clasificación de aislantes
2.2.1Clasificación de materiales aislantes por su estado
-Aislantes solidos: estos tipos de aislantes deben tener buenas propiedades
mecánicas ya que se les somete a condiciones rigurosas. Por ejemplo, una cadena
de aisladores en una torre de transmisión está en continuo esfuerzo. Algunos
materiales aislantes sólidos comunes son: el cristal y la cerámica utilizados en las ya
mencionadas cadenas de aisladores, las resina epoxica que también tienen una gran
resistencia a golpes y esfuerzos físicos, el mylar, el teflón, materiales plásticos como
el PE y el PVC, la madera utilizada frecuentemente en estructuras y postes, el
caucho que es flexible y puede soportar ciertas deformaciones sin romperse.
-Aislantes líquidos: este tipo de aislantes suele tener una doble función, que es la de
aislar y disipar calor. Un ejemplo de esto es el aceite utilizado en transformadores,
aunque un problema común es que este es inflamable. Los aislantes líquidos deben
tener cierto valor de rigidez dieléctrica y viscosidad que les permita ser usados como
tales, ya que si son utilizados en grandes equipos se les hace una revisión periódica
para verificar que se encuentren aun en buen estado y para ello se toma una
pequeña muestra del aislante.
12
-Aislantes gaseosos: algunos aislantes gaseosos que comúnmente se utilizan son el
aire y el nitrógeno, este último solamente a presión de 1 atmósfera y se encuentran
en transformadores y en el caso del aire en interruptores de media tensión, pero se
busca sustituirlos ya que el tiempo de arqueo es muy elevado. Uno de los
aislamientos gaseosos más aceptados es el SF6 ya que al utilizarlo se ocupan
espacios más reducidos por sus propiedades dieléctricas y además en interruptores
el tiempo de arqueo es mucho menor comparándolo si lo utilizamos en aire,
mencionando también que este es no corrosivo, no inflamable y no contaminante.
“La tensión de ruptura de los gases es aproximadamente proporcional a su densidad.
El valor de la tensión de ruptura también aumenta con la presión del gas, pero
limitada debido a su licuefacción” (Saguay Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 20).
-Vacío: también se es común encontrar en interruptores que utilicen el vacío como
medio aislante ya que no se produce ninguna ionización. Es claro que no se puede
obtener un vacío absoluto ya que siempre se tienen impurezas que, aunque mínimas
no se pueden evitar.
2.2.2 Clasificación de aislamientos por su uso
-Aislamiento externo: comprende las superficies externas de los equipos, el aire
ambiente que lo rodea y las distancias en aire. La tensión de aguante del aislamiento
externo depende de las condiciones atmosféricas (presión, temperatura y humedad)
y de las condiciones de la intemperie (contaminación, niebla, lluvia, rayos ultravioleta,
etc.) (Guevara Cortés, 2011, pág. 44).
-Aislamiento exterior tipo exterior: es el aislamiento diseñado para operar fuera de los
edificios y consecuentemente está expuesto a las condiciones atmosféricas y de
intemperie (Guevara Cortés, 2011, pág. 45).
-Aislamiento exterior tipo interior: es el aislamiento externo diseñado para operar
dentro de los edificios y consecuentemente no está expuesto a las condiciones de la
intemperie (Guevara Cortés, 2011, pág. 45).
-Aislamiento interno: comprende los aislamientos internos sólidos, líquidos o
gaseosos que forman parte del aislamiento de los equipos, los cuales están
13
protegidos de los efectos de las condiciones atmosféricas y algunas otras
condiciones externas como la contaminación y la humedad (Guevara Cortés, 2011,
pág. 45).
2.2.3 Clasificación de aislamientos por sus características
-Aislamiento autorrecuperable: es el aislamiento que recupera completamente y en
un tiempo relativamente corto sus características aislantes después de la aplicación
de un esfuerzo de tensión, aunque haya ocurrido o no una descarga disruptiva. Un
aislamiento de este tipo es generalmente un aislamiento externo que ocurre en la
parte externa del mismo (Guevara Cortés, 2011, pág. 45).
-Aislamiento no autorrecuperable: es un aislamiento que pierde sus propiedades
aislantes o que no las recupera completamente después de una descarga disruptiva
causada por la aplicación de un esfuerzo de tensión. Un aislante de este tipo es por
general un aislamiento externo (Guevara Cortés, 2011, pág. 45).
2.3 Campos eléctricos
Un campo es formalmente descrito como una distribución espacial de una cantidad,
la cual puede o no ser una función del tiempo. Un campo eléctrico que varía en el
tiempo está acompañado por un campo magnético y viceversa, formando un campo
electromagnético. Esta interacción prevalece a altas frecuencias y puede ser usado
para explicar la propagación de ondas a lo largo de líneas de transmisión
(Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 28).
El espacio alrededor de componentes energizadas en alta tensión es ocupado por un
campo eléctrico. El campo tiene la misma frecuencia que la señal de tensión. La
magnitud de estas influencias de campos afecta el comportamiento del aislamiento
(Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 29).
2.3.1 Campos eléctricos uniformes
La disposición de los materiales aislantes cuando se aplica una tensión eléctrica
establecida entre dos electrodos no solo depende de las propiedades aislantes de los
materiales, sino del arreglo geométrico (Valdez Nájera & Vilchis Sánchez, 2015, pág.
31).
14
Si una diferencia de potencial existe entre dos placas de electrodos paralelas de
dimensiones largas, el campo eléctrico entre las placas es uniforme, como se
muestra en la imagen 2 (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 29).
Imagen 2. Campo uniforme (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 29).
En general la intensidad de campo eléctrico esta dado en Volts/metro o por la
siguiente fórmula:
𝐸 =𝑉
𝑑
Donde E representa la intensidad de campo eléctrico, V la tensión entre electrodos y
d la distancia entre electrodos.
Los campos homogéneos se presentan en pocos arreglos, como ejemplo en el
diseño de interruptores de hexafluoruro de azufre, en las subestaciones aisladas en
gas (GIS, por sus siglas en inglés), en equipos de laboratorio (explosores de esferas,
etc.). La tensión disruptiva en campos homogéneos coincide con la tensión de inicio
de efecto corona (tensión de ionización) (Valdez Nájera & Vilchis Sánchez, 2015,
pág. 34).
(2)
15
2.3.2 Campos eléctricos no uniformes
2.3.2.1 Arreglos concéntricos cilíndricos y esféricos
Si los electrodos son curvados, la fuerza de campo no es constante a través de la
región. En la imagen 3 se muestra una sección a través de una configuración
concéntrica cilíndrica, como es usado en sistemas aislados en SF6. Nótese que las
líneas equipotenciales son mucho más cernas entre si cerca del conductor interno,
produciendo una fuerza de campo mayor cerca del conductor interno. La fuerza de
campo eléctrico es por lo tanto no constante a través de la región y tal campo es
conocido como campo no uniforme (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 30).
Imagen 3. Campo no uniforme (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 30).
2.3.2.2 Cilindros y esferas: arreglos gemelos y conductores encima de una
superficie plana
Otro arreglo práctico que ocurre seguido es el de un cilindro o una esfera con un
radio “a” a una altura “h” sobre una superficie plana conductora aterrizada como se
muestra en la imagen 4. Previsto que la razón h/a es larga, los cilindros pueden ser
representados por una línea de carga en la línea central del cilindro y las esferas por
cargas puntuales en sus centros (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 31).
16
Imagen 4.Conductor sobre plano de tierra (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 31).
2.4 Campos magnéticos
Mientras que los campos eléctricos son causados por tensiones, los campos
magnéticos son causados por corrientes. Las líneas de campo magnético, indicando
la dirección del campo, forman lazos cerrados alrededor del conductor portador de
corriente que causa el campo (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 40).
La densidad de flujo magnético, B en tesla está dada por:
𝐵 = µ0𝐼
2𝜋𝑟
Donde “I” es la corriente en ampers, “r” es la distancia desde el conductor en metros
y µ0 es la permeabilidad absoluta (4πx10-7 H/m). La dirección del campo está dada
por la regla de la mano derecha.
2.5 Descargas Parciales
El fenómeno de Descargas parciales involucra aspectos físicos y químicos y su
aparición constante deteriora los aislamientos, reduciendo su tiempo de vida útil o
llegando a la ruptura dieléctrica hasta producir una falla.
La definición de acuerdo a la norma IS/IEC 60270:2000 de pruebas de técnicas de
alta tensión-medidas de descargas parciales, es la siguiente: descarga eléctrica
localizada que solo parcialmente puentea el aislamiento entre conductores y el cual
puede o no ocurrir adyacente a un conductor.
(3)
17
“Usualmente estas ocurren en el aislante o en su superficie y tienen una duración
muy corta, alrededor de 1µ” (International Electrotechnical Commission, 2000, pág.
2), aunque esto no indica que solo hasta ese valor ocurra, solamente es menos
común su ocurrencia en valores mayores.
Cuando la DP ocurre en un medio gaseoso habitualmente se le llama descarga
parcial corona o simplemente corona.
En el proceso de una DP hay muchas formas de intercambio de energía tales como
pulsos de corriente, radiación electromagnética, sonido, emisiones acústicas y
reacciones químicas.
2.5.1 Descarga disruptiva y Descarga Parcial
En la norma IEEE-Std-4-2013 de técnicas de prueba en Alta Tensión, se define a una
Descarga disruptiva como una descarga que completamente puentea el aislamiento
bajo prueba, reduciendo la tensión entre electrodos prácticamente a cero.
“Cuando se origina una descarga disruptiva en un dieléctrico sólido pierde su
característica dieléctrica permanentemente, mientras que en un dieléctrico líquido o
gaseoso la pérdida de característica dieléctrica puede ser solamente temporal”
(Valdez Nájera & Vilchis Sánchez, 2015, pág. 15). Las Descargas Parciales son
descargas no disruptivas, como se mencionó en el punto anterior solo parcialmente
puentean el aislamiento entre dos conductores y tienen duración de microsegundos o
inclusive nanosegundos, al ocurrir estas no se pierde su característica dieléctrica en
materiales sólidos, pero pueden llegar a dañarlos, al igual que en materiales
gaseosos.
Como se verá más adelante un tipo de DP es la corona y estas “aparecen a un nivel
de tensión muy inferior al necesario para alcanzar la descarga disruptiva entre
electrodos en los puntos del conductor de mayor curvatura, donde la intensidad de
campo eléctrico es mayor. Si la tensión aumenta la descarga se hace visible y con
mayor tensión en estas zonas aparece un halo resplandeciente de color blanco
azulado” (Valdez Nájera & Vilchis Sánchez, 2015, pág. 34).
18
2.5.2 Causas y efectos de las Descargas Parciales
Pequeñas cavidades en el aislamiento se pueden dar por la degradación del
aislamiento, ya sea este sólido o líquido. Estas cavidades pueden darse también
entre aislamiento y electrodos o por una mala conexión, y al aplicar tensión en el
equipo a utilizar se puede generar una diferencia de potencial en estas cavidades
para dar origen a una DP. Algunos ejemplos de cavidades son: burbujas de aceite,
fracturas internas en aislamiento, generación de gas en aceite y desalineamiento
entre dos superficies.
Una contribución a la degradación de los materiales, y por consiguiente que se
generen las cavidades, es el estrés al que estén sometidos los equipos ya sea este
eléctrico, mecánico, térmico o químico. Estos tipos de estrés pueden o no estar
ligados entre sí, pero provocan desgaste irreversible en el aislamiento.
