PRACTICA 3 EL GENERADOR DE MARX

Instituto Politécnico Nacional. ESIME Zacatenco. Rivero Ortega. Practica 3.

Resumen—En esta práctica de laboratorio utilizamos el generador de Marx y usamos el voltmetro de esferas y el voltmetro de puntas cuadradas para realizar la medición de altas tensiones que por lo regular se presentan en las descargas atmosféricas. Con las mediciones obtenidas realizamos los cálculos y el análisis de resultados con respecto a las tablas con los datos normalizados para la realización de estas pruebas con estos equipos.

I.OBJETIVO.Al término el alumno:-Conocerá el funcionamiento del generador de Marx. -Conocerá los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de Marx.

II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Los disturbios en los sistemas eléctricos son

provocados la mayoría de las veces por dos tipos de sobretensiones transitorias, de la cual, las amplitudes pueden exceder el valor pico de las tensiones de CA. El primer tipo son las sobretensiones por descargas atmosféricas que se inducen en las líneas aéreas, en los buses-barras de las subestaciones etc. Su amplitud es muy alta (alrededor de 1000 kV) y puede inyectar corrientes alrededor de 100 kA. Cada descarga aducida es seguida de una onda viajera, cuya amplitud se limita por el esfuerzo máximo de aislamiento de las líneas aéreas, así como del equipo de protección (apartarrayos).

El segundo tipo lo provocan los fenómenos de interrupción. Su amplitud se relaciona con la tensión de operación y la forma dependerá de la

impedancia del sistema, así como también de las condiciones de la interrupción. El valor de la tensión es usualmente menor, pero se sabe que la forma de onda puede incluso ser muy peligroso a diferentes sistemas de aislamiento.

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

PRACTICA 3. EL GENERADOR DE MARXRivero Ortega Mauricio Adolfo.

[email protected] Politécnico Nacional. ESIME Zacatenco.

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En la figura 3.2. Se tiene una señal de impulso por maniobra o swicheo. Su estandarización 250/2500 (250 μs de tiempo al valor pico y 2500 μs de tiempo al valor medio) y sus tolerancias son de valor pico de ±3%, tiempo al pico de ±20% y tiempo al valor de ±60%.

Generador de Marx de una etapa y el multietapas.

El generador más utilizado se compone de n

etapas similares a la descripta que se cargan en

paralelo y se descargan en serie, según la

conexión propuesta por Marx. Con él pueden

obtenerse impulsos con crestas de 3600 kV y aún

mayores.

La fig. 26 muestra el circuito de este generador,

pudiéndose observar que cada una de las etapas

(n-3 en este caso) está constituida por un capacitor

C1, en la práctica separado del siguiente por un

aislador de porcelana u otros aislantes, una

resistencia de carga Rc un resistor de frente R1 y

otro de cola R2, que se utilizan también durante la

carga y un explosor de esferas E.

La distancia entre esferas de las diversas etapas se

regula simultáneamente por la general mediante

un servomotor que acciona un eje roscado, el cual

desplaza los soportes de las mismas; y el conjunto

se alimenta con una fuente de AT continua,

regulable desde el primario del transformador

elevador con uno de los medios indicados

oportunamente, a través de un resistor R de

algunas decenas de kW.

El funcionamiento de tal disposición es el

siguiente:

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Fase de carga

Como en ella no interesan los explosores, el

circuito puede reducirse al de la fig. 27, donde se

aprecia claramente que los capacitores se cargan

en paralelo a través de las resistencias

mencionadas, y adquieren, en consecuencia una

tensión final aproximadamente igual a la de la

fuente de continua; es decir, √2 veces la tensión

eficaz secundaria.

Obsérvese que el rectificador ha sido dispuesto en

este caso para producir un impulso de polaridad

negativa.

Fase de descarga

Debido a que los resistores de carga Rc son

mucho mayores que los de cola R2 (20 o más

veces), el circuito admite la simplificación que

muestra la fig. 28, donde se ve que el arco en los

explosores conecta los capacitores en serie, por

tanto, en el terminal de AT se obtiene una tensión

n veces mayor que la de una etapa.

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Evidentemente, la capacitancia total del generador

durante esta fase es igual a la de los n capacitores

en serie, o sea C1/n, y sus resistencias de frente y

de cola totales, las que ofrecen cada uno de

esos n resistores en serie, es decir n.R1 y n.R2

respectivamente.

