Informe 1 Alta Tensión Final 1

7/23/2019 Informe 1 Alta Tensión Final 1

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Laboratorio I

ELI361-Laboratorio de Alta Tensión

Profesor: Jorge Ardila Rey

Diego Leyton Cruz201021018-9

Joaquín Pérez Tsukame

201023507-6

Sebastián Tobar Muñoz2923526-0

03 de Septiembre de 2014



Objetivos Operar de forma segura fuentes de HVDC.

Desarrollar aplicaciones asociadas a HVDC.

Evaluar los efectos de la polaridad en diferentes configuraciones de electrodos.

Identificar los diferentes mecanismos de ionización.

Desarrollo

2. Dibujo del rectificador utilizado en el laboratorio de alta tensión incluyendo la fuente

de alta tensión (FAT), para la generación de HVDC, explicando cada una de sus partes.

Principalmente, el circuito rectificador tendrá dos posibles disposiciones: Polaridad Positiva

y Polaridad Negativa.

Para los casos anteriormente descritos, se ilustran los circuitos rectificadores, según sea la

polaridad.

Figura 1. Circuito rectificador polaridad positiva. Se incluye el circuito de medición.

Figura 2. Circuito rectificador polaridad negativa. Se incluye el circuito de medición.



Para ambos casos:

i. V1 corresponde a la excitación del primario.

ii.

C1 condensador para medir la tensión en el secundario (sin rectificar). Valor de 100

[pF].

iii.

Rlim resistencia limitadora (de corriente). Valor de 10 [MΩ]. iv. D1 y D2 diodos para rectificar la tensión.

v.

RD1 y RD2 resistencia en serie de cada diodo (según corresponda). Valor de cada una

100 [kΩ].

vi. R resistencia de salida. Valor de 280 [MΩ].

vii. C2 condensador de salida (filtro). Valor de 25000 [pF].

3. Datos para los distintos niveles de tensión.

Se realizó ensayos al transformador (FAT) según se indica en la Figura 1 en el cual se excitócon distintos niveles de tensión en el primario y se registraron las variables más importantes

y útiles para el estudio.

VFAC [V] V2R [kV] V2T [kV] ICR [A] ICT [A] VCCR [kV] VCCT [kV]

20 10.66 9.10 0.50 0.41 11.87 15.39

40 19.43 18.2 0.90 0.83 21.83 30.77

110 51.12 50.5 2.30 2.29 58.30 80.61Tabla 1: Mediciones de variables eléctricas para determinados valores de excitación en el devanado

primario. Valores obtenidos con rectificación positiva.

4. Comparación y comentarios de los resultados teóricos y experimentales obtenidos en

el punto anterior. Indicando margen de error y su origen.

Según los datos obtenidos en la placa de la FAT, la relación de vueltas de los devanados es:

= 1454.54

=454.54

Al tener la relación de vueltas, y dado un nivel de tensión en el primario, la tensión en el

secundario, es de fácil determinación, según se indica en la razón de transformación.

Lo mismo ocurre con las corrientes, las cuales se pueden determinar en magnitud, al tenerla relación de la tensión y la impedancia. Si bien existe una impedancia con un ángulo

distinto de cero, de hecho menor a cero, este valor es insignificante por lo que se podría

asumir como valor resistivo y aproximando su valor a la resistencia limitadora.



Finalmente, con respecto al valor medio (o tensión de valor continuo), tal como se muestra

en la Figura 3, al conectar un condensador la señal de rectificación se ve modificada, dicha

modificación es directamente proporcional al condensador. Mientras mayor sea el valor del

condensador menor es la variación (menor Ripple) y el valor peak de la señal asemeja al

valor continuo.

Figura 3. Ejemplificación tensión de salida con filtro RC, donde VR es el valor rectificado.

La forma de calcular el valor continuo es la siguiente:

= √ 2 ∗ ∗ 2 ∗ ∗

1

Al contrastar con la imagen, se define:

= − 2 2

Donde VR es la tensión peak to peak de rizado.