Las DP’s pueden causar la degradación localizada del aislamiento, lo que puede
conducir a la formación de ramificaciones, eventualmente causando un fallo
dieléctrico. Las corrientes de DP’s disipan energía, que puede causar calentamiento
del equipo o inclusive alterar las características de operación del equipo debido a un
exceso de corriente. DP’s intermitentes pueden producir transitorios en circuitos de
A.T. e influenciar componentes de control, un problema relacionado son los
transitorios eléctricos radiados de equipos, causando problemas de interferencia
electromagnética (EMI, Electromagnetic Interference) en otros equipos (Institude of
Electrical and Electronics Engineers, 2013b, pág. 178).
2.5.3 Clasificación de Descargas Parciales
2.5.3.1 Descargas Parciales internas
Estas aparecen por inclusión de materiales extraños en el aislamiento tales como
partículas extrañas, burbujas de gas, protuberancias metálicas y cavidades de aceite.
“Cuando las cavidades se forman en un material aislante sólido o líquido, el gas en la
cavidad sobre pasa el nivel de estrés y como resultado se produce la descarga”
(Guillén Aparicio, 2015, pág. 16)
En la imagen 5 se puede observar la representación de una descarga parcial interna.
19
Imagen 5. Descarga parcial interna o en cavidades (Guillén Aparicio, 2015, pág. 16).
La descarga formada en el interior de las cavidades se distribuye en función de la
polaridad dentro de la misma. La descarga crea un campo eléctrico que se suma al
campo eléctrico creado por la tensión de servicio. En la imagen 6 se muestra cómo
se distribuyen las líneas de campo eléctrico en el interior de una cavidad esférica
(Psonis Sánchez, 2013, pág. 15).
Imagen 6. Distribución de campo eléctrico en una cavidad (Psonis Sánchez, 2013,
pág. 15).
La siguiente ecuación explica matemáticamente esta distribución (Psonis Sánchez,
2013, pág. 15):
𝐸1 = 𝐸0
3Ɛ2
Ɛ1 + 2Ɛ2
Donde:
E1= Campo eléctrico en el interior de la cavidad (V/m).
E0= Campo eléctrico homogéneo en un punto lejano a la cavidad (V/m).
(4)
20
Ɛ1= Permitividad dieléctrica en el interior de la cavidad (F/m).
Ɛ2= Permitividad dieléctrica del material aislante donde está la vacuola (F/m).
2.5.3.2 Descargas Parciales corona
También conocidas como Descargas Parciales externas, como ya se mencionó
corona es una forma de descarga parcial que ocurre en medios gaseosos. En la
imagen 7 se muestra el fenómeno de descarga corona.
Imagen 7. Descarga parcial externa o corona (Guillén Aparicio, 2015, pág. 16).
El efecto corona se produce por el exceso de ionización en un punto determinado del
espacio que hace que aparezcan grandes gradientes de campo eléctrico. El medio
ionizado permite el paso de corriente lo que produce pérdidas (Psonis Sánchez,
2013).
“Puede ser formada en la región de un campo electrostático alto causado por algún
punto de una componente energizada o una estructura en un sistema gaseoso”
(Torres Peñaloza, 2010, pág. 22). Además, existen varias condiciones que controlan
la tensión de ruptura tales como la presión del aire, el tipo de conductor y la tensión
aplicada.
2.5.3.3 Descargas Parciales superficiales
Se presentan en materiales laminados con diferentes interfaces de material
dieléctrico, tal como en interfaces de gas/sólido, donde la permeabilidad relativa del
gas se estresa más que la del material sólido (Guillén Aparicio, 2015, pág. 16).
21
La diferencia en permitividades ocasiona el aumento del campo en cualquiera de los
materiales que forman la interfaz, y esto puede ocasionar una ruptura (Torres
Peñaloza, 2010, pág. 23).
En las imágenes 8 a) y b) se muestran las representaciones de una DP superficial.
Imagen 8. a) y b) Representación de una DP superficial (Guillén Aparicio, 2015, pág.
16).
Las descargas parciales superficiales pueden ser el resultado de una mala
distribución de campo eléctrico o por una corriente de fuga que fluye a través de una
capa conductora debido a contaminación o humedad, en la superficie del aislamiento
(Torres Peñaloza, 2010, pág. 23).
2.5.4 Circuito equivalente de una Descarga Parcial
Para la evaluación de cantidades fundamentales relacionadas a los pulsos de DP se
simulan los objetos de prueba, usualmente, por el arreglo simple de capacitor como
se muestra en la imagen 9, comprendiendo materiales dieléctricos solidos o líquidos
entre los dos electrodos o terminales A y B, y una cavidad llena de gas. líneas de
campo dentro de la cavidad se representan por CC, aquellas al inicio o final de los
muros de la cavidad forman dos capacitancias C’b y C’’b. Todas las líneas fuera de la
cavidad son representadas por Ca=C’a+C’’a. Debido a dimensiones geométricas
realistas involucradas, y como Cb=C’bC’’b/( C’b+C’’b ), la magnitud de las
capacitancias será entonces controlada por la desigualdad Ca>>Cc>>Cb (Kuffel,
Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424).
22
Imagen 9. Simulación de un objeto de prueba de DP. Esquema de un sistema de
aislamiento comprendiendo una cavidad (Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424).
Este hueco se convertirá en el origen de una DP si la tensión aplicada es aumentada,
mientras los gradientes de campo en el huevo son fuertemente realzados por la
diferencia en permitividades, así como por la forma de la cavidad. Si la tensión esta
aún incrementada o decaída por la pendiente negativa de una tensión de C.A.,
nuevas líneas de campo serán construidas arriba y por lo tanto el fenómeno de
descargas es repetido durante cada ciclo. Si la tensión esta aun incrementada en
C.C., una o pocas DP’s ocurrirán durante la parte creciente de la tensión (Kuffel,
Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424).
Este fenómeno puede ahora ser simulado por el circuito equivalente del esquema
mostrado en la imagen 10. Aquí, el interruptor es controlado por la tensión Vc a
través del hueco de capacitancia Cc, y S está cerrado solo por corto tiempo, durante
el cual el flujo de corriente ic(t) toma lugar. La resistencia Rc simula el periodo de
tiempo durante el cual la descarga se desarrolla y es completada. Esta corriente de
descarga ic(t), la cual no puede ser medida, tendrá forma mientras es gobernada por
el proceso de descarga en el gas, esta corriente es generalmente un pulso muy corto
en el rango de los nanosegundos (Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 425).
23
Imagen 10. Simulación de un objeto de prueba de DP. Circuito equivalente (Kuffel,
Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424).
Los circuitos de detección pueden ser derivados de un circuito cercano al mostrado
en la imagen 11. El objeto de prueba, mostrado en la imagen 9, es conectado a una
fuente de tensión. Una impedancia Z, abarcando la impedancia natural del cable
entre la fuenten de tensión y el arreglo en paralelo de Ck y Ct o engrandecido por una
inductancia libre de DP o un filtro, puede desconectar el capacitor de acoplamiento
Ck y el objeto de prueba Ct de la fuente de tensión durante la corta duración del
fenómeno de DP solamente (Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 425).
Imagen 11. Objeto de prueba de DP, Ct dentro de un circuito de prueba de DP
(Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 425).
24
CAPÍTULO III.
CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS.
3.1 Antenas
En la norma IEEE Std. 145-2013 se define a la antena como aquella parte de un
sistema transmisor o receptor que es designada para radiar o recibir ondas
electromagnéticas.
Si bien sus formas son muy variadas, todas las antenas tienen en común el ser una
región de transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada
y una onda en el espacio libre, a la que puede además asignar un carácter
direccional (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 15).
Toda onda se caracteriza por su frecuencia (f) y su longitud de onda (λ), ambas
relacionadas por la velocidad de propagación en el medio, que habitualmente en
antenas tiene las propiedades del vacío (c=3*108 m/s), con c=λf. El conjunto de todas
las frecuencias, o espectro de frecuencias, se divide por décadas en bandas, con la
denominación presentada en la tabla 3. Cada aplicación tiene asignada por los
organismos de normalización unas determinadas porciones de ese espectro
(Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 16).
Tabla 3. Denominación de las bandas de frecuencias por décadas (Cardama Aznar,
y otros, 2005, pág. 16).
BANDA FRECUENCIA LONG. DE ONDA DENOMINACIÓN
ELF VLF LF
<3 kHz 3-30 kHz
30-300 kHz
>100 km 100-10 km
10-1 km
Extremely Low Frequency Very Low Frequency
Low Frequency
MF HF
VHF
0.3-3 MHz 3-30 MHz
30-300 MHz
1.000-100 m 100-10 m
10-1 m
Medium Frequency High Frequency
Very High Frequency
UHF SHF EHF
0,3-3 GHz 3-30 GHz
30-300 GHz
100-10 cm 10-1 cm 10-1 mm
Ultra High Frequency Super High Frequency
Extremely High Frequency
La transmisión de una antena en la imagen 12 a es una región de transición de una
onda guiada en una línea de transmisión al espacio libre. La recepción de una
antena, en la imagen 12 b, es una región de transición del espacio libre de la onda a
25
una onda guiada en una línea de transmisión (Fernández Monroy & Lima Rodríguez,
2013, pág. 4).
Imagen 12. a) Enlace de radio (o forma inalámbrica) llevando a cabo comunicación
con la antena transmisora y b) la antena receptora (Fernández Monroy & Lima
Rodríguez, 2013, pág. 4).
3.1.1 Tipos más comunes de antenas
Existen varias clasificaciones de antenas, y cada clasificación depende de su
aplicación, las antenas pueden transmisoras o receptoras, esto implica diferentes
frecuencias de trabajo, niveles de potencia, y diferentes valores en los parámetros
que se mencionarán más adelante dando así origen a un gran número de tipos de
antenas.
En una forma amplia y no exhaustiva, los tipos más comunes se pueden agrupar en
los grandes bloques siguientes:
-Antenas alámbricas: Se distinguen por estar construidas con hilos conductores que
soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar
formadas por hilos rectos (dipolo, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de
cualquier forma arbitraria) y hélices. Este tipo de antenas se caracterizan por
corrientes y cargas que varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes
que también varían a lo largo de los hilos (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 17).
26
-Antenas de apertura y reflectores: En ellas la generación de la onda radiada se
consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen
excitar con guías de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (pirámides y
cónica), las aperturas y las ranuras sobre planos conductores, y las bocas de guía.
Este tipo de antenas se caracterizan por los campos eléctricos y magnéticos de la
apertura, variables armónicamente con el tiempo (Cardama Aznar, y otros, 2005,
pág. 17).
-Agrupaciones de antenas: En ciertas aplicaciones se requieren características de
radiación que no pueden lograrse con un solo elemento; sin embargo, con la
combinación de varios de ellos se consigue una gran flexibilidad que permite
obtenerlas. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando, en principio,
cualquier tipo de antena (Cardama Aznar, y otros, 2005).
3.2 Parámetros generales de antenas en transmisión
3.2.1 Impedancia
“La impedancia de la antena (ZAnt) se define como la impedancia presentada por la
antena en sus terminales, representada como una razón de voltaje a corriente, la
cual depende de las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos” (Buenrostro
Rocha, 2007, pág. 9). En la imagen 13 se muestra el circuito equivalente del
generador de señales y el de una antena.
Imagen 13. Circuito equivalente del generador y la antena (Buenrostro Rocha, 2007,
pág. 9).
27
A la entrada de la antena puede definirse la impedancia de entrada Ze mediante
relaciones tensión-corriente en ese punto. En notación fasorial de régimen
permanente sinusoidal poseerá una parte real Re(ω) y una imaginaria Xe(ω), ambas
dependientes en general de la frecuencia. Si Ze no presenta una parte reactiva a una
frecuencia, se dice que es una antena resonante (Cardama Aznar, y otros, 2005,
pág. 18).
3.2.2 Intensidad de radiación
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una
determinada dirección; sus unidades son Watts por estereorradián y a grandes
distancias tiene la propiedad de ser independiente de la distancia a la que se
encuentre la antena (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 19).
