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INDICE

SISTEMAS DE PRUEBA Y MEDICION EN ALTA TENSION

Introducción…………………………………………………………………………1CAPITULO I…………………………………………………………………….....2

Principales pruebas en alta tensión…………………………………………………..2Definición de términos de uso frecuente en las pruebas de alta tensión……………..2Pruebas a frecuencia de potencia……….……………………………………………3Pruebas con tensiones transitorias……………………………………………………3CAPITULO I

I………………………………………………………………………6Equipos de prueba para corriente alterna……………………………………………6Transformadores monofásicos………………………………………………………6Transformadores conectados en cascada……………………………………………9

Circuitos serie resonantes………………………………………………………….13Sistema de control de las fuentes de prueba de corriente alterna…………………..15CAPITULO I II…………………………………………………………………...16Equipos de prueba para corriente directa…………………………………………..17Rectificador de media onda………………………………….…………………….18Rectificadores de onda completa…………………………………………………..19Dobladores de tensión……………………………………………………………..20Multiplicadores de tensión…………………………………………………………20Generadores electrostáticos………………………………………………………...22CAPITULO I

V……………………………………………………………………25Generadores de tensiones transitorias………………………………………………25Ondas de impulso de tensión para simular rayos…………………………………....25Generadores de ondas de tensión de impulso…………………………………….....27Generadores de ondas de tensión de impulso de etapas múltiples. ……….………36Características generales de las partes componentes de los Generadores de ondas deimpulso de tensión………………………………………………………………….38Generación de ondas de impulso de baja tensión…………………………………..44Generación de tensiones transitorias oscilatorias…………………………….……..47Generadores de corrientes transitorias………………………………….……….….50CAPITULO V……………………………………………………………….……56

Sistemas de medición en alta tensión.……………………………………………..56Voltímetros electrostáticos………………………..………………………………56Esferas de medición. ………………………………….…………………………58Divisores de potencial………………………………………………………….….62Impedancia calibrada. ……………………………………………………….....…68Conclusión………………………………………………………………………..70



BIBLIOGRAFIA………………………………....................................................71



INTRODUCCION.

La ampliación de los sistemas eléctricos, así como la transmisión de grandescantidades de energía eléctrica desde lugares remotos, han creado la necesidad de

incrementar continuamente las tensiones en los sistemas eléctricos, convirtiéndose laconfiabilidad y la operación segura de éstos en un punto de vital importancia tantotécnico como económico.

La confiabilidad y la operación segura de todos los equipos eléctricosdependen de la integridad de su aislamiento, y para determinar ésta y además conocer si el equipo cumple con los parámetros de diseño, es necesario someterlo a pruebas dealta tensión.

Las pruebas de alta tensión consisten básicamente en la aplicación deliberadaa un equipo de una tensión superior a su tensión normal de trabajo por un periodo detiempo específico para determinar si el aislamiento del mismo es capaz de soportar o

no dicha tensión.

Las formas convencionales de tensiones de prueba que se usan en los laboratoriosse pueden dividir en tres grupos:

• Tensiones de corriente directa.• Tensiones de corriente alterna a frecuencia de potencia.• Tensiones de impulso.

Las tensiones de impulso se dividen a su vez en dos grupos: las tensiones deimpulso para simular el efecto de las descargas atmosféricas, tanto de tensión comode corriente, y las destinadas a simular las sobretensiones internas.

Con estas fuentes de prueba se persigue el objetivo primario de disponer detensiones de prueba, perfectamente controladas, que sean capaces de simular tanto lascondiciones normales de trabajo como las sobretensiones que pueden llegar aaparecer en los sistemas eléctricos.

CAPITULO IPRINCIPALES PRUEBAS EN ALTA TENSION.

1



DEFINICION DE TERMINOS DE USO FRECUENTE EN LAS PRUEBAS DEALTA TENSION.

Tensión a soportar:

Se refiere a la tensión de cualquier tipo que el aislamiento debe soportar sinque en él se presente falla de algún tipo.

Descarga disruptiva:Este término se usa generalmente para nombrar el fenómeno asociado con el

fallo del aislamiento bajo el esfuerzo eléctrico, el cual incluye descarga a tierra y el paso de la corriente. El término es aplicable al rompimiento en sólidos, líquidos, gasesy sus combinaciones.

El término toma el nombre de perforación cuando la descarga disruptiva tienelugar a través de un sólido. La descarga a través de un sólido produce daños permanentes en el material, pero en los líquidos y gases aislantes la pérdida del

aislamiento es generalmente temporal.

Tensión disruptiva:Este término se le da a una tensión determinada a la cual es sometido el objeto

a probar bajo condiciones específicas. Durante esta prueba la descarga disruptiva debeevitarse.

La tensión disruptiva es aquella a la cual tiene lugar la descarga disruptivacuando la tensión es aplicada en una forma específica. El valor de tensión obtenido por lo general tiene variaciones estadísticas, las cuales pueden ser expresadas endiferentes formas, por ejemplo:

• El valor medio, máximo o mínimo de una serie de observaciones.• El valor medio y la desviación estándar.• Una relación entre tensión y probabilidad de una descarga disruptiva.

Tensión disruptiva al 50 %:Es aquella que tiene un 50 % de probabilidad para producir una descarga

disruptiva. Este término se aplica, principalmente, en pruebas de impulso y tienesignificado solamente en los casos en que la pérdida del aislamiento, debido a ladescarga disruptiva, es temporal. En este caso se plantea que el aislamiento esautorregenerable.

PRUEBAS A FRECUENCIA DE POTENCIA.

Las pruebas a frecuencia de potencia pueden reunirse en dos grandes grupos:• Pruebas sostenidas de baja frecuencia.• Pruebas de corta duración.

2



Pruebas sostenidas de baja frecuencia:Estas pruebas se realizan a la tensión nominal más alta del equipo a probar y

a la frecuencia nominal de trabajo. Durante estas pruebas se debe medir el aumento de

temperatura, las pérdidas y el nivel de ionización y el de las descargas parciales.Dentro de este grupo de pruebas caen algunos tipos de pruebas que se realizan alaislamiento externo bajo condiciones de contaminación.

Pruebas de corta duración:En este tipo de prueba la tensión se aplica, por lo general, durante un tiempo

no mayor de un minuto, empleándose una tensión que fluctúa entre 2-3 veces latensión nominal del equipo. Con ellas se puede determinar la tensión sostenida quesoporta el equipo y/o la tensión a que se presenta la ruptura.

Para el aislamiento externo las pruebas pueden efectuarse bajo condicionessecas o bajo condiciones húmedas (alto porciento de humedad, simulando el efecto de

la lluvia) y algunos tipos de pruebas bajo condiciones de contaminación artificial.

Pruebas típicas de este tipo para el aislamiento interno son las se efectúan paradeterminar el estado del aislamiento mayor de los transformadores (aislamiento entreel tanque y los enrollados) y también las pruebas de tensión inducida para determinar el estado del aislamiento menor (entre vueltas, capas).

La descarga disruptiva puede presentarse a lo largo de la superficie de uncuerpo aislante sólido, en el medio que lo rodea, recibiendo el nombre de rupturasuperficial (“flashover·”). Cuando la descarga disruptiva se presenta entre doselectrodos inmersos en un medio aislante autorregenerable recibe el nombre de

ruptura (“spark over”).

PRUEBAS CON TENSIONES TRANSITORIAS.

Este tipo de prueba está destinado a simular los efectos de las diferentessobretensiones transitorias que se pueden presentar en los sistemas eléctricos y puedenefectuarse con:

• Sobretensiones de alta frecuencia.• Ondas de impulso de tensión.• Ondas de impulso de corriente.

Sobretensiones de alta frecuencia:Esta prueba se realiza para simular las sobretensiones causadas por oscilaciones de chucheo en los sistemas. Para una distancia dada entre los electrodosel rompimiento a alta frecuencia ocurre a tensiones más bajas que a la frecuencianormal de 50-60 Hz. El tiempo entre dos amplitudes consecutivas puede ser tan cortoque el medio entre los electrodos no tiene tiempo de desionizarse, creándose unacarga espacial que distorsiona el campo eléctrico, disminuyendo la tensión necesaria para provocar la ruptura.

3



El comportamiento de los materiales aislantes a frecuencias altas escompletamente diferente a su comportamiento a las frecuencias comerciales de lossistemas de potencia. Esto se debe principalmente al aumento de las pérdidas dentro

del material al aumentar la frecuencia. El calor producido por la potencia disipadatiende a producir fallas en el aislamiento a tensiones menores que aquellas a las que elfallo ocurre a baja frecuencia. Estas pruebas son de gran utilidad en la determinaciónde la homogeneidad en ciertos tipos de elementos aislantes.

Normalmente se realizan dos tipos de pruebas de alta tensión y alta frecuencia:• Pruebas de alta frecuencia no amortiguadas.• Pruebas de alta frecuencia amortiguadas.

Las sobretensiones en los sistemas eléctricos todas son oscilaciones amortiguadas, por lo que las pruebas de alta frecuencia no amortiguada se realizan

fundamentalmente a materiales que se usan en las telecomunicaciones.

En las pruebas de alta frecuencia amortiguadas se pueden usar equipos quegeneran, mediante acoplamiento RC, tensiones oscilatorias de alta frecuenciaamortiguadas o generadores de impulso. En este último caso las ondas de impulso,más que las ondas oscilatorias de alta frecuencia amortiguada, lo que simulan es laenvolvente de la curva.

Ondas de impulso de tensión:Las pruebas con este tipo de tensión se pueden realizar con una onda de

tensión normalizada de 1.2/50 µs, para simular los efectos de las sobretensiones

producidas por las descargas atmosféricas, o con una onda normalizada de 250/2500µs para simular las sobretensiones internas.

Las pruebas de tensión transitorias con ondas de impulso de tensión para elaislamiento externo también se efectúan bajo condiciones secas y bajo condicioneshúmedas y en ellas puede emplearse la onda plena, la onda cortada en el frente y laonda cortada en la cola.

Las ondas de tensión de impulso de 1.2/50 µs que se emplea para simular losefectos de las descargas atmosféricas son las que juegan el papel predominante en ladeterminación de la coordinación del aislamiento en los sistemas eléctricos de

tensiones de hasta 275 kV.En el caso de la onda de impulso de tensión de 250/2500 µs se pretende

simular el efecto de las tensiones que aparecen en los sistemas eléctricos debido afallas, operaciones internas, etc. Como estas sobretensiones son oscilatoriasamortiguadas con el empleo de este tipo de onda lo que se representa en realidad es laenvolvente de la curva de variación de la tensión con el tiempo, tal como se muestraen la Fig. 10.2.1.

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U

t

Fig. 10.2.1.-Simulación de una sobretensión oscilatoria

amortiguada mediante una onda de impulso.

Envolvente de la curva

Oscilación de alta frecuencia amortiguada

Ondas de impulso de corriente:Se emplean en las pruebas a pararrayos y descargadores parar determinar su

capacidad de operación y la tensión residual de los mismos. Las ondas de impulso decorriente comúnmente empleadas son las de 4/10 µs y las de 8/20 µs

CAPITULO I IEQUIPOS DE PRUEBA PARA CORRIENTE ALTERNA.

Los transformadores a frecuencia de potencia son la forma más común de losaparatos de prueba en alta tensión y forman parte de todos los laboratorios. Lostransformadores de prueba de tipo convencional se diseñan para trabajar a lafrecuencia de operación normal del objeto a probar.

Ahora bien, los requisitos a cumplir por un transformador de prueba en particular dependen principalmente de los equipos que se van a probar, así que:

• Para pruebas de generadores y transformadores grandes, los que tienen altacapacitancia electrostática, deben ser capaces de suministrar corrientesrelativamente altas con buena regulación.

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• Cuando se prueban pasantes y aisladores, como la capacitancia de estosobjetos es relativamente pequeña, no es necesario que el transformado tengauna alta capacidad de corriente.

• En las pruebas de elementos aislantes bajo condiciones de contaminación se

requiere del transformador que para una carga resistiva de 1 A la caída detensión en él sea menor de un 5 %, pues de lo contrario se puede inhibir el

proceso de descarga.

• Para pruebas de cables, los cuales llevan un periodo largo de prueba se hacennecesario transformadores que puedan suministrar grandes corrientes a bajofactor de potencia y durante largos periodos de tiempo..

• Cuando se miden parámetros tales como capacitancias, pérdidas dieléctricas,etc. la forma de onda de la tensión de prueba debe ser sinusoidal bajo cualquier condición de carga.

TRANSFORMADORES MONOFASICOS.

Los transformadores de prueba se construyen generalmente en unidadesmonofásicas con uno de los terminales de alta tensión y el núcleo permanentementeconectado a tierra ya que el objeto a probar normalmente se conecta a tierra. Sinembargo, en numerosos circuitos para la generación de altas tensiones de corrientedirecta y de impulso se requieren transformadores completamente aislados, en cuyocaso es común conectar a tierra el centro del enrollado de alta tensión, obteniéndose, por tanto, una tensión simétrica respecto a tierra.

