(Práctica Lab Tec at i 2011 Introduccion Al Laboratorio) (1)

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD ADOLFO LPEZ MATEOS

PRCTICAS DE LABORATORIO TCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I

ELABOR

M. en. C. BALDOMERO GUEVARA CORTS

MXICO, D.F. ENERO 2011

Prcticas de Laboratorio Tcnica AT I 2011

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PROLOGO

La presente elaboracin de las prcticas de la asignatura de Tcnica de las Altas Tensiones I se realiz junto con los apuntes y tiene la finalidad de proporcionarle al estudiante de la carrera de Ingeniera Elctrica, un material de gua para que se cumplan los objetivos de dicha asignatura, el cual es el siguiente:

El alumno analizar el origen, estudio y atenuacin de las sobretensiones que se presentan en un sistema elctrico de potencia, con el fin de garantizar buen diseo en los equipos elctricos y control adecuado del Sistema Elctrico de Potencia.

El contenido de estas prcticas est dividido en dos partes principales:

a) Conocimiento del laboratorio de Alta Tensin, ubicada en los Laboratorios Pesados 2 de la ESIME Zacatenco. Las prcticas que corresponde a esta parte son desde la 1 a la 4, incluyendo un proyecto de investigacin de transmisin de CD en Alta Tensin, que no es comn en nuestro pas.

b) Simulacin de fenmenos transitorios utilizando el paquete computacional ATP-Draw de licencia libre. Esta parte corresponde las prcticas 5 a la 10, incluyendo un proyecto que abarca el estudio de diversos disturbios transitorios en un Sistema Elctrico de Potencia.

M. en C. Baldomero Guevara Corts Profesor de la Academia de Potencia

Enero 2011


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LABORATORIO DE TCNICA DE LAS ALTAS TENSIONES I

PRCTICA 1 Introduccin al Laboratorio de Alta Tensin

1.1 Objetivo

Al trmino de la prctica el alumno:

Conocer la utilidad del laboratorio de Alta Tensin (AT) para la prueba de aislamiento de los equipos. Conocer los equipos que componen el Laboratorio de AT as como su distribucin. Comprender las medidas de seguridad que se deben de respetarse para la integridad del personal y de

los equipos.

1.2 Introduccin terica.

1.2.1. Introduccin al Laboratorio de Alta Tensin.

Los equipos de prueba de AT son generalmente usados en laboratorios de investigacin o de pruebas de rutina. El trabajo que se lleva en los laboratorios de investigacin vara considerablemente de uno establecido a otro y el tipo de equipo requerido vara de acuerdo a los niveles de aislamiento a probar.

El equipo de prueba de rutina es concerniente con la prueba de equipos, tales como transformadores, interruptores, boquillas, cuchillas, cables, etc., y se realiza en la fbrica misma para un control de calidad de sus equipos y garantizar que stos cumplen las normas internacionales.

El Laboratorio de AT de la ESIME cumple con las funciones de la enseanza, la investigacin y junto con el laboratorio de piso de pruebas a transformadores, apoyan al desarrollo de la pequea industria que por su capacidad de recursos no cuente con laboratorio propio.

El equipo de AT se requiere para estudiar el comportamiento de los aislamientos bajo las condiciones a las cuales se encuentra. Las pruebas son realizadas con tensiones elevadas que las de servicio para determinar el factor de seguridad y asegurar que el margen de trabajo no sea tan alto ni tan bajo.

El comportamiento de un aislamiento, tales como materiales orgnicos, aceites aislantes, cartones celulsicos, etc., se puede estudiar a partir de su curva de respuesta a las tensiones, la cual se indica en la figura 1.1.

Como se observa en la figura, las pruebas de aislamiento de equipos elctricos se efectan aplicando tensiones en tiempos muy cortos (microsegundos) hasta valores de hasta un minuto.

Un aislamiento estar en buenas condiciones, cuando se comprueban todos sus puntos a lo largo de la curva, es decir, cuando soporta todas las tensiones aplicadas en los lapsos de tiempo indicados.