3.2.3 Diagrama de radiación
Un diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de
radiación de la antena, en función de las distintas direcciones del espacio, a una
distancia fija. Normalmente se empleará un sistema de coordenadas esféricas. Con
la antena situada en el origen y manteniendo constante la distancia se expresará el
campo eléctrico en función de las variables angulares (Ɵ, Ф) (Cardama Aznar, y
otros, 2005, pág. 20).
“El diagrama de radiación se puede representar en forma tridimensional utilizando
técnicas gráficas diversas, como las curvas de nivel o el dibujo en perspectiva”
(Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 20). La imagen14 muestra un diagrama
tridimensional de una antena y los planos E y H.
28
Imagen 14. Diagrama de radiación tridimensional (Cardama Aznar, y otros, 2005,
pág. 20).
3.2.4 Polarización
La polarización de una antena en una dirección es la de la onda radiada por ella en
esa dirección. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al
transcurrir el tiempo, por el extremo del vector de campo eléctrico en un punto fijo del
espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación (Cardama Aznar, y
otros, 2005, pág. 24).
3.2.5 Directividad
La directividad D de una antena se define como la relación entre la densidad de
potencia radiada en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia
que radiaría a esa misma distancia una antena isótropa que radiase la misma
potencia que la antena (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 22).
𝐷(Ɵ, Ф) =𝑃(Ɵ, Ф)
𝑃𝑟/(4𝜋𝑟2)
Si no se especifica la dirección angular se sobreentiende que la directividad se
refiera a la dirección de máxima radiación (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 22).
𝐷 =𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑃𝑟/(4𝜋𝑟2)
(5)
(6)
29
3.2.6 Ganancia
La ganancia de la antena (G) es un parámetro que está relacionado de manera muy
cercana a la directividad, y representa la razón de la intensidad de radiación en una
dirección, a la intensidad de radiación de una antena que radia de manera isotrópica.
La intensidad de radiación correspondiente a la potencia radiada isotrópica es igual a
la potencia de entrada de la antena dividida por 4π (Buenrostro Rocha, 2007, pág.
14).
𝐺 =4𝜋𝑈
𝑃𝑒𝑛𝑡
3.2.7 Ancho de banda
Todas las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar
satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias. Este intervalo de
frecuencias, en el que un parámetro de antena determinada no sobrepasa unos
límites prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena (Cardama Aznar,
y otros, 2005, pág. 25).
El ancho de banda (BW) se puede especificar como la relación entre el margen de
frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central. Dicha
relación se suele expresar en forma de porcentaje (Cardama Aznar, y otros, 2005,
pág. 25).
𝐵𝑊 =𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛
𝑓0
En antenas de banda ancha se suele especificar en la forma:
𝐵𝑊 =𝑓𝑚𝑎𝑥
𝑓𝑚𝑖𝑛: 1
El ancho de banda de la antena lo impondrá el sistema del que forme parte y
afectará al parámetro más sensible o crítico de la aplicación (Cardama Aznar, y
otros, 2005, pág. 26).
(7)
(8)
(9)
30
3.3 Parámetros generales de antenas en recepción
Una antena capta de una onda incidente sobre ella parte de la potencia que
transporta y la transfiere al receptor. La antena actúa como sensor e interacciona con
la onda y con el receptor, dando origen a una familia de parámetros asociados con la
conexión circuital a éste y a otra vinculada a la interacción electromagnética con la
onda incidente (Cardama Aznar, y otros, 2005, pág. 27).
3.3.1 Teorema de reciprocidad o de Lorentz
Si a un circuito se le aplica una corriente entrante IA, ésta da como resultado una
corriente saliente IB. Si al mismo circuito se le aplica la corriente de entrada IA en el
lado de salida, entonces aparece una corriente IB en el lado de entrada. Este
principio se ilustra en la imagen 15 (Psonis Sánchez, 2013, pág. 33).
Imagen 15. Teorema de reciprocidad (Psonis Sánchez, 2013, pág. 33).
Este modelo eléctrico es aplicable a elementos lineales y pasivos, por tanto, se
puede aplicar al funcionamiento de una antena, excepto en los casos en los que las
antenas estén fabricadas con materiales magnéticos. Debido a este teorema se
puede considerar que los parámetros, tales como el diagrama de radiación, definidos
anteriormente, serán iguales para una antena en recepción que para la misma en
modo emisión (Psonis Sánchez, 2013, pág. 33).
3.3.2 Adaptación
La impedancia de una antena receptora es la misma que la impedancia de dicha
antena actuando como transmisora. En recepción, la antena se conecta a una línea
de transmisión o bien directamente a un receptor. Para que haya máxima
31
transferencia de potencia, la impedancia de la antena Za = Ra + jXa y la impedancia
de carga ZL = RL + jXL deben ser complejas conjugadas ZL = Za* (Cardama Aznar, y
otros, 2005, pág. 27).
En este caso:
𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥 =|𝑉𝑐𝑎|2
4𝑅𝑎
En general si no hay adaptación tendremos:
𝑃𝐿 = 𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥𝐶𝑎 = 𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥(1 − |𝑝|2)
Conde Ca es el coeficiente de desadaptación, que se puede calcular a partir de:
𝐶𝑎 =4𝑅𝑎𝑅𝐿
(𝑅𝑎 + 𝑅𝐿)2 + (𝑋𝑎 + 𝑋𝐿)2
3.3.3 Área y longitud efectiva
La antena extrae potencia del frente de onda incidente, por lo que presenta una
cierta área de captación o área efectiva Aef, definida como la relación entre la
potencia que entrega la antena a su carga (supuesta para esta definición sin
pérdidas y adaptada a la carga) y la densidad de potencia de la onda incidente que
representa físicamente la porción del frente de onda que la antena ha de interceptar
y drenar de él toda la potencia contenida hacia la carga (Cardama Aznar, y otros,
2005, pág. 27).
𝐴𝑒𝑓 =𝑃𝐿
𝜌
[𝑊]
[𝑊/𝑚2]
La definición anterior lleva implícita la dependencia del área efectiva con la
impedancia de carga, la adaptación y la polarización de la onda. La longitud efectiva
lef, se determina mediante la relación entre la tensión inducida en circuito abierto en
bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la onda (Cardama Aznar,
y otros, 2005, pág. 28).
𝑙𝑒𝑓 =|𝑉𝑐𝑎|
|𝐸|
[𝑉]
[𝑉/𝑚]
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
32
3.3.4 Factor de antena
Este es un parámetro de una antena EMC (Compatibilidad Electromagnética) que es
usado en cálculos de fuerza de campo durante medición de emisiones radiadas.
Relaciona el voltaje de salida de una medición de antena con el valor del campo
incidente produciendo ese voltaje. Las antenas típicas usadas para medición son
antenas de banda ancha tales como la BiconiLog y la Log periodic. En caso de
cualquier discrepancia, una antena de referencia –un dipolo resonante sintonizado-
es considerada para ser arbitro para los propósitos de medición (ETS Lindgren, S.F.,
pág. 68).
Imagen 16. Medición de emisiones radiadas (ETS Lindgren, S.F., pág. 68).
3.4 Selección de antena
Como se mencionó las DP’s ocurren en un tiempo de hasta de 1µs e incluso
nanosegundos, lo que implica frecuencias de ondas electromagnéticas en el rango
de MHz y hasta 1 o 2 GHz, ya que estas varían mucho en sus tiempos de descarga.
Por norma las frecuencias en los años 70 para la detección de DP’s se encontraban
entre los 100kHz y los 300 kHz, pero estos valores no están relacionados con el
fenómeno de DP’s y su evolución en el tiempo.
Tomando lo anterior en consideración se necesita una antena que trabaje en las
bandas VHF y UHF.
3.4.1 Antena Monopolo
Es una antena situada perpendicularmente sobre un plano conductor o plano de
tierra. Esta antena lineal está formada por un alambre o hilo conductor alimentado
33
por una corriente de excitación que circula a través de una línea de transmisión
(Psonis Sánchez, 2013, pág. 41).
La configuración más común del monopolo es la de λ/4. La antena monopolo tienen
un patrón de radiación omnidireccional. Se emplea más que el dipolo por su sencillez
y buena disposición para medir en las bandas de frecuencia requeridas para la
detección de DP (Psonis Sánchez, 2013, pág. 41).
Imagen 17. Monopolo de λ /4 de longitud h sobre un plano conductor (Psonis
Sánchez, 2013, pág. 41).
3.4.2 Dipolo
El principio de funcionamiento del dipolo es similar al de la antena monopolo, pero a
diferencia de ésta, el dipolo radia tanto en el semiplano superior como en el inferior.
Ambos tienen la misma corriente y radian el mismo campo en el semiplano superior.
Está formada por un elemento conductor recorrido por una corriente uniforme (Psonis
Sánchez, 2013, pág. 39).
En la siguiente imagen se observa el diagrama de radiación de un dipolo:
Imagen 18. a) Diagrama de radiación del dipolo de λ/4 b) Diagrama para dipolo de
λ/2 (Psonis Sánchez, 2013, pág. 39).
34
3.4.3 Antena de lazo
La antena de lazo es un conductor curveado en forma de círculo o rectángulo con
una abertura en el conductor, que conforman las terminales, como se muestra en la
imagen 19. Existen dos tipos de antenas de lazos: antena de lazo eléctricamente
pequeña y antena de lazo eléctricamente grande. Si la circunferencia total del lazo es
muy pequeña, en comparación a la longitud de onda (λ<<L), entonces se dice que la
antena de lazo es eléctricamente pequeña. En una antena de lazo eléctricamente
grande, la circunferencia es cercana a la longitud de onda (Buenrostro Rocha, 2007,
pág. 22).
Imagen 19. Antena de lazo. a) Antena de lazo circular pequeña b) Antena de lazo
circular grande (Buenrostro Rocha, 2007, pág. 23).
Las antenas de lazo generalmente tienen una ganancia de -2dB A 3dB y un ancho de
banda de aproximadamente 10%. La antena de lazo pequeño es muy popular
empleado como antena receptora. Las antenas de lazo de una vuelta son utilizadas
en localizadores y los de varias vueltas son utilizados en receptores AM (Buenrostro
Rocha, 2007, pág. 24).
3.4.4 Antena helicoidal
Este tipo de antena, puede diseñarse para una gran cantidad de frecuencias de
operación, y puede emplearse en comunicaciones espaciales, en telefonía satelital,
GPS, televisión en las bandas UHF y VHF, etc. La antena helicoidal o de hélice
consiste de un conductor en forma de pequeños lazos y dipolos conectados en serie
en forma circular a lo largo del eje normal a la tierra. Las características de radiación
de la antena varían controlando el tamaño de sus propiedades geométricas en
35
comparación a la longitud de onda y puede generar la polarización elíptica, lineal y
circular (Buenrostro Rocha, 2007, pág. 24).
En la imagen 20 se muestran distintas características físicas de la antena:
Imagen 20. Características físicas de la antena helicoidal (Buenrostro Rocha, 2007,
pág. 24).
3.4.5 Antena de corneta
Las antenas de corneta se utilizan típicamente a frecuencias de microondas. Utiliza
las guías de onda como estándar de alimentación con el puerto de entrada, dado que
consisten de una guía de onda cuyas paredes terminales se abren al exterior en
forma de campana. Dentro delas ventajas de este tipo de antena, es que
proporcionan alta ganancia, bajo VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), ancho de
banda muy grande y son de bajo peso. La apertura de la corneta puede ser
rectangular, circular o elíptica, sin embargo, las cornetas rectangulares son
ampliamente utilizadas.
36
Imagen 21. Tipos de antenas de corneta (Buenrostro Rocha, 2007, pág. 27).