Por eso los valores a asignar a dichas resistencias

se calculan como si se tratase del generador de

una sola etapa mostrado en la fig. 29,

subdividiéndolas después en n partes iguales para

obtener las necesarias en cada etapa.

Indicaremos, ahora algunas particularidades más

sobre el funcionamiento de este generador y sobre

el registro del impulso que produce.

Generalmente la distancia entre las esferas de la

primera etapa se hace algo menor que en las

siguientes, a efectos que la descarga se inicie entre

ellas y pueda utilizarse como señal de gatillado de

la base de tiempos del oscilógrafo. Por

consiguiente, el primer explosor asume el rol de

guía de los demás.

Para que la descarga se produzca en el momento

que se estima oportuno, se utilizan los siguientes

recursos.

1) Se carga el generador hasta la tensión prefijada

por la cresta del impulso deseado y el rendimiento

de la conexión, manteniendo los explosores a una

distancia superior a la disrruptiva que corresponde

a la misma, y después, actuando sobre el

servomotor, se disminuye esa distancia hasta

obtener la descarga.

2) Se fija la distancia entre las esferas de la

primera etapa en correspondencia con la

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determinada por la cresta deseada y el rendimiento

del generador, y luego se aumenta muy

lentamente la tensión de carga hasta lograr la

descarga.

3) Se procede inicialmente como en 1),

provocando después la descarga de la primera

etapa -a la cual siguen inmediatamente las de las

otras- con un sistema auxiliar externo.

En cuanto al registro del impulso, la particularidad

más importante a mencionar es la conveniencia de

hacerlo llegar a las placas de desviación verticales

del oscilógrafo con cierto retraso respecto a la

señal de gatillado de la base de tiempos, para

asegurar la impresión completa del mismo.

El método más simple y usado a este fin, consiste

en provocar el gatillado captando la perturbación

electromagnética que origina la desconexión de la

primera etapa con una pequeña antena colocada

cerca de ella y unida a la base de tiempo por una

conexión muy corta, y en transmitir el impulso

desde el divisor de tensión hasta las placas

verticales a través de una línea de retardo.

Dicha línea consiste simplemente en un cable

coaxial de impedancia característica conocida y

bajas perdidas, pero de notable longitud. En

efecto, para el coaxial de 75 W generalmente

usado, la velocidad de propagación de la onda es

de ≈ 150 m/μseg., y un retardo de 1 μseg

considerado más que suficiente, requiere 150 m

del mismo.

Este método es blanco de críticas a causa de la

atenuación y distorsión del impulso que ocasionan

las pérdidas del cable (la cresta se reduce y la

duración del frente se alarga); sin embargo, para

ondas normales 1/50, dichos fenómenos pueden

despreciarse. Son en cambio determinantes para

ondas con frentes de duración inferior al μseg. y

cortadas, razón por la cual se emplean para ellas

otros método más elaborados

Para terminar, enumeraremos los parámetros

característicos de un generador de impulsos. ellos

son:

N° de etapas, generalmente par y múltiplo de 4.

Tensión de carga, normalmente 75 a 200 kV.

Energía por impulso, igual a 1/2Cequiv.U2 de carga max. y del orden de algunos kJ hasta algunos centenares de kJ.

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III. DESARROLLO

El profesor explicó el funcionamiento, controles y tipos de prueba que se realizan con el generador de Marx que se encuentra en el laboratorio.

Nos indicó la forma de conectar los elementos del generador para realizar la prueba. Así como la distancia a la que se tienen que fijar las esferas y las puntas cuadradas.

Se cambiaron la posición de los elementos para determinar la polaridad de la descarga.

Los alumnos conectamos e hicimos las modificaciones en el circuito para realizar las pruebas.

Tomamos notas de las mediciones realizadas y realizamos los cálculos necesarios para obtener el resultado final de la prueba.