Desde el punto de vista térmico, regulación y kVA de salida, el diseño de los

transformadores de prueba de alta tensión convencionales no difieren mucho de lostransformadores de potencia. Sin embargo, los transformadores de prueba estánsometidos frecuentemente a sobretensiones transitorias debido a las descargasdisruptivas de los objetos bajo prueba y su aislamiento, por tanto, debe ser diseñado para soportar dichas condiciones de trabajo.

La densidad de flujo en el núcleo es mantenida relativamente baja (0,9 - 1.0Weber/m2) para evitar saturación y, por lo tanto, distorsión en la forma de onda, loque es particularmente importante en las mediciones de precisión. Los espacios libres,los cuales están determinados principalmente por consideraciones de aislamiento sonmayores que en los transformadores de potencia. El flujo de dispersión, así como la

reactancia de filtración, son comparativamente grandes. Por lo común disponen deenrollados compensadores situados cerca del núcleo para disminuir la gran reactanciade filtración que hay entre los enrollados de baja y de alta tensión.

En los transformadores de prueba convencionales construidos con el tanquemetálico el terminal aislador es el que domina la construcción, por lo que también seconstruyen transformadores de prueba, principalmente para trabajar bajo techo, cuyotanque está constituido por un cilindro de material aislante que cumple

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simultáneamente las funciones de tanque y de terminal aislador. Con lo que se reduceconsiderablemente la altura de los transformadores y permite, además, que con granfacilidad se les pueda dotar de grandes caperuzas metálicas que hacen la función deelectrodos anticorona.

En este último tipo de transformador hay que tener en cuenta que como eltanque es aislante el intercambio de calor con el medio ambiente se dificulta. Esteúltimo aspecto es de particular importancia en pruebas de larga duración concorrientes cercanas a la nominal del transformador, ya que éste puede llegar aalcanzar temperaturas de trabajo superiores a la permisible por su aislamiento. Enestos casos se limita el tiempo en que puede estar trabajando bajo sus condicionesnominales si es que no dispone de algún medio de intercambio de calor adicional.Este tipo de transformador, por lo general, lleva una cantidad de aceite superior a finde aumentar su constante térmica y que pueda llevar sin dificultades las sobrecargasde corta duración que se le puedan presentar en su explotación.

Por lo general la carga que se conecta a los transformadores de prueba escapacitiva, lo que unido a la baja corriente de magnetización de ellos y a la altacapacitancia propia del enrollado de alta tensión hace que los mismos trabajen bajocondiciones de carga capacitiva. Para el estudio del comportamiento de estostransformadores es mejor recurrir al circuito equivalente en base a las impedancias decortocircuito ( )CCCC L jR ω+ y a la capacitancia total del lado de alta tensión

( )ai CCC += mostrado en la Fig. 10.3.1 que al circuito equivalente convencionalusado para los transformadores de potencia.

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U1 Ci U2 Ca

(a)

U2'C = Ca+ Ci

R cc Lcc

U1'

I

(b)

I R c c

j ω Lc c

U2'

I

U1'

Fig. 10.3.1.- Características generales de un transformador monofásico. (a) Diagrama del circuito.

(b) Circuito equivalente.

(c) Diagrama fasorial.

(c)

Ya que como regla general se tiene que ( )CCCC L jR ω⟨⟨ y que U'2 esta prácticamente

en fase con U'1 se tiene que:

CL1

1U'U

cc

212

ω−

≈

10.3.1

En la ecuación 10.3.1, CL1 cc2ω− es siempre menor que uno, por lo que

cualquier incremento en la inductancia, por ejemplo, debido a la variación de lainductancia del regulador de tensión de que se alimentan generalmente lostransformadores de prueba, tiende a incrementar la tensión de salida deltransformador. Por esta razón es que el empleo de la relación de transformación entreel lado de baja tensión y el de alta tensión como medio de medición puede conllevar errores apreciables, ya que la tensión de salida puede ser considerablemente superior a la que se calcule, sobre todos para corrientes cercanas a la corriente nominal del

transformador. Por lo antes expuesto es que el mejor método de medición es aquelque efectúe la medición directamente en el objeto bajo prueba.

Los transformadores de prueba se usan comúnmente como unidadesindependientes, con un terminal conectado a tierra, hasta tensiones de 200- 300 kV.Para tensiones superiores se pueden emplear transformadores con el núcleo y eltanque metálico conectado al punto central del enrollado de alta tensión del

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transformador tal como se muestra en la Fig. 10.3.2 con el cual los esfuerzoseléctricos a que está sometido el aislamiento del transformador se reducen a la mitad, pero esta disposición requiere de un soporte aislante para el transformador. Paratensiones superiores se requiere de transformadores conectados en cascada.

Fig. 10.3.2.- Transformador de prueba con tanque y el núcleo a la

mitad del potencial de salida del transformador.

Suministro

Soportes aislantes

TRANSFORMADORES CONECTADOS EN CASCADA.El esquema general de tres transformadores conectados en cascada se muestra

en la Fig. 10.3.3. Como se puede apreciar en la Fig. 10.3.3 cada enrollado de altatensión tiene en su parte superior, y conectado a él, un enrollado de baja tensión quees el encargado de alimentar a la unidad siguiente. El núcleo, el tanque deltransformador (en el caso de que sea metálico) y los enrollados de cada uno de lostransformadores superiores de la cascada se encuentra al potencial de salida deltransformador anterior, y como debido a esto los enrollados de alta tensión quedan enserie a la salida de la cascada se obtendrá una tensión igual a la suma de las tensionesde cada uno de los transformadores.

Con este tipo de conexión se disminuye considerablemente el aislamientorequerido entre los enrollados y entre éstos y el núcleo y tanque de cadatransformador de la cascada en comparación con el que le correspondería a untransformador monofásico para el nivel de tensión de la cascada. El aislamientorespecto a tierra requerido por cada una de las unidades superiores de la cascada seobtiene a partir de bases aislantes o colocando un transformador sobre otro.

9



La capacidad de cada unidad varía en dependencia de su posición en lacascada ya que la primera unidad entrega toda la energía que toma el objeto bajo prueba mientras que las otras unidades sólo entregan una parte de la energía, tal comose indica en la Fig. 10.3.3. Las tensiones nominales de todos los enrollados de baja

tensión son iguales, al igual que la de los de alta tensión.Como todos los enrollados de baja tensión son iguales, el control de la tensión desalida de la cascada se logra controlando la tensión de alimentación de la primeraunidad mediante el sistema de regulación correspondiente.

U

3U

3P

3 P

2 P

P

2U

P

P

P

Fig. 10.3.3.- Esquema general de tres transformadores conectados

en cascada.

Los transformadores de la cascada se construyen de forma tal que, aparte de poder usarse como unidades independientes, ellas pueden ser conectadas en paralelocon la finalidad de poder obtener capacidades en corriente superiores, aunque comoes lógico a más baja tensión.

El inconveniente fundamental que tiene esta disposición es el aumento de lacaída de tensión debido al flujo de dispersión, que no es igual en cada unidad, pues por ejemplo, en el caso de la Fig. 10.3.3 los Amper-vueltas del enrollado de bajatensión del primer transformador es tres veces superior al de la tercera unidad.

Si se considera una sola unidad, la impedancia del transformador puedeconsiderarse como una conexión en estrella de tres enrollados diferentes, tal como seindica en la Fig. 10.3.4. Si se consideran dos y tres unidades idénticas conectadas encascada se obtienen las conexiones que se muestran en la Fig. 10.3.5 y en laFig. 10.3.6.

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Si se consideran unidades en la que individualmente se cumpla que:

Ω= 03,0ZL

Ω= 05,0ZH

Ω= 10,0ZC

Se tiene, según las ecuaciones indicadas en las Fig. 10.3.4, Fig. 10.3.5 yFig. 10.3.6, que la impedancia total, en dependencia del número de transformadoresque se emplee es la siguiente:

Número de unidades ImpedanciaUna unidad 0.080 ΩDos unidades 0,175 ΩTres unidades 0,355 Ω

I

ZL

ZH

ZC

ZT = ZL +ZH

Fig. 10.3.4.- Diagrama de las impedancias de una unidad de la cascada

ZL - Impedancia del enrollado de baja tensión.

ZH - Impedancia del enrollado da alta tensión referido al de baja

tensión.

ZC - Impedancia del enrollado auxiliar de alta tensión

referido al de baja tensión.

ZT - Impedancia total.

11



2 I

ZL ZH

ZC

I

ZL ZH

ZC

Salida 1

Salida 2

ZT = 2,5 ZL + 0,5 ZC + ZH

Fig. 10.3.5.- Diagrama de las impedancias de dos transformadores

conectados en cascada.

I

ZL ZH

ZC

Salida 3

2 I

ZL ZH

ZC

Salida 2

3 I

ZL ZH

ZC

Salida 1

ZT = 4,66 ZL + 1,66 ZC + ZH

Fig. 10.3.6.- Diagrama de las impedancias de tres transformadores

conectados en cascada.

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Como se puede apreciar el incremento de la impedancia no es lineal creciendoésta más de cuatro veces, respecto a una sola unidad, para el caso de tres unidadesconectadas en cascada. Este aspecto constituye un problema serio e impone un limiteeconómico al número de unidades que pueden ser conectadas en cascada.

CIRCUITOS SERIE RESONANTES.

Según la ecuación 10.3.1, si en una prueba en la que se use un transformador monofásico va variando la inductancia equivalente del circuito al variarse la posicióndel regulador, para ajustarse la tensión de prueba, la tensión de salida deltransformador va aumentando, aumento éste que puede ser muy brusco en circuitos desintonía muy aguda, pudiéndose llegar a la resonancia serie por accidente en estecaso.

El aumento brusco e incontrolado de la tensión de prueba que aparece en casode que se presente el fenómeno de resonancia serie accidental puede tener

consecuencias catastróficas tanto para el equipo como para el objeto bajo prueba. Suaparición es más probable cuando se prueban objetos de alta capacitancia, como es elcaso de los cables aislados. Otro aspecto importante asociado a este fenómeno es la posibilidad de la resonancia de algún armónico, lo que no es importante desde el punto de vista de la sobretensión, pero sí puede serlo desde el punto de vista de ladistorsión que se presenta en la forma de onda de la tensión que, como se sabe, es deimportancia vital en algunos tipos de prueba.

El fenómeno de la resonancia se puede aprovechar para la generación detensiones de prueba de corriente alterna mediante el empleo de un circuito como elmostrado en la Fig. 10.3.7. Como se puede apreciar en esta figura el circuito

comprende la carga capacitiva y en serie una inductancia que puede ser variadacontinuamente para igualar la reactancia inductiva a la capacitiva a la frecuencia dealimentación.

Alimentación

Capacitancia

del objeto bajo

prueba

Reactor

variable

Transformador principal Regulador

Fig. 10.3.7.- Diagrama de un circuito serie resonante de un paso.

Transformador alimentador

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El circuito resonante serie mostrado en la Fig. 10.3.7 debe ser sintonizado a lafrecuencia fundamental por lo que se debe iniciar la prueba con el reactor variable ensu posición de máxima reactancia e ir reduciendo su valor hasta que se alcance laresonancia. A partir de aquí, con la ayuda del regulador, se comienza a aumentar la

inyección de corriente en el sistema hasta que en el objeto bajo prueba quede aplicadala tensión de prueba especificada para el mismo, la que está dada por el producto dela corriente que circula por el sistema por su reactancia y la que se debe medir directamente en sus terminales. En la Fig. 10.3.8 se muestra un circuito serie resonanteen cascada.

Las principales ventajas de este circuito de prueba son:

• La eliminación del riesgo de la resonancia serie accidental.• La obtención de una onda de corriente de gran calidad al trabajarse sobre la

base de la amplificación del armónico fundamental.• En caso de fallar el objeto bajo prueba, al quedar cortocircuitada la reactancia

capacitiva, se presenta un brusco aumento de la impedancia del circuito quehace que disminuya la corriente por el sistema y con ello la tensión aplicada alobjeto bajo prueba, extinguiéndose el arco. Esto permite evitar la destrucciónde la muestra bajo prueba.

• Debido a la autoextinción del arco es posible, bloqueando el sistema de protección, obtener descargas repetitivas de baja energía lo que facilita laobservación de las trayectorias de las descargas.

• La operación en serie de varias unidades es simple y eficiente no presentándose el problema del incremento de la impedancia asociado a lostransformadores conectados en cascada.

El inconveniente fundamental que presenta este sistema de prueba es el alto costodel reactor variable. Otro inconveniente es que debido a la disminución de la corrienteal presentarse la ruptura en la muestra no se puede usar para la desconexión de estesistema de prueba los sistemas de disparo tradicionales con unidades desobrecorriente; una opción en este caso es la de un sistema de disparo que tenga como base para su operación el colapso de la tensión que tiene lugar en el objeto bajo prueba.