3.4.6 Antenas tipo parche
Estas antenas son diseñadas a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre
un sustrato dieléctrico, se debe de elegir las dimensiones de la estructura para que
se disipe la potencia en forma de radiación, su estructura como su nombre lo dice
consiste en un parche metálico, el cual su tamaño tiene que ser comparable con la λ
que tiene el sustrato, la parte inferior de la estructura está conformado por un plano
de tierra, su grosor se encuentra aproximadamente en los 0.5λ y la constante
dieléctrica (Ɛr) el cual su valor normalmente se encuentra entre 2 a 12, un ejemplo de
este tipo de antenas se muestra en la imagen 22 (Fernández Monroy & Lima
Rodríguez, 2013, pág. 24).
Imagen 22. Antena tipo parche (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág.
24).
37
Las principales ventajas que tiene una antena de parche es que su fabricación es
sencilla y barata, peso reducido, fácil adaptación a grandes y pequeños sistemas,
como desventaja, tiene limitación en potencia y requiere sustrato de calidad para un
buen desempeño (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág. 24).
3.4.7 Arreglo de antenas
Este tipo de antenas se conforman por un conjunto de dos o más antenas que son
idénticas, las cuales al ser colocadas de manera adecuada forman una sola antena
con un solo diagrama de radiación. La principal característica de este tipo de antena
es que su diagrama de radiación se puede adaptar según las necesidades que se
tenga controlando la amplitud y la fase de la señal que alimenta a cada uno de los
elementos de la antena (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág. 22).
Imagen 23. Arreglo de antenas (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág.
23).
Hay tres diferentes tipos de arreglos de antenas: arreglos lineales; sus elementos se
encuentran alineados, arreglos planos; son agrupaciones cuyes elementos se
encuentran sobre un plano, y arreglos conformados; se encuentran colocadas sobre
una superficie curva (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág. 23).
3.4.8 Antena log-periodic (logarítmico-periódica)
Esta antena se diseña manteniendo una relación geométrica entre los dipolos que la
forman. Consigue un amplio ancho de banda debido a la diferencia entre longitudes
de las antenas que la componen. Está constituida por varios dipolos rectos paralelos
38
que decrecen de forma logarítmica entre sí, manteniendo siempre una relación de
tamaño comprendida entre 0.8 y 0.96. Se diseña teniendo en cuenta que la longitud
de su brazo más largo debe ser L= λ/2 para la frecuencia más baja de utilización y su
dipolo más corto debe medir L= λ/4 para la frecuencia más alta. Su alta ganancia,
directividad y ancho de banda hace que se emplee en radio y televisión a frecuencias
VHF y UHF, 30 a 3000 MHz (Psonis Sánchez, 2013, pág. 46).
Imagen 24. Antena Log-periodic con booms en paralelo (Cruz Ornetta, 2005, pág. 6).
3.4.9 Antena bicónica - híbrida logarítmico periódica
Desde su primera introducción en 1994 en el Simposio internacional en Roma de
EMC. Antenas bicon/log hybrid log periodic (bicónica-híbrida logarítmico periódica) se
han hecho muy populares mundialmente en laboratorios de EMC. A causa de que no
hay rupturas de banda en su barrido de frecuencia, los tiempos de prueba y
esfuerzos son reducidos (Chen, 1999, pág. 1).
La antena a utilizar en las mediciones en el laboratorio de Compatibilidad
electromagnética será una antena comercial de nombre SAS-521-2 bilogical, o
también conocida como antena bicónica- híbrida logarítmico periódica. “Es una
antena de peso ligero que ha sido designada para asegurar ganancia media y
capacidades de manejo de alta potencia. Construida de aluminio de bajo peso, ha
sido fabricada para operar en una banda muy ancha” (A.H. Systems, 2008, pág. 3).
Esta antena se muestra en la imagen 25.
39
Imagen 25. Antena bicónica-híbrida logarítmico periódica (A.H. Systems, 2008, pág.
3).
Los parámetros de esta antena son los siguientes:
a) Rango de frecuencia: 25MHz – 2 GHz
b) Factor de antena: 7 a 30 dB/m
c) Ganancia: 6.4 dBi
d) Potencia máxima continua: 1000 Watts
e) Impedancia (nominal): 50Ω
Sus especificaciones físicas son las siguientes:
a) Peso: 4.4lbs (2 kg)
b) Medidas:
-Largo: 37.3’’ (94.7cm)
-Ancho: 38.5’’ (98cm)
-Altura: 22.2’’ (57cm)
Usada en pruebas de emisiones se tiene la siguiente fórmula para el cálculo de
intensidad de campo:
40
𝐹𝑆 (𝑑𝐵µ𝑉
𝑚) = 𝑆𝐴(𝑑𝐵µ𝑉) + 𝐴𝐹(𝑑𝐵) + 𝐶𝐿(𝑑𝐵)
Donde:
FS= Intensidad de campo eléctrico (Field Strength) en dBµV.
SA = Lectura del analizador de espectros o del receptor (Spectrum Analyser
Reading) en dBµV.
AF= Factor de antena (Antenna Correction Factor) en dB.
CL= Pérdidas de cable (Cable Loss) en dB.
Para obtener el factor de antena se tiene la siguiente imagen:
Imagen 26. Factor de antena y ganancia (A.H. Systems, 2008, pág. 11).
(15)
41
Capítulo IV.
MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES EN AMBIENTES
CONTROLADOS.
4.1 Normatividad de Descargas Parciales
Se tienen diferentes normas tanto nacionales como internacionales, muchas
especifican la medición DP’s enfocándose en un equipo en especial, como pueden
ser motores o transformadores, por ejemplo, la norma IEEE C57.113-2010: Práctica
recomendada para la medición de Descarga Parcial en transformadores aislados en
aceite y reactores derivados. También las hay para determinación de DP’s en
conductores o cables como lo es la norma NMX-J-030-ANCE-2006: Conductores-
Determinación de Descargas Parciales en cables de energía de media y alta tensión-
método de prueba, y la norma IEEE 400.3-2006: guía para pruebas de Descarga
Parcial de sistemas de cables de potencia blindados en un ambiente de campo.
Cabe aclarar que dichas normas no serán tomadas en cuenta en este proyecto ya
que en este proyecto no se enfocará la medición de DP’s a un equipo en particular
por lo cual las normas más adecuadas para tomar en cuenta son las siguientes:
IEC 60270: 2000. Técnicas de prueba de alta tensión- medición de Descargas
Parciales. Una norma muy utilizada en medición de DP’s por la especificación de los
diferentes circuitos a utilizar en su método de detección, además de que incluye la
definición de una DP. Esta ya ha sido mencionada anteriormente en el capítulo 2 y
será tomado en cuenta, pero no se seguirán sus procesos al pie de la letra ya que los
rangos de frecuencia para la medición de DP’s utilizados en esta norma son muy
bajos. De esto se hablará mas adelante en el punto de: Mediciones convencionales
de DP’s.
IEC TS 62478:2016. Técnicas de prueba de alta tensión – Medición de Descargas
Parciales por métodos electromagnéticos y acústicos. Esta se asemeja más al tipo
de mediciones que se harán en este proyecto. Algunos trabajos como el de Psonis
Sánchez (2013), Rojas Moreno (2011) y Álvarez Gómez (2015) mencionan para su
42
utilización en métodos de medición de DP’s no convencionales, y que en este trabajo
serán tomados en cuenta.
4.2 Medición de Descargas Parciales
Para la medición de DP’s se tienen se deben de considerar tanto los métodos de
detección y el tipo de medición para así ubicarse en el proceso adecuado que se
está realizando. Además, de tomar en cuenta la normativa correspondiente de la que
se habló en el punto anterior.
4.2.1 Métodos de detección de Descargas parciales
4.2.1.1 Métodos eléctricos
Hay tipos de medición que se mencionarán más adelante como lo son el en línea y el
fuera de línea, pero ambos entran en los métodos eléctricos y no eléctricos, solo hay
que identificar las características de cada uno. Puede diferir la manera de dividir los
equipos a utilizar, pero en general “para la descripción del sistema de medición de
Descargas Parciales puede ser dividido en subsistemas: Dispositivo de
Acoplamiento, sistema de transmisión y el equipo de Medición” (Contreras Carrillo,
2016, pág. 47)
Para este tipo métodos se consideran ciertos detalles con respecto a los dispositivos
de medición, tales como la influencia de la frecuencia y su respuesta del sistema de
detección que determina la cantidad de energía de DP a ser detectada, la banda de
frecuencias que se mencionó en el punto 3.1, los circuitos de prueba que consisten
principalmente en una fuente de alta tensión, un dispositivo de medición de alta
tensión, un dispositivo de acoplamiento, un sistema de medición y sus conexiones
adecuadas. Por último se considera la visualización y análisis de los valores
obtenidos.
4.2.1.2 Métodos no eléctricos
Entre los más comunes están los siguientes: método óptico o visual que son
limitados para DP’s dentro de medios transparentes y de esta manera no aplica en
muchos casos, aunque también hay pruebas en cuartos obscuros utilizando equipo
43
de detección ultravioleta. También está el método acústico ya que como se mencionó
las DP’s están acompañadas con cierto ruido y otros efectos, para este método se
utilizan transductores para tener una mejor percepción de lo que se mide, pero si la
DP es muy pequeña el sonido generado puede ser imperceptible, y finalmente el
método químico que de igual forma se mencionó que las DP’s también van
acompañadas por efectos químicos que conllevan al deterioro y contaminación del
aislante que inician una reacción química.
4.2.2 Tipos de medición de Descargas Parciales
La detección de DP’s se puede observar cuando el equipo está en funcionamiento,
en línea, o cuando no está operando, fuera de línea. Este trabajo tiene como objetivo
un método en línea, pero se darán a conocer las características de ambos para
observar que ventajas tienen.
4.2.2.2 Medición Descargas Parciales fuera de línea
Esta requiere de más tiempo y costo para su aplicación, pero puede ser un buen
complemento para la prueba en línea si no es la única prueba de DP’s que se está
realizando al momento. Usualmente se hacen en equipos nuevos o que apenas
salen de fabricación. Una de las desventajas principales de este tipo de medición es
que no se tiene carga, debido a que el equipo no se encuentra operando, así que no
es posible detectar todos los posibles casos de DP’s que pudieran estar ocurriendo.
4.2.2.1 Medición de Descargas Parciales en línea
Hay pruebas normalizadas para la detección en línea de los equipos tales como
motores y transformadores y este tipo de pruebas es útil cuando es difícil sacar al
equipo de funcionamiento o si esto produce un costo elevado.
Considerando también que la medición en línea puede ser de manera directa o
indirecta, siendo directa al colocar o hacer una conexión en el equipo a probar e
indirecta siendo esta sin perturbar o modificar de alguna forma el equipo a probar.
44
Ciertos circuitos y métodos de detección de DP’s se pueden encontrar en normas,
pero no todos los métodos están normalizados, así que la norma se tomará como
punto de partida y el método a elegirse para la detección en conjunto con su circuito
se harán basándose en investigaciones previas y conocimientos propios.
4.2.3 Medidas convencionales de Descargas parciales
Estas medidas convencionales se hacen con base en la norma IEC 60270 ya
mencionada anteriormente.
Para detectar la actividad de DP en los sistemas de aislamiento eléctrico se necesita
un circuito en el que se establezca un camino de baja impedancia para los pulsos, en
el que se conecten los sensores a utilizar. En la norma IEC 60270 se definen las
técnicas de ensayo para la medida de DP en los equipos eléctricos de AT, cuando se
ensayan con tensiones en C.A. de hasta 400 Hz o con tensión en C.D. (Álvarez
Gómez, 2015, pág. 14).
