Laboratorio de tecnicas de alta tensión

8/18/2019 Laboratorio de tecnicas de alta tensión

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UNIVERSIDAD TÉCNICA

FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE

INGENIERÍA ELÉCTRICA

Experiencia N◦1

Laboratorio de Alta Tensión A

Autores - Grupo B

Macarena Tamayo - Operario de Seguridad

Alejandro Godoy - Secretario

Agust́ın Montero - Jefe de Grupo

Profesor

Javier Ŕıos

29 de marzo de 2016 Valparaı́so, Chile


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Índice

1. Introducción 3

2. Desarrollo 42.1. Circuito de Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Condiciones Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3. Instrumentos Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5. Mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.5.1. Mediciones Espinterómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5.2. Ensayo de ruptura con orientación vertical sin Lámpara UV . . . . . . . . . . . . . 52.5.3. Ensayo de ruptura con orientación vertical con Lámpara UV . . . . . . . . . . . . 62.5.4. Contrastación Divisor Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.6. Análisis Mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6.1. Cumplimiento de la norma desde el punto de vista geométrico y eléctrico. Compor-

tamiento espinterómetro de barras y comparación entre ellos . . . . . . . . . . . . 8

2.6.2. Análisis a 3000 msnm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6.3. Contrastación con el divisor de tensión externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6.4. Comparacíon con los datos teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Conclusiones 9

4. Anexos 104.1. Parte Previa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.1.1. Resumen Breve Norma IEC60052 y 60 e IEEE4 para aplicaciones en alta tensiónalterna. Indicar las fórmulas de corrección ambiental y las diferencias entre lasnormativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.1.2. Resumir los puntos geométricos y eléctricos para catalogar un espinterómetro comode “Norma” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.1.3. Calcular (teóricamente) tensiones de ruptura para configuraciones de espinteróme-tros esféricos, según los casos que se trabajaran en laboratorio, para después sercomparados con lo experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1.4. Explicar el efecto de la lámpara UV, según Norma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.1.5. Explicar el efecto de la altura geográfica con la tensión de ruptura e indicar el factor

de corrección de para 3.000msnm Norma IEEE C57.19-2004 . . . . . . . . . . . . . 17

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Laboratorio de Alta Tensión

Experiencia N◦

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Índice de figuras

1. Circuito Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42. Factores m y w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113. Factores k(H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124. Factores k, w, m y n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135. Factores w, m y n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136. Puntos Geométricos - Horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147. Puntos Geométricos - Vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148. Configuracíon de electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159. Factor de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1510. Factor de curvatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1611. Tabla normalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612. Factores Corrección Altura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Índice de cuadros

1. Datos Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42. Medidas Geométricas de los Espinterómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. Mediciones Espirómetro Esferas sin Lámpara UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. Mediciones Espirómetro Esferas con Lámpara UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65. Mediciones Espirómetro de Barra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66. Mediciones Contrastación Divisor Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. Parámetros de los 4 casos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Informe N

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Experiencia N◦

1 Introducción

1. Introducción

La experiencia se enfoca en la medición de ruptura en un par de espinterómetros. Dichas medicionesestán sujetas a diferentes condiciones que se deben satisfacer para que cumplan con las normas exis-tentes referentes a la medición ATCA. En ambos espinterómetros se usarán 2 distancias de separaciónentre esferas, la primera dada por norma y la segunda con el fin de cumplir con una tensi ón de ruptura

menor a 90[kV] para salvaguardar los instrumentos de medición respectivos. Por norma para cada espin-terómetro existen medidas geométricas especı́ficas, lo que es necesario corroborar para satisfacer la norma.

Para cumplir con la norma es necesario realizar correcciones dado que no trabajaremos en condicionesnormales. Para ello usaremos factores de corrección ambientales, en los que destacan el de densidad deaire y humedad. Además corroboraremos el efecto producido por los rayos UV en la medición.