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kV

t 5 s 107 s 1 min

C B A

Figura 1.1. Curva de respuesta a las ATs de los aislamientos

En la misma figura, se aprecian 3 zonas para prueba de aislamiento. Para probar un aislamiento que se encuentra dentro de los rangos de la zona A (por ejemplo, cartn fibra, etc.), se utiliza un transformador de prueba de alta tensin de CD o CA. Para probar un aislamiento o un equipo elctrico que se encuentran en las zonas B y C (por ejemplo, cadenas de aisladores, boquillas, interruptores, transformadores, etc.), se emplea un generador de impulsos.

1.2.2 La seguridad en el laboratorio

Los accidentes no suceden sino son causados. Los accidentes provocan prdida de tiempo, dinero y a veces como consecuencia lesin y hasta prdida de vidas.

Se tienen diversas causas que influyen a que se produzca un accidente:

Desconocimiento de las normas de seguridad en el lugar de trabajo. Desconocimiento de la operacin de las mquinas y equipo del lugar de trabajo. Condiciones fsicas y/o emocionales del operador. Descuido. Indisciplina

La seguridad no la forman los reglamentos, los medios de proteccin, la sealizacin ni los cdigos, es una disciplina con la que se busca el ptimo desarrollo del trabajador, en donde el elemento humano, acepta mantener una absoluta responsabilidad.

INVESTIGACIN: Investigar la utilidad de este tipo de laboratorios en la Ingeniera Elctrica. Tome como referencia el LAPEM de la CFE.

1.3 Desarrollo

1. El profesor explicar las medidas de seguridad que se deben de cumplir para ingresar al Laboratorio de AT.

2. El profesor dar una demostracin del Laboratorio de AT, sealando los equipos que se emplean y la utilidad de los mismos en las pruebas de los aislamientos.


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3. El alumno medir las dimensiones del laboratorio as como sus zonas de trabajo sealadas con lneas amarillas.

1.4 Anlisis de resultados

1. Realice un plano definiendo la disposicin de los equipos, as como las zonas de trabajo y de seguridad.

2. Realice una tabla con los datos de especificacin de todos equipos que se emplean en el laboratorio de alta tensin.

1.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:

a) Accidente de trabajo; b) Lesin; c) Condicin insegura; d) Riesgo de trabajo; e) Acto inseguro.

2. Explique los efectos que produce la corriente elctrica en los seres humanos as como los valores de corrientes tolerables que puede soportar.

3. Explique qu es la jaula de Faraday, la funcin que cumple en el Laboratorio de AT y qu criterios se cumplen para su diseo.

4. Qu factores dependen el dimensionamiento dielctrico del Laboratorio de AT, as como la disposicin de los equipos y las zonas de seguridad y trabajo.

1.6 Conclusiones

Interprete sus conclusiones en forma individual.

1.7 Referencias

La consultada por el alumno.


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PRCTICA 2 Conocimiento del equipo del Laboratorio de Alta Tensin: El

Transformador de Alta Tensin

2.1 Objetivo


Conocer el funcionamiento del Transformador de AT. Conocer los tipos de prueba que se pueden realizar con el Transformador de AT.


Las fuentes de tensin alterna (CA) tienen como rangos de 10 kVrms hasta 2 MVrms. En general, todas las pruebas de CA estn hechas a la frecuencia con que trabajan los equipos. Excepciones son pruebas relacionados a los ncleos de los transformadores, de los cuales, es necesario la alta frecuencia para la saturacin del ncleo. Aunque los sistemas de potencia de transmisin son trifsicos, las pruebas de tensin en CA son usualmente de fase-tierra. La onda debe ser cercana a una senoidal pura y la razn de pico a rms igual

a 2 con 5%. dttVT

VT

rms =0

2 )(1 .

En pruebas de aparatos en AT o aislamientos en AT, involucran una carga capacitiva con una baja o muy baja disipacin de potencia. Estas capacitancias de prueba pueden ser electrodos de AT, aisladores de suspensin, boquillas, transformadores de potencia, cables de AT con diferente tipo de aislamiento, subestaciones encapsuladas, etc. Adems, todas las fuentes de CA deben de soportar los rompimientos de tensin repentinos a la tensin del sistema, el cual se aconseja conectar una resistencia de amortiguamiento entre la fuente y el objeto-prueba. Se tienen dos formas de generar tensin de CA:

Transformadores. Circuitos resonantes.

