Circuitos de generación de impulsos de alta tensión para diversas
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO - CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN PARA DIVERSAS APLICACIONES JOSÉ LUIS BRAVO CARRASCO INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELÉCTRICO Septiembre 2005 GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN PARA DIVERSAS APLICACIONES INFORME FINAL Presentado en cumplimiento de los requisitos para optar al título profesional de Ingeniero Eléctrico otorgado por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso José Luis Bravo Carrasco Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero Profesor Correferente Sr. René Sanhueza Robles Profesor Correferente Sr. Reynaldo Ramos Astudillo Septiembre 2005 ACTA DE APROBACIÓN La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entre el primer semestre de 2004 y el segundo semestre de 2004, y denominado GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN PARA DIVERSAS APLICACIONES Presentado por el Señor José Luis Bravo Carrasco Domingo Ruiz Caballero Profesor Guía Reynaldo Ramos Astudillo Segundo Revisor Raimundo Villarroel Valencia Secretario Académico Valparaíso, Septiembre 2005 Agradezco a Dios por la maravillosa familia que me regaló y en especial a mis Padres Luis y Diamantina por todo el apoyo, esfuerzo, dedicación y confianza que tuvieron durante todo este tiempo. Este trabajo está dedicado a Ellos. GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN PARA DIVERSAS APLICACIONES José Luis Bravo Carrasco Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero RESUMEN En el presente trabajo se analizarán distintas formas de generar impulsos de alta tensión para distintas aplicaciones. Es así como se estudiará dos circuitos en particular para el encendido de lámparas de descarga y se nombrarán algunas normas aplicables a las lámparas de alta presión, no entrando mucho en este tema, sólo a modo demostrativo. En una primera parte se estudiarán las normas que se deben aplicar al momento de realizar ensayos de alta tensión. Estas normas, y en particular la norma “Standard Techniques for High Voltaje Testing”, debe ser aplicada a cualquier equipo, elemento o aparato eléctrico o con fines eléctricos en el cual debe existir un mínimo de seguridad principalmente debido a los altos niveles de tensión en el que ellos trabajan. Así también la norma específica para aisladores de potencia, que se aplica para poder determinar si estos elementos de aislación cumplen con los niveles de seguridad exigidos. Además, se estudia la forma de generar impulsos de alta energía y que simulan descargas atmosféricas y transitorios de maniobra en los sistemas eléctricos de potencia, principalmente el generador de impulsos tipo Marx. Finalmente, se estudió la adquisición de equipos de esta naturaleza. ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 NORMAS TÉCNICAS PARA ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN 1.1 NORMA ANSI 4-1982 1.1.1 Definiciones Generales 1.1.1.1 Impulso 1.1.1.2 Tensión de Descarga Disruptiva 1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva 1.1.1.4 Tensión de Descarga Disruptiva de 50% 1.1.2 Requerimientos Generales Relativos a Procedimientos de Prueba y Objetos a Testear 1.1.2.1 Ensayo en Seco 1.1.2.2 Ensayos en Elementos Húmedos 1.1.2.3 Prueba de Contaminación Artificial 1.1.3 Condiciones Atmosféricas 1.1.3.1 Factores de Corrección Atmosférica 1.1.3.2 Referencia Atmosférica 1.1.3.3 Obtención de Presión 1.1.3.4 Factor de Corrección de Humedad y Factor de Corrección del Aire 1.1.4 Ensayo con Tensión de Impulso Tipo Rayo 1.1.4.1 Definiciones de Aplicación General 1.1.4.2 Tensiones de Prueba 1.1.4.3 Procedimientos para las Pruebas 1.1.4.4 Determinación de la Tensión de 50% 1.1.5 Ensayos con Tensiones de Impulso 1.1.5.1 Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra 1.1.5.2 Tiempo del 90% 1.1.5.3 Tiempo de Corte 1.1.6 Tensiones de Prueba 1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado 1.1.6.2 Impulsos especiales 1.1.6.3 Tolerancias 1.1.6.4 Generalidades 1.1.7 Observaciones 1.2 NORMA C29.1-1988 1.2.1 Generalidades 1.2.2 Definiciones 1.2.2.1 Aislador 1.2.2.2 Carcaza 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 7 7 10 10 12 13 13 14 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16 16 17 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.4 1.2.4.1 1.2.4.2 1.2.4.3 1.2.5 1.2.5.1 1.2.5.2 1.2.5.3 1.2.6 1.2.6.1 1.2.6.2 1.2.6.3 1.2.6.4 1.2.7 1.2.7.1 1.2.7.2 Aislador con Pasador Aislador de Poste Generalidades sobre las Definiciones Tensión de Impulso Tensión de Impulso de Contorneo Tensión de Impulso Crítica de Contorneo Tensión de Resistencia al Impulso Montaje de la Probeta para Pruebas Eléctricas Aisladores de suspensión Aisladores de Aparato Observaciones Ensayos Eléctricos Condiciones Normalizadas Humedad Densidad del Aire Ensayos con Impulsos de Tensión General Montaje Ondas de Tensión de Impulsos Valor de Tensión Crítica de Contorneo Ensayo de Perforación Montaje Aplicación de Tensión CAPÍTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LÁMPARAS DE DESCARGA 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 MODELO DE UNA LÁMPARA 2.3 NORMAS Y CARACTERÍSTICAS 2.4 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE LÁMPARAS PHILIPS DE SODIO 2.5 CIRCUITO PARA EL ENCENDIDO DE LÁMPARAS 2.5.1 Circuito en Derivación 2.5.2 Circuito para Lámparas de Haluros Metálicos 2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lámparas de Haluros Metálicos CAPÍTULO 3 GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN 3.1 INTRODUCCIÓN 3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS 3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO 3.4 SIMULACIÓN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA 3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE “N” ETAPAS (MARX) 17 17 17 18 18 18 18 18 18 19 20 20 20 21 22 22 22 22 23 23 23 23 23 25 25 28 30 31 32 32 36 38 42 42 43 47 48 50 3.6 SIMULACIÓN GENERADOR MARX 53 CAPÍTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA 4.1 INTRODUCCIÓN 4.2 APLICACIÓN 4.2.1 Generalidades 4.2.2 Características Principales 4.2.3 Rango de Operación 4.2.4 Condiciones Ambientales 4.2.5 