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1 Desarrollo

2. Desarrollo

2.1. Circuito de Medición

Figura 1: Circuito Eléctrico

2.2. Condiciones Ambientales

Iniciales Finales Promedio

Hora[horas] 14:10[horas] 16:59[horas] -Temperatura[◦C ] 22[◦C ] 24[◦C ] 23[◦C ]

Presión[mmHg] 754[mmHg] 754[mmHg] 754[mmHg]

Humedad Relativa[ %] 87 [ %] 81[ %] 84[ %]

Cuadro 1: Datos Ambientales

2.3. Instrumentos Utilizados

· Laboratorio MTS para corriente alterna

· Divisor Capacitivo 500[pF], 100[kV]

· Espinterómetro: esférico 10[cm] vertical, 25[cm] vertical y barras

· Lámpara UV

· Pie de metro

· Compás

· Divisor de tensión Hipotronics

2.4. Seguridad

− Previamente, cercionarse que las conexiones del armado sean las correctas

− Verificación que todos los circuitos estén a puntos a tierra

− Uso de reja de seguridad para bloquear el acceso a zona de ensayo

− Verificar que los variac estén a tensión 0[V]

− Pértiga para descargar circuitos que pudieran quedar energizados

− Uso de vestimenta y calzado adecuados, como los especificados en el compromiso de seguridad

− Conocer los botones, teléfonos de emergencia y extintores de fuego

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1 Desarrollo

2.5. Mediciones

2.5.1. Mediciones Espinterómetros

D[cm] S[cm] A[cm] B[cm] Diámetrovástago[cm]

Cumple Norma[Si/No]

EspinterómetroEsférico 1

9.8 1 y 4 29 23 1.19 No

EspinterómetroEsférico 2

25 1 48 57 1.2 No

Cuadro 2: Medidas Geométricas de los Espinter´ ometros

Donde

− D: diámetro de los espinterómetros [cm]

− S: separación mı́nima del espinterómetro[cm]

− B: distancia mı́nima a un objeto metálico [cm]

− A: distancia del sparking-point a tierra[cm]

2.5.2. Ensayo de ruptura con orientacíon vertical sin Lámpara UV

Mediciones D=10[cm] S=1[cm][kV rms]

D=10[cm] S=4[cm][kV rms]

1 21 72

2 21 72

3 21 734 20 70

5 21 74

6 21 72

7 21 72

8 21 74

9 20 74

10 21 74

V̂ [kV rms] 20,8 72,7

σ 0.4216 1,3374

error % 7.2061 -

Cuadro 3: Mediciones Espir´ ometro Esferas sin Lámpara UV

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1 Desarrollo

2.5.3. Ensayo de ruptura con orientacíon vertical con Lámpara UV

Mediciones D=10[cm] S=1[cm][kV rms]



1 20 73 19

2 19 74 203 20 74 20

4 21 74 19

5 20 74 20

6 21 74 20

7 21 74 19

8 20 74 20

9 20,5 74 20

10 22 74 20

V̂ [kV rms] 20,45 73,9 19,7

σ 0.8316 0.316 0.4830

error % 8,7676 - 12,11

Cuadro 4: Mediciones Espir´ ometro Esferas con Lámpara UV

Para configuración de barras

Mediciones Con UV S=1[cm][kV rms]

1 12

2 12

3 11

4 115 12

6 11

7 12

8 11

9 12

10 11

V̂ [kV rms] 11,5

σ 0.5270

Cuadro 5: Mediciones Espir´ ometro de Barra

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1 Desarrollo

2.5.4. Contrastación Divisor Capacitivo

La configuración elegida para la contrastación es espinterómtro esférico vertical D=25[cm] S=1[cm]

Mediciones V D [kV rms]

1 21,6

2 21,63 21,6

4 21,6

5 21,6

6 22

7 21,6

8 21,6

9 21,6

10 22

V̂ [kV rms] 21,6

σ 0.2666

Cuadro 6: Mediciones Contrastaci´ on Divisor Capacitivo

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1 Desarrollo

2.6. Análisis Mediciones

2.6.1. Cumplimiento de la norma desde el punto de vista geométrico y eléctrico. Compor-tamiento espinterómetro de barras y comparación entre ellos

Las medidas geométricas de los espinterómetros están cercanas a las normadas, teniendo errores bajoel 3 % para las medidas de D, S y B, por tanto en dichos parámetros normados no existe problema. Porotro lado, el único valor que saca a los espinterómetros de norma es el A, ya que se tiene una distanciamenor a 8 veces D para un D=10[cm] y menor a 7 veces D para D=25[cm].