INVESTIGACIN: El alumno investigar en detallar la descripcin de los transformadores de AT y los circuitos resonantes, as como la utilidad de los vltmetros de esferas y el de puntas.

2.3 Desarrollo

1. El profesor les explicar brevemente el funcionamiento del Transformador de AT y los tipos de prueba que se pueden realizar con l.

2. Se montar el esquema que se muestra en la figura 2.5.


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3. Medir el dimetro de las esferas.

3. Medir la tensin de ruptura para dicha configuracin aplicando 5 disparos para una distancia de 4 cm entre esferas, al aplicar una tensin de CA.

4. Realizar el mismo procedimiento para la configuracin de la figura 2.2 para una distancia de 4 cm. Mida el espesor de las puntas.


1. Compare los valores de las tensiones de ruptura de los vltmetros de esferas y el de puntas. Explique las diferencias de dichos valores.

Figura 2.5 Vltmetro de esferas.

Figura 2.5 Vltmetro de puntas.


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2. Realice el promedio de los valores medidos en laboratorio para ambas configuraciones y enseguida corrija sus resultados a condiciones atmosfricas estndares utilizando el factor de correccin por altitud por medio de las siguientes ecuaciones:

V = Vo (2.1)

+

+

=

t

t

bb oo 273

273 (2.2)

Donde: V = Tensin de ruptura a condiciones atmosfricas del lugar de trabajo. VO = Tensin de ruptura a condiciones atmosfricas estndares. = Factor de correccin por densidad relativa del aire. b = Presin atmosfrica en el lugar de trabajo. bO = Presin atmosfrica estndar (760 mm Hg). t = Temperatura ambiente en el lugar de trabajo. tO = Temperatura ambiente estndar (20oC)

3. A partir de las tablas del anexo 2.8, compare los valores de tensin crtica de flameo del vltmetro de esferas y el de puntas corregidos con los valores de dichas tablas. Calcule sus por cientos de error y analice sus resultados.

2.5 Cuestionario

1. Defina los siguientes conceptos:

a) Tensin crtica de flameo; b) Tensin de ruptura; c) Sobretensin; d) Vltmetro de esferas; e) Vltmetro de puntas.

2. A qu se debe que los vltmetros de esferas y el de puntas estn en desuso.

3. Describa los tipos de prueba que se pueden realizar con el Transformador de AT.

2.6 Conclusiones


2.7 Referencias

E. Kuffel, W. S. Zaengl, High Voltage Engineering, Edit. Pergamon Press, 1984.

M. Khalifa, High Voltage Engineering, Edit. Marcel Dekker, Inc., 1990.

IEEE Std. 4-1995, IEEE Standard Techniques for High Voltage Testing.


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2.8 Anexo

Tabla 2.1. Vltmetro de esferas. Valores pico de tensin crtica de flameo (U50) para CA, impulso de rayo y maniobra de polaridad negativa y para CD en ambas polaridades*.

Espacio en aire entre las esferas

[mm]

Tensin [kVpico] Dimetro de las esferas [cm] 6.25 12.5 25

5 17.2 16.8 --- 10 31.9 31.7 --- 15 45.5 45.5 --- 20 58.5 59.0 --- 25 69.5 72.5 72.5 30 79.5 85.0 86.0 35 (87.5) 97.0 --- 40 (95.0) 108.0 112.0 45 (101.0) 119.0 --- 50 (107.0) 129.0 137.0 55 (112.0) 138.0 --- 60 (116.0) 146.0 161.0

62.5 (117.0) 150.0 --- 70 --- (161.0) 184.0

Tabla 2.2 Vltmetro de esferas. Valores pico de tensin crtica de flameo (U50) para impulso de rayo y maniobra de polaridad positiva*.