Las frecuencias de medida para este método convencional normativo son las
siguientes:
Medida en banda ancha:
30 kHz < f1 < 100 kHz
f2 < 500 kHz
100 kHz < ∆f < 400 kHz
Medida en banda estrecha:
9 kHz < ∆f < 30 kHz
50 kHz < fm < 1 MHz
4.2.3.1 Circuito directo de detección
La impedancia se sitúa en serie con el objeto de ensayo. La polaridad de los pulsos
de las DP es la misma que la tensión de entrada. El objeto de ensayo se encuentra
en serie con el dispositivo de acoplamiento CD (Psonis Sánchez, 2013, pág. 17).
45
Imagen 27. Circuito directo de detección (International Electrotechnical Commission,
2000, pág. 25).
4.2.3.1 Circuito indirecto de detección
En este circuito indirecto la impedancia de entrada del sistema de medida Zmi está en
serie con el condensador de acoplamiento Ck. Los pulsos de DP tienen una polaridad
opuesta a la tensión aplicada.
Imagen 28. Circuito indirecto de detección (International Electrotechnical
Commission, 2000, pág. 25).
Para los circuitos tanto directo como indirecto los elementos para formarlos son:
-U: Fuente de alta tensión.
-Z: Filtro para reducir el ruido e impedir que los pulsos de las DP circulen hasta la
fuente.
-CC: Cable de Conexión al instrumento de medida.
46
-MI: Instrumento de Medida.
-OL: Enlace óptico.
-Zmi: Impedancia de entrada del sistema de medida por donde circulan los pulsos de
DP.
-CD: Dispositivo de acoplamiento
-Ca: Objeto de ensayo considerado como una capacidad.
-Ck: Condensador de acoplamiento que facilita el paso de los pulsos de DP de alta
frecuencia.
4.2.4 Medidas no convencionales de Descargas parciales
La IEC 62478-2016 recoge todas las técnicas o sensores no contemplados en la
convencional. Se basa en que el análisis de la forma del pulso de una DP en el
dominio del tiempo ofrece más información sobre el fenómeno porque permite el
reconocimiento de sus fuentes y la identificación del estado de la actividad de la DP
(Streamer, Townsend, o Pitting) para relacionarlo con el deterioro del aislante. Para
obtener este tipo de información se requieren sistemas de detección de alta
frecuencia, debido a que el ancho de banda de las DP puede variar entre 100 kHz y
1 GHz o hasta 2 GHz (Rojas Moreno, 2011, pág. 33).
Los métodos no convencionales comprenden tres rangos de medida de frecuencia:
alta frecuencia (HF, High Frequency), muy alta frecuencia (VHF, Very High
Frequency) y ultra alta frecuencia (UHF, Ultra High Frequency). La aplicabilidad de
cada rango depende del componente del sistema eléctrico, para cables y máquinas
rotativas se usa HF y VHF y para transformadores o GIS(Gas Insulated Switchgear,
Subestaciones Aisladas en Gas), UHF (Rojas Moreno, 2011, pág. 34).
4.2.4.1 Pruebas de emisiones radiadas
En pruebas de emisiones radiadas, se miden emisiones electromagnéticas
emanadas de equipos bajo prueba “EBP” (Equipment Under Test, EUT). El objetivo
de estas pruebas es el de verificar la capacidad del EBP para permanecer debajo de
47
niveles de emisiones electromagnéticas especificados durante su operación. Una
antena receptora es colocada a 3 o 10 metro del EBP. De acuerdo con la norma
ANSI C 63.4, la antena receptora debe escanear de 1 a 4 metros en altura. El
escaneado ayuda a localizar el peor caso de niveles de emisión del EBP (ETS
Lindgren, S.F., pág. 74).
La imagen 29 muestra un diagrama de bloques de un sistema de pruebas de
emisiones tal como el que es usado por la ANSI C 63.4. El montaje de la prueba está
compuesto de una antena receptora, un primer cable de interconexión, un conector,
un segundo cable de interconexión, y un analizador de señales(ETS Lindgren, S.F.,
pág. 74).
Imagen 29. Prueba de emisiones radiadas (ETS Lindgren, S.F., pág. 75).
Para este trabajo el objeto bajo prueba o EBP serán las celdas de ensayo para
simular patrones de Descarga parcial, un arreglo de electrodos.
4.3 Celdas de ensayo para simular Descargas Parciales
Ya que las pruebas a realizar se harán en un ambiente controlado, se utilizan objetos
como estas celdas de ensayo para generar las Descargas Parciales, para poder
observar su comportamiento y en este caso las radiaciones electromagnéticas que
emite, pudiendo obtener así un rango de frecuencias en el que estas ocurren.
48
4.3.1 Spark gap
Un Spark Gap consiste en un arreglo de dos electrodos conductores separados por
un espacio o gap ya sea de algún aislamiento (usualmente aire) el cual está un
electrodo conecta a una fuente de alta tensión y el otro a tierra. Al reducir el espacio
entre los electrodos dependiendo del medio aislante en el que se encuentre y con el
nivel de tensión adecuado se puede dar una descarga a este nivel de tensión para
que así se ionice el gas y la resistencia eléctrica disminuya resultando como
consecuencia una corriente que fluye por el gas ionizado y es una acción de gas
violento y disruptivo que produce sonido, luz, calor y ondas electromagnéticas.
4.3.2 Arreglo de electrodos
Existen diversos arreglos como los que se muestran en las siguientes figuras:
Imagen 30. Arreglo plano-plano (Park, Kil, Cheon, Kim, & Cha, 2012, pág. 391).
Imagen 31. Arreglo punta cónica-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág. 13).
49
Imagen 32. Arreglo punta semiesférica-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág.
13).
Imagen 33. Arreglo punta cuadrada-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág. 13).
Existen diferentes geometrías para estos arreglos, pero en el experimento que este
trabajo muestra se utilizó el arreglo punta cónica-plano.
50
Capítulo V.
EXPERIMENTACIÓN
5.1 Sistema de medición de Descargas parciales utilizado
5.1.1 Componentes del sistema de medición en condiciones normales
Para poder realizar el experimento con el arreglo de electrodos punta cónica-plano,
se cuenta con una fuente de alta tensión de Corriente Directa comercial (Stun gun
Taser típica) modelo TL-801 MINI Style de 4 Kv, conectada al arreglo con el positivo
la parte del electro punta cónica y con el negativo al electrodo plano como se
muestra en la imagen 34. El electrodo punta cónica está hecho de bronce y el plano
de aluminio.
Imagen 34. Arreglo punta cónica-plano utilizado en experimentación.
Para la detección de las emisiones radiadas se empleó una antena bicónica-híbrida
logarítmico periódica, ya mencionada en el punto 3.4.1, con un rango de frecuencias
de 25 MHz a 2 GHz, esta se muestra en la imagen 35.
51
Imagen 35. Antena bicónica-híbrida logarítmico periódica del laboratorio de EMC.
Para observar las señales medidas se utilizó el analizador de señales Agilent EXA
Signal Analyzer N9010A mostrado en la imagen 36.
Imagen 36. Agilent EXA Analizador de Señales N9010A del laboratorio de EMC.
Los cables utilizados para la conexión de la antena con el analizador de señales son:
primeramente, el cable que va conectado a la parte posterior de la antena, este es un
SC-N-MM-315, y el cable que va conectado al analizador que es el 15NN50-3.0C.
Estos cables ya conectados se muestran en las imágenes 37 y 38. Se mencionan
estos ya que las pérdidas de ambos cables serán tomadas en cuenta para el cálculo
de intensidad de campo eléctrico.
52
Imagen 37. Conexión de cable SC-N-MM-315 a la antena.
Imagen 38. Conexión del cable 15NN50-3.0C al analizador de señales.
5.1.2 Ubicación de los componentes en el sistema de medición en condiciones
normales.
Las mediciones se realizaron en la cámara semi-anecoica del laboratorio de
Compatibilidad Electromagnética de la ESIME Unidad Zacatenco, mostrada en la
imagen 39. Se realizaron dentro de esta cámara para enfocarse solo en las
emisiones radiadas por la descarga y evitar emisiones externas. La cámara semi-
anecoica es un recinto blindado electromagnéticamente, forrado en su interior con
material absorbente.
53
Imagen 39. Cámara semi-anecoica del laboratorio de EMC.
Los componentes del sistema de medición quedaron como se muestra en la imagen
40: primero el arreglo de electrodos ubicado a la parte más cercana de la entrada, en
seguida la antena ubicada en frente del arreglo de electrodos a una distancia de 3m.
El primer cable, SC-N-MM-315 va de la antena a un conector de la cámara semi-
anecoica, y el segundo, 15NN50-3.0C, va de este mismo conector al analizador de
señales dentro del cuarto de control.
Imagen 40. Ubicación de los componentes del sistema en condiciones normales
dentro de la cámara semi-anecoica.
54
5.1.3 Componentes del sistema de medición, humedad y temperatura mayores.
Se tienen para este segundo sistema los mismos componentes mencionados en los
puntos 5.1.1 y 5.1.2, añadiendo la cámara de ambiente. Dentro de esta se encontrará
el arreglo de electrodos punta cónica-plano como se muestra en la imagen 41.
Se tiene este nuevo sistema modificando las condiciones de ambiente para observar
el comportamiento que presentan las descargas, y tener datos y resultados que
aporten más a la investigación del espectro electromagnético que se genera a causa
de estas.
Imagen 41. Arreglo de electrodos dentro de la cámara de ambiente.
Esta cámara cuenta con tres sensores de humedad y temperatura DHT11, de estos 3
sensores se obtiene una humedad y temperatura promedio ya que para modificar
estas condiciones se cuenta con una regadera en la parte superior de la cámara y
esta no proporciona condiciones uniformes dentro de toda la cámara, y un sensor de
flujo de agua YF-S201. Los cuatro sensores se conectan a una placa de Arduino
UNO para poder monitorear las condiciones en las que se encuentra.
Para hacer fluir el agua se tiene una pequeña bomba de agua sumergible, la cual se
muestra en la imagen 42. Esta bomba tiene las siguientes características de trabajo:
127V, 60Hz, 0.5A
55
Imagen 42. Bomba sumergible.
5.1.4 Ubicación de los componentes en el sistema de medición, humedad y
temperatura mayores.
De igual forma se colocarán los componentes del sistema de medición en la cámara
semi-anecoica, teniendo esta vez dentro la cámara de ambiente con el arreglo de
electrodos dentro de ella. Estos componentes del sistema de medición quedaron
como se muestra en la imagen 43.
Imagen 43. Ubicación de los componentes del sistema de medición en condiciones
mayores de humedad y temperatura, dentro de la cámara semi-anecoica.
56
5.2 Medición en condiciones normales
La problemática en la medición radica en que cuando se produce la descarga, se
presentan una serie de impulsos cubriendo un amplio intervalo de frecuencia y el
analizador tomo muestras con un intervalo de tiempo que se fija en función SPAN y
el RBW, esto implica que se requiere una sincronización del inicio de la descarga con
el tiempo de barrido del analizador. Para un SPAN de 25 MHz a 2 GHz y para tener
la mayor cantidad de impulsos en las descargas y poder obtener su espectro, se
requiere que la descarga mantenga un tiempo mucho mayor que el barrido del
analizador.
Como no se tiene un proceso de sincronización y la descarga se acciona de forma
manual, los tiempos para mantener la descarga se realizan de forma arbitraria, con el
fin de que puedan ser controlados manualmente, con barrido continuo de 1ms en el
analizador. De acuerdo a lo anterior se midieron las emisiones de las descargas para
tres casos:
a) Manteniendo las descargas por 3 segundos.
b) Manteniendo las descargas por 5 segundos.
c) Manteniendo las descargas por 10 segundos.
5.2.1 Emisiones obtenidas en condiciones normales condiciones normales
Para el caso a, manteniendo las descargas por 3 segundos las mediciones obtenidas
con el analizador de señales se muestran en la imagen 44.