COMPARACÓN TEÓRICA

Con los valores en la tabla 1 y con las mediciones los porcentajes de error son:

VFAT [V] V2 % IC % VCC %

20 -17.14 -21.95 22.87

40 -6.76 -8.43 29.06110 -1.23 -0.44 31.10

Tabla 2: Error en las mediciones de variables eléctricas.

Para el caso de la tensión media se encuentra el mayor porcentaje de error. Debido al

método de cálculo, el cual corresponde a una aproximación por rectas, las cuales se ilustran

en la Figura 3.



Además, con respecto al error de la corriente, se explica dado para el cálculo teórico se

realizan las siguientes aproximaciones:

i.

Se considera que no circula corriente por la resistencia que está en paralelo al

condensador de 25nF ya que su resistencia es muy elevada en comparación con la

impedancia total.ii. El valor de la resistencia limitadora es mucho mayor a suma en serie de las

resistencia de los “kit de diodos” (R1 y R2) inclusive la impedancia del condensador,

por lo que solo se consideró la resistencia limitadora.

A pesar de estas consideraciones los valores son concluyentes.

5. Gráfico del comportamiento de la ondulación (en DC) frente a la corriente de carga para

10 diferentes niveles de tensión en la FAT. Repetir el procedimiento para polaridad

negativa, explicando resultados.

Para poder graficar y estudiar el comportamiento de la ondulación (en DC) y comparar losefectos de la polaridad, se realizó 10 mediciones de cada una de las polaridades y se lleva

a cabo el estudio de la influencia de esta sobre las variables eléctricas de mayor importancia

para el estudio.

POLARIDAD POSITIVA

En el devanado primario, se excita con un nivel de tensión controlado, incrementando a un

paso de 5 [V], aproximadamente. Se registran los valores deseados y se modifica la

excitación primaria nuevamente, hasta lograr una cierta cantidad de datos.

Los valores registrados para esta configuración, figura 1, son los siguientes:

VP [V] VS [kV] IP [A] VCC [kV]

11 6,72 0,3 7,4415 8,36 0,4 9,3220 10,65 0,5 11,85

25 12,85 0,6 14,3630 15,11 0,7 16,92

34 16,91 0,8 18,9540 19,63 0,9 22,07

45 22,19 1,0 24,9051 24,50 1,1 27,5156 26,76 1,2 30,18

Tabla 3: Mediciones de variables eléctricas para distintos niveles de excitación en el devanado primario.

Polaridad positiva.



Gráfico 1. Dependencia de la corriente y el rizado de la tensión en el devanado secundario. Se apreciarelación lineal. Polaridad positiva.

Se observa una relación lineal entre la corriente y el rizado. Esto indica que la corriente

depende o es linealmente dependiente del nivel del Ripple.

Para todas las mediciones arrojan un error menor al 3%. Observándose que a menor nivel

de tensión en el secundario mayor es el error. Caso contrario a un nivel de tensión mayor

en el secundario.

POLARIDAD NEGATIVA

De manera análoga a la anterior se registran los valores para esta configuración de la figura

2:

VP [V] VS [kV] IP [A] VCC [kV]

10 6,13 0,3 -6,79

15 8,36 0,4 -9,3020 10,40 0,5 -11,60

25 12,83 0,6 -14,3631 15,51 0,7 -17,3435 17,36 0,8 -19,4541 20,02 0,9 -22,47

45 22,05 1,0 -24,7950 24,52 1,0 -27,5655 26,75 1,1 -30,14

Tabla 4: Mediciones de variables eléctricas para distintos niveles de excitación en el devanado primario.

Polaridad negativa.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

C o r r i e n t e [ m A ]

Rizado [kV]



Gráfico 2. Dependencia de la corriente y el rizado de la tensión en el devanado secundario. Se apreciarelación lineal. Polaridad negativa.