Espacio en aire entre las esferas

[mm]

Tensin [kVpico] Dimetro de las esferas [cm] 6.25 12.5 25

5 17.2 16.8 --- 10 31.9 31.7 --- 15 45.9 45.5 --- 20 59.0 59.0 --- 25 71.0 72.5 72.7 30 82.0 85.0 86.0 35 (91.5) 98.0 --- 40 (101.0) 110.0 112.0 45 (108.0) 122.0 --- 50 (115.0) 134.0 138.0 55 (122.0) 145.0 --- 60 (127.0) 155.0 163.0

62.5 (128.0) 160.0 --- 70 --- (173.0) 187.0


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Tabla 2.3 Vltmetro de puntas cuadradas de 15 a 25 mm de lado. Valores pico de tensin crtica de flameo (U50) para CA e impulso de rayo ambas polaridades*.

Espacio en aire entre las puntas

[cm]

60 Hz [kV pico]

U50 (kV pico] 1.2 x 5 s no estndar 1.2 x 50 s estndar

Positiva negativa positiva negativa 2 25 33 33 31 31 3 36 43 43 41 41 4 46 52 52 50 50 5 53 61 63 59 61 6 60 66 71 64 69 8 70 81 87 75-76* 84

10 79 96 104 87-91* 99 12 86 115 121 100-107* 116 14 95 134 138 114-125* 132 16 104 153 155 129-142* 147 18 112 170 171 139-153* 158 20 120 188 188 154-161* 176 25 143 234 232 184 217 30 167 277 274 217 249-260* 35 192 320 316 250 283-306* 40 218 362 358 281 313-348* 45 243 405 405 309 347-375* 50 270 445 449 339 382-392* 60 322 525 535 392 455 70 374 605 625 450 525

* Extracto de las tablas tomadas de IEEE Std. 4-1995, IEEE Standard Techniques for High Voltage Testing.


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PRCTICA 3 Conocimiento del equipo del Laboratorio de Alta Tensin: El

Generador de Marx

3.1 Objetivo


Conocer el funcionamiento del generador de Marx. Conocer los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de Marx.


Los disturbios en los sistemas elctricos son provocados la mayora de las veces por dos tipos de sobretensiones transitorias, de la cual, las amplitudes pueden exceder el valor pico de la tensin de CA. El primer tipo son las sobretensiones por descarga atmosfrica que se inducen en las lneas areas, en los buses-barras de las subestaciones etc. Su amplitud es muy alta (alrededor de 1000 kV) y puede inyectar corrientes alrededor de 100 kA. Cada descarga inducida es seguida de una onda viajera, cuya amplitud se limita por el esfuerzo mximo de aislamiento de las lneas areas, as como del equipo de proteccin (apartarrayos).

El segundo tipo lo provocan los fenmenos de interrupcin. Su amplitud se relaciona con la tensin de operacin y la forma depender de la impedancia del sistema, as como tambin de las condiciones de la interrupcin. El valor de la tensin es usualmente menor, pero se sabe que la forma de onda puede incluso ser muy peligroso a diferentes sistemas de aislamiento.

Aunque la forma actual de ambas sobretensiones transitorias vara fuertemente, ha sido necesario simular estas ondas. En la figura 3.1 se tiene una seal de impulso por rayo, el cual el valor estndar es de 1.2/50 (1.2s de frente virtual y 50s de tiempo al valor medio). Las tolerancias son: el valor pico es de 3%, el tiempo de frente virtual de 30% y el tiempo virtual al valor medio de 20%. Existen impulsos por rayo cortado, es decir, una discontinuidad inicial, disminuyendo la tensin, del cual cae a cero con o sin oscilaciones. Esa discontinuidad se origina por cualquier descarga produciendo un colapso de tensin. Este colapso puede ocurrir en el frente, en el pico o en la cola.


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En la figura 3.2 se tiene una seal de impulso por maniobra o swicheo. Su estandarizacin 250/2500 (250 s de tiempo al valor pico y 2500 s de tiempo al valor medio) y sus tolerancias son de valor pico de 3%, tiempo al pico de 20% y tiempo al valor medio de 60%.