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Alimentación

C

Reactor

variable # 1

Transformador # 1Regulador

Fig. 10.3.8.- Diagrama de un circuito serie resonante de dos pasos.

Transformador alimentador

Reactor

variable # 2

Transformador # 2

SISTEMA DE CONTROL DE LAS FUENTES DE PRUEBA DE CORRIENTEALTERNA.

Dada la gran diversidad de equipos que se prueban en los laboratorios de altatensión es necesario tener tensiones de prueba ajustables desde cero hasta la tensiónmáxima de salida del equipo de que se trate. Para esto se requiere de un sistema de

regulación y control de la tensión de alimentación que permita cumplir con esteobjetivo y que, además, cumpla con las medidas de seguridad que están establecidas para los laboratorios de prueba de alta tensión. En la Fig. 10.3.9 se muestra elesquema general de un sistema que reúne los requisitos antes expuestos. Como se puede apreciar en el esquema señalado se cumplen las medidas de seguridadnecesarias en este tipo de trabajo: el sistema dispone de un desconectivo manual, nose puede energizar si la puerta del local está abierta y se desconecta si ésta se abre,dispone de una emergencia que desconecta todo el sistema, no se puede conectar eltransformador si el regulador no está en la posición cero (contacto normalmentecerrado P en la Fig. 10.3.9), posee los indicadores necesarios, etc.Del circuito de la Fig. 10.3.9 el equipo más importante es el regulador de tensión. Estees comúnmente un autotransformador variable que se caracteriza por tener unaimpedancia muy baja sobre todo para tensiones de salida altas, llegando a ser cerocuando se alcanza la relación 1:1. Su inconveniente principal está en sus contactosdeslizantes, en forma de escobillas, que limitan su capacidad, que no dan unavariación de tensión continua sino a saltos en dependencia de la tensión entre vueltasdel mismo, además del ruido que introduce el chisporroteo que puede presentarse enlas mismas.

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En equipos de gran capacidad es necesario emplear otros métodos para lavariación de la tensión pues, como se ha planteado anteriormente, los reguladoresconvencionales de contactos deslizantes tienen un límite en su capacidad de corriente,empleándose en estos casos reguladores de inducción de núcleo con acoplamiento

variable. Con estos reguladores se pueden obtener altas tensiones de salida y altacapacidad en corriente, pero tienen como inconveniente su alta inductancia y la grancorriente de magnetización que ellos demandan.

Fig. 10.3.9.- Circuito de control y alimentación de un transformador de prueba.

R A

S1 S2 V

Puerta S1

S1 S2

S2S1

S1

S1

S2

S2R

S2

Emerg.

P

En la Fig. 10.3.10 se muestra un regulado de inductivo de bobina móvil. Elregulador consiste de un núcleo con varias columnas, estando sobre la columnacentral montadas dos bobinas enrolladas en oposición; una en la mitad inferior y otraen la mitad superior. Cuando se energiza el regulador el flujo magnético creado por la bobina de la parte superior es contrario al creado por la bobina de la parte inferior loque causa un flujo de filtración que fluye por pasos separados hacia las columnasexteriores del núcleo.

Cuando la bobina D, de igual longitud que las otras dos, esta situada sobre la bobina AB actúa como un cortocircuito de transferencia y toda la tensión delsuministro queda aplicada a la bobina BC, siendo la tensión de salida del regulador muy cercana a cero. Al comenzar a ser desplazada hacia arriba la bobina móvil, la

impedancia de BC comienza a reducirse y la de AB a aumentar, aumentando latensión de salida del regulador, la que alcanzará su valor máximo cuando la bobinamóvil llegue a la parte superior, cubriendo totalmente a la bobina BC.

CAPITULO I I IEQUIPOS DE PRUEBA PARA CORRIENTE DIRECTA.

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El uso de tensiones de corriente directa ha adquirido últimamente unaimportancia mayor debido fundamentalmente a los logros que se han obtenido en latransmisión a corriente directa de grandes bloques de energía, dada el desarrolloalcanzado por los sistemas rectificadores y por los sistemas inversores. Esto ha

planteado la necesidad de someter a pruebas con tensiones de corriente directa a losequipos y componentes de estos sistemas.

A

B

C

D

~

Salida

Fig. 10.3.10.- Regulado de inductivo de bobina móvil.

Otro campo que requiere del uso de fuentes de alta tensión de corriente directason las pruebas a cables aislados de alta tensión, a los que, una vez instalados, esnecesario someterlos a pruebas para determinar el estado de su aislamientofundamentalmente, el de sus empalmes. Estas pruebas a cables aislados no son fácilesde efectuar a corriente alterna debido a que la alta corriente reactiva por ellosdemandada hace que los equipos de prueba sean muy grandes. Sin embargo, estas pruebas pueden ser efectuadas a corriente directa con equipos de tamañorelativamente pequeño ya que, después de la corriente de carga inicial que ellostoman, el equipo sólo tiene que suministrar al cable la corriente de filtración delmismo, la que es usualmente pequeña. Por razones similares muchas de las pruebas alos capacitores de alta tensión se efectúan a corriente directa.

Un inconveniente serio que presentan los equipos de prueba a corriente directaes que, por tratarse de campos de directa, ellos atraen hacia si con mucha facilidad las

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partículas de polvo y contaminantes que hay en el medio ambiente a su alrededor.Esto obliga a que los terminales de alta tensión sean diseñados pera que el campoeléctrico en ellos sea lo más pequeño posible. Esto último se logra dotándolos decaperuzas esféricas con un radio superior al de un equipo del mismo nivel de tensión a

corriente alterna.Las altas tensiones de corriente directa se obtienen a partir de los generadores

electrostáticos y de la rectificación de la corriente alterna. Los sistemas a partir de larectificación de la corriente alterna más comúnmente usados son:

• Rectificadores de media onda.• Rectificadores de onda completa.• Multiplicadores de tensión.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.

Los sistemas, que se muestra en la Fig. 10.4.1, es el más simple de todos y como se puede apreciar las componentes necesarias para él son:

• Una fuente de corriente alterna de alta tensión variable.• Un rectificador de una tensión de pico inverso de dos veces la tensión pico

máxima del transformador de prueba.• Un capacitor de carga.

Su funcionamiento es muy sencillo: el rectificador conduce en el semiciclo positivode la señal de corriente alterna cargándose el capacitor C al valor pico de la tensiónde salida del transformador. Mientras que la tensión máxima a que se carga el

capacitor es igual a la tensión pico de la señal de corriente directa que da eltransformador cuando el rectificador conduce, cuando el rectificador no conduce latensión que queda aplicada a éste es de dos veces su valor.

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R L

C

D

Fig. 10.4.1.- Circuito rectificador de media onda.

En muchas ocasiones el capacitor de carga no es necesario ya que la capacidaddel objeto de prueba cumple con su función, como ocurre en las pruebas a cablesaislados y a capacitores.

Los principales inconvenientes de estos sistemas son: la pobre utilización quese hace de la capacidad del transformador de alta tensión, que el factor de rizado de laonda de tensión aumenta considerablemente con la carga, para tensiones

relativamente altas se requiere de rectificadores de una tensión de pico inverso muyalta, lo que los encarece debido, fundamentalmente, a los problemas de distribuciónde tensión a lo largo del mismo.

RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA.

Para aprovechar al máximo la capacidad del transformador de las fuentes dealta tensión de corriente directa y para disminuir el factor de rizado de la onda,aumentando la capacidad de la fuente se emplean circuitos rectificadores de ondacompleta como el mostrado en la Fig. 10.4.2.

19



C

Fig. 10 4.2.- Circuito rectificador de onda completa.

DOBLADORES DE TENSIÓN.

En la Fig. 10.4.3 se muestra el esquema de un circuito doblador de tensión.Durante el semiciclo en que el terminal 1 del transformador es positivo conduce elrectificador I cargándose el capacitor C1 a la tensión máxima de salida deltransformador (Umax). Debido a la baja impedancia ofrecida por el rectificador Icuando está en conducción se puede considerar que el punto B está a potencial de

tierra y que por lo tanto no circulará corriente a través del rectificador II. Durante el próximo semiciclo, es decir, cuando el terminal 1 sea negativo, conduce elrectificador II cargándose el capacitor C2 a una tensión de 2 Umax debido a que quedaaplicado al mismo la suma de las tensiones de salida del transformador y la quealcanzó C1 en el semiciclo anterior. Como se puede apreciar la tensión aplicada al punto B oscila entre cero y 2 Umax.En el proceso normal de trabajo el rectificador IIsólo conduce durante el lapso de tiempo en que la tensión del punto B es superior a ladel punto D, lapso de tiempo que depende del consumo de energía de la carga latensión de pico inverso de los rectificadores es en este caso de 2 Umax..

MULTIPLICADORES DE TENSION.El principio de operación de un multiplicador de tensión típico se muestra en

la Fig. 10.4.4. Este circuito en particular no es más que la conexión en cascada devarios circuitos dobladores de tensión del tipo mostrado en la Fig. 10.4.3.

Cuando el rectificador I conduce el capacitor C1 se carga a Umax, oscilando el potencial del punto F entre cero y +2 Umax, cargándose C2 a +2 Umax.. El punto Dalcanza entonces un potencial estable de +2 Umax, y el potencial aplicado a C3 a través

20



del rectificador III por lo tanto varía entre cero y +2 Umax., con lo que C3 se cargará aun potencial de +2 Umax.

Si el potencial de F oscilaba entre cero y +2 Umax, el de G por lo tanto

oscilara entre +2 Umax. y +4 Umax., cargándose el capacitor C4 a través del rectificador IV a un potencial de +2 Umax.; bajo estas condiciones el potencial de C respecto aTierra será de +4 Umax. y así sucesivamente hasta que el punto A adquiere un potencial de +8 Umax.respecto a tierra. En este circuito cada rectificador y cadacapacitor solo tienen que soportar una tensión de 2 Umax..

Fig. 10.4.3.- Circuito doblador de tensión

R L

C2

1

2

I

IIC1

+ –

+

–

21



Fig. 10.4.4.- Circuito doblador multiplicador de tensión.

R L

C2

1

I

IIC1

2 + –

III

IV

V

VI

VII

VIII

C4

C4

C6

C3

C5

C6

A

B

C

D

K

H

G

F

E

GENERADORES ELECTROSTATICOS.

Una carga eléctrica situada en un campo eléctrico es sujeta a una fuerza. Si lacarga es desplazada mecánicamente en dirección opuesta a esta fuerza el potencial dela carga se incrementará y el trabajo mecánico realizado se convierte en energíaeléctrica. Esta conversión de energía es la base de operación de todos los generadoreselectrostáticos. Este principio fue planteado por Lord Kelvin en 1890 y puesto en

práctica, en su opción moderna, por Van der Graaff en 1931.

El principio de operación de los generadores electrostáticos se muestra en laFig. 10.4.5. Como se puede apreciar un generador electrostático constafundamentalmente de una correa móvil aislante sobre la que se depositan cargaseléctricas debido al efecto corona que se desarrolla en los puntos de descarga. Estascargas son arrastradas hacia arriba por la correa y al llegar arriba pasan, mediante elempleo de un colector, al electrodo metálico superior debido al principio de quecuando un conductor cargado se pone en contacto interno con un segundo conductor hueco toda su carga pasa al conductor hueco por muy alto que sea su potencial.

22



+

+

++

++

+

+

+

+

+++

+

+

++

+ + + ++

+

+

+

+

+

Correa aislante

Soporte aislante

Electrodo colector

Electrodo inyector

Terminal de alta tensión

Fuente de CD

de alta tensión

Fig.. 10.4.5.- Generador electrostático de Van der Graaff.

+

–

Grandes cantidades de carga pueden ser así almacenadas en la superficiemetálica del electrodo superior, por lo que se pueden lograr grandes potenciales decorriente directa. La cantidad de carga almacenada dependerá de las característicassuperficiales del electrodo superior (el que debe ser lo más liso posible para evitar elefecto corona), de las dimensiones de dicha superficie, de las características aislantesdel medio que lo rodea y de las propiedades de las columnas aislantes que lo soportan.Es decir, la tensión aumentará hasta que se alcance el equilibrio entre la corriente decarga y la corriente de descarga a través de la carga, debido al efecto corona y la quecircula a través de su aislamiento.

Si una densidad de carga de σ (Coulomb/m2) es depositada sobre la correa deun generador electrostático de b (m) de ancho que se mueve verticalmente a unavelocidad de V (m/s), la corriente de carga llevada por la correa es de:

V bI= 10.4.1

En un tiempo de t (s) una carga tIQ= es depositada en el electrodo superior, el cualse cargará a un potencial dado por:

CQU =

10.4.2Donde:

C - Capacitancia a tierra del electrodo de alta tensión.

23



En condiciones ideales el potencial U podría crecer indefinidamente, pero enla práctica alcanzará su máximo valor cuando la corriente de carga sea igual a lacorriente de descarga como se vio anteriormente.