Intervalo entre Impulsos 4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagnética 4.3 CARACTERÍSTICAS 4.4 SIMULACIÓN GENERADOR HAEFELY 4.5 OTROS DISPOSITIVOS 4.5.1 Malla a Tierra 4.5.2 Reja de Seguridad 4.5.3 Interruptor de Emergencia 4.5.4 Malla de Faraday 58 58 58 58 59 60 60 61 61 65 67 72 72 72 73 73 CAPÍTULO 5 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO 5.1 INTRODUCCIÓN 5.1.1 Costo FOB 5.1.2 Costo CIF 5.2 COSTO DE ADQUISICIÓN GENERADOR MARX HAEFELY 5.3 COSTO DE ADQUISICIÓN KIT A.T. HAEFELY 5.4 EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN 5.5 CONCLUSIONES 74 74 74 74 75 76 78 82 APÉNDICE A CURVAS PARA EL CÁLCULO DE FACTORES DE CORRECCIÓN A2 APÉNDICE B SIMULACIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY B2 APÉNDICE C EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN C2 LISTA DE FIGURAS Pág. Fig. 1-1 Exponentes para corrección atmosférica 6 Fig. 1-2 Impulso Competo 8 Fig. 1-3 Impulso cortado 9 Fig. 2-1 Esquema de una lámpara de descarga 25 Fig. 2-2 Estados energéticos en radiación 26 Fig. 2-3 Esquema de radiación 27 Fig. 2-4 Ejemplo de espectro de una lámpara de descarga 27 Fig. 2-5 Modelo lámpara de descarga [9] 28 Fig. 2-6 Simulación modelo lámpara de descarga 29 Fig. 2-7 Característica Tensión Corriente 29 Fig. 2-8 Representación de tiempos normalizados 30 Fig. 2-9 Esquema de circuito en derivación 33 Fig. 2-10 Circuito de ignición en derivación 35 Fig. 2-11 Tensión de ignición en la lámpara 35 Fig. 2-12 Detalle del impulso de encendido 36 Fig. 2-13 Circuito para lámparas de haluros metálicos 37 Fig. 2-14 Circuito Simulado 38 Fig. 2-15 Tensión en el interruptor 39 Fig. 2-16 Tensión en el condensador C3 39 Fig. 2-17 Tensión en la bobina L1 40 Fig. 2-18 Tensión de ignición a los 25 ms y 45 ms 40 Fig. 2-19 Detalle del impulso de ignición 41 Fig. 3-1 Circuito nº 1 de generación de impulsos 43 Fig. 3-2 Circuito nº 2 de generación de impulsos 43 Fig. 3-3 Transformada de Laplace 44 Fig. 3-4 Rendimiento del generador 46 Fig. 3-5 Circuito generador de impulsos 49 Fig. 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso 49 Fig. 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso 50 Fig. 3-8 Generador de impulsos tipo Marx 51 Fig. 3-9 Generador Marx de 4 etapas 54 Fig. 3-10 Tensión en los condensadores de etapa 54 Fig. 3-11 Tensión de salida del generador (impulso) 55 Fig. 3-12 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de frente 55 Fig. 3-13 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de cola 56 Fig. 4-1 Esquema del generador Haefely 63 Fig. 4-2 Esquema de elevación de trabajo 64 Fig. 4-3 Esquema del plano de trabajo 64 Fig. 4-4 Esquema conexión Alta Tensión 66 Fig. 4-5 Distribución de capacitancias 67 Fig. 4-6 Unidad de carga 68 Fig. 4-7 Salida Alta tensión del generador 69 Fig. 4-8 Detalle de 2 etapas del generador 70 Fig. 4-9 Tensión en la probeta 70 Fig. 4-10 Frente de la carga 71 Fig. 4-11 Detalle de la carga del generador 71 Fig. A-1 Curva para corrección de humedad A2 Fig. A-2 Curva para el factor de corrección de presión A3 Fig. A-3 Curva para la corrección de humedad norma C29.1 A4 Fig. A-4 Curva para el cálculo de m y n A5 Fig. A-5 Ejemplo de curva de probabilidad para el cálculo de CFO A5 Fig. B-1 Circuito equivalente para generación AC, 1 etapa B2 Fig. B-2 Tensión en la probeta B3 Fig. B-3 Corriente en el transformador B3 Fig. B-4 Generación AT alterna, 2 etapas B4 Fig. B-5 Tensión AC, 2 etapas B4 Fig. B-6 Corriente transformador AC, 2 etapas B5 Fig. B-7 Circuito AT DC, 1 etapa B5 Fig. B-8 Tensión en la carga, DC, 1 etapa B6 Fig. B-9 Generador de impulsos 1 etapa B7 Fig. B-10 Impulso con carga de 7 nF, 1 etapa B7 Fig. B-11 Generador de impulsos, 2 etapas B8 Fig. B-12 Impulso a carga máxima, 2 etapas B8 Fig. B-13 Generación de impulsos, 3 etapas B9 Fig. B-14 Impulso a carga máxima, 3 etapas B9 Fig. C-1 Carta Gantt del proyecto C3 Fig. C-2 Detalle del desarrollo del proyecto C4 Fig. C-3 Recursos utilizados C4 Fig. C-4 Detalle calendario del ensayo C5 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1-1 Aplicación de factores de corrección atmosférica 6 Tabla 3-1 Corrientes para el cálculo del generador 47 Tabla 4-1 Características del generador 62 Tabla 4-2 Datos de dimensionamiento 65 Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800 75 Tabla 5-2 Costo Kit A.T. Haefely 77 Tabla 5-3 Valores económicos utilizados 79 INTRODUCCIÓN A medida que los sistemas eléctricos fueron aumentando su capacidad, se comenzó a necesitar el transporte de la energía entre dos puntos distantes varios kilómetros uno del otro. Todo ingeniero eléctrico sabe que para disminuir las pérdidas de energía, es necesario transportar ésta en alta tensión. Es en este punto que comienza a aparecer la necesidad de dominar un área que no se había desarrollado mayormente, la técnica de la alta tensión, de manera de asegurar el suministro eléctrico a ciudades y grandes clientes para garantizar un desarrollo económico en los países. De la misma forma otra área que se fue desarrollando rápidamente fue la del alumbrado, naciendo la luminotecnia, y con ella una gama muy amplia de alternativas para generar energía lumínica. Con la llegada de las lámparas de descarga y la necesidad de producir descargas de alta energía controlada, comienza a desarrollarse, de manera independiente, el estudio de impulsos de alta tensión para una amplia gama de alternativas. Es así como se tienen impulsos para: el encendido de motores de combustión interna, el encendido de lámparas de descarga, la simulación de descargas atmosféricas, la simulación de transitorios de maniobra, etc. En este trabajo se analizarán alternativas para producir este tipo de fenómeno, lograr su desarrollo de manera controlada y su normalización a nivel internacional. CAPÍTULO 1 NORMAS TÉCNICAS PARA LOS ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN 1.1 NORMA ANSI 4-1982 1.1.1 Definiciones Generales 1.1.1.1 Impulso Un impulso es un transitorio aperiódico de tensión o corriente aplicado intencionalmente, el cual usualmente tiene rápidos levantamientos a tensión máxima para luego caer a cero en forma más lenta. Dentro de los impulsos se diferencian los impulsos tipo rayo y tipo maniobra los cuales difieren especialmente por los tiempos de duración. 