Se observa la misma relación lineal para el caso de polaridad positiva.

Para ambas configuraciones la relación es la misma, lineal. Además, los resultados no tienen

mayor diferencia y si existe, se puede explicar por la relación de vueltas elevada.

Para todas las mediciones, estas arrojan un error menor al 3%. Observándose que a menor

nivel de tensión en el secundario mayor es el error.

6. Visualizar y medir en el osciloscopio la ondulación para una carga resistiva específica y

comparar este valor con el obtenido en el apartado anterior.

Mediante un divisor de tensión resistivo, se mide la tensión y a través de las herramientas

que tiene el osciloscopio se determina el Ripple.

El arreglo resistivo es de 100 resistencias de 100 [Ω] cada una, sumando así 10 [Ω] en

total. La medición corresponde a una de estas resistencias, por lo que es necesario saber

interpretar el resultado y si es necesario escalarlo para obtener para todo el arreglo

resistivo.

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0

C o r r i e n t e [ m A ]

Rizado [kV]



Figura 4. Tensión del divisor de tensión en carga resistiva.

De acuerdo a la imagen y a las herramientas del osciloscopio, se obtiene que el ripple es de

48,13 [].

Como se explicó antes, la ecuación que rige la aproximación de la tensión de rizado, puede

ser expresado como:

∆ = ∆ = ̂2 ∗ ∗ ∗

La resistencia equivalente corresponde al paralelo de la resistencia de 280 [MΩ] y 10 [MΩ].

La frecuencia es la de la red (50 [Hz]) el condensador es el utilizado previamente.

Los valores obtenidos en el laboratorio son los siguientes:

i.

V -1,33 [kV]

De esta forma, se tiene un valor teórico de tensión de rizado 48,6 [V]. Obteniéndose, un

error de un 0,96 %. Un error bastante menor, por lo anterior se concluye que los modelos

son equivalentes y válidos.



7. Evaluar el efecto de la polaridad en la configuración punta-plano y la configuración

esfera-esfera, para cada distancia (10, 20 y 30 mm). Tensión de inicio de actividad audible

y/o sonora (Vi). Tensión de ruptura (Vr).

Los datos registrados con el espinterómetro para evaluar el efecto de la polaridad son:

ConfiguraciónVi [kV]

(10mm)

Vi [kV]

(20mm)

Vi [kV]

(30mm)

Punta -Plano(+)

-16,9+16,5+16

3 =16,46 20,3+18,4+19,1

3 =19,26

Punta –Plano(-)

-18,6+18,7+18,7

3 =18,66 21,7+21+21,6

3 =21,4

Esfera-Esfera(+)

- - -

Esfera-Esfera(+)

- - -

Tabla 5. Registro de la tensión de inicio de actividad sonora (Vi) para las distintas configuraciones y distanciasutilizadas en el laboratorio.

Configuración Vr [KV] (10mm) Vr [KV] (20mm) Vr [KV] (30mm)

Punta -Plano(+)

12,2+13,1+13,53 =12,93

17+17,1+183 =17,36

24,9+24,6+25,93 =25,13

Punta –Plano(-)

17,85+17,75+17,43 =17,66

34,7+34,85+31,83 =33,78

44,2+49,2+50,23 =47,86

Esfera-Esfera(+)

31+31,24+30,23 =30,81

4 2 + 3 2 + 5 43 =42,66

63,2+62,6+61,93 =62,56

Esfera-Esfera

(+)

31,08+31,61+31,353 =31,34

5 0 + 3 5 + 5 43 =46,33

65,7+59,7+55,43 =60,26

Tabla 6. Registro de la tensión de ruptura (Vr) para las distintas configuraciones y distancias del laboratorio.

A) Calcular teóricamente Vr para cada configuración.

Para calcular la tensión de ruptura del aire, se tiene que tener en cuenta la configuración

geométrica de los electrodos el cual tendrá un factor de campo o eficiencia según

corresponda.