Para una carga determinada el potencial de salida de este tipo de generador electrostático se controla variando la tensión generadora del efecto corona y lavelocidad de la correa.

Otro tipo de generador electrostático es el generador de Fenice y que semuestra en la Fig. 10.4.6. Este generador en lugar de correas aislantes, como el de Vander Graaff, emplea un motor rígido que mueve un cilindro aislante que es elencargado de transportar las cargas desde los puntos de carga donde se genera elefecto corona hasta los puntos colectores. En este caso también la tensión de salida esdirectamente proporcional a la superficie aislante del cilindro, a su velocidad derotación y a la carga depositada por los ionizadores sobre el cilindro aislante.

Fig. 10.4.6.- Generador electrostático de Fenice con el cilindro

aislante rotando en el sentido horario.

Fuente de CD

de alta tensión

+

–

–

– –

– –

–

–

–

–

–

Electrodo colector

Electrodo inyector

Terminal

de alta

tensión (–)

Cilindro aislante

CAPITULO I VGENERADORES DE TENSIONES TRANSITORIAS.

24



En los sistemas eléctricos se presentan sobretensiones transitorias asociadas acausas internas y a causas externas al mismo. Las sobretensiones debido a causas

internas se deben a cambios en el estado estable de operación de las redes, y laenergía asociada a ellas es la almacenada en el campo eléctrico y magnético de lasmismas y su efecto es mayor a medida que aumenta el nivel de tensión. Lassobretensiones externas son producto del impacto de las descargas atmosféricas en, ocerca, de las líneas de las redes eléctricas.

Para determinar el comportamiento de los diferentes equipos y componente de lasredes eléctricas ante estas sobretensiones en necesario someterlos a pruebas y paraello es necesario disponer de equipos que sean capaces de reproducir los efectos quesobre ellos tiene el desarrollo de los fenómenos que dan lugar a estas sobretensiones.Estos equipos son conocidos como generadores de tensiones transitorias y entre losmismos se destacan:

• Los generadores de ondas de impulso de tensión.• Los generadores de ondas de impulso de corriente.• Los generadores de ondas de tensión oscilatorias amortiguadas.

ONDAS DE IMPULSO DE TENSION PARA SIMULAR RAYOS.

Los estudios de las perturbaciones transitorias asociadas a las descargasatmosféricas han demostrado que las sobretensiones producidas por ellas secaracterizan por ser ondas viajeras de tensión con un frente de onda muy pendiente.Para la simulación de estas sobretensiones se emplean las ondas de impulso detensión, que son ondas de tensión unidireccionales que suben rápidamente a su valor

pico para luego descender lentamente a cero.

La forma de esta onda se define en término de los tiempos t1 y t2, enmicrosegundos, donde t1 es el tiempo que invierte la onda de tensión en alcanzar suvalor pico y t2 es el tiempo que ésta requiere para disminuir hasta la mitad de su valor pico. Esta onda se define como una onda t1/t2. La forma de onda vigente, según laComisión Electrotécnica Internacional (IEC) desde 1962 es una onda unidireccionalque alcanza su valor pico en un tiempo de 1,2 µs y disminuye al 50 % de su valor picoen 50 µs. tal como se muestra en la Fig. 10.5.1. En la Fig. 10.5.2 se muestra eloscilograma de una onda de tensión

En general se puede plantear que una onda de impulso de tensión quedadefinida por los siguientes parámetros:• Tiempo de frente.• Tiempo de cola.• Valor pico.• Polaridad.

25



Las tolerancias que permite la IEC en la forma de la onda de tensión antes definidason:

Valor pico ± 3 %

Tiempo de frente ± 30 %Tiempo de cola ± 20 %

Debido a la inductancia residual de los generadores de este tipo de onda las pequeñas oscilaciones producidas cerca del pico de la onda se toleran siempre ycuando su amplitud sea menor que un 5 % del valor pico, pero en la parte inicial delfrente de la onda (por debajo del 50 %) se permiten oscilaciones de hasta un 10 % delvalor pico.

En muchas ocasiones las ondas viajeras de tensión producidas por lasdescargas atmosféricas provocan una descarga disruptiva en el aislamiento lo queconlleva una brusca caída de la tensión. Para simular este cambio brusco en la formade la onda de impulso de tensión se emplean las ondas de impulso cortadas las que pueden ser cortadas en el frente o cortadas en al cola. En la Fig. 10.5.3 se muestra elcaso de una onda de impulso cortada en la cola. Todos los generadores de ondas deimpulso de tensión deben tener dispositivos capaces de producir este tipo de onda.

t1 t2t

U

100%

50%

Fig. 10.5.1.- Parámetros que definen una onda de impulso de tensión.

t1/ t2=1,2/50 µs (Para descargas atmosféricas).

t1/ t2=250/2500 µs (Para sobretensiones internas).

26



Fig. 10.5.2.- Oscilograma de una onda de impulso de tensión

Tiempo de corte

Punto de corte

U

t

Fig. 10.5.3.- Onde de impulso cortada en la cola.

GENERADORES DE ONDAS DE TENSION DE IMPULSO.

Generadores de ondas de tensión de impulso de un paso:En la Fig. 10.5.4 se muestra el circuito de un generador de impulso de una

etapa. Como se puede apreciar un generador de impulso de tensión de un pasoconsiste esencialmente de un capacitor, que se carga a una tensión dada y luego se

27



descarga a través de un circuito RC. Variando los parámetros del circuito RC se pueden obtener ondas de impulso de tensión de la forma que se desee.

Fig. 10.5.4(a).- Circuito generador de impulso de una etapa con la

resistencia de frente antes de la resistencia de cola.

D R L R 1

R 2 C2C1

G

Fig. 10.5.4(b) .- Circuito generador de impulso de una etapa con la

resistencia de frente después de la resistencia de cola.

D R L R 1

R 2 C2C1

G

28



En el circuito de la Fig. 10.5.4 el capacitor C1 se carga desde una fuente decorriente directa de alta tensión variable. A medida que se aumenta la tensiónaplicada a C1, la diferencia de potencial entre las esfera de disparo G creceigualmente, ya que como se puede apreciar, para esta condición, la esfera dos está a

potencial de tierra.Cuando se alcanza la tensión disruptiva entre las esferas y ocurre la descarga

disruptiva, el capacitor C2 comienza a cargarse, dándose inicio así al comienzo de laaparición de la onda de impulso, es decir, el tiempo t = 0 de la onda de impulsocorresponde al instante en que ocurre la descarga disruptiva entre las esferas. La ondade impulso alcanzará su valor máximo cuando las tensiones de la esfera uno y laesfera dos prácticamente se igualen; a partir de este instante la energía almacenada enlos capacitores del circuito (C1 y C2) comienza a disiparse en las resistencias delmismo (R 1, R 2, la resistencia del objeto bajo prueba y en la resistencia del arco). Lacapacitancia C2 en realidad está constituida por la suma de la capacitancia del objeto bajo prueba más la del sistema de medición.

Para estudiar el comportamiento de este circuito se hace necesario un análisisen régimen transitorio del mismo por lo que se recurre a la transformación laplacianadel circuito del mismo, el que queda tal como se indica en la Fig. 10.5.5. Según elcircuito de la Fig. 10.5.5 la tensión de salida está dada por la expresión:

( )21

2

ZZ

Z

s

UsU

+=

10.5.1

Donde:

11

1 R Cs

1Z +=

10.5.2

22

2

2

2

Cs

1R

Cs

R

Z+

=

10.5.3

29



Fig. 10.5.5.- Circuito transformado de un generador de impulso de una

etapa con la resistencia de frente antes de la resistencia de

cola.

R 1

R 2 C2

C1

~ U/s

Sustituyendo 10.5.2 y 10.5.3 en 10.5.1 se tiene:

( )

22

21

1

22

2

R Cs

R R

Cs

1

1R Cs

R

s

vsU

++

+=

10.5.4

Organizando los términos de la ecuación 10.5.4

( )

2121212211

221

CCR R

1s

CR

1

CR

1

CR

1s

1

CR

UsU

+

+++

=

10.5.5

La ecuación 10.5.5 puede ser escrita de la forma siguiente:

( )cs bas

1

CR

UsU

221 ++

=

10.5.6

30



Donde:1a =

++= 212211 CR

1

CR

1

CR

1

b

2121 CCR R

1c =

La ecuación 10.5.6 queda como:

( )

β−

−α+α−β

=s

1

s

11

CR

UsU

21

10.5.7Donde αy β son las raíces de la ecuación:

0CCR R

1s

CR

1

CR

1

CR

1s

2121212211

2 =+

+++

10.5.8

Antitransformando, es decir, llevando al dominio del tiempo a la ecuación 10.5.7 setiene que:

( )( )

( ) ( )( )texptexpCR

UsU21

β−−α−α−β

=

10.5.9

Como en la práctica 2112 CCyR R ⟩ ⟩⟩ ⟩ de la ecuación 10.5.8 se tiene que:

212211 CR

1

CR

1

CR

1⟨⟨+

Por lo antes expuesto la ecuación 10.5.8 queda como:

0CCR R

1s

CR

1s

212121

2 =+

+

10.5.10

A partir de la ecuación 10.5.10 queda que los valores aproximados de α y β son:

31



21 CR

1≈β

10.5.11

12 CR

1≈α

10.5.12

Sustituyendo 10.5.11 y 10.5.12 en 10.5.9 se tiene que

( )( )

−−

−

α−β= t

CR

1expt

CR

1exp

CR

UtU

211221

10.5.13

Como se puede apreciar en la Fig. 10.5.6 la onda de impulso de tensión no esmás que la resultante de la suma algebraica de las dos exponenciales resultantes de laexpresión 10.5.13.

−

12 CR xpeU

t

−

21 CR expU

t

( )

−−

−=

2112 CR expCR expUtUtt

Fig. 10.5.6.- Composición de una onda de tensión de impulso.

U

t

Del análisis de la Fig 10.5.6 se puede apreciar que el tiempo de frente de laonda de impulso de tensión es controlado principalmente por R 1 y C2, en tanto que eltiempo de cola es controlado principalmente por R 2 y C1. Al analizar el circuito de laFig. 10.5.4 se ve claramente que la rapidez con que se cargue el capacitor C2 dependedel valor de su capacitancia y del de la resistencia R 1, es decir, de la constante detiempo R 1 C2. Por otro lado el tiempo de cola depende obviamente del valor de R 2,donde se debe disipar la energía almacenada en el circuito, la que para una tensión

32



dada depende del valor de la capacitancia de C1 que es quien almacena toda laenergía que maneja el circuito.

El valor pico de la onda de impulso se puede determinar calculando el

máximo de la ecuación 10.5.9 y evaluándola para t1.

( )( ) ( )( )11

21

texptexpCR

U

td

dU

1tt

β−β+α−α−α−β

=

=

10.5.14Por lo tanto:

( ) ( )11 texptexp β−β=α−α 10.5.15

Aplicando logaritmos:

( )β−α=β−α 1tlnln 10.5.16Luego:

βα

β−α= ln

1t1

10.5.17

La eficiencia del generador está definida por:

( )

CD1

U

tU=η

10.5.18Donde:

U(t1) - Tensión pico de la onda de impulso.UCD- Tensión de corriente directa a que se carga C1.

Sustituyendo U(t1) por su expresión según 10.5.9 se tiene que:

( )( ) ( )( )11

21

texptexpCR

1β−−α−

α−β=η

10.5.19

Según la expresión 10.5.15 se tiene que:

( ) ( )11 texptexp α−βα

=β−

10.5.20

33



Sustituyendo 10.5.20 en 10.5.19 se tiene:

( )( ) ( )

α−

βα

−α−α−β

=η 1121

texptexpCR

1

10.5.21

Arreglando la expresión 10.5.21 se tiene:

( )121

texpCR

1α−

β=η

10.5.22

Sustituyendo t1 por su valor según la expresión 10.5.17 se tiene que.

βαβ−αα−β=η lnexp

CR 1

21

10.5.23

Aplicando logaritmos a la expresión 10.5.23 se tiene que:

βα

β−αα

−β

=η lnCR

1lnln

21

10.5.24Luego:

β−αα

βα

β=η

21 CR 1

lnln

10.5.25

Por lo tanto la expresión de la eficiencia queda como:

β−αα

βα

β=η

21 CR

1

10.5.26

La expresión 10.5.26 muestra claramente la marcada influencia de laresistencia de frente R 1 y la del capacitor de carga C2 en la eficiencia del circuito, talcomo es de esperarse al analizarse el esquema del generador de ondas de impulso detensión de la Fig. 10.5.4(a).

34



El valor pico de la onda de impulso de tensión (Û) no puede ser mayor que eldeterminado por la distribución de la carga inicial en la combinación paralela de C1 yde C2, por lo que en forma aproximada, despreciando las pérdidas en el circuito se puede plantear que:

( ) UCÛCC 121 =+ 10.5.27De donde:

21

1

CC

UCÛ

+=

10.5.28

Como la eficiencia está dada por:

U

Û=η

10.5.29

Sustituyendo 10.5.28 en 10.5.29 se tiene que.