1.1.1.2 Tensión de Descarga Disruptiva Para las distintas formas de alta tensión la tensión de descarga disruptiva se refiere al valor de la tensión causante de la descarga disruptiva, dicho de otra forma el valor al cual se produjo el rompimiento del dieléctrico en prueba. 1.1.1.3 Probabilidad de Descarga Disruptiva (p) Se define como la probabilidad que, aplicando un cierto nivel de tensión, se produzca la descarga disruptiva en el aislante en prueba. 1.1.1.4 Tensión de Descarga Disruptiva del 50 % Se refiere al nivel de tensión aplicado en el cual existe un 50% de probabilidades que se produzca descarga disruptiva en el objeto de prueba. 1.1.2 Requerimientos generales relativos a procedimientos de prueba y objetos a testear 1.1.2.1 Ensayos en Seco Para ensayos realizados en elementos que se encuentren secos su superficie, en general, debe estar seca y limpia. 1.1.2.2 Ensayos con Elementos Húmedos Se utiliza este tipo de ensayos para simular el efecto de la lluvia en los objetos de prueba, se aplica en general a objetos que trabajan a la intemperie. 1.1.2.3 Prueba de contaminación artificial Este tipo de ensayo se utiliza para testear objetos que trabajan normalmente a la intemperie y como la contaminación normal de servicio puede afectarlos. Esta norma no se refiere a algún tipo de contaminación en particular, ensayo en cuyo caso debe ser presentado en forma particular. 1.1.3 Condiciones Atmosféricas 1.1.3.1 Factores de Corrección Atmosférica La probabilidad de ruptura en objetos a la intemperie depende de las condiciones atmosféricas existentes al momento del ensayo. Generalmente los valores de variación están dados por la densidad del aire o la humedad. Sobretodo cuando la humedad supera el 80% la tensión de “flashover” disminuye en la superficie de los aisladores. Existen 2 factores de corrección para los ensayos, ellos son: densidad del aire (Kd) y humedad (kh). La descarga disruptiva es proporcional a Kd/ kh. 1.1.3.2 Referencia Atmosférica Los valores normalizados para el ambiente son los siguientes: Temperatura: To=20º C Presión: Po=101.3 Pa (760 mmHg) Humedad: 11 (g) de H2O por m3 1.1.3.3 Obtención de Presión Para obtener los valores de presión se deben aplicar la siguiente ecuación: p= 1013 * 10 5 * H * (1 − 1 . 18 * 10 4 * t ) 760 (1-1) donde: H: altura de un barómetro de mercurio t= temperatura ambiente al momento del ensayo. 1.1.3.4 Factor de Corrección de Humedad y Factor de Corrección del Aire Factor de corrección del aire viene dador por: kd = ( p m 273 + t0 n ) ⋅( ) 273 + t po (1-2) donde: p = presión atmosférica bajo condiciones de prueba. t = temperatura en ºC bajo condiciones de prueba. Similarmente el factor de corrección de humedad viene dado por: kh = (k ) w (1-3) Los factores w, m y n que se utilizan en el cálculo de las ecuaciones 1-2 y 1-3, son calculadas con la figura 1.1 y la tabla 1-1. Además se debe utilizar la curva de la figura A-1 del apéndice correspondiente. m, n, w 1 0.5 0 5 Figura 1-1 10 d (m) Exponentes para corrección atmosférica Tabla 1-1 Aplicación de factores de corrección atmosférica Correccción Aire Tipo de Forma Tensión electrodo Polaridad Exponentes myn Humedad Factor h Exponente w + 0 - 0 Tensión + Continua - 1.0 Ver Fig A-4 1.0 Curva b 1.0 + 1.0 - 0 ∼ Tensión ∼ Alterna ∼ ∼ 1.0 Ver Fig 1-1 Ver Fig A-4 Curva a 0 Ver Fig. 1-1 Continuación Tabla 1-1 Corrección Aire Tipo de Forma Tensión electrodo Polaridad Exponentes myn Humedad Factor h + + Impulso 1.0 - Rayo Tensión Impulso Maniobra w 0 - Tensión Exponente Ver Fig A-4 1.0 Curva b 1.8 + 1.0 - 0 + 1.0 - 1.0 + Ver Fig 1-1 Ver Fig A-4 Ver Fig. 1-1 - 0* Curva b 0* + Ver Fig. 1-1 Ver Fig. 1-1 - 0* 0* 1.1.4 Ensayo con Tensión de Impulso Tipo Rayo. 1.1.4.1 Definiciones de Aplicación General. 0 1.1.4.1.1 Impulso Completo El impulso tipo rayo es aquel tipo de transiente de tensión que no está interrumpido por una descarga disruptiva. Este impulso está representado en la figura 1-2. Figura 1-2 Impulso completo 1.1.4.1.2 Impulso Cortado Impulso Cortado es aquel tipo de impulso que está interrumpido por una descarga disruptiva causando un rápido colapso de la tensión, prácticamente a valores cercanos a cero. Este colapso puede ocurrir en el frente, cresta o cola del impulso. En la figura 1-3 se puede apreciar esquemáticamente el detalle de un impulso cortado por una descarga disruptiva en el frente del transitorio. Figura 1-3 Impulso cortado 1.1.4.1.3 Tiempo virtual de frente(T1) Es aquel espacio de tiempo que está definido como 1,67 veces el intervalo de tiempo T entre el momento que el impulso va desde el 30 al 90 % del valor de cresta. Si se producen oscilaciones se debe tomar el tiempo de la media de las oscilaciones. 1.1.4.1.4 Origen virtual (O1) el origen virtual equivale a 0,3 del tiempo virtual de frente. 1.1.4.1.5 Tiempo virtual de medio valor (T2) Es el intervalo de tiempo entre el origen virtual (O1) y el tiempo en el cual la tensión a descendido hasta el 50% del valor de la cresta. 1.1.4.2 Tensiones de Prueba 1.1.4.2.1 Impulso tipo rayo normalizado El impulso tipo rayo normalizado es aquel que tiene un tiempo virtual de frente igual a 1.2 us y un tiempo virtual de medio valor de 50 us. Tolerancias: Valores de cresta ± 5% Tiempo de frente ±30% Tiempo de Cola ±20% El nivel de oscilaciones permitido es tal que éstas no exceden del valor de cresta en un 5%, para tiempos superiores al tiempo virtual de medio valor se permiten oscilaciones de hasta un 25% en el valor normalizado. 1.1.4.3 Procedimientos para las pruebas Los procedimientos aplicables para tipos particulares de objetos, por ejemplo, la polaridad a ser usada, el orden de aplicación, los intervalos entre aplicaciones, el número de aplicaciones deben ser especificados para cada aparato que será sometido a los ensayos y según distintos factores como la aproximación requerida en los resultados, la naturaleza aleatoria de los fenómenos observados, las características medidas y finalmente la probabilidad de deterioro progresivo producto de la aplicación de altas tensiones. Distintos métodos para hacer los ensayos se describen a continuación y según el tipo de objeto que se examinará. 