57
Imagen 44. Emisiones medidas caso a (3s).
Para el caso b, manteniendo las descargas por 5 segundos las mediciones obtenidas
con el analizador de señales se muestran en la imagen 45.
Imagen 45. Emisiones medidas caso b (5s).
Para el caso c, manteniendo las descargas por 10 segundos las mediciones
obtenidas con el analizador de señales se muestran en la imagen 46.
58
Imagen 46. Emisiones medidas caso c (10s).
5.2.2 Cálculo de intensidad de campo eléctrico para condiciones normales
Para cada caso se calculó la intensidad de campo eléctrico utilizando la fórmula 15
vista en el punto 3.4.9. Para esto se tiene que considerar las perdidas en los dos
cables ya mencionados en el punto 5.1.1, por lo que hizo un through (paso) con
ambos cables, se cerró el lazo para la caracterización de estos, y las pérdidas totales
en dB obtenidas en cada valor de frecuencia se dividen entre 2. Estas pérdidas se
muestran en la imagen 47. Para cada valor de frecuencia se tiene una medición y en
esta frecuencia corresponde un valor de pérdidas, así que solo se tiene una sola
gráfica para los valores de perdidas, para todas las mediciones, tanto para
condiciones normales, como para condiciones de humedad y temperatura mayores.
Esto es, se tiene un valor dBµV obtenido de la gráfica en cierta frecuencia, y con este
valor de frecuencia se recurre a la gráfica de pérdidas para obtener un valor de
pérdidas de cable en dB. Aplicándolo así para cada valor pico de la gráfica, en todas
las gráficas de medición con la antena.
59
Imagen 47. Atenuación de los cables usados en la medición.
El factor de antena se toma de la imagen 26 del punto 3.4.9, al igual que las pérdidas
se tiene solo una gráfica para el factor de antena, ya que para cada valor medido en
esa frecuencia se tiene un valor fijo de factor de antena, esta gráfica es útil para
todos los casos de condiciones normales y condiciones de humedad y temperatura
mayores. Los valores obtenidos en dBµV se convierten a valores de volts por metro
con la siguiente fórmula (A.H. Systems, 2008, pág. 23):
𝑉
𝑚= 10(
(𝑑𝐵µ𝑉𝑚
)−120
120)
Entonces para los casos a, b y c los valores de intensidad de campo eléctrico
obtenidos se muestran en las tablas A1 a A6 del Anexo A.
5.3 Medición en condiciones de humedad y temperatura mayores.
Para poder realizar las mediciones modificando las condiciones de humedad y
temperatura insertando lluvia con una regadera dentro de la cámara de ambiente, se
realizó de la siguiente manera: para el proceso de medición, se considera que no
habrá flujo de agua dentro de la cámara de ambiente cuando la cámara semi-
(16)
60
anecoica esté cerrada. Para esto, primero se toman las lecturas en condiciones
normales de humedad y temperatura, las cuales son las siguientes:
Sensor DHT11-1:
Humedad: 50% Temperatura: 18°C
Sensor DHT11-2:
Humedad: 54% Temperatura: 20°C
Sensor DHT11-3:
Humedad: 56% Temperatura: 22°C
Promedio de los 3 sensores:
Humedad: 53.3333% Temperatura: 20°C
Entonces se procede a encender la bomba de agua para hacer fluir el agua, el agua
se tiene en un contenedor y se dejara fluir hasta que se agote, esto lleva
aproximadamente 2 minutos. Mientras el agua fluye los sensores de humedad y
temperatura están tomando una lectura cada segundo, al igual que el sensor de flujo.
Una vez que se termina el agua del contenedor se toman lecturas de las condiciones
en las que se encuentra la cámara de ambiente y se procede a cerrar la cámara
semi-anecoica para producir las descargas y tomar las lecturas correspondientes.
Considerando los mismos casos que en condiciones normales para la medición de
emisiones por descargas, se tienen de la siguiente manera:
d) Manteniendo las descargas por 3 segundos.
e) Manteniendo las descargas por 5 segundos.
f) Manteniendo las descargas por 10 segundos.
5.3.1 Emisiones obtenidas en condiciones mayores de humedad y temperatura.
Para el caso d, manteniendo las descargas por 3 segundos las mediciones obtenidas
con el analizador de señales se muestran en la imagen 48.
61
Imagen 48. Emisiones medidas caso d (3s).
Para el caso e, manteniendo las descargas por 5 segundos las mediciones obtenidas
con el analizador de señales se muestran en la imagen 49.
Imagen 49. Emisiones medidas caso e (5s).
Para el caso f, manteniendo las descargas por 10 segundos las mediciones
obtenidas con el analizador de señales se muestran en la imagen 50.
62
Imagen 50. Emisiones obtenidas caso f (10s).
El flujo del agua medido con el sensor es:
Flujo: 719 L/hora.
Las mediciones finales de humedad y temperatura con los sensores para cada caso
(condiciones en las que se produjeron las descargas) son las siguientes:
Casos d:
Sensor DHT11-1:
Humedad: 89% Temperatura: 20°C
Sensor DHT11-2:
Humedad: 92% Temperatura: 21°C
Sensor DHT11-3:
Humedad: 91% Temperatura: 22°C
Promedio de los 3 sensores:
Humedad: 90.67% Temperatura: 21°C
63
Casos e:
Sensor DHT11-1:
Humedad: 86% Temperatura: 19°C
Sensor DHT11-2:
Humedad: 92% Temperatura: 21°C
Sensor DHT11-3:
Humedad: 90% Temperatura: 22°C
Promedio de los 3 sensores:
Humedad: 89.33% Temperatura: 20.67°C
Casos f:
Sensor DHT11-1:
Humedad: 86% Temperatura: 19°C
Sensor DHT11-2:
Humedad: 92% Temperatura: 21°C
Sensor DHT11-3:
Humedad: 92% Temperatura: 23°C
Promedio de los 3 sensores:
Humedad: 90% Temperatura: 21°C
64
5.3.2 Cálculo de intensidad de campo eléctrico para condiciones mayores de
humedad y temperatura
De igual forma que para condiciones normales se calculó para cada caso la
intensidad de campo eléctrico utilizando la fórmula 15 vista en el punto 3.4.1,
teniendo en cuenta las pérdidas de cable de la imagen 47 y el factor de antena de la
imagen 26. Esta intensidad de campo eléctrico obtenida para cada valor pico medido
está en unidades de dBµV y es convertido a volts por metro con la fórmula 16.
Entonces para los casos d, e y f los valores de intensidad de campo eléctrico
obtenidos se muestran en las tablas A7 a A12 del Anexo A.
65
Capítulo VI.
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
6.1 Análisis de resultados
6.1.1 Mediciones en condiciones normales
Para poder tener una mejor visualización de los resultados obtenidos en las tablas
A1 a A6 del Anexo A se graficaron los resultados de intensidad de campo eléctrico
como se muestran en las imágenes 51, 52 y 53.
Imagen 51. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso a.
Para el caso a se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.388 V/m hasta 0.7377 V/m. Además, los valores obtenidos no son
muy continuos, esto debido a que las descargas no se mantuvieron por mucho
tiempo. Los valores pico detectados en el menor y mayor valor de frecuencias son de
31.3MHz y 1.8965GHz respectivamente. Se notan claramente valores considerables
en todo el espectro medido, se tienen valores muy cercanos a los 25MHz y a los
2GHz.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
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10 100 1000 10000
Inte
nsi
dad
de
Cam
po
Elé
ctri
co [
V/m
]
Frecuencia [MHz]
66
Imagen 52. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso b.
Para el caso b se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.3912 V/m hasta 0.7391 V/m. Los valores picos de las descargas se
observan un poco más continuos que en el caso a. Los valores pico detectados en el
menor y mayor valor de frecuencias son de 144.1MHz y 1.8777GHz
respectivamente. En este caso se observa que el valor pico en la menor frecuencia
se encuentra muy alejado de los 25MHz, esto debido al problema mencionado de la
sincronización del barrido del analizador y la activación de las descargas, se tuvieron
previstos problemas de este tipo manteniendo las descargas por más tiempo, para
poder obtener el mayor número de señales. En este caso, al igual que en el caso a,
se notan también componentes muy cercanas a los 2GHz.
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0.1
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10 100 1000 10000
Inte
nsi
dad
de
Cam
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Elé
ctri
co [
V/m
]
Frecuencia [MHz]
67
Imagen 53. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso c.
Para el caso c se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.3676 V/m hasta 0.7356 V/m. En este caso se observa que los
valores son más apreciables y continuos. Los valores pico se notan en un valor
mínimo de frecuencia de 37.6MHz y un máximo de 1.8965GHz, muy cercanos a los
valores de 25MHz y 2GHz respectivamente.
En los 3 caos se observa que la mayor cantidad de pulsos está concentrada en un
rango de 100MHz a 500MHz, que son valores comunes en sensores de corriente
utilizados para la detección de Descargas Parciales, o inclusive antenas utilizadas
para este mismo propósito, pero con un ancho de banda menor. Sin embargo, se
observan claramente que también hay valores cercanos a los 2GHz, indicando que
los sensores de corriente y antenas de ancho de banda menor no están cubriendo
todo el ancho de banda de ocurrencia de Descargas Parciales.
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0.1
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0.3
0.4
0.5
0.6
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10 100 1000 10000
Inte
nsi
dad
de
Cam
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Ele
ctri
co [
V/m
]
Frecuencia [MHz]
68
6.1.2 Mediciones en condiciones mayores de humedad y temperatura
De igual forma que en el punto anterior, para condiciones normales, para poder
visualizar mejor los resultados obtenidos de intensidad de campo eléctrico, las tablas
A7 a A12 del Anexo A se graficaron como se muestra en las imágenes 54, 55 y 56.
En la cámara de ambiente, antes de iniciar las descargas, la humedad aumento
hasta un 90.67% en el caso d, hasta 89.33% en el caso e y hasta 90% en el caso f,
por lo que es un aumento considerable con respecto al inicial en condiciones
normales de 53.333%. En cuanto a la temperatura aumento hasta 21°C en el caso d,
hasta 20.67°C en el caso e y hasta 21°C en el caso f, lo cual no es un aumento
realmente considerable con respecto al inicial en condiciones normales que es de
20°C. Ya dicho esto, es claro que las descargas se facilitan más por las condiciones
de humedad presente que por las de temperatura.
Para estos 3 últimos casos se observa un menor número de pulsos obtenidos en el
analizador de señales, esto debido a que el arreglo punta cónica-plano está
encerrado en la cámara de ambiente, en la cual se atenúan las emisiones radiadas.
Al aumentar la humedad y temperatura se facilitan aún más las descargas en los
electrodos, por lo que algunas emisiones si son detectadas a pesar de la atenuación
que se tiene por la cámara de ambiente.
Con respecto a los casos de condiciones normales los valores obtenidos, aunque en
menor cantidad, son muy parecidos. Esto indica que a pesar de la atenuación que
presenta la cámara de ambiente hay información sustancial para considerar los
valores cercanos a los 2GHz. Además, el mayor valor pico de intensidad de campo
eléctrico en condiciones mayores de humedad y temperatura, es mayor que todos los
otros valores calculados en condiciones normales, esto dado en V/m, indicando que
al facilitarse la descarga aún más con estas condiciones de ambiente nuevas, se
emiten valores de mayor intensidad de campo electromagnético dentro del rango de
frecuencias de 25MHz a 2GHz.
69
Imagen 54. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso d.
Para el caso d se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.2961 V/m hasta 0.6766 V/m. Los valores obtenidos no son muy
continuos, esto debido a que las descargas no se mantuvieron por mucho tiempo, y
recordando la atenuación que se da por la cámara de ambiente. Los valores pico
detectados en el menor y mayor valor de frecuencias son de 98.07MHz y 1.9803GHz
respectivamente.