2.6.2. Análisis a 3000 msnm

Al hacer pruebas en condiciones extremas, vemos resultados muy diferentes a lo esperado, en el casode pruebas en lugares altos, sobre el kilómetro sobre el nivel del mar, hay mucha diferencia en las tensionesde ruptura. Esto se debe principalmente a los cambios de composicion del aire, los átomos y moléculasmás pesados quedan bajo los 1000 metros dejando falta de ox́ıgeno el cual es un aislante. El efecto es labaja de la capacidad de aislante del aire, lo cual hace que baje la tensi ón de ruptura.En la norma IEC C57.19-2004 especifica como se calculan los datos y como afecta la altura en las me-

diciones. También presentan una tabla de la cual se obtiene que a 3000 msnm hay un factor de valor de 0,8.

2.6.3. Contrastación con el divisor de tensión externo

Al contrastar los dos divisores capacitivos, de las mediciones realizadas se observa que en el divisorHipotronics, el instrumento de medición asociado, al ser la escala de menor rango (hasta 40 [kV]) laresolución es mayor 0.4[kV]). Por otro lado, con el equipo MTS, el rango de la escala es hasta 100[kV] yla resolución es de 2 [kV] por lo que las mediciones eran con menor exactitud.Al ser ambos instrumentos análogos, y con las diferencias de escalas nombradas, al comparar las desvia-ciones estándar, en el Hipotronic se observa que es menor, puesto que entrega valores con mayor precisi óny con hasta 1 cifra decimal, aumentando el número de cifras significativas en la medición, por lo que hace

que las mediciones en este instrumento sean más confiables en comparación al divisor de tensión externo

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1 Conclusiones

2.6.4. Comparación con los datos teóricos

Al comparar los valores del laboratorio con los reales, vemos peque ñas diferencias a lo esperado, porejemplo, la tensión es más alta en el espinterometro de 10 [cm]. Todo esto se debe a factores que duranteel laboratorio, no podemos controlar, como el cambio de temperatura y humedad, que incluso se puededever a las mismas descargas y a la presencia de operarios.

Los errores (≈ 8.5 %) en comparación a la norma se deben a diversos factores, como la pérdida deforma de los espinterómetros o no cumplir perfectamente con la norma. Se puede concluir además quegeométricamente no se cumple con la norma, sin embargo desde el punto de vista eléctrico si se cumple lanorma ya que se tienen errores cercanos al 8 % respecto a la tensión de ruptura. En definitiva si bien nose cumple fı́sicamente con todo lo requerido es posible de igual manera conseguir las tensiones de rupturadeseadas por normativa.

3. Conclusiones

Un punto importante es la presencia de luz ultra-violeta en la medici ón. Tras analizar y comparar losdatos extráıdos de la experiencia se concluye que la presencia de rayos UV tiene mayor incidencia para

una distancia mayor de separación entre esferas comparado con el de distancia menor de separación. Laincidencia se ve reflejada en el resultado de desviación estándar. Lo anterior es esperable en vista de que amenor distancia el campo tiende a ser más homogéneo que al tener una mayor distancia de separación yaque las ĺıneas de campo para este último caso se dispersan más. En el caso de mayor separación pasamosde tener una dispersión cercana a 1.9 a una 0.3 solo con exponer las mediciones a luz UV, el efecto no estan apreciable para el caso de poca separación.

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1 Anexos

Evidentemente al existir diferencias respecto a las condiciones normales es necesario corregir. Lo primeroes plantear la relación clásica de la tensión de laboratorio y la tensión normal. La ecuación es la siguiente:

V Laboratorio = K t ∗ V Normal (3)

En dicha ecuación kt es el factor de corrección que está compuesto de 2 factores, entonces:

K t = K 1 ∗ K 2 (4)

Aqúı K 1 representa la corrección por densidad de aire y K 2 la corrección por humedad. El factor K 1depende de la densidad relativa del aire y de “m” que es un factor que se obtiene gr áficamente para unvalor de “g” dado. Por otra parte K 2 se obtiene de un “k” elevado a un exponente “w”. Tanto “m” como“w” se obtienen de la misma gráfica ingresando con el dato “g”. Esta norma usa la misma expresión paraδ obtenida en la norma IEC60052. Todo lo anterior se resume con las siguientes ecuaciones:

K 1(δ ) = δ m (5)

K 2(H ) = H w (6)

k = 1 + A[H/δ − 1] (7)

g = V 50

500 ∗ d ∗ k ∗ δ (8)

Donde A es igual a 0.012 para nuestro caso de interés, que es la solicitación en corriente alterna. V 50 esel 50% de la tensión de ruptura-descarga (medida o estimada) en kilo-Volt, d es el camino mı́nimo dedescarga en metros. La gráfica donde se obtiene m y w es la siguiente:

Figura 2: Factores m y w

Donde se ingresa con el valor de g obteniendo finalmente K 1 y K 2 dado que tenemos m y w, y a suvez K t ya que depende de la multiplicación de K 1 y K 2.

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1 Anexos

Norma IEEE4:Esta norma está basada en varias normas, entre ellas las 2 anteriores. La norma indica que las mejorescondiciones ambientales para realizar una prueba son las siguentes:

10[◦C ] ≤ T ≤ 40[◦C ]H≤ 95 %

altitud ≤ 1000[m]

En el ámbito constructivo, la norma tiene muchas especificaciones, ya sea por seguridad de los aparatosy de las personas o por tener resultados más precisos.

El método para medir en esta experiencia es el puente de Schering, el cual consiste en una comparaciónde condensadores y resistencias. Además, supondremos que los objetos de pruebas no estan contaminados.Al igual que las otras normas se usará un factor de corrección según las condiciones ambientales. Esto sehace para llevar todos los datos a condiciones estándar

t0 = 20[◦C ] para la temperatura

h0 = 11[g/m3] para la humedad

b0 = 101, 3[kP a] para la presión

La norma menciona dos tipos de factores, el primero de ellos es igual a la norma IEC 60060. En cam-bio el segundo de ellos es más espećıfico ya que también adjunta factores de forma y polaridad de losespinterómetros.

K d =

P

P 0

m∗

273 + T 0273 + t

n(9)

K h = kw (10)

Para obtener los factores k, w, m y n. Usaremos las tablas a continuaci ón, las cuales dependen de la

geometŕıa de los electrodos, polaridad y humedad.

Figura 3: Factores k(H)

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1 Anexos

Figura 4: Factores k, w, m y n

Los valores de w, m y n se obtiene mediante la distancia, según el gráfico de la figura5

Figura 5: Factores w, m y n

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1 Anexos

4.1.2. Resumir los puntos geométricos y eléctricos para catalogar un espinterómetro comode “Norma”

La prueba se puede hacer de forma vertical u horizontal y las normas establecen las distancias paralos elementos de prueba (espinterómetros). En las siguentes figuras se observan distancias cŕıticas.

Figura 6: Puntos Geométricos - Horizontal

Figura 7: Puntos Geométricos - Vertical

Geométricamente, el espinterómetro esférico consiste de dos esferas de metal del mismo diámetro D.Valores estándar de D son 2-5-6,25-10-12,5-15-25-50-75-100-150-200[cm]. El espacio entre las esferas esdenominado S. Las esferas deben ser cuidadosamente hechas, para que su curvatura sea lo más uniformeposible. La rugosidad Rmax < 10 [µm]

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1 Anexos

4.1.3. Calcular (teóricamente) tensiones de ruptura para configuraciones de espinteróme-tros esféricos, según los casos que se trabajaran en laboratorio, para después sercomparados con lo experimental.

Para realizar los cálculos de ruptura es necesario definir la siguiente ecuación:

U d = E d ∗ d ∗ η ∗ ek (11)

Donde es la tensión de ruptura del aire, que para nuestro caso será 25[kV

cm], donde d es la distancia

entre esferas, η es el factor de rendimiento y ek es el factor de curvatura. En nuestro caso tenemos 2espinterómetros, uno con diámetro de esferas igual a 10[cm] y otro con di ámetro de esferas de 25[cm]. Enambos se usarán 2 distancias entre esferas, la primera distancia será de 1[cm] y la segunda distancia debeser una en la que se obtenga una ruptura menor a 90[kV] por lo que basta observar la tabla estandarizaday buscar los valores que estén por debajo de 90[kV]. Varios puntos cumplen con dicha condición, sinembargo, existe otra restricción dada por el factor de curvatura, donde no existen curvas para todoslos valores de distancia entre esferas d. Por ende dadas las curvas existentes para obtener el factor decurvatura notamos que el valor de distancia entre esferas más acorde es de 30[mm] o 3[cm].