1.1.4.3.1 Ensayo de Resistencia en Aislamiento sin Capacidad de Autorestablecerse Se aplican 3 impulsos en el nivel de tensión requerida según forma y polaridad del impulso. El aparato es aprobado si no hay, durante la aplicación de la prueba, indicios de falla usando métodos de detección estandarizados por el fabricante. 1.1.4.3.2 Ensayo de Resistencia en Aislamiento con Capacidad de Autorestablecerse Existen 3 formas de hacer este ensayo: Primero. Se aplican 15 impulsos, a nivel de tensión de prueba según aspectos técnicos. Se satisface la prueba cuando no ocurren más de 2 descargas disruptivas. Segundo: Se aplican 3 impulsos y en ninguno de los ensayos debe producirse descarga disruptiva, si se produjese más de una falla disruptiva el aparato es considerado en falla. Si se produce 1 descarga disruptiva se aplican 3 nuevos impulsos, si en ninguno de ellos se produce descarga disruptiva el aparato pasa la prueba. En este caso se aplica la técnica del 50% de descargas disruptivas, el test es satisfactorio si la tensión determinada es menor que V50% ≤ 1 (1 − 1.3σ ) (1-4) donde σ = desviación estándar en p.u. de la tensión de descarga disruptiva. El siguiente valor pueden ser utilizado para aislamiento de aire: impulso rayo σ =0.03. 1.1.4.4 Determinación de la Tensión de 50% 1.1.4.4.1 Método Múltiple Nivel Se aplican al menos 10 impulsos en distintos niveles de tensión, donde la variación de tensión comienza al 3% de la tensión del 50% esperada. El valor de tensión del 50% es encontrado de una curva de probabilidad de descarga disruptiva versus probabilidad de tensión de prueba. La aproximación de la determinación de este valor aumenta con el número de aplicaciones de tensión, pero en general no se necesitan más de 20 aplicaciones en cada nivel. 1.1.4.4.2 Método Up and Down Una tensión Vk es elegida, la cual puede ser un 50% del nivel de tensión de descarga disruptiva esperado. Se toma además una variación de tensión δV igual al 3% de Vk. La prueba comienza con la aplicación de un impulso con nivel de tensión Vk, si este no causa una descarga disruptiva se somete a una nueva tensión igual a Vk+δV, si este produce descarga disruptiva entonces se hace la prueba con VkδV. Este procedimiento se continúa un número suficiente de veces y se cuenta el número de impulsos aplicado, desde donde se obtiene que: V50% = ∑n V ∑n v v (1-5) v Si no se está conforme con los resultados se deben aplicar más impulsos; Sin embargo, no se deben aplicar más de 40 impulsos ni menos de 20. Además, si es necesario y la desviación estándar es muy pequeña se puede cambiar el valor de δV. 1.1.5 1.1.5.1 Ensayos con Tensiones de Impulso Tipo Maniobra Definiciones para Impulsos Tipo Maniobra 1.1.5.1.1 Impulso Tipo Maniobra El impulso tipo maniobra está definido en la sección 1.1.6.1 de este documento. 1.1.5.1.2 Tiempo a Cresta (Tcr) El tiempo a cresta de un impulso tipo maniobra se define como el intervalo entre el origen actual y el instante en el cual la tensión del impulso alcanza su valor máximo. 1.1.5.1.3 Tiempo Virtual de Medio Valor (T2) El tiempo virtual de medio valor para un impulso tipo maniobra es el intervalo de tiempo entre el origen actual y el instante en que la caída del impulso llega a la mitad del valor de la tensión de cresta o tensión máxima. 1.1.5.2 Tiempo del 90% (Td) El tiempo del 90% es el intervalo de tiempo durante el cual la tensión del impulso excede el 90% del valor de cresta o valor máximo. 1.1.5.3 Tiempo de Corte (Tc) El tiempo de corte de un impulso tipo maniobra es el intervalo de tiempo entre el origen actual y el instante en el cual se produce el colapso de la tensión o corte del impulso. 1.1.6 Tensiones de Prueba 1.1.6.1 Impulso tipo maniobra normalizado El impulso tipo maniobra normalizado es un impulso que tiene un tiempo a cresta Tcr de 250 us y un tiempo de medio valor T2 de 2500 us. Este tipo de impulso se representa como impulso 250/2500. 1.1.6.2 Impulsos Especiales Cuando los requerimientos del ensayo no están satisfechos con un impulso tipo maniobra normalizado se pueden hacer los ensayos con impulsos 100/2500 y 500/2500. 1.1.6.3 Tolerancias Si el aparato que está siendo sometido a ensayo no requiere otros valores especificados, son aceptadas las siguientes diferencias en los valores normalizados. Valor Cresta ± 3% Tiempo a Cresta ± 20% Tiempo de Medio Valor ± 60% En caso que en algún ensayo en particular y debido a características del ensayo, los valores arriba descritos pueden ser modificados dentro de parámetros establecidos, y según fabricante. 1.1.6.4 Generalidades En el caso de cálculos, determinación de valores, etc Se deben aplicar los sistemas de cálculo y aproximación descritos en esta norma. 1.1.7 Observaciones Existen, además de los puntos antes descritos, una serie de información mucho más elaborada que da a conocer esta norma, sin embargo los puntos mostrados anteriormente representan la información necesaria para el desarrollo del proyecto. Las curvas referidas a la sección 1.3 de este documento se encuentran en el apéndice A. 1.2 NORMA C29.1-1988 1.2.1 Generalidades La norma se divide en cinco partes: Ámbito. Definiciones. Montaje de la muestra para pruebas eléctricas. Pruebas eléctricas. Pruebas mecánicas. Pruebas de Galvanización. Rutinas en los ensayos. Por el interés de este proyecto solo se estudiarán los procedimientos de los ensayos eléctricos y específicamente los ensayos con impulso que regula esta norma 1.2.2 Definiciones 1.2.2.1 Aislador Un aislador es un dispositivo proyectado para dar un soporte flexible o rígido a conductores y equipamiento eléctrico y para aislar esos conductores o equipamientos de tierra, otros conductores o equipamientos. Un aislador comprende una o más partes aislantes las cuales conectan dispositivos que están, en la mayoría de los casos, permanentemente conectados. 1.2.2.2 Carcaza La carcaza es una parte constituyente de un aislador, la cual está formada por una manta o mantas de material aislante sin conexión a otros dispositivos. 1.2.2.3 Aislador con Pasador Un aislador con pasador es una aislador que tiene un pasador para montaje rígido a través de éste. 1.2.2.4 Aislador de Poste El aislador de poste es un aislador para montaje en una columna, que tiene medios para ensamble directo o rígido. 