INVESTIGACIN: El alumno investigar en detallar la descripcin del generador de impulso de Marx de una etapa y el multietapas.

3.3 Desarrollo

1. El profesor explicar brevemente el funcionamiento del generador de Marx y los tipos de prueba que se pueden realizar con l.

Figura. 3.1 Forma general y definiciones de tensin de impulso de rayo. a) Onda completa. b) Onda cortada en la cola. c) Onda cortada en el frente. T1: tiempo virtual del frente. T2: Tiempo virtual al valor medio. Tc: Tiempo al corte. O1: Origen Virtual.

Figura 3.2. Forma general de la seal de tensin de impulso por maniobra o swicheo. Tcr: Tiempo a cresta. T2: Tiempo al valor medio. Td: Tiempo arriba del 90%.


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2. Se montar el esquema que se muestra en la figura 3.3.

3. Medir la tensin de ruptura para dicha configuracin aplicando 5 disparos para una distancia de 5 cm entre esferas.

4. Realizar el mismo procedimiento para la configuracin de la figura 3.4, para una distancia de 5 cm.

Figura 3.3 Vltmetro de esferas.

Figura 3.4 Vltmetro de puntas.

Alimentacin al generador de impulsos

Alimentacin al generador de impulsos


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1. Realice el mtodo de up and down para calcular la tensin crtica de flameo a partir de los valores de tensin de ruptura medidos experimentalmente en el laboratorio para ambas configuraciones y enseguida corrija sus resultados a condiciones atmosfricas estndares empleando el procedimiento de la prctica 2, apartado 2.4 inciso 1.

2. A partir de las tablas del anexo 2.8, compare los valores de tensin critica de flameo del vltmetro de esferas y el de puntas corregidos con los valores de dichas tablas. Calcule sus por cientos de error y analice sus resultados.

3.5 Cuestionario

1. Describa el mtodo de up and down para el clculo de la tensin crtica de flameo experimentalmente.

2. Explique por qu se tienen formas de onda estandarizadas para los impulsos de rayo y de maniobra y si dichas formas de onda garantizan un valor de ruptura mnimo en el aislador.

3. Describa los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de Marx.

3.6 Conclusiones


3.7 Referencias



IEEE Std. 4-1995, IEEE Standard Techniques for High Voltage Testing.


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PRCTICA 4 - PROYECTO 1 Conocimiento del equipo del Laboratorio de Alta Tensin: El

Generador Alta Tensin de CD y los Divisores de Tensin

4.1 Objetivo


Conocer el funcionamiento del generador de AT de CD y los divisores de tensin. Conocer los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de AT de CD.


El alumno investigar las fuentes de generacin de tensiones de CD que se emplean en los laboratorios de alta tensin y cules son las pruebas que se pueden aplicar a los aislamientos. Investigar los tipos de divisores de tensin que se emplean en los laboratorios de alta tensin e identificarlos en el laboratorio de la escuela.

4.3 Desarrollo

1. Esta prctica es terica y el alumno deber de reportar la informacin que se le pide en la introduccin terica. .

4.4 Cuestionario

1. Explique la justificacin de usar los divisores de tensin en la medicin de sobretensiones.

2. Cundo se usa el divisor de tensin resistivo y el capacitivo?

3. Cul es la funcin de las resistencias de amortiguamiento en los equipos de generacin de la alta tensin que se conectan en paralelo con el aislamiento a probar?

4. Qu es el anillo de equipotencial y cul es su uso?

4.5 Trabajo de investigacin

Con la finalidad de justificar el uso de la CD, en pases con gran demanda de energa han recurrido a la transmisin de energa elctrica en CD. El trabajo de investigacin a realizar deber de enfocarse a dichos sistemas de transmisin, justificando su empleo, ventajas y desventajas, as como las caractersticas de sus subestaciones y torres de transmisin.


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4.6 Conclusiones


4.7 Referencias



Bibliografa investigada por el alumno para el apartado 4.5.

(Práctica Lab Tec at i 2011 Introduccion Al Laboratorio) (1)

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