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Frecuencia [MHz]
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Imagen 55. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso e.
Para el caso e se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.2746 V/m hasta 0.6256 V/m. Los valores picos de las descargas se
observan un poco más continuos que en el caso d, como es de esperar. Los valores
pico detectados en el menor y mayor valor de frecuencias son de 72.4MHz y
1.811GHz respectivamente. Para estos 3 casos es notorio que los valores de
frecuencia en los que ocurren las descargas son un poco más cercanos a los 2GHz,
en comparación con los valores obtenidos en condiciones normales.
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co [
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Frecuencia [MHz]
71
Imagen 56. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso f.
Para el caso f se observa que los valores de intensidad de campo eléctrico van de
valores desde 0.2798 V/m hasta 0.7604 V/m. En este caso se observa que los
valores son más apreciables y continuos, y recordando que en este caso es en el
que se encuentra el valor pico en V/m mayor de todos los casos. Los valores pico se
notan en un valor mínimo de frecuencia de 52.65MHz y un máximo de 1.994GHz,
muy cercanos a los valores de 25MHz y 2GHz respectivamente.
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0.1
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co [
V/m
]
Frecuencia [MHz]
72
6.2 Conclusiones
La parte importante de este trabajo es que se muestra que en la mayoría de las
emisiones medidas se tienen niveles de señales emitidas casi hasta los 2GHz. Como
se puede observar en las imágenes de los resultados los niveles mayores de
emisiones radiadas están en el intervalo de frecuencia de 100MHz a 500MHz.
Niveles sustanciales de campo eléctrico se encuentran entre 400MHz y 800MHz.
Esto es importante porque muchos de los sistemas de radiodifusión actual están en
la banda de 700MHz y son bastante sensibles, por lo que pueden ser interferidos.
Con este trabajo se demuestra que se tiene un campo de investigación respecto a
las emisiones radioeléctricas en Descargas Parciales, aquí solamente se presentó un
simulador básico.
También se ha mencionado que muchas investigaciones utilizan sensores de
corriente y antenas de menor ancho de banda que el utilizado en este trabajo, para la
detección de Descargas Parciales y sus patrones, teniendo rangos de medición en el
caso de los sensores de corriente de hasta 500MHz y en el caso de las antenas de
hasta 1GHz. Esto indica que no se está cubriendo todo el ancho de banda de las
Descargas Parciales y que al respecto hace falta mayor investigación en el tema.
Los resultados obtenidos son fiables ya que mantienen un comportamiento de
descargas en los tres tiempos, tanto para condiciones normales como para
condiciones de humedad y temperatura mayor (aunque la variación de temperatura
resulta no relevante ya que solo aumenta 1° C al realizar las pruebas); lo que indica
que los tiempos de muestreo, aunque no sincronizados con la ocurrencia de las
descargas, fueron los adecuados para realizar las mediciones.
Aunque se tuvo el pequeño inconveniente de que la cámara de ambiente atenuara
las emisiones radiadas por la descarga, se obtuvieron resultados positivos.
Resumiendo todos los valores obtenidos de intensidad campo eléctrico de los 6
casos presentados se tiene un valor mínimo 0.2961 V/m y un valor máximo de
0.7604 V/m. Además, el valor mínimo de frecuencia en el que se presentaron los
valores medidos fue de 31.3MHz y el máximo de 1.994GHz.
73
El dispositivo de alimentación de los electrodos punta cónica-plano (stun gun taser
convencional), fue de gran ayuda para obtener valores fiables de ocurrencia de
Descargas Parciales, pero este es un dispositivo comercial no muy estable en cuanto
al valor de tensión que maneja, se menciona esto para que si en trabajos futuros se
llegue a ocupar este tipo de arreglos se utilicen también fuentes más estables de alta
tensión, preferiblemente con valores de tensión aun mayor para un análisis más
completo de las Descargas.
Como ya se mencionó estas descargas son fuentes de interferencia para los
dispositivos de comunicación, podrían parecer muy bajos los niveles de intensidad de
campo eléctrico, pero en este tipo de sistemas de radiocomunicación si pueden ser
afectados debido a su alta sensibilidad. Se presenta niveles de intensidad de campo
eléctrico mayores a los 20dBm que por ejemplo son las potencias típicas
normalizadas en los módems para internet. Estos sistemas de comunicaciones son
muy comunes en la vida diaria de las personas, y tienden a popularizarse con el
llamado “internet de las cosas”, por lo que es importante tener la menor cantidad de
fuentes de interferencia posible.
74
Referencias
A.H. Systems (2008). SAS-521-2 Bilogical Antenna Operation Manual. Páginas-15.
Álvarez Gómez, F. (2015). Nuevos desarrollos en la medida de Descargas Parciales
y técnicas avanzadas de análisis para el diagnóstico del estado de los aislamientos
en sistemas eléctricos de alta tensión, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de
Marid, ESTIDI, España, Madrid.
Azcárraga Ramos, C. G. (2004). Medición distribuida de Descargas Parciales en
redes subterráneas utilizando técnicas de Banda Ultra Ancha, Tesis de Maestría,
Instituto Politécnico Nacional, ESIME Unidad Zacatenco, México, Ciudad de México.
Buenrostro Rocha, S. (2007). Metodología para el diseño y construcción de antenas
de mecrocinta en la banda WiMAX a 3.5 GHz, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico
Nacional, CITEDI, México, Baja California.
Camacho García, J. I., Ilhuicatzi Carvajal, H. J., Jarquin Trejo, J. A. (2014). Medición
de descargas parciales en arreglos aislador – cable semiaislado, Tesis de
Licenciatura, Instituto Politécnico Nacional, ESIME Unidad Zacatenco, México,
Ciudad de México.
Cardama Aznar, A., Jofre Roca, L., Rius Casals, J. M., Romeu Robert, J., Blanch
Boris, S., Ferrando Bataller, M. (2005). Antenas. Editorial Alfaomega, México, Ciudad
de México.
Carvajal Martínez, F. A. (2003). Diagnóstico en línea de motores de gran capacidad
mediante la detección de descargas parciales utilizando técnicas de banda ultra
ancha (UWB), Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, ESIME Unidad
Zacatenco, México, Ciudad de México.
Chen, Z. (1999). Understanding the measurement uncertaintis of the bicon/log hybrid
antenna. ITEM, Austin, Tejas.
Contreras Carrillo, M. (2016). Diagnóstico del Aislamiento en Estatores de Máquinas
Síncronas mediante la interpretación de los patrones de Descargas Parciales, Tesis
75
de Licenciatura, Universidad Nacional Autónoma de México, FES Aragón, México,
Estado de México.
Cruz Ornetta, Víctor (2005). Diseño y Fabricación de una Antena Log-Periódica 200-
100 MHz. Electrónica UNMSM, 3-11.
Enríquez Harper, G. (1978). Técnicas de las altas tensiones: Volumen I. Editorial
Limusa, México, Ciudad de México.
ETS-Lindgren (S.F.). Common EMC Measurement Terms. Recuperado el 25 de
septiembre de 2017 de http://www.all-electronics.de/wp-
content/uploads/migrated/document/191852/411pdf-antennen-formelsammlung.pdf
Fernández Monroy, F. R., Lima Rodríguez, L. F. (2013). Diseño de una antena de
banda ultra ancha para aplicaciones de radio cognitivo. Tesis de Licenciatura,
Instituto Politécnico Nacional, ESIME Unidad Zacatenco, México, Ciudad de México.
Guevara Cortés, B. (2011). Coordinación de Aislamiento-Dimensionamiento
Dieléctrico, apuntes de clase de Técnicas de las Altas Tensiones 2, Instituto
Politécnico Nacional, ESIME Unidad Zacatenco, México, Ciudad de México.
Guillen Aparicio, D. (2015). Detección y localización de descargas parciales en
devanados de transformadores de potencia usando modelos de alta frecuencia,
Tesis de Doctorado, Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, México, Nuevo León.
Hernández Berber, P. T. (2008). Instalación y puesta en servicio del sistema de
análisis de Descargas Parciales del Proyecto Hidroeléctrico el Cajón, Tesis de
Licenciatura, Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ingeniería,
México, Ciudad de México.
Holtzhausen, J., Vosloo, W. (2014). High Voltage Engineering: Practice and Theory.
Editorial, Draft Version of Book, Sudáfrica, Stellenbosch Central.
IEEE Standards Association (2013a). Institude of Electrical and Electronics Engineers
IEEE-Std-145-2013 Standard for Definitions of Terms for Antennas. United States of
America, New York, NY 10016-5997.
76
IEEE Standards Associarion (2013b). Institude of Electrical and Electronics Engineers
IEE-Std-4-2013 Standard for High-Voltage Testing Techniques. United States of
America, New York, NY 10016-5997.
International Electrotechnical Commission (2000). IEC Standard 60270:2000
pruebas de técnicas de alta tensión-medidas de descargas parciales, UNE-EN
60270.
Kuffel, E., Zaengl, W. S., Kuffel, J. (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals.
Editorial Butterworth-Heinemann, Inglaterra, Londres.
Park, D.-W., Kil, G.-S., Cheon, S.-G., Kim, S.-J., Cha, H.-K. (2012). “Frequency
Spectrum Analysis of Electromagnetic Waves Radiated by Electric Discharges”.
Journal of Electrical Engineering & Technology Vol. 7. Páginas 389-395.
Psonis Sánchez, Y. (2013). Aplicación práctica del equipo PDS-100 para la medida
de Descargas Parciales, Tesis de Licenciatura, Universidad Carlos III de Madrid,
Departamento de Ingeniería Eléctrica, España, Madrid.
Rodríguez Pozueta, M.A. (2015). Aislantes y conductores utilizados en las Máquinas
Eléctricas. Recuperado el 27 de agosto de 2017 de
http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Aislantes%20y%20conductores.pdf
Rojas Moreno, M. V. (2011). Sensor de acoplamiento inductivo para la medida de
pulsos de corriente de alta frecuencia. Aplicación para la medida y detección de
Descargas Parciales, Tesis Doctoral, Universidad Carlos III de Madrid, Departamento
de Ingeniería Eléctrica, España, Madrid.
Saguay Tacuri, M. F., Torres Cuenca, R. A. (2011). Análisis de comportamiento de
medios dieléctricos ante las altas tensiones eléctricas, Tesis de Licenciatura,
Universidad de Cuenca, Facultad de Ingeniería, Ecuador, Cuenca.
Salazar del Moral, V. M. (2002). Nuevos Factores de Corrección para Tensiones de
Corriente Directa, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, ESIME, México,
Ciudad de México.
77
Torres Peñaloza, D. (2010). Sistema de localización de Descargas Parciales en
línea, Tesis de Maestría, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, UPIITA,
México, Ciudad de México.
Valdez Nájera, A. Vilchis Sánchez, M. A. (2015). Determinación de la U50 al impulso
por frente rápido para la configuración punta-plano a distancias cortas, Tesis de
Licenciatura, Instituto Politécnico Nacional, ESIME Unidad Zacatenco, México,
Ciudad de México.
78
Índice de imágenes
Imagen 1. Rigidez dieléctrica superficial (Rodriguez Pozueta, 2015, pág. 2). ............. 9
Imagen 2. Campo uniforme (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 29). ........................ 14
Imagen 3. Campo no uniforme (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 30). ................... 15
Imagen 4.Conductor sobre plano de tierra (Holtzhausen & Vosloo, 2014, pág. 31). . 16
Imagen 5. Descarga parcial interna o en cavidades (Guillén Aparicio, 2015, pág. 16).