1.2.2.5 Generalidades Sobre las Definiciones Además de las definiciones anteriores existen otras más específicas, pero que no serán incluidas dentro de este documento porque no aportan mayores datos al trabajo de proyecto. 1.2.3 Tensiones de Impulso 1.2.3.1 Tensión de Impulso de Contorneo. Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa contorneo a través del medio que rodea al aislador. 1.2.3.2 Tensión de Impulso Crítica de Contorneo Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, causa contorneo en un 50% de las aplicaciones. 1.2.3.3 Tensión de Resistencia al Impulso Valor cresta de la onda de impulso que, bajo ciertas condiciones, no produce contorneos, perforaciones o descarga disruptiva. 1.2.4 Montaje de la Probeta para Pruebas Eléctricas 1.2.4.1 Aisladores de Suspensión 1.2.4.1.1 Montaje A menos que se especifique otra cosa, la probeta será suspendida verticalmente al final de un conductor aterrizado, de manera tal que la distancia vertical de la parte superior del aislador a la estructura de soporte no debe ser menor a 3 pies (914 mm). 1.2.4.1.2 Electrodo Energizado El electrodo energizado o conductor debe ser una barra recta y lisa o un tubo que su diámetro interior no sea menor a ¾ pulgadas(19 mm) y no superior que 1 12 pulgadas (38 mm). Este debe ser acoplado a la parte de la probeta de manera tal que la distancia del borde más bajo del aislador y la parte superior de este (electrodo) estará entre 0.5 y 0.7 del diámetro menor del aislador. El conductor deberá ser horizontal y estar a la derecha de la probeta. El largo del conductor debe ser tal de manera de asegurar que no se producirá descarga entre sus extremos. 1.2.4.1.3 Proximidad de Otros Objetos No debe haber ningún objeto, que no sea parte constituyente del ensayo, a una distancia menor al equivalente a 1 12 veces la distancia necesaria para producir contorneo en la probeta en un ensayo en seco. Con una distancia mínima aceptable de 3 pies (914 mm). 1.2.4.2 Aisladores de Aparatos 1.2.4.2.1 Montaje A menos que se indique otra cosa, la probeta debe ser montada verticalmente recto respecto a la horizontal, aterrizado en un canal de 10 pulgadas (254 mm), con la tierra hacia abajo. El modo de soporte será tan largo de manera tal de asegurar que no se producirá contorneo en el principio o final de la superficie, así y todo esta no debe ser menor que 3 pies (914 mm) sobre la tierra. 1.2.4.2.2 Electrodo Energizado El diámetro del electrodo será aproximadamente de 5% de la distancia de contorneo de un ensayo en seco y dentro de los siguientes límites: máximo de 4 12 pulgadas (114 mm) y mínimo de 1 2 pulgada (13 mm). El largo del conductor debe ser tal de manera de asegurar la no ocurrencia de contorneo entre sus extremos. Este debe ser montado de manera firme sobre la probeta. 1.2.4.2.3 Proximidad de otros objetos Ningún elemento debe estar más cerca de la probeta que 1 12 veces la distancia de arco en seco, con un mínimo de 3 pies (914mm). 1.2.4.3 Observaciones Además de los tipos de aisladores especificados anteriormente, la norma regula otros tipos de aisladores, los que no están especificados en este documento y no representan un punto de tope para este estudio. 1.2.5 Ensayos Eléctricos 1.2.5.1 Condiciones normalizadas Las tensiones de contorneo en seco deben ser corregidas de acuerdo con la norma ANSI 4-1978, normalizadas, que serán aplicadas: exceptuando las siguientes condiciones Presión Barométrica: 29.92 pulgadas de mercurio (10.086 x 104 pascal) Temperatura: 77 ºF (25 ºC) Presión de Vapor: 0.6085 pulgadas de mercurio (2.051 x 103 pascal). 1.2.5.2 Humedad Para el caso particular de aisladores se debe considerar una forma en especial de medir la humedad para esta norma, método al cual no se hará mayor referencia en este informe. La ecuación para corregir las mediciones según la humedad en sistema de mediciones internacional es la siguiente: Ph = Ps − 0.087 ⋅ b ⋅ (t − t ′) ⋅ (1 + 0.00115 ⋅ t ′) (1-6) Donde: Ph = Vapor de presión, en pascal Ps = Presión, en pascal, de vapor acuoso saturado a la temperatura t’ b = Presión barométrica, en pascal t = Temperatura del aire, en ºC t’ = Temperatura del aire de bulbo seco, en ºC. 1.2.5.3 Densidad del aire El valor de tensión de contorneo (flashover) debe ser corregido para la equivalencia con las condiciones atmosféricas normalizadas, que para el sistema internacional de medidas es la siguiente: K d = 0.002955 ⋅ P (273 + T ) (1-7) donde: P=Presión barométrica en pascal T= Temperatura del aire en ºC. 1.2.6 Ensayos con Impulsos de Tensión 1.2.6.1 General Los ensayos de impulsos de alta tensión para contorneo son solo hechos en pruebas en seco. 1.2.6.2 Montaje La probeta será montada de acuerdo a la sección 3 de esta norma. 1.2.6.3 Onda de tensión de impulso Todas las pruebas serán hechas con ondas del tipo 1.2/50 microsegundos, y de acuerdo a la norma ANSI/IEEE 4-1978. 1.2.6.4 Valor de tensión crítica de impulso de contorneo El cálculo del nivel crítico de tensión de contorneo debe ser hecho de acuerdo a la norma ANSI/IEEE 4-1978. En general todas las correcciones deben ser hechas de manera tal de aplicar esta norma o en su defecto la norma ANSI/IEEE 4-1978. Las curvas de corrección referidas a la sección 1.2.5.1 de este documento se encuentran en el apéndice A. 1.2.7 Ensayo de Perforación 1.2.7.1 Montaje La prueba de perforación debe ser implementada solo para aisladores completamente ensamblados. La probeta debe ser inmersa en aceite aislante con la suficiente rigidez dieléctrica de manera de asegurar la no ocurrencia de contorneo. Y cualquier parte del aislador debe estar sumergido 6 pulgadas (152 mm). 