21

1

CC

C

+=η

10.5.30

Con la expresión anterior se puede efectuar un cálculo rápido, aunque

aproximado, de la eficiencia de cualquier generador de ondas de impulso de tensión.

El generador de la Fig. 10.5.4(b) tiene como diferencia básica respecto al de laFig. 10.5.4(a) la posición de la resistencia R 1 respecto a la resistencia R 2. En cuanto asu comportamiento es el mismo que el del caso analizado con la diferencia de que eneste caso la expresión 10.5.8 queda como:

0CCR R

1s

CR

1

CR

1

CR

1s

2121112112

2 =+

+++

10.5.31

GENERADORES DE ONDAS DE TENSION DE IMPULSO DE ETAPASMULTIPLES.

Los generadores de ondas de impulso de tensión de una etapa no se utilizan enla generación de tensiones altas ya que para ello seria necesario disponer de fuentesde corriente directa de muy alta tensión que son sumamente costosas.

35



Para evitar esta disposición se diseñó un sistema donde un número decapacitores se cargan en paralelo a través de resistencias y se descargan en serie através de entrehierros. Un circuito típico que muestra las conexiones de un generador de cinco pasos se muestra en la Fig. 10.5.7. Los capacitores C de las etapas se cargan

en paralelo a través de resistores de alto valor de resistencia R. Al final del periodo decarga los puntos del A al E estarán al potencial de la fuente de corriente directa, esdecir a +V con respecto a tierra y los puntos del F al M permanecerán al potencial detierra ya que la corriente de carga ha cesado de circular.

Cuando el entrehierros AF rompe, el potencial del punto A cambia de +U acero y, por lo tanto, el potencial del punto G cambia de cero a -U debido a la carga delcondensador AG. Un potencial de +2U es por tanto aplicado al entrehierros BG elcual rompe inmediatamente.

El rompimiento del entrehierros BG crea una diferencia de potencial de +3U a travésde CH; el proceso de rompimiento continúa y finalmente el punto M alcanza un

potencial de -5U. Es decir, las placas de baja tensión de los capacitores de las etapasson sucesivamente subidas a -U, 2U...UN si hubiera N etapas. Esta disposición da unasalida de polaridad opuesta a la tensión de carga.

El inconveniente fundamental del generador de ondas de impulso de tensiónmostrado en la Fig. 10.5.7 es el tamaño de las resistencias de frente y de cola, quehace que las mismas sean caras, difíciles de construir y además el espacio ocupado por el generador es muy grande, por lo que lo usual es el empleo de generadores conlas resistencias de cola y de frente distribuidas dentro del generador tal como elmostrado en la Fig. 10.5.8. La diferencia fundamental entre estos dos circuitos es queel primero da a la salida una onda de la misma polaridad mientras que en el segundo

la onda es de polaridad contraria.

36



G1

G2

G3

G4

G5

C

C

C

C

C

A

B

C

D

E

F

G

H

K

L

M

R F

R C CC

+

-

R

R

R

R

R

R

R

R

R R L

Fig. 10.5.7. Generador de impulso de múltiples etapas de parámetros

concentrados.

+

-

R L R C R C R C R C

G1 G2 G3 G4G5

C

C CC

R F

R C R C R CR CR CR C

R F R F R F R F

C C

Fig. 10.5.8. Generador de impulso de múltiples etapas de parámetros

distribuidos.

37



CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS PARTES COMPONENTES DE LOSGENERADORES DE ONDAS DE IMPULSO DE TENSION.

Entre las partes componentes de los generadores de ondas de impulso de tensión se

destacan:• La fuente de corriente directa.• El sistema de disparo.• Los capacitores.• Los resistores.• Sistema cortador de ondas.• Sistema de puesta a tierra.

Fuente de corriente directa:La fuente de carga del generador debe ser capaz de entregar una tensión

variable entre cero y la tensión de carga máxima en un tiempo razonable (15 - 30segundos). La fuente debe tener incorporada la cantidad de resistencia necesaria para

evitar sobrecargas, fundamentalmente en sus rectificadores, inmediatamente despuésde la descarga del generador.

Las fuentes deben estar dotadas del mecanismo necesario para invertir automáticamente la tensión de salida y con un sistema de puesta a tierra de seguridadque se accione una vez que la misma se desconecte. En ellas es necesario la medicióncontinúa de la tensión de salida, para lo que deben estar dotadas de un sistema demedición en base a un divisor de tensión resistivo.

Las fuentes de corriente directa no deben ser de media onda debido a lamagnetización que puede producirse en su transformador.

Sistema de disparo:La forma más común de los entrehierros de disparo de los generadores de

ondas de impulso es mediante el emplea de parejas de esferas, comúnmenteconstruidas de cobre, aluminio o latón. El diámetro de estas esferas es seleccionado deforma tal que el espacio requerido entre ellas para la máxima tensión de cada paso nosea superior al 40 % del diámetro de las esferas.

El método más simple de producir el disparo en un generador de impulso detensión es el de ajustar el primer entrehierros de manera que este descargue a un valor de tensión predeterminado ligeramente inferior al de los demás entrehierros. Tan

pronto como la tensión de carga es lo suficientemente alta para producir la ruptura enel primer entrehierros y éste rompe la tensión aplicada al siguiente aumenta, tal comose explicó en el epígrafe anterior, produciéndose el disparo en secuencia de los demásentrehierros del generador.

Las consideraciones anteriores sugieren que un generador de ondas de impulsode tensión debe operar consistentemente, independientemente del número de etapassiempre que en el primer entrehierro el rompimiento ocurra a tensiones ligeramente

38



inferiores a las del segundo entrehierros. Para mejorar la consistencia del disparo, losgeneradores se construyen con los ejes de los entrehierros en el plano vertical paraque entre ellos haya alineamiento óptico. Con el alineamiento óptico lo que se lograque los rayos ultravioletas producidos por la ruptura del primer entrehierros irradien

los demás y con ello ionicen algunas moléculas del aire, garantizando la aparición delos electrones iniciales que faciliten su ruptura, disminuyendo el tiempo estadístico dedemora de la descarga.

El sistema de disparo explicado anteriormente tiene la desventaja de que elmismo depende de la confiabilidad con que dispare el primer entrehierros, ya que elmismo esta sometido a los efectos de diferentes factores que pueden producir disparoserráticos, además de que el instante de disparo no se puede predecir.

Un método simple de disparo controlado utiliza un sistema de tres electrodoscomo entrehierros de la primera etapa tal como se muestra en la Fig. 10.5.9. Este seconecta de manera que la tensión de carga se aplica entre los electrodos exteriores y el

electrodo intermedio se puede conectar a tierra mediante una resistencia alta o a un punto cuya tensión es de un valor intermedio del que poseen los electrodos exteriores.El valor de tensión en este último caso se ajusta mediante las resistencias R 1 y R 2.Este sistema de electrodos se ajusta de manera que soporte la tensión de carga por unmargen que debe oscilar entre un 15 - 20 % y el disparo se efectúa aplicando un pulsode tensión de corta duración al electrodo central. Con este método el instante deldisparo del generador es controlado con precisión.

Otra forma de entrehierros de tres electrodos, el más utilizado, es el conocidocomo trigatrón y que se muestra en la Fig. 10.5.10. En este caso el disparo se produce

aplicando un pulso de tensión que produce una chispa entre la punta del electrodocentral y la superficie del electrodo principal que está puesto a tierra. La cargaespacial de la chispa distorsiona el campo entre los electrodos provocando la rupturaen el primer entrehierro.

Capacitores:Los capacitores deben ser capaces de soportar la máxima tensión de carga

para ambas polaridades. En ellos uno de los aspectos de mayor importancia es el degarantizar que las conexiones internas de las diferentes partes que lo conforman seanno inductivas y capaces de soportar, sin deterioro alguno, los pulsos de corriente quese generan durante cada operación del generador, los que son del orden de los cientos

de Amperes.

39



R C R C

R CR C

R 1

R 2

Fig. 10.5.9.- Disparo controlado utilizando un sistema de treselectrodos como entrehierros de la primera

etapa.

Esfera principal a potencialEsfera principal puesta a tierra

R C R C

R CR C

Fig. 10.5.10.- Disparo controlado utilizando un trigatrón para

el dispararo de la primera etapa.

Los capacitores de carga se construyen a partir de papel impregnado en aceitesminerales o sintéticos con tanques metálicos o aislados.

40



Resistores:Los principales requisitos que deben cumplir los resistores empleados en la

construcción de los generadores de impulso son los siguientes:

• Alta estabilidad en su valor no permitiéndose variaciones superiores al 1 %.• Ser no inductivos, lo que es más importante a medida que se trate de ondas deimpulso de tensión de frentes pequeños.

• Deben ser capaces de absorber, sin deterioro, grandes cantidades de energía entiempo muy pequeños.

• Su longitud debe ser tal que soporten, sin ningún tipo de descarga, la máximatensión de prueba del equipo.

• Deben ser construidos empleándose materiales que los hagan ligeros para que puedan ser cambiados con facilidad.

Uno de los aspectos de mayor importancia es el de garantizar que lasresistencias sean no inductivas para disminuir al máximo las posibles oscilaciones y

con ello la deformación de la onda de impulso. Para ello es necesario que lainductancia de las resistencias sea lo menor posible en forma tal que la constante de

tiempo de las mismas sea s5,0R

Lµ⟨ por lo que, las hechas a partir de alambres,

deben ser construidas de forma tal que el campo magnético generado por ellas seacero. Para ello existen diferentes métodos, todos ellos basados en que en suconstrucción hayan siempre pasos en paralelo por donde circule la misma corriente pero en sentido contrario a fin de que el campo magnético creado por una se opongaal de la otra.

También se pueden emplear resistores no inductivos a partir de resistencias de

agua, aunque las mismas tienen serios problemas con su estabilidad. También se pueden emplear resistencias a partir de carbón siempre y cuando se garantice suestabilidad.

Sistema cortador de ondas:Cuando en un sistema eléctrico, de cualquier nivel de tensión, un elemento

aislante es sometido a los efectos de una sobretensión transitoria, debido a la onda deimpulso producida por una descarga atmosférica, y en el mismo se presenta unadescarga disruptiva esto conlleva un colapso brusco de la tensión. Así, por ejemplo, sieste fenómeno se presenta en uno de los terminales aislantes de un transformador, elcambio tan brusco en la onda de tensión puede provocar fallos en el mismo dada la

mala distribución de tensión que tienen los enrollados de estos equipos paratransitorios muy rápidos, como el que provoca este fenómeno.

Debido a la necesidad de simular el fenómeno antes descrito es necesariodotar a los generadores de impulso de un sistema que sea capaz de cortar bruscamentela onda para provocar el brusco colapso de la tensión antes señalado. Esto se logra

41



mediante la conexión a tierra del terminal de salida del generador en el instante que sedesee.

Con el propósito antes señalado se emplearon inicialmente descargadores,

pero las variaciones estadísticas en el disparo de estos dispositivos es tan grande queno es aconsejable su empleo. Posteriormente se usaron trigatrones que, si bienresuelven el problema de la precisión en el disparo, sólo se pueden usar para tensionesrelativamente bajas, pues para tensiones altas no es práctico debido al tamañorequerido para el mismo.

Para resolver este problema se recurre a un sistema de corte compuesto por múltiples electrodos como se indica en la Fig. 10.5.11. En este dispositivo la tensiónde la onda de impulso queda distribuida unifórmente entre todos los electrodosgracias al efecto de la cadena de resistores de alto valor conectados en serie entre sí yen paralelo con cada uno de los electrodos. Si bajo estas condiciones se produce eldisparo del primer trigatrón la ruptura en los demás se produce de forma secuencial.

El método más efectivo para el disparo del cortador de ondas es a partir de unamuestra de la tensión de salida del generador, tomada en un resistor situado en serie al pie de la cadena de resistores usados para distribuir uniformemente la tensión a lolargo de los entrehierros. Esta muestra de tensión activa un circuito electrónico que esel encargado de activar el circuito de disparo del trigatrón.

Fig. 10.5.11.- Generador de impulso de múltiples etapas de

parámetros concentrados con su sistema cortador de

ondas.

G1

G2

G3

G4

G5

C

C

C

C

CR F

R C CC

+

-

R

R

R

R

R

R

R

R

R R L

Trigatrón

Con este sistema de corte se pueden lograr tiempos de disparos del trigatróndel orden de los 50 nanosegundos para tensiones de salida del generador de hasta1000 kV/µs.