= = 3

Para el caso de electrodos esféricos y uno de ellos aterrizados, el factor de campo se

calcula de la siguiente manera:

= 0,943 + 0,458 +0,121 (

)

4

Donde : y :



El valor del coeficiente de campo y la tensión de ruptura para cada caso son:

Distancia Factor de campo Tensión de ruptura

10 [mm] 1,03944 28,86169 [kV]

20 [mm] 1,14556 52,37613 [kV]

30 [mm] 1,26136 71,35155 [kV]Tabla 7. Factores de campo y tensión de ruptura para distintos gap esféricos.

Para el caso de electrodos punta-plano, se ocupa un método gráfico para obtener la

eficiencia del campo. En las curvas de simetría rotacional, donde el ángulo = 9 0 °.

= 1 + c o t 2 5

Distancia Eficiencia Tensión de ruptura

10 [mm] 0,62 18,6 [kV]20 [mm] 0,62 37,2 [kV]

30 [mm] 0,62 55,8 [kV]Tabla 8. Factores de campo y tensión de ruptura para distintas separaciones punta plano.

B) De acuerdo a la separación de los electrodos, ¿Qué mecanismo de ionización se

ajusta a cada configuración? (Townsend o streamer).

Para responder esta pregunta primero se debe tener muy claro en qué consisten cada

uno de los mecanismos de ionización mencionados.

La ruptura Townsend explica una relación entre la corriente que atraviese los dos

electrodos y la tensión aplicada, dentro de este proceso se distinguen varias etapas, de

las que la ruptura Townsend explica una en que los procesos de ionización de las

moléculas e gas e producen por colisiones de electrones que adquieren la energía

suficiente para ionizar a nuevas partículas neutras. La ionización de Townsend depende

de la densidad, presión del aire y también de la energía que es capaz de ganar un

electrón en las colisiones con los átomos de gas. Este proceso de ionización provoca una

descarga oscura, es decir, no provoca ninguna emisión de radiación lumínica y se dan

corrientes muy débiles (100nA).

La ruptura por Streamers toma en cuenta el efecto producido por el campo eléctrico

creado por los portadores de carga en el transcurso en que se produce la avalancha,

este mecanismo de ruptura es muy importante en las descargas parciales,

principalmente las producidas por campos no uniformes y requiere una concentraciónde electrones suficiente para que se cree un canal de descarga, este proceso de ruptura

es demasiado rápido como para ser explicado por repetitivas avalanchas de electrones

a través de emisiones secundarias del cátodo, es por eso que la teoría de Townsend no

puede explicar este fenómeno. Además este tipo de ruptura comprende procesos de

fotoemisión.



A modo de resumen se anexa un gráfico en los que se identifican los distintos

mecanismos de ruptura y sus características generales:

Figura 5. Curva de ruptura con distintos mecanismos.

Dada la información anterior y lo experimentado en el laboratorio el mecanismo de

ruptura que más se ajusta a las condiciones de los ensayos es el de streamer en ambas

configuraciones ya que es un mecanismo rápido de ruptura que se puede percibir de

forma visual y que está presente en campos no homogéneos como con los que se

trabajó en el laboratorio.

C)

Explicar si la ley de Paschen se podría aplicar o no a estas configuraciones.

La ley de Paschen establece la siguiente relación para la tensión de ruptura de un gas:

= ln + 6

Donde:

, : . : ó. : .

Es decir que si el producto presión por distancia permanece constante la tensión de

ruptura siempre debe ser la misma. La relación que estableció Paschen se ha verificado

experimentalmente y funciona bien salvo para productos presión por distancia muy

pequeña donde se sitúa el mínimo de Paschen en distancias cercanas a un micrómetro

y presión atmosférica.



Las condiciones bajo las cuales se realizaron los ensayos (distancia mínima de 1[cm] en

la separación entre electrodos y presión atmosférica) hacen posible que la ley de

Paschen sea aplicable para nuestro caso de estudio.