1.2.7.2 Aplicación de tensión La tensión debe ser aplicada entre los electrodos, como está descrito en la sección 4.11.1 de la norma [4]. La tensión inicial aplicada debe llegar rápidamente a la tensión de contorneo en seco. La tensión posteriormente será aumentada con una razón de 10kV cada 15 segundos hasta llegar al valor de tensión en el cual ocurre la perforación. CAPÍTULO 2 CIRCUITOS GENERADORES DE IMPULSO EN LÁMPARAS DE DESCARGA 2.1 INTRODUCCIÓN Las lámparas de descarga constituyen una forma alternativa de producir luz de una manera más eficiente y económica que las lámparas incandescentes. Por eso, su uso está tan extendido hoy en día. La luz emitida se consigue por excitación de un gas sometido a descargas eléctricas entre dos electrodos. Según el gas contenido en la lámpara y la presión a la cual está sometido tendremos distintos tipos de lámparas. En las lámparas de descarga, la luz se consigue estableciendo una corriente eléctrica entre dos electrodos situados en un tubo lleno con un gas o vapor ionizado. Electrodos Tubo Descarga Ballast Red Figura 2-1 Esquema de una lámpara de descarga En el interior del tubo, se producen descargas eléctricas como consecuencia de la diferencia de potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un flujo de electrones que atraviesa el gas. Cuando uno de ellos choca con los electrones de las capas externas de los átomos les transmite energía y pueden suceder dos cosas. La primera posibilidad es que la energía transmitida en el choque sea lo suficientemente elevada para poder arrancar al electrón de su orbital. Este, puede a su vez, chocar con los electrones de otros átomos repitiendo el proceso. Si este proceso no se limita, se puede provocar la destrucción de la lámpara por un exceso de corriente. La otra posibilidad es que el electrón no reciba suficiente energía para ser arrancado. En este caso, el electrón pasa a ocupar otro orbital de mayor energía. Este nuevo estado acostumbra a ser inestable y rápidamente se vuelve a la situación inicial. Al hacerlo, el electrón libera la energía extra en forma de radiación electromagnética, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrón no puede tener un estado energético cualquiera, sino que sólo puede ocupar unos pocos estados que vienen determinados por la estructura atómica del átomo. Como la longitud de onda de la radiación emitida es proporcional a la diferencia de energía entre los estados inicial y final del electrón y los estados posibles no son infinitos, es fácil comprender que el espectro de estas lámparas sea discontinuo. Figura 2-2 Estados Energéticos en Radiación Figura 2-3 Figura 2-4 Esquema de radiación Ejemplo de espectro de una lámpara de descarga Debido a la forma discontinua del espectro de estas lámparas, la luz emitida es una mezcla de unas pocas radiaciones monocromáticas; en su mayor parte en la zona ultravioleta (UV) o visible del espectro. Esto hace que la reproducción del color no sea muy buena y su rendimiento en color tampoco. Para solucionar este problema podemos tratar de completar el espectro con radiaciones de longitudes de onda distintas a las de la lámpara. La primera opción es combinar en una misma lámpara dos fuentes de luz con espectros que se complementen como ocurre en las lámparas de luz de mezcla (incandescencia y descarga). También podemos aumentar la presión del gas. De esta manera se consigue aumentar la anchura de las líneas del espectro de manera que formen bandas anchas y más próximas entre sí. Otra solución es añadir sustancias sólidas al gas, que al vaporizarse emitan radiaciones monocromáticas complementarias. Por último, podemos recubrir la pared interna del tubo con una sustancia fluorescente que conviertan los rayos ultravioletas en radiaciones visibles. 2.2 MODELO DE UNA LÁMPARA DE DESCARGA Este modelo lo utilizó el señor Iván Quiroz, ex alumno de la Escuela, en el informe final de carrera [7]. Básicamente, este modelo consta de una fuente de tensión en serie con una resistencia de muy bajo valor. El modelo se puede apreciar el la Figura 2-5. Figura 2-5 Modelo lámpara de descarga 400V 0V -400V 0s V(V2:+) 10ms V(R1:1) 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms Time Figura 2-6 Simulación modelo lámpara de descarga 400V 0V -400V -300KA V(R1:1) -200KA -100KA -0KA 100KA 200KA 300KA I(R1) Figura 2-7 Característica Tensión-Corriente El modelo simulado en la figura 2-5 a través de Pspice [9] se puede apreciar en la figura 2-6, en la cual se detalla la tensión de la fuente de alimentación, la cual alimenta la lámpara. Esta tensión es sinusoidal. Además se puede apreciar en esta figura la tensión del modelo, la cual es cuadrada y de la misma frecuencia que la fuente de tensión. La resistencia que caracteriza el modelo es de pendiente negativa, pero tiene el problema, que es lineal, lo cual se puede apreciar en la figura 2-7. Sin embargo, y a pesar de la linealidad del modelo, este funcionó bastante bien para simular ignitores de lámparas de haluros metálicos y de mercurio de alta presión. 2.3 NORMAS Y CARACTERÍSTICAS Existe una variedad de normas aplicables a las lámparas de descarga que regulan distintos tópicos de estos dispositivos, en este trabajo se darán a conocer solo los datos necesarios del interés del proyecto [1]. Las normas que regulan el encendido y operación de lámparas de descarga son las siguientes: IEC-0662 Sodio alta presión IEC-1167 Haluros Metálicos IEC-0992 Ballast IEC-0923-0926-0927 Dispositivos de partida. T2 Pulso de ignición T1 C E Figura 2-8 Tensión sinusoidal 50/60 Hz Representación tiempos normalizados La figura 2-8 muestra los tiempos estandarizados para impulsos necesarios en el encendido de lámparas de descarga. El pulso principal debe ir montado sobre la señal alterna de alimentación, la cual está representada en la figura con línea punteada. Las letras de la figura representan tiempos, tal como se indica a continuación: T1: Tiempo que transcurre desde que el impulso alcanza el 30% de su valor peak hasta que llega al 90% del mismo. T2: Tiempo que transcurre entre el 90% durante la subida y bajada del impulso. E: Tiempo que demora el impulso en llegar al 90% del máximo. C: Tiempo que demora el impulso de llegar desde el valor máximo de su valor hasta el 10% del mismo. A continuación se nombran algunos datos característicos de las lámparas de descarga. Características de los Pulsos. Amplitud del pulsos: 0.75 a 5 kV Duración del Pulso: generalmente superior a 1μs Posición del pulso: generalmente a los 90% del valor máximo de la tensión de alimentación Número Mínimo de pulsos: Fabricante Mínima corriente de ignición: >0.2 A 2.4 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE LÁMPARAS PHILIPS DE SODIO. Sodio alta presión. Alto del pulso 1.8 kV, mínimo T1 1 μs, máximo T2 2 μs, mínimo 1 pulso por ciclo, positivo, durante semiciclo positivo de la onda Posición 60-90 grados de la tensión de circuito abierto. El valor máximo del pulso varía según la potencia de la lámpara, así por ejemplo, para una lámpara de sodio de alta presión de 100 w, se necesita un peak de 1.8 kV, sin embargo para una lámpara del mismo fabricante de 1 kW de potencia se necesitan 3 kV mínimo para la ignición de la lámpara. De la misma forma, los valores de tensión también varían según el fabricante, es así como para una lámpara PHILIPS de 2000 watts se necesitan 1.3 kV de peak en el pulso, sin embargo para una lámpara OSRAM de 2000 watts se necesitan de 3.5 a 5 kV de tensión de ignición. 