Sistemas de puesta a tierra:

42



Como regla general se debe plantear que los sistemas de puesta a tierra de loslaboratorios de alta tensión deben mantenerse separado de los del sistema y de los decualquier otro sistema de puesta a tierra, particularmente de aquellos destinados aequipos electrónicos. Esto es debido a los cambios que en el potencial de ellos pueden

producir los trabajos en el laboratorio, sobre todo cuando se presentan descargas atierra bruscas de elementos capacitivos.

Para un generador de impulso el método más usado para su sistema de puestaa tierra es el que se muestra en la Fig. 10.5.12, en el cual se toma un solo punto de puesta a tierra, el que dará el potencial de referencia bajo condiciones de descarga, alque se conectan todas las partes componentes del generador. Con ello se logra que desubir el potencial de ese punto durante cualquier trabajo, suba junto con él el potencial de todos los demás. Este punto de puesta a tierra debe estar situado lo máscerca posible de la base del generador.

Fig. 10.5.12.- Método de puesta atierra de un generador de impulso.

G1

G2

G3

G4

G5

C

C

C

C

C R F

R C

C1

R

R

R

R

R

R

R

R

R

C2R S

1

3

2

1 Medición de tensión

2 Medición de corriente

3 A la fuente de CD

Objeto

bajo

prueba

GENERACION DE ONDAS DE IMPULSO DE BAJA TENSION.

Existen pruebas en las cuales es necesario emplear ondas de impulso de bajatensión con la finalidad de determinar, por ejemplo, la distribución de tensión en losenrollados de un transformador, o para probar dispositivos de protección estáticacontra sobretensiones de este tipo, etc. Además ellos son necesarios también con fines

43



docentes para estudiar el comportamiento del propio generador y para estudiar enmodelos el efecto de estas ondas al propagarse por los sistemas eléctricos.

Un ejemplo típico de un generador de ondas de impulso de tensión de este tipo es

el que se muestra en la Fig. 10.5.13 en el que, con la finalidad de poder obtener diferentes tipos de ondas, los valores de las componentes básicas del circuito R 1, R 2,C1 y C2 se pueden variar tanto en forma discreta como continúa. Los cambios enforma discreta se pueden lograr seleccionando para los parámetros del circuito lacombinación de valores que se desee entre los mostrados en la Tabla 10.5.1.

Tabla 10.5.1.- Valores de los parámetros del circuito generador de impulso.

R 1 R 2 C1 C2

(Ω) (Ω) (µF) (pF)

80 470 0,015 100

240 1000 0,033 200470 1800 0,065 300

1800 3900 0,15 1000

3600 - 0,47 0,47**En µF.

Fig. 10.5.13.- Circuito generador de ondas de impulso de

baja tensión.

D R L T1 R 1

R 2 C2C1T2

IHg

44



Por ejemplo para la combinación: R 1=240 Ω, R 2=1800 Ω, C1=0.033 µF yC2=1000 pF, se obtiene una onda T1/T2 =1.21/49.16 µs que se puede usar como onda patrón para simular la onda de tensión de un rayo según lo normado.

La variación de la forma de onda en forma continua a partir de la dada por unacombinación cualquiera se puede efectuar con el empleo de resistores variables enserie con R 1 y R 2.

El sistema de generación mostrado en la Fig. 10.5.13 consta de dos posibilidades de disparo: uno automático y otro manual. El disparo automático estásincronizado a la frecuencia del sistema y se obtiene mediante la operación controladade tiristor T1, el que sólo puede entrar en conducción en el semiciclo opuesto al queconduce el diodo de carga D1 a fin de garantizar la independencia total de generador de impulso del circuito de carga. El disparo manual se logra al accionar el interruptor de mercurio (IHg), de operación manual, no lográndose en este caso la independenciadeseada entre el circuito de carga y el circuito generador de impulso. Este tipo de

generador debe usar un transformador variable como el indicado o alimentar elmismo a través de un transformador de aislamiento.

El sistema cortador de ondas funciona mediante la sincronización del disparode los tiristores T1 y T2, con el tiempo de demora que se desee. Gracias a este sistemase pueden obtener ondas de impulso cortadas en el frente o en la cola, con las que se puede simular las ondas cortadas que aparecen en los sistemas eléctricos al fallar unaislador o al operar un descargador debido a una sobretensión atmosférica.

En las Fig. 10.5.14 y en la Fig. 10.5.15 se pueden ver oscilogramas típicos,obtenidos con este modelo, de una onda de impulso completa y de la misma onda

cortada en el frente.

45



Fig. 10.5.14.- Onda de impulso de tensión completa.

Fig. 10.5.15.- Onda de impulso de tensión cortada en el frente.

46



GENERACION DE TENSIONES TRANSITORIAS OSCILATORIAS.

Las altas tensiones generadas por las operaciones de chucheo y por fallas en lossistemas eléctricos de más de 175 kV son el factor determinante en el diseño de suaislamiento. Las sobretensiones de chucheo se definen como la sobretensión de cortaduración que acompaña un cambio en las condiciones de estado estable de uncircuito, por ejemplo, la apertura de un interruptor, una falla, etc. La selección de unaforma de onda como representativa de una sobretensión de chucheo es muy difícil, yaque la frecuencia de oscilación amortiguada de estos impulsos puede variar entrealgunos cientos de Hz y varios miles de ellos.

Las normas definen que, para simular este tipo de sobretensión se puedeemplear un generador de ondas de impulso de tensión al cual se le cambian susresistencias de frente y de cola para obtener una onda de 250/2500 µs, que más que la

sobretensión propiamente dicho lo que simula es la envolvente de ella como se indicóen la Fig. 10.2.1.

Si embargo, existen circuitos capaces de generar ondas de alta frecuenciaamortiguadas como el caso del mostrado en la Fig. 10.5.16. Este circuito utiliza untransformador de núcleo de aire, en el cual las bobinas están enrolladasconcéntricamente en un marco de material aislante. El funcionamiento de este circuitoes el siguiente: el capacitor C1 se carga a través de la resistencia R y de un rectificador D; cuando la tensión a través de C1 aumenta a un valor tal que se presenta la rupturaen el entrehierros G1, cerrándose el circuito, se producirán oscilaciones amortiguadascuya frecuencia está dada por:

11 CL2

1f

π=

10.5.32

47



D R L

L1

C2C1

G

L2

Objeto

bajo

prueba

Fig. 10.5.16.- Circuito de prueba de alta tensión a alta frecuencia

utilizando un transformador Tesla.

Estas oscilaciones disminuyen rápidamente debido al consumo de energía delcircuito primario, así como a la energía transferida al circuito secundario por mediodel acoplamiento de las bobinas L1 y L2. El amortiguamiento en esta parte del circuitoes grande debido a las pérdidas de energía en la chispa del entrehierros, por lo que lasoscilaciones en esta parte del circuito sólo duran unos pocos ciclos. El circuitosecundario formado por la inductancia L2 y la capacitancia C2 del circuito y la del

objeto bajo prueba oscila a una frecuencia dada por:

22 CL2

1f

π=

10.5.33

La tensión a través de C2 aumenta mientras se transmita energía del circuito primario al secundario para después disminuir exponencialmente con un factor dedisminución dado por:

222 L

CR d π=

10.5.34

La resistencia R 2 es la resistencia efectiva del circuito, incluyendo todas las pérdidas de energía. Debido a que no hay entrehierros en esta parte del circuito el

48



amortiguamiento es pequeño. El la Fig. 10.5.17 se muestran las características devariación de la tensión con el tiempo para ambos circuitos.

U

t

t

U1

U2

Fig. 10.5.17.- Características de variación de la tensión con el

tiempo en el circuito de prueba de alta tensión a

alta frecuencia.

Un análisis del circuito muestra que la relación entre la tensión del primario y la delsecundario está dada por:

2

1

1

2

CC

UU η=

10.5.35

Donde:U2 - Tensión máxima a la que se carga C2.U1 - Tensión máxima a que se carga C1.η - Eficiencia de la energía transferida desde el capacitor del primario al

circuito secundario.

12

11

2

22UC UC=η

10.5.36

El valor de η depende de la resistencia y de las pérdidas dieléctricas delcircuito. La expresión 10.5.36 muestra que mientras mayor sea la capacitancia del

49



objeto a probar mayor debe ser la capacitancia del circuito primario C1 para obtener la relación de tensiones deseada.

Otro circuito empleado en la generación de ondas de impulso de tensión para la

simulación de transitorios debidos a operaciones y/o a fallas en el sistema es elmostrado en la Fig. 10.5.18. Como se puede apreciar el circuito no es más que ungenerador de ondas de impulso de tensión, con resistores de frente y de cola devalores adecuados para obtener una onda de un tiempo de frente y de cola apropiados,al cual se le ha añadido un inductor para lograr las oscilaciones mostradas en laFig. 10.5.19. El principal inconveniente de este circuito es su baja eficiencia.

Otro circuito empleado para estos fines es el mostrado en la Fig. 10.5.20, en elcual la energía almacenada en el capacitor es descargada a través del enrollado primario del transformador de alta tensión, obteniéndose a la salida de este una ondade impulso de un tiempo de frente y de cola adecuado para simular los transitoriosdeseados. Su principal inconveniente es el alto contenido de armónicos de la onda que

la pueden llegar a distorsionar bastante.

GENERADORES DE CORRIENTES TRANSITORIAS.

Las descargas atmosféricas involucran para los sistemas eléctricos no sólo altastensiones sino también altas corrientes de impulso, las que son de particular importancia en las pruebas a descargadores y a pararrayos.

Para la simulación de las ondas de impulso de corriente se emplean las ondas de4/10 y de 8/20 µs. El circuito empleado para la obtención de estas ondas se muestra enla Fig. 10.5.21; su operación es similar a la de un generador de ondas de impulso de

tensión, pero en él hay que seleccionar cuidadosamente el valor de los parámetros quelo forman para obtener un circuito amortiguado o críticamente amortiguado.

Para el análisis matemático se toma como 0t = el instante en que se produce laruptura de los entrehierros, instante para el cual se cumple que:

( ) ( ) 0UR tIdt

dILtU r C =−−−

10.5.37

( )

( )

dt

tdU

CtIC

−= 10.5.38

50



Fig. 10.5.18 .- Circuito generador de ondas de impulso oscilatorias.

R 1

R 2 C2C1

G L

Objeto

bajo

prueba

+

-

U

t

Fig. 10.5.19.- Forma de la variación de la tensión con el tiempo que

se obtiene con el circuito de la Fig. 10.5.18.

51



Objeto

bajo

prueba

+

-

G

C1

C2

Fig. 105.20.- Circuito generador de ondas de impulso oscilatorias

usando un transformador de alta tensión.

Fig. 10.5.21.- Circuito generador de ondas de corriente.

D R L R

C

G

Objeto

bajo

prueba

L

52



Como se puede apreciar, el comportamiento de los generadores de ondas deimpulso de corriente tiene una marcada dependencia de las características del objeto bajo prueba. En el caso de los pararrayos la tensión residual se puede considerar comoconstante en el tiempo.

Aplicando transformada de Laplace a las expresiones 10.5.37 y 10.5.38 se tiene que:

( ) ( ) ( )[ ] ( ) 0sI0ISLsIUsU r C =−−−− 10.5.39

( ) ( ) ( )[ ]0USsUCsI +−= 10.5.40

Despejando Uc(s) e I(s) de las expresiones 10.5.39 y 10.5.40 respectivamente se tieneque:

( )( )

R SL

UsUsI r C

+−

=

10.5.41

( )( ) ( )

S

0U

SC

sIsU C

C +−=

10.5.42

Sustituyendo 10.5.42 en 10.5.41 y despejando I(s) se tiene que:

( )( )

LC

1S

L

R S

1

L

U0UsI

2

r C

++

−=

10.5.43

Las raíces de la ecuación característica son:

CL

1

L4

R

L2

R S

2

2

2,1 −±−=

10.5.44

Para un sistema críticamente amortiguado debe cumplirse que:

53



CL

1

L2

R

CL

1

L4

R 2

2

=⇒=

10.5.45Donde:

L2

R - Coeficiente de amortiguamiento (α).

CL

1- Frecuencia de oscilaciones libres (ω).

Para esta condición las dos raíces de la ecuación son iguales y reales:

L2

R SS 21 ==

10.5.46

En base a la ecuación 10.5.46 la ecuación 10.5.43 queda como:

( )( )

2r C

L2

R S

1

L

U0UsI

+

−=

10.5.47

Aplicando antitransformada a la expresión 10.5.47 se tiene que:

( )( )

−

−= t

L2

R expt

L

U0UtI r C

10.5.48

En el caso de que el circuito sea ligeramente inframortiguado se tiene que:

( )( )

( ) ( )tsentexptL

U0UtI r C ωα−

−=

10.5.49

Derivando la expresión 10.5.48 respecto al tiempo e igualandola a cero seobtiene el tiempo para el cual la onda de impulso de corriente alcanza su valor máximo, él que está dado por:

54



R

L2t1 =

10.5.49O según 10.5.45:

CLt1 = 10.5.50

Sustituyendo t1 10.5.48 y como 73,2e = se tiene que:

( )

C

L

73,2

U0UI r C

Pico−

=

10.5.51

CAPITULO V

55



SISTEMAS DE MEDICION EN ALTA TENSION.