PANEL DE CONTROL

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POLARIDAD NEGATIVA

POLARIDAD POSITIVA

MULTIMETRO DE ESFERAS

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MULTIMETRO DE PUNTAS CUADRADAS

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS

PRUEBA CON VOLTMETRO DE ESFERAS

TENSION: 28 KV TEMPERATURA: 20°CDISTANCIA DE ESFERAS: 5 cm

MEDICIONES

PRUEBA TENSIÓN (KV) ARQUEÓ

1 14 NO

2 13 SI

3 14 SI

4 13 NO

5 14 NO

6 15 SI

7 14 NO

8 15 SI

9 14 SI

10 13 NO

11 14 SI

12 13 NO

13 14 NO

PROMEDIO X 8(CAPACITORES) (v) 110,769

PRUEBA CON VOLTMETRO DE PUNTAS CUADRADAS

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TENSION: 18 KV TEMPERATURA: 20°C DISTANCIA DE PUNTAS: 20 cm

MEDICIONES

PRUEBA TENSIÓN (KV) ARQUEÓ

1 18 NO

2 19 SI

3 18 SI

4 19 NO

5 18 NO

6 17 SI

7 18 NO

8 17 SI

9 18 SI

10 19 NO

11 18 SI

12 17 NO

PROMEDIO X 8(CAPACITORES) (v) 144,000

ANALISIS DE RESUSLTADOS VOLTMETRO DE ESFERAS

TABLAS (KV) MEDICIONES (KV) % ERROR

TENSION 115 110.769 3.68

El análisis del voltmetro de esferas de los resultados obtenidos en el laboratorio y las tablas de los parámetros establecidos nos arroja resultados muy similares, en ellos podemos observar que él % de error es muy reducido. Las tensiones obtenidas en el laboratorio resultaron de menor dimensión en comparación a las establecidas. Obtuvimos un 3.68% por debajo de la cantidad establecida en la tabla.

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ANALISIS DE RESUSLTADOS VOLTMETRO DE PUNTAS CUADRADAS TABLAS (KV) MEDICIONES (KV) % ERROR

TENSION 154 144 6.49

En el análisis del voltmetro de puntas cuadradas observamos que él % de error es mayor que en el voltmetro de esferas. Ya se encuentra en un rango que tenemos que considerar debido a que se puede variar con cierto grado de importancia. Obtuvimos un 6.49% de error que debemos considerar debido a que nos representa una diferencia que hablando en kilo volts resulta de gran cantidad.

V. CUESTIONARIO

1) Describa el método de “up and down” para el cálculo de la tensión critica de flameo experimentalmente.

El U50 es el valor de la tensión con el 50% de probabilidad de originar una ruptura. El método de arriba abajo para determinar el U50 consiste básicamente en aplicar un valor estimado de tensión Uk (valor requerido para producir la ruptura), y un incremento ΔUk. Se aplica un impulso con valor pico Uk a la muestra. Si no ocurre la ruptura el próximo valor pico es Uk- ΔUk. Si ocurre la ruptura el pico será Uk+ΔUk. Este proceso continua y el valor pico de cada prueba depende del resultado del disparo previo.

2) Explique por qué formas de onda estandarizadas para los impulsos de rayo y de maniobra y si dichas formas de onda garantizan un valor de ruptura mínimo de aislador.

Estas ondas se presentan de forma en que tienen una subida súbita de tensión de forma que en poco tiempo la onda presenta una subida y la bajada de tensión se presenta de forma en que se emplea más tiempo formando la curva característica de las descargas atmosféricas.

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

Se usan para simular los efectos de un rayo sobre equipo eléctrico y de aviación. Se utiliza para probar líneas de transmisión eléctrica. Estas pruebas se realizan con el fin de simular la descarga que produce un rayo y con ello comprobar la resistencia eléctrica y mecánica de los elementos que se encuentran expuestos a recibir algún tipo de descarga atmosférica.

VI. CONCLUSIONES

La utilización de generador de Marx es de mucha importancia en las pruebas de los equipos para evitar poner en operación equipo en zonas donde esté expuesto a descargas atmosféricas y que en caso de no resistir esa descarga de gran magnitud provoque daños en los equipos o peor aún accidentes que cuesten vidas humana. Aunado a las pérdidas económicas que puede ocasionar estas fallas. Para la realización de estas pruebas se observó que con el voltmetro de esferas los resultados fueron más cercanos a los de las tablas normalizadas que en el caso del voltmetro de puntas cuadradas. El % de error es menor en el voltmetro de esferas en comparación al voltmetro de puntas cuadradas.

VII. BIBLIOGRAFIA

http://www.textoscientificos.com/fisica/alta-tension/generador-varias-etapas

http://lapem.cfe.gob.mx/normas/nrf/pdfs/o/NRF-018.pdf

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