2.5 CIRCUITOS PARA EL ENCENDIDO DE LÁMPARAS A continuación se analizarán dos circuitos tipos que se utilizan para encender lámparas de descarga, ellos son: circuito en derivación y circuito que utiliza un transformador para producir las variaciones de tensión necesarias. 2.5.1 Circuito en Derivación [1] Este circuito se caracteriza porque utiliza el ballast como transformador de elevación de tensión, es decir a través de éste se genera el di/dt necesario para generar el impulso. En la figura 2-9 se puede apreciar el esquema del circuito en derivación, donde D representa el interruptor que genera las aperturas y cierres necesarios para la ignición de la lámpara. Ballast Magnético Figura 2-9 2.5.1.1 Esquema circuito en derivación Ecuaciones que Gobiernan el Circuito en Derivación Para generar los impulsos se utilizan como interruptor (D) un Diac, el cual cuando la lámpara no ha encendido queda sometido a una tensión tal que comienza a cerrar y abrir, generando de esta forma cambios bruscos en la corriente, lo que a su vez carga el condensador C, y este lo envía a la lámpara. Para el momento en que el Diac conduce las leyes de tensión de Kirchhoff, aplicadas al circuito, son: L1 ⋅ di1 ⎛ di di ⎞ + M 12 ⋅ ⎜ 1 − 2 ⎟ + R ⋅ i1 = V (t ) dt ⎝ dt dt ⎠ di ⎛ di Vc = M 12 ⋅ ⎜ 1 − 2 dt ⎝ dt di ⎞ ⎟ + L2 ⋅ 2 dt ⎠ (2-1) (2-2) Ahora, al momento que el Diac deja de conducir, abre el circuito del ignitor, en ese caso la ecuación que gobierna esa situación viene dada por: (L1 + L 2 ) ⋅ di dt + 1 ⋅q + R ⋅i −V = 0 C (2-3) El valor del pulso de tensión producida por la variación de corriente queda dada por: V p = (L2 + M 12 ) ⋅ di2 dt (2-4) Por lo tanto y como consecuencia de la ecuación (2-4) la tensión generada depende de la inductancia del Ballast. Por lo tanto el impulso quedará limitado al nivel de variación de la corriente, de la misma forma esa variación depende de las limitaciones técnicas. Ahora bien, para generar el peak de alta tensión se utiliza un interruptor que es el que enciende la lámpara, nótese que no se está mencionando el mismo interruptor que se encarga de generar los impulsos de alta tensión. A continuación se puede apreciar el momento de la ignición de la lámpara, el peak producido es de poco más de 3kV el cual debe ser necesario para encender la lámpara. En la Figura 2-10 se puede apreciar el circuito estudiado, estos valores son tomados de un informe [7] y de normas británicas [8], desde los cuales se pueden obtener los valores de las resistencias y especialmente los datos de ballast característicos. Las formas de onda obtenidas en la simulación del circuito de la figura 2-10 se pueden apreciar en las figuras 2-11 y 2-12. Figura 2-10 Circuito de ignición derivación Figura 2-11 Tensión de ignición de la lámpara 3.00KV 2.00KV 1.00KV 0.03KV 65.0628ms 65.0800ms V(C1:1) 65.1000ms 65.1200ms 65.1400ms 65.1600ms Time Figura 2-12 Detalle del impulso de encendido Los tiempos que caracterizan el impulso de encendido dependen de la lámpara en particular en la cual se va a implementar el circuito, para ello se pueden hacer variaciones en los componentes del circuito de la figura 2-10. Según los valores obtenidos en las simulaciones las descargas producidas pueden aplicarse a distintos tipos de lámparas, por ejemplo, a lámparas Philips de sodio en alta presión, cuyo fabricante exige tensiones entre 3 y 5 kV de tensión para el encendido. 2.5.2 Circuito para lámparas de Haluros Metálicos [1] Como es ya sabido, el tipo de lámpara que se comporta de la mejor manera es sin lugar a dudas la de haluros metálicos, considerando la eficiencia, color, vida útil, etc. Si se puede hablar de inconveniente tendríamos que considerar que este tipo de lámparas necesitan un alto valor de tensión para la ionización de los agregados metálicos que contiene, es por ello que en general para el encendido en frío de la lámpara, entendiéndose por este la ignición de la lámpara después de estar apagada por un largo tiempo (en algunos casos se habla de partida en frío después de los 5 minutos), se necesitan entre 7kV y 12 kV, considerando que en algunos casos esa tensión puede llegar hasta los 30 kV. En la figura 2-13 se muestra el circuito que se analizará en detalle más adelante. La tensión en el condensador de descarga viene dada por: Vc 2 = dI1 dI ⋅ L1 − L ⋅ M 12 dt dt (2-5) La tensión que se refleja en la entrada de la lámpara queda dada por: VAB = V1 − dI 2 dI ⋅ LB − 1 ⋅ M 12 dt dt Figura 2-13 Circuito para lámparas de haluros metálicos (2-6) Como podemos apreciar la tensión de ignición depende del acoplamiento magnético del transformador auxiliar y de la inductancia de sus bobinados. 