Los equipos y métodos de medición en alta tensión, ya sea en las redeseléctricas o en los laboratorios de investigación, forman por sí solo una rama muy

importante en las técnicas de alta tensión. Una de las características generales de losequipos y métodos de medición empleados en los laboratorios de alta tensión es quelos mismos deben consumir poca energía de la fuente que se mide, ya que por logeneral ésta es de baja capacidad.

Para las mediciones en los laboratorios de alta tensión se utilizan distintos métodosdependiendo de la exactitud requerida y de los niveles de tensión usados en la pruebaen cuestión. Los métodos más usados son:

• Voltímetros electrostáticos.• Esferas de medición.• Relación de transformación.• Divisores de tensión.

• Impedancias calibradas.

VOLTIMETROS ELECTROSTATICOS.

La fuerza mecánica que aparece entre dos electrodos cargados ha sidofrecuentemente usada en las mediciones de alta tensión, siendo el diseño de placasatraídas de Lord Kelvin uno de los primeros instrumentos basados en este principio.Un voltímetro electrostático consiste esencialmente de dos electrodos en forma dediscos situados en planos paralelos y separados por una distancia pequeña. El discomóvil se rodea con un anillo de guarda fijo cuyo potencial es idéntico al del disco.Esta disposición hace que el campo electrostático sea uniforme en la región central

del entrehierros, entre el disco fijo y el móvil. La fuerza sobre el disco móvil está dada por:

2r 02

L

SU

2

1F εε=

10.6.1Donde:

S - Area de las placas.L - Longitud del entrehierro.U - Diferencia de potencial entre los electrodos.

De la fórmula anterior se desprende que para aumentar la precisión delinstrumento se hace necesario aumentar el diámetro del disco y disminuir la longituddel entrehierros. Un aumento del diámetro del disco trae aparejado el aumento deldiámetro del anillo de guarda y el aumento del electrodo opuesto, lo cual aumenta elvolumen del equipo. Una disminución del espacio entre los electrodos reduce el rangode medición, ya que hay que mantener el gradiente de potencial por debajo de 5kV/cm cuando los electrodos operan en aire a presión atmosférica.

56



La principal diferencia entre los distintos tipos de voltímetros electrostáticosradica en la manera en que se obtiene el torque restaurador y en la manera en que seindica el movimiento del disco. En el método simple el torque restaurador se obtiene

por medio de un muelle el cual acciona una aguja que se mueve sobre la escala delinstrumento.

Cuando la tensión a medir es muy alta la tendencia es a usar gas a presióncomo medio aislante entre los electrodos, esto permite gradientes de potencial delorden de hasta 100 kV/cm, con lo que el instrumento resulta mucho más pequeño.

Los voltímetros electrostáticos consumen muy poca energía, especialmente enel caso de mediciones en corriente directa ya que después del flujo inicial de cargassólo fluirá la corriente de pérdidas, las que son muy pequeñas. La resistencia de suaislamiento es, sin embargo, afectada por la humedad y el consumo de corrienteaumentará con el aumento de la humedad. En las mediciones de tensiones de corriente

alterna existe un pequeño consumo de energía proporcional a la frecuencia, por esoestos instrumentos no son recomendables para mediciones de alta frecuencia (mayor que algunos MHz).

Como la fuerza de estos instrumentos es proporcional al cuadrado de latensión aplicada su escala es cuadrática, por lo tanto, no es posible obtener la misma precisión en todo el rango de medición. Los instrumentos diseñados para un rangoamplio de medición son generalmente de rangos múltiples con el objeto de aumentar la precisión de las mediciones. Estos rangos se obtienen utilizando discos dediferentes tamaños o variando la posición relativa entre el disco móvil y el fijo.

En general se puede plantear que los voltímetros electrostáticos para altatensión son equipos de medición que necesariamente hay que situar fuera del alcancedirecto del operador, normalmente dentro del área de prueba, lo que puede introducir errores en las lecturas.

Otra de sus características es que la respuesta de ellos es lenta, comprada conotros sistemas de medición, lo que hace que no pueda seguir las variaciones que se pueden producir en la tensión y con ello se pueden cometer errores en medicionesdonde se presenten cambios bruscos en la tensión.

ESFERAS DE MEDICION.

La separación entre los electrodos esféricos ha sido, y es, uno de los métodosmás comúnmente usados en las mediciones del valor pico de tensiones altas. Debidoa ese uso extensivo se han desarrollado infinidad de investigaciones que han traídocomo resultado la confección de tablas de calibración, en las cuales se relacionan lastensiones de ruptura con los tamaños de las esferas y la separación de las mismas,

57



tal como se muestra en la Tabla 10.6.1 parar esferas de hasta 100 cm de diámetro y6 cm de separación..

En las mediciones de tensiones alternas y de impulso, para espaciamientos entre

las esferas de hasta 0,5 D (diámetro de las esferas) las tablas se consideran que tienenuna precisión de ± 3%. Los valores dados en las tablas para espaciamientos entre 0,5y 0,75 D se consideran de poca precisión. En las mediciones de tensiones de corrientedirecta, en ausencia de polvo excesivo, los resultados se consideran con una precisiónde ± 5 %. para espaciamientos entre las esferas menores o iguales a 0,4 D.Las esferas pueden ser de aluminio, latón, bronce o aleaciones ligeras y la superficiedebe estar libre de irregularidades. Las esferas deben limpiarse inmediatamente antesde usarse, ya que el polvo o la humedad depositadas pueden afectar la precisión de lasmediciones. También es recomendable antes de comenzar las mediciones someterlas arupturas varias veces ya que ello hace que las posibles partículas de polvo depositadasen su región central sean eliminadas por las descargas.

A medida que se aumenta la separación entre las esferas se pierde precisión enlos valores de ruptura debido a la pérdida de uniformidad en el campo eléctrico y lainfluencia de factores externos hacen que se produzcan fluctuaciones relativamentegrandes en la tensión de ruptura, por lo que no se usan separaciones de más de 0,5 D(diámetro de las esferas).

La disposición más común de las esferas es la vertical, con la esfera inferior conectada a tierra. Cuando se miden tensiones aisladas de tierra se usan en posiciónhorizontal y con ambas esferas aisladas de tierra, condición ésta para la cual lastensiones de ruptura difieren ligeramente de las obtenidas cuando una de las esferasesta a potencial de tierra.

Tabla 10.6.1.- Tensiones de ruptura parar esferas de hasta 100 cm dediámetro y 6 cm de separación.

Separaciónentre lasesferas

kV pico a 20 º y 760 mm HgDiámetro de las esferas en centímetros2 5 10 15 25 50 75 100

0,05 2,840,10 4.70,15 6,40,20 8,0 8,0

58



0,25 9,6 9,60.30 11,2 11,20,40 14,4 14,30,50 17,4 17,4 16,8 16,8

0,60 20,4 20,4 19,9 19,90,70 23,2 23,4 23,0 23,00.80 25,8 26,3 26,0 26,00,90 28,3 29,2 28,9 28,91,0 30,7 32,0 31,7 31,7 31,71,2 (35,1) 37,6 37,4 37,4 37,41,4 (38,5) 42,9 42,9 42,9 42,91,5 (40,0) 45,5 45,5 45,5 45,51,6 48,1 48,1 48,1 48,11,8 53,0 53,5 53,5 53,52,0 57,5 59,0 59,0 59,0 59,0 59,0

2,2 61,5 64,5 64,5 64,5 64,5 64,52,4 65,5 69,5 70,0 70,0 70,0 70,02,6 (69,0) 74,5 75,5 75,5 75,5 75,52,8 (72,5) 79,5 80,0 81,0 81,0 81,03,0 (75,5) 84,0 85,5 86,0 86,0 86,0 86,03,5 (82,5) 95,0 98,0 99,0 99,0 99.0 99,04,0 (88,59 105 110 112 112 112 1124,5 115 122 125 125 125 1255,0 123 133 137 138 138 1385,5 (131) 143 149 151 151 1516,0 (138) 152 161 164 164 164

En las mediciones de tensiones alternas y directas se debe colocar unaresistencia de unos 100 k Ω en serie con las esferas para reducir la erosión de lasmismas y para amortiguar las oscilaciones superpuestas, las cuales pueden producir rompimientos erráticos en las mismas. Las resistencias de protección tienen granimportancia en las mediciones donde la muestra o el circuito de prueba presentandescargas, ya que estas últimas producen sobretensiones.

Para evitar oscilaciones en el circuito de las esferas cuando se miden tensionesde impulso debe conectarse una resistencia no inductiva en serie con el circuito cuyo

valor no debe exceder de 500 Ω. Para mediciones con tensiones alternas y directas latensión aplicada se aumenta gradualmente hasta que el rompimiento ocurra. Se tomacomo valor de la tensión de ruptura el promedio de tres lecturas consecutivas, las queno deben diferir entre sí en más de un 3 %. En las pruebas con tensiones de impulso sedetermina la tensión de ruptura del 50 %, la que se determina por algún métodoestadístico siendo el más usado el conocido como método de sube y baja (“up anddown”).

59



Dentro del rango de precisión de las esferas las mismas tienen la ventaja deque su operacion es segura, por lo que sirven de elementos de comprobación del restode los sistemas de medición. Además, las mismas tienen gran aplicación comoelementos protectores, ya que se pueden situar en paralelo con la muestra y ajustarla

al valor de tensión máximo permisible para el objeto bajo prueba, con lo que segarantiza que a éste nunca le será aplicada una tensión superior a la permisible.

Entre sus principales desventajas están:• Su operación se ve afectada por las condiciones ambientales.• Su operación se ve afectada por la distancia de ellas a los objetos puestos a

potencial de tierra que la rodean.• Su operación se ve afectada por su posición (horizontal o vertical).• Su lectura es discreta, es decir, no dan una lectura continúa.

Las principales limitaciones de las esferas de medición se derivan de susdesventajas, siendo de ellas la más importante la de no dar una lectura continúa,

además, en su operación es necesario tener en cuenta el efecto de las condicionesambientales y la distancia de ellas al plano de tierra.

Para el caso de esferas situadas horizontalmente se ha podido comprobar que latensión de ruptura depende de la distancia de las esferas al plano de tierra. A medidaque esta distancia disminuye mayor es la variación en la tensión de ruptura. Estavariación también aumenta en dependencia de la relación que exista entre laseparación de las esferas y su diámetro, aumentando dicha variación a medida que larelación distancia /diámetro aumenta. Un efecto similar se presenta para el caso de lasesferas en posición vertical.

Generalmente se afirma que el punto de rompimiento de la esfera conectada a laalta tensión debe estar a una distancia de tierra entre 3 y 5 veces el diámetro de lasesferas.

Si se analiza el efecto de las condiciones ambientales se puede ver que la tensión ala cual rompe el espacio de aire que separa a dos electrodos cualquiera depende de lascondiciones atmosféricas y, por lo tanto, para llevar dicho valor a las condicionesambientales normalizadas de presión y temperatura (760 mmHg y 20 ºC) habrá queafectarlo por un factor de corrección. La tensión de ruptura U a una densidad relativadel airea y la tensión Un a condiciones ambientales normalizadas están relacionadas por.

nUk U = 10.6.2

Donde:K - Factor que depende de ρ:

60



T273

293

760

P

+=ρ

10.6.3

Siendo:P - Presión del aire en mmHg.T - Temperatura en ºC.

Las relaciones entre K y ρ son las siguientes:

ρ 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1.0 1,05 1,10K 0,72 0,76 0,81 0,86 0,90 0,95 1.0 1,05 1,09

Para el caso específico de la humedad su efecto depende del diámetro de lasesferas y de la separación entre ellas. El efecto de la humedad en la tensión de rupturade cualquier tipo de electrodos se puede resumir de la siguiente forma:

• La tensión de ruptura aumenta con el aumento de la presión parcial del vapor de agua.

• El cambio total en la tensión de ruptura para un cambio dado en la humedadaumenta al aumentar la separación entre los electrodos.

• El efecto de la humedad aumenta con el tamaño de las esferas y es máximo enelectrodos de campo uniforme.

La operación de las esferas también se ve afectada por la cantidad deradiaciones que reciba. En general la tensión de ruptura disminuye ligeramente con lairradiación al tiempo que su efecto es más notable para espaciamiento menores. Lagran ventaja de la irradiación es que hace más consistente la ruptura. es decir, paracondiciones dadas, hay menores variaciones en la tensión de ruptura, con lo que seaumenta la confiabilidad de su operación, ya que la irradiación aumenta ladisponibilidad de los electrones capaces de iniciar la descarga. Normalmente se usauna cápsula de radio situada en la esfera de alta tensión y próxima al punto de chispa.

DIVISORES DE POTENCIAL.