Con ese valor de d se cumple con ambas restricciones para poder calcular el valor te órico. Dicho esto, seexplica a continuación como obtener los diferentes parámetros para hallar la tensión de ruptura teórica.Para dar con el rendimiento se usa la siguiente configuración y tabla respectivamente:

Figura 8: Configuraci´ on de electrodos

En la figura anterior se define un “p” que es un factor para entrar a la gráfica 9 que en breve sepresenta. Se define un “r” que es el radio de las esferas y un “d” que es la distancia entre esferas. Con elp ya obtenido se ingresa a la siguiente gráfica:

Figura 9: Factor de rendimiento

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1 Anexos

Dado que se tiene una configuración rotacional se debe utilizar la curva 4 para proyectar la abscisaen la ordenada y con ello obtener el rendimiento. Por otro lado, para conseguir el factor de curvatura senecesita el gráfico 10

Figura 10: Factor de curvatura

Para ingresar a la gráfica se hace por la abscisa mediante el radio de las esferas en miĺımetros y luego sesigue la trayectoria por la curva de distancia entre esferas dada en miĺımetros. Luego, en la intersección seproyecta en la ordenada para finalmente tener el factor de curvatura. La finalidad de los c álculos teóricoses comparar dichos cálculos de tensíon de ruptura con los obtenidos mediante las tablas normalizadas. Latabla de nuestro interés por el momento es la siguiente:

Figura 11: Tabla normalizada

Para ingresar a esta tabla se hace mediante 2 datos. El primero, es la fila del di ámetro de la esfera delespinterómetro y el segundo es la columna de distancia entre esferas, ambos en cent́ımetros. La intersecciónarroja la tensión de ruptura teórica para el espinterómetro en un medio con aire en kilo-Volts.Dicho lo anterior se resume en la siguiente tabla todos los par ámetros y una comparación traducida en elerror relativo respecto al valor de tabla normalizada. La tabla presenta los 4 casos, ambos espinterómetrospara 2 distancias entre esferas.

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1 Anexos

Diámetro[cm] d[cm] r[cm] p η ek U tabla[kV] U teórico[kV] ε %

10 1 5 1,1 0,92 1,39 31,7 31,97 0,85

10 3 5 1,3 0,82 1,41 85,5 86,72 1,42

25 1 12,5 1,04 0,99 1,32 31,7 32,67 3,06

25 3 12,5 1,12 0,91 1,28 86 87,36 1,58

Cuadro 7: Parámetros de los 4 casos

Los valores teóricos son bastante similares a los tabulados en la tabla normalizada.

4.1.4. Explicar el efecto de la lámpara UV, según Norma

El voltaje de ruptura en una descarga de un espinterómetro depende de la disposición de los electroneslibres en el gap entre las esferas al momento de aplicaci ón del voltaje. La lámpara UV es utilizada defuente de irradiación como medida que debeŕıa adoptarse si no se cumplen los valores ĺımites para la

desviación estándar. Las lámparas se encuentran en el espectro ultravioleta (UV). Es usualmente aplicadopara mediciones peak de tensión bajo 50 [kV] para todos los diámetros de esferas y para mediciones devoltaje con esferas de 12,5 [cm] y menos para todas formas de voltaje.

4.1.5. Explicar el efecto de la altura geográfica con la tensión de ruptura e indicar el factorde corrección de para 3.000msnm Norma IEEE C57.19-2004

La rigidez dieléctrica del aire para aislantes decrece a medida que la altitud aumenta debido al efectode que decrece la densidad del aire por lo que el funcionamiento de los aparatos puede verse afectado. Lanorma tabula el factor de corrección para altitudes sobre 1000[m] para la rigidez dieléctrica

Figura 12: Factores Correcci´ on Altura

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