D)

Explicar si hay variaciones en Vi y Vr cuando se cambia la polaridad en las

configuraciones, si hay variaciones en los niveles de tensión explicar por qué.

Debido principalmente a la ionización que produce cada tipo de polarización, en el caso

positivo durante el inicio de la ionización las cargas negativas cerca del ánodo son

absorbidas por el mismo, de esta manera se crea una homogenización de carga en el

aislante con lo cual si se sigue aumentado la solicitación “extiende” el electrodo, es

decir, la distancia efectiva entre electrodos disminuye con lo cual se requiere una menor

tensión para alcanzar la ruptura del dieléctrico.

Ahora bien para la polaridad negativa existen dos campos presentes, el campo eléctrico

propio de la solicitación y otro de las cargas presentes en el espacio entre electrodos,

formando un espacio de carga negativa alrededor del electrodo de punta con lo cual lacurvatura efectiva de este cambia volviéndose más uniforme y por lo tanto se requerirá

una tensión cercana a la de un campo homogéneo para la ruptura del aislante.

Figura 6. Polarización positiva, nótese que al final la distancia efectiva entre electrodos disminuye.

Figura 7: Polarización negativa, destaca la carga negativa que ayuda a la homogenización del campo.



E)

Graficar la tensión media de ruptura versus la distancia de separación, para las dos

configuraciones.

Para los electrodos esféricos:

Gráfico 3: Tensión media de ruptura en función de la distancia de separación de los electrodos,para el caso esfera-esfera. Línea continua corresponde a polaridad positiva y línea punteada

corresponde a polaridad positiva.

En el caso de la configuración punta-plano

Gráfico 4: Tensión media de ruptura en función de la distancia de separación de los electrodos,para el caso punta-plano. Línea continua corresponde a polaridad positiva y línea punteada corresponde

a polaridad positiva.

Como se observa para una configuración de esfera-esfera el efecto de polaridad no es

considerable, ya que ambas tensiones poseen valores similares para la misma distancia,

en cambio la configuración punta-plano deja claramente demostrado que la polaridad

positiva posee una menor tensión de ruptura en comparación a la negativa.

0

10

20

30

40

50

60

70

10 15 20 25 30

T e n s i ó n m e d i a d e r u p t u r a [ k V

]

Distancia [mm]

0

10

20

30

40

50

60

10 15 20 25 30

T e n s i ó n m e d i a d e r u p t u r a [ k V ]

Distancia [mm]



8. Para una distancia de 1[cm] en las dos configuraciones anteriores, obtener V r para CA.

Contrastar estos valores con los obtenidos para CC. Explicar los resultados.

Configuración Vr [kV] en CC Vr [kV] en CA Punta-Plano 12,93 16,25

Esfera-Esfera 30,81 31,28Tabla 9. Registro comparativo de la tensión de ruptura bajo corriente continua y alterna para dosconfiguraciones distintas.

A) Explicar los resultados para cada configuración.

Como se ve para la misma configuración de electrodos las tensiones de ruptura no

presentan una diferencia significativa, la cual tampoco es suficiente para determinarse

dada la baja cantidad de datos tomados.

Ya que estos electrodos se encuentran a una distancia pequeña, no debería haber gran

distinción entre DC o AC dada la cuasi-homogeneidad del campo aplicado. Las

variaciones en los valores de la tensión se puede deber a las condiciones en que serealizó el laboratorio pues hay que recordar que los datos de CC se realizaron un día

distinto a los de CA y el clima también lo era por lo que había distinta humedad y

temperatura.



REFERENCIAS

Técnicas de Alta Tensión, Teoría y aplicaciones. Juan Luis Dinamarca, UTFSM.2010

Electrical Insulation in Power Systems. N. H. Malik, A. A. Al-Arainy, M. I. Qureshi.

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