Un divisor de potencial es básicamente la combinación en serie de dosimpedancias, una de las cuales es de un valor alto mientras que la otra es de un valor

relativamente bajo. La tensión a medir es aplicada a los extremos de la combinación yla caída de tensión a través de la impedancia menor se mide por medio de uninstrumento indicador.

El diseño de los divisores de potencial depende principalmente del diseño de larama de alta impedancia del mismo, la cual a su vez se ve influenciada por las

61



características de la tensión a medir. Los divisores de potencial se pueden construir deresistencias, capacitores y combinaciones de resistencias y capacitores.

En la medición de tensiones de corriente directa se emplean generalmente

divisores de potencial resistivos debido a la facilidad en la construcción de losmismos y la comodidad que brindan a la hora de realizar las mediciones.

El diseño de estos equipos consiste principalmente en el diseño de la resistencia de larama de alta tensión, la cual debe tener un coeficiente resistencia-temperaturadespreciable, no presentar descargas de corona y, además, que las corrientes defiltración en la estructura que lo soporta sea pequeña. En la Fig. 10.6.1 se muestra elesquema de conexiones de un divisor resistivo típico.

En la medición de tensiones de corriente alterna se utilizan los divisores de potencial resistivos y los capacitivos. Ahora bien, los primeros presentan el gran problema de las capacitancias parásitas, las cuales requieren para su eliminación un

diseño complicado y muy costoso. Eso ha traído como consecuencia que se generaliceel uso de divisores capacitivos en las mediciones de tensiones de corriente alterna, Sus principales ventajas son: facilidad en la construcción, facilidad de apantallamiento para eliminar las capacitancias parásitas y la ausencia de calentamiento.

En las mediciones de altas tensiones los requerimientos esenciales de uncapacitor son que él debe ser lo más puro posible y que su magnitud sea conocida con precisión. La rama de alta tensión puede consistir en una cadena de capacitores demás baja tensión o de un solo capacitor de alta tensión. Si bien el primer caso esmucho más barato, la cantidad de inductancia que se introduce es grande y, además,se hace necesario la utilización de una pantalla para eliminar las descargas debidas a

la corona. Con el objetivo de disminuir el tamaño de los capacitores de alta tensión seha generalizado el uso de gas comprimido en vez de aire en la construcción decapacitores patrones ya que el gradiente de potencial al cual pueden ser sometidos esmayor. En la Fig. 10 6.2 se muestra el esquema de un divisor capacitivo. Para la ramade baja tensión del divisor se utiliza generalmente un capacitor de mica de altacalidad, ya que los cambios de capacitancia y de factor de potencia de los capacitoresde mica con la variación de las condiciones ambientales son bien conocidos. Engeneral la rama de baja tensión de los divisores de potencial se encierra en unacubierta metálica para evitar el efecto del campo eléctrico externo.

Los divisores para medir altas tensiones transitorias pueden consistir de:

resistores, capacitores o de la combinación de ambos. Los requisitos esenciales sonque la forma de onda de la tensión a medir debe ser reproducida fielmente en elequipo registrador y que la relación de reducción sea conocida con precisión.

62



R 1

R 2

U

U2

Fig. 10.6.1.- Esquema de conexiones de un divisor resistivo.

21

22

R R

UR U

+

=

D e s c a r g a d o r

d e p r o t e c c i ó n

Los principales errores que se cometen en el uso de los divisores de potencialson en las mediciones de tensiones de impulso. La más general de todas las fuentes deerrores para cualquier uso de un divisor de potencial está en que la impedancia deentrada del equipo registrador sea comparable con la de la rama de baja tensión,situación esta que altera en forma considerable la relación del divisor; por eso siempreque se trabaja con divisores debe usarse un equipo registrador de muy alta impedancia

de entrada.

63



C1

C2

U

U2

Fig. 10.6.2.- Esquema de conexiones de un divisor ca pacitivo.

21

12

CC

UCU

+

=



Otra fuente de error que se puede cometer cuando se usan divisorescapacitivos en corriente alterna, es el denominado efecto de las cargas residuales delos capacitores. Debido a la presencia de las cargas residuales en las placas de loscapacitores C1 y C2 el instrumento no siempre lee la tensión ( )211 CCCU + . Cuandola fuente que alimenta al divisor se desconecta, los capacitores se quedan cargados, enuna magnitud que depende del valor de la onda de tensión en el momento en que se

realizó la desconexión. Entonces, si la carga de uno de los capacitores se disipa másrápidamente que en el otro, el registrador indicará, si se aplica tensión de nuevo aldivisor, una tensión directa proporcional a la diferencia de cargas entre C1 y C2 ysuperpuesta la tensión de alterna. La situación planteada anteriormente se puederesolver con una resistencia en paralelo con la rama de baja tensión, de un valor talque la carga residual pueda ser disipada antes que el voltímetro registre el valor máximo de la onda de alterna. La adición de esta resistencia altera la relación deldivisor de potencial que quedará como:

( )( )

+ω

−+

=2

211

21

2 CCR 2

11

C

CC

U

U

10.6.4

Para los valores de capacitancias usados en la práctica el error que introduceuna resistencia de 1 MΩ a 60 Hz es de dos o tres partes en 10 4, por lo quenormalmente se puede despreciar el efecto de la resistencia.

64



Además de las fuentes de errores mencionadas anteriormente otras fuentes de errores, principalmente en mediciones de impulso son:

• La inductancia residual de cualquier elemento capacitivo o resistivo.• Las capacitancias parásitas desde cualquier parte del divisor al terminal de alta

tensión, desde cualquier parte del divisor a tierra y entre diferentes partes del propio divisor.• Caída por impedancia en en el conductor entre el divisor y el objeto de prueba.• Caída por impedancia en la conexión de tierra del divisor debido a otras

corrientes de tierra que puedan fluir por éste.• Oscilaciones en el circuito del divisor producidas por la capacitancia del

terminal de alta tensión del divisor a tierra y la inductancia de los conductores.

El efecto de la inductancia residual se hace más pronunciado en el rango defracciones de microsegundos, cuando la tensión aplicada al objeto de prueba estáaumentando muy rápido y ocurre una falla, como es el caso de fallas en el frente deuna onda de impulso. En el caso de un divisor resistivo la corriente a través de él

aumentará en relación directa con el aumento de la tensión aplicada, mientras que la

inductancia residual genera una tensión

dt

diL que se superpone a la caída por

resistencia ( )R I . Si los elementos de la rama de alta tensión y la rama de baja tensión

tienen valores diferentes de

R

L, la división de tensión en el instante del

rompimiento será diferente de la que se obtendría por la relación de las resistencias.Los errores debido a las inductancias residuales son despreciables cuando el

rompimiento ocurre en la cola de la onda ya que la componente

dt

diL es pequeña.

Los divisores resistivos son en general aceptables para las mediciones de ondasde impulso de tensión de 1.2/50 µs. Ahora bien, cuando la duración del frente de laonda es menor que 1 µsw los divisores resistivos generalmente introducen erroresapreciables debido a las capacitancias parásitas. El comportamiento del divisor puedemejorarse utilizando un valor bajo para la resistencia de la rama de alta tensión ocompensando las capacitancias a tierra por medio de anillos de guarda colocados enel terminal de alta tensión para uniformar el campo a lo lago del resistor.

Cuando el divisor se construye con capacitores puros, éste funciona perfectamente lo mismo para transitorios lentos que rápidos y los errores debido a lascapacitancias parásitas, aunque presentes, son de mucho más fácil control. Siembargo, su uso, debido a su mayor costo, se ve limitado a los casos en que losdivisores resistivos no pueden usarse.

Las demás fuentes de errores son comunes a ambos tipos de resistores y se pueden eliminar usando barras de baja impedancia para las conexiones, usando el

65



sistema de puesta a tierra radial indicado en la Fig. 10.5.12. y tratando de eliminar todo tipo de elementos inductivos en las conexiones.

Otro error que se puede presentar en las mediciones con divisores es cuando no

se logra un acoplamiento adecuado entre la parte de baja del divisor y la impedancia aimpulso del cable de medición, lo que puede traer como consecuencia distorsiones enla forma de la onda registrada debido al fenómeno de reflexión de ondas que se presenta-

Par evitar la reflexión en los terminales del cable, éste debe terminar en uno desus extremos, o preferiblemente en los dos, en una resistencia igual a su impedanciacaracterística Z0. El cable de esta forma es compatible con el divisor resistivo al cualel se conecta tal como se indica en la Fig. 10.6.3.

R 1

R 2

U

U2

Fig. 10.6.3.- Esquema de conexiones de un divisor resistivo consu sistema de medición.

R 3

Z0

D

e s c a r g a d o r


El macheo de impedancias se logra cuando:

21

2130 R R

R R R Z

++=

10.6.5

Como 12 R R ⟨⟨ se tiene que:

230 R R Z +≈ 10.6.6

66



Ahora el terminal de baja tensión le queda en paralelo la combinación serie de R 3 y Z0

por lo que la relación del mismo queda como:

11

2R Z ZUU +=

10.6.7

Donde:( )

320

302

R R Z

R ZR Z

+++

=

10.6.8

De acuerdo con 10.6.6. se tiene que:

( )

0

202

Z2

R Z2R Z

−=

10.6.9Para divisores capacitivos la impedancia de entrada del cable R 3 es

seleccionada de un valor igual al de Z0 y no se pone ninguna resistencia en paralelo alfinal del cable, así debido al divisor de potencial formado por R 3 y Z0, la tensión quese inyecta inicialmente al cable es la mitad es decir:

( )21

1

1

2

CC2

C

U

U

+= 10.6.10

Como al final del cable lo que está es la impedancia del equipo registrador quees muy grande, el sistema en su conjunto queda como el de una línea terminada en uncircuito abierto en la cual la tensión se duplica, cumpliéndose así que la relación deldivisor queda como debía ser, es decir:

( )21

1

1

2

CC

C

U

U

+=

10.6.10

En algunas ocasiones se emplean divisores mixtos, los que no son más quecombinaciones serie paralelo de resistencias y capacitancias. Existen dos tipos básicos: los de disposición paralela y los de disposición serie. Los primeros se construyenconectando una serie de capacitores en paralelo con unidades resistivas,comportándose los mismos para transitorios lentos como divisores resistivos y como

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capacitivos para transitorios rápidos. Los de disposición serie se construyenconectando capacitores en serie con unidades resistivas y son recomendables en lasmediciones de tensiones de corriente alterna con ondas de impulso superpuestas;siendo la respuesta de estos divisores de potencial la de un divisor resistivo ante

impulsos rápidos.IMPEDANCIA CALIBRADA.

El esquema general de una impedancia calibrada es el que se muestra enFig. 10.6.4. Si se desprecia la impedancia del instrumento, el producto de la corriente por la resistencia serie dan el valor de la tensión que se desea medir. La precisión delas mediciones depende del diseño de la resistencia de alta tensión. La resistenciadebe tener un coeficiente térmico despreciable, debe estar libre de efecto corona y lacorriente de filtración a través de la estructura que la soporta debe ser despreciable.

En las mediciones de corriente directa no se presentan problemas serios, sin

embargo en las mediciones de tensiones de corriente alterna hay que hacer un análisisserio de las capacitancias parásitas, desde las diferentes partes de la resistencia atierra, pues las mismas pueden afectar considerablemente las mediciones.

Para mediciones de hasta 150 kV de corriente alterna y de corriente directa seobtienen buenos resultados empleándose un resistor de 250 MΩcompuesto por unacadena de 25 resistores de 10 MΩ, cada uno.

Este sistema debe estar siempre dotado de un juego de descargadores tal comose indica en la Fig. 10.6.4 para que en caso de que se abra el circuito de mediciónexista un camino a tierra.

68



Z

D

U

Fig. 10.6.4.- Esquema de conexiones de una impedancia calibrada.

G



69



CONCLUSIÓN

Las diferentes pruebas aplicadas a los distintos materiles de trasmison de nergia

eléctrica con las técnicas y equipos apropiados permitirán garantizar la confiabilidadde estos elementos a la hora su utilización.

Los equipos de pruebas son laboratorios que se diseñan con La finalidad detrabajar a frecuencias de operaciones normales de los elementos a probar, y de estemodo se hace una comparación que nos permitirá verificar el estado o condición del producto que se va a utilizar.

Las técnicas de aplicación de pruebas son circuitos que se establecen bajomodelos matemáticos y tabulaciones para considerar la seguridad del elemento enestudio.

Los circuitos y equipos de pruebas permitirán garantizar la distribución de la

energía eléctrica alterna o continua de una manera eficiente gracias a que estosmedios evalúan las condiciones del producto a utilizar ya sea trasformadores,conductores, protecciones, aisladores generadores entre otros; y a si se evitaran posibles fallas futuras, accidentes, cortos circuitos que a su vez producirían pérdidaseconómicas y insatisfacción en el consumidor.

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BIBLIOGRAFIAS

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Técnicas de alto voltaje.Ediciones EMPES, La Habana, 1984

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