.................................................................................................................................. 19
Imagen 6. Distribución de campo eléctrico en una cavidad (Psonis Sánchez, 2013,
pág. 15). .................................................................................................................... 19
Imagen 7. Descarga parcial externa o corona (Guillén Aparicio, 2015, pág. 16)....... 20
Imagen 8. a) y b) Representación de una DP superficial (Guillén Aparicio, 2015, pág.
16). ............................................................................................................................ 21
Imagen 9. Simulación de un objeto de prueba de DP. Esquema de un sistema de
aislamiento comprendiendo una cavidad (Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424). 22
Imagen 10. Simulación de un objeto de prueba de DP. Circuito equivalente (Kuffel,
Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 424). ............................................................................. 23
Imagen 11. Objeto de prueba de DP, Ct dentro de un circuito de prueba de DP
(Kuffel, Zaengl, & Kuffel, 2000, pág. 425). ................................................................ 23
Imagen 12. a) Enlace de radio (o forma inalámbrica) llevando a cabo comunicación
con la antena transmisora y b) la antena receptora (Fernández Monroy & Lima
Rodríguez, 2013, pág. 4). .......................................................................................... 25
Imagen 13. Circuito equivalente del generador y la antena (Buenrostro Rocha, 2007,
pág. 9). ...................................................................................................................... 26
Imagen 14. Diagrama de radiación tridimensional (Cardama Aznar, y otros, 2005,
pág. 20). .................................................................................................................... 28
Imagen 15. Teorema de reciprocidad (Psonis Sánchez, 2013, pág. 33). .................. 30
Imagen 16. Medición de emisiones radiadas (ETS Lindgren, S.F., pág. 68). ............ 32
Imagen 17. Monopolo de λ /4 de longitud h sobre un plano conductor (Psonis
Sánchez, 2013, pág. 41). .......................................................................................... 33
Imagen 18. a) Diagrama de radiación del dipolo de λ/4 b) Diagrama para dipolo de
λ/2 (Psonis Sánchez, 2013, pág. 39). ........................................................................ 33
79
Imagen 19. Antena de lazo. a) Antena de lazo circular pequeña b) Antena de lazo
circular grande (Buenrostro Rocha, 2007, pág. 23). .................................................. 34
Imagen 20. Características físicas de la antena helicoidal (Buenrostro Rocha, 2007,
pág. 24). .................................................................................................................... 35
Imagen 21. Tipos de antenas de corneta (Buenrostro Rocha, 2007, pág. 27). ......... 36
Imagen 22. Antena tipo parche (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág.
24). ............................................................................................................................ 36
Imagen 23. Arreglo de antenas (Fernández Monroy & Lima Rodríguez, 2013, pág.
23). ............................................................................................................................ 37
Imagen 24. Antena Log-periodic con booms en paralelo (Cruz Ornetta, 2005, pág. 6).
.................................................................................................................................. 38
Imagen 25. Antena bicónica-híbrida logarítmico periódica (A.H. Systems, 2008, pág.
3). .............................................................................................................................. 39
Imagen 26. Factor de antena y ganancia (A.H. Systems, 2008, pág. 11). ................ 40
Imagen 27. Circuito directo de detección (International Electrotechnical Commission,
2000, pág. 25). .......................................................................................................... 45
Imagen 28. Circuito indirecto de detección (International Electrotechnical
Commission, 2000, pág. 25)...................................................................................... 45
Imagen 29. Prueba de emisiones radiadas (ETS Lindgren, S.F., pág. 75). .............. 47
Imagen 30. Arreglo plano-plano (Park, Kil, Cheon, Kim, & Cha, 2012, pág. 391). .... 48
Imagen 31. Arreglo punta cónica-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág. 13). ... 48
Imagen 32. Arreglo punta semiesférica-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág.
13). ............................................................................................................................ 49
Imagen 33. Arreglo punta cuadrada-plano (Salazar del Moral V. M., 2002, pág. 13). 49
Imagen 34. Arreglo punta cónica-plano utilizado en experimentación. ..................... 50
Imagen 35. Antena bicónica-híbrida logarítmico periódica del laboratorio de EMC. . 51
Imagen 36. Agilent EXA Analizador de Señales N9010A del laboratorio de EMC. ... 51
Imagen 37. Conexión de cable SC-N-MM-315 a la antena. ...................................... 52
Imagen 38. Conexión del cable 15NN50-3.0C al analizador de señales. .................. 52
Imagen 39. Cámara semi-anecoica del laboratorio de EMC. .................................... 53
80
Imagen 40. Ubicación de los componentes del sistema en condiciones normales
dentro de la cámara semi-anecoica. ......................................................................... 53
Imagen 41. Arreglo de electrodos dentro de la cámara de ambiente. ....................... 54
Imagen 42. Bomba sumergible. ................................................................................. 55
Imagen 43. Ubicación de los componentes del sistema de medición en condiciones
mayores de humedad y temperatura, dentro de la cámara semi-anecoica. .............. 55
Imagen 44. Emisiones medidas caso a (3s). ............................................................. 57
Imagen 45. Emisiones medidas caso b (5s). ............................................................. 57
Imagen 46. Emisiones medidas caso c (10s). ........................................................... 58
Imagen 47. Atenuación de los cables usados en la medición. .................................. 59
Imagen 48. Emisiones medidas caso d (3s). ............................................................. 61
Imagen 49. Emisiones medidas caso e (5s). ............................................................. 61
Imagen 50. Emisiones obtenidas caso f (10s). .......................................................... 62
Imagen 51. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso a. ................ 65
Imagen 52. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso b. ................ 66
Imagen 53. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso c. ................ 67
Imagen 54. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso d. ................ 69
Imagen 55. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso e. ................ 70
Imagen 56. Valores de intensidad de campo eléctrico graficados caso f. ................. 71
81
Índice de tablas
Tabla 1. Valores de rigidez dieléctrica para algunas substancias (Enríquez Harper,
1978, pág. 105). .......................................................................................................... 9
Tabla 2. Valores de constante dieléctrica o permitividad relativa de materiales
dieléctricos (Saguay Tacuri & Torres Cuenca, 2011, pág. 25). ................................. 10
Tabla 3. Denominación de las bandas de frecuencias por décadas (Cardama Aznar,
y otros, 2005, pág. 16). ............................................................................................. 24
82
Abreviaturas
DP Descarga Parcial
DP’s Descargas Parciales
TP Transformador de Potencial
TC Transformador de Corriente
PE Polietileno
PVC Policloruro de vinilo
EMC Compatibilidad Electromagnética
EMI Interferencia Electromagnética
AT Alta tensión
C.C. Corriente Continua
C.A. Corriente Alterna
C.D. Corriente Directa
EBP Equipo Bajo Prueba
EUT Equipment Under Test (Equipo Bajo Prueba)
RF Radio Frecuencia
VSWR Voltage Sanding Wave Ratio (Tensión de Onda de Radio
Estacionaria)
I
Anexo A Tablas de valores obtenidos de Campo Eléctrico
Tabla A1. Valores de intensidad de Campo eléctrico caso a (3s).
II
Tabla A2. Valores de intensidad de campo eléctrico caso b (5s).
III
Tabla A3. Valores de intensidad de campo eléctrico caso b (5s), continuación.
IV
Tabla A4. Valores de intensidad de campo eléctrico caso c (10s).
V
Tabla A5. Valores de intensidad de campo eléctrico caso c (10s), continuación 1.
VI
Tabla A6. Valores de intensidad de campo eléctrico caso c (10s), continuación 2.
VII
Tabla A7. Valores de intensidad de campo eléctrico caso d (3s).
VIII
Tabla A8. Valores de intensidad de campo eléctrico caso e (5s).
IX
Tabla A9. Valores de intensidad de campo eléctrico caso e (5s), continuación.
Tabla A10. Valores de intensidad de campo eléctrico caso f (10s).
X
Tabla A11. Valores de intensidad de campo eléctrico caso f (10s), continuación 1.
XI
Tabla A12. Valores de intensidad de campo eléctrico caso f (10s), continuación 2.
XII
Apéndice A
Código de Arduino utilizado para los sensores de la Cámara de
Ambiente
Como se mencionó, se tienen 3 sensores de humedad y temperatura DHT11 y un
sensor de flujo de agua YF-S201. Primero se explicará la programación del sensor
DHT11.
El sensor DHT11 necesita de una librería especial para este tipo de sensores, ya sea
para un DHT11 o para un DHT22. Esta librería se incluye así:
#include <DHT.h>
Una vez teniendo esta librería se necesita definir el tipo de sensor a ocupar ya sea
DHT11 o DHT22, como se muestra a continuación:
#define DHTTYPE DHT11
Ahora se declara el número de pin a utilizar para cada sensor (en este caso 3), a
continuación, se muestra la declaración para uno de ellos:
const int DHTPin3 = 7;
DHT dht3(DHTPin3, DHTTYPE);
Enseguida se procede a trabajar con las dos partes principales del código de
Arduino, que son el void setup y el void loop. En el void setup se inicializa como en
cualquier programa el “Serial.bengin” y además se inicializa cada sensor ya
declarado como se muestra a continuación:
dht1.begin();
Dentro del void loop se declaran variables tipo “float” para almacenar los valores de
humedad y temperatura medidos, esto para cada sensor, siendo float por que los
valores que se obtienen pueden utilizar puntos decimales. En estos valores se
almacenará el valor ya inicializado y declarado anteriormente, esto se muestra como
así:
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float h1 = dht1.readHumidity();
Si por algún problema en el sensor no se obtiene una lectura (por ejemplo, de una
mala conexión) se puede mostrar el mensaje de error con un “if”, indicando que
sensor es el que está fallando, y este if queda así:
if(isnan(h1)|| isnan(t1))
Serial.println("Failed to read form DHT1 sensor!");
return;
Finalmente se imprimen los valores medidos en el monitor de la computadora.
Ahora se procede con la programación del sensor de flujo.
El sensor de flujo YF-S201 necesita primero de una calibración, ya que este capta
cierto número de pulsos, y puede diferir un poco entre un sensor y otro. Aunque esta
variación no sea muy grande, se pretende hacer esta calibración para tener un valor
más exacto. La programación para la calibración se muestra en la siguiente imagen:
Imagen A1. Código de calibración para el sensor de flujo.
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Se carga este programa a la placa de Arduino UNO, y se deja correr agua por el
sensor. Se debe dejar correr agua hasta llenar un recipiente con una cantidad de
litros determinada. Así, obteniendo un número de pulsos para una cantidad de litros.
Se deben hacer al menos 10 pruebas para poder calcular un promedio de estos.
Para el caso del sensor utilizado en este trabajo, el número de pulsos promedio
obtenidos fue de 400 pulsos/min. Para obtener la frecuencia de este sensor se divide
entre 60 este número de pulsos, obteniendo un valor de 6.67 Hz. Entonces
para tener obtener los litros por hora, se usa la siguiente fórmula:
litrosPorHora = (pulsos * 60 / 6.67);
Con esta fórmula ya se puede configurar el código del sensor de flujo como se
muestra en las imagnes A2 y A3. Muestra un valor de litros por hora cada segundo y
además también muestra el número de litros totales que han pasado por el sensor.
Imagen A2. Código del sensor de flujo parte 1.
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Imagen A3. Código del sensor de flujo parte 2.
Finalmente, estos códigos se juntan en un solo programa, no requiere otros ajustes
para poder tener un código único, solo ajustar el orden de este. Entonces el
programa final, utilizado para monitorear las condiciones de la cámara de ambiente
es el de las imágenes A4, A5, A6 y A7:
Imagen A4. Código de sensores de humedad, temperatura y flujo, parte 1.
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Imagen A5. Código de sensores de humedad, temperatura y flujo, parte 2.
Imagen A6. Código de sensores de humedad, temperatura y flujo, parte 3.
XVII
Imagen A7. Código de sensores de humedad, temperatura y flujo, parte 4.