2.5.3 Principio de Funcionamiento del Circuito para Lámparas de Haluros Metálicos Cuando la lámpara está encendida, la corriente genera una tensión que se refleja a través de L1, al lado del interruptor sw2, el cual es un interruptor controlado por tensión, como un esplosor, este funciona de tal manera que llegando a un nivel de tensión se cierra y genera un di/dt en la bobina L1, que se refleja en L2 aumentando la tensión entre los puntos A y B del esquema. En la figura 2-14 se aprecia el circuito de ignición, donde Sw1 es el interruptor de encendido de la lámpara el cual se encarga de conectar la lámpara a la red de alimentación. Figura 2-14 Circuito simulado T e n s i ó n 400V Tension en C-D 0V C D Momento de conexion de lampara -400V 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms V(C,D) Time Figura 2-15 Tensión en el interruptor En la figura 2-15 se aprecia la tensión que se produce en el interruptor de descarga, el cual funciona dependiendo de esta tensión. En la siguiente gráfica, figura 2-16, se muestra la tensión en el condensador C3, el cual es muy parecido a la tensión del interruptor, lo que es lógico tomando en consideración que este se encuentra conectado en paralelo con el interruptor de descarga. Solo se diferencian producto de la caída de tensión en L1. T e n s i ó n 400V 0V C 3 -400V 0s 20ms V(C3:1,C3:2) 40ms 60ms 80ms Time Figura 2-16 Tensión en el condensador C3 100ms 120ms T e n s i ó n 200V 0V L 1 -200V 0s 20ms V(L1:1,L1:2) 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms Time Figura 2-17 Tensión en la bobina L1 La figura 2-17 muestra claramente la tensión que se refleja en L1 producto de la corriente que circula por L2 durante el funcionamiento normal de la lámpara. Ahora se cerrará el interruptor que genera los di/dt, comenzando a los 25 [ms], con un periodo de 20 [ms]. La figura 2-18 muestra los impulsos de tensión que se producen cuando la lámpara no ha encendido, esto se puede apreciar durante los primeros 50 ms, una vez que la lámpara enciende (60 ms) los impulsos de tensión ya no se generan. 10KV I g n i c i o n 0V -10KV 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(A,B) Time Figura 2-18 Tensión de ignición a los 25 [ms] y 45 [ms] 120ms I g n i c i o n 7.5KV 5.0KV 2.5KV 0V 25.03901ms V(A,B) 25.04000ms 25.04100ms 25.04200ms 25.04300ms Time Figura 2-19 Detalle del impulso de ignición La Figura 2-19 muestra en detalle el impulso generado por el ignitor. Los tiempos y valores están de acuerdo a la norma que regula las lámparas de haluros metálicos. Se debe considerar que son los interruptores los que al cerrarse o abrirse rápidamente generan una variación de corriente en los bobinados del transformador auxiliar, generando los peaks de alta tensión. CAPÍTULO 3 GENERACIÓN DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN 3.1 INTRODUCCIÓN Los circuitos de generación de alta tensión comienzan a evolucionar con la aparición de sistemas de transmisión de gran tamaño. Existiendo una variedad muy amplia de circuitos que tienen la finalidad de generar alta tensión. Dentro de las necesidades de generación de alta tensión, para el uso de dispositivos de simulación de efectos aleatorios de alta energía, se pueden mencionar las siguientes: disminuir efectos corona en cables, transformadores y dispositivos de generación y transmisión, asegurar la continuidad del suministro en caso de una descarga atmosférica en algún punto del sistema de transmisión, manejar de manera óptima las contingencias producto de la maniobra en sistemas de alta energía y , además, realizar distintas mediciones necesarias para el correcto funcionamiento de los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. A medida que los sistemas eléctricos comienzan a aumentar su capacidad de transmisión, se requiere aumentar la tensión de transmisión, además se requiere una forma de disminuir los daños productos de transitorios de alta energía de ocurrencia aleatoria. Bajo estas circunstancias aparecen los generadores de impulsos de alta tensión. Dentro de los cuales se pueden encontrar gran variedad, destacando de manera importante el generador de impulsos tipo Marx, creado por un ingeniero alemán en el año 1923. También existen otras formas de generar impulsos de alta tensión, pero cuyos circuitos son de menor flexibilidad y mayor costo, estos se utilizan principalmente en casos especiales. 3.2 GENERADOR SIMPLE DE IMPULSOS Las figuras 3-1 y 3-2 muestran dos circuitos tipo para la generación de impulsos. Esta figura muestra dos posibles combinaciones del circuito a analizar [2], [3]. Figura 3-1 Circuito nº 1 de generación de impulsos Figura 3-2 Circuito nº 2 de generación de impulsos Antes de comenzar el análisis, se debe mencionar que el principal valor del generador es la máxima energía acumulada por el generador en el interior del condensador C1, y viene dada por: W = 1 C1 (Vo max ) 2 2 (3-1) Como C1 es siempre mucho mayor que C2 el primero determina el costo del generador. Para el análisis se utilizará la transformada de Laplace, el modelo para la transformada de Laplace está representado en la figura 3-3. Para t ≤ 0, C1 está cargado a Vo y para t > 0 este condensador está directamente conectado a la red. Figura 3-3 Modelo para transformada de Laplace Para el circuito de la figura 3-3 la expresión viene dada por: V ( s) = Vo Z2 ⋅ s Z1 + Z 2 (3-2) Donde Z1 = 1 + R1 C1 s Z2 = (3-3) R2 C2 s (3-4) 1 R2 + C2 s Sustituyendo se encuentra la expresión para la tensión de salida del circuito la cual está definida en la ecuación 3-5. V (s) = V0 1 2 k s + as + b (3-5) Por la teoría de la Trasformada de Laplace, la respuesta en el dominio del tiempo la tensión de salida viene dada por: V (t ) = [ 1 Vo ⋅ ⋅ e(−α1t ) − e( −α2t ) k (α 2 − α1) ] (3-6) donde α1 y α2 son las raíces de la ecuación s2+as+b. Como se puede apreciar en la ecuación 3-6, la tensión de salida es la superposición de dos funciones exponenciales y de diferente signo. Para calcular la eficiencia del circuito se puede hacer dV(t)/dt=0, con esto se concluye que el tiempo en el cual se produce el máximo de tensión viene dado por: t max = ln(α 2 / α 1 ) (α 2 − α 1 ) (3-7) k = R1C2 (3-8) Realizando otros análisis matemáticos se llega a la expresión del rendimiento del generador (ecuación 3-9). η= 1 C 1+ 2 C1 (3-9) La figura 3-4 muestra el gráfico del rendimiento del generador en función de la relación entre los condensadores que conforman el circuito de generación. Se puede observar que el circuito que tiene el mejor comportamiento, al variar la relación entre los condensadores, es el de la figura 3-2, ya que este se comporta de manera lineal. Figura 3-4 Rendimiento del Generador 3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO El camino normal de trabajo es encontrar los valores para R1 y R2 ya que C1 y C2 son , en general, previamente conocidos [3]. Para conocer los valores de las resistencias se debe resolver el problema de las exponenciales que gobiernan la dinámica del sistema, y éstas vienen dadas por las ecuaciones 3-10 y 3-11. 1 R1 = 2C 2 ⎡⎛ ⎢⎜ 1 + 1 ⎢⎜⎝ α 1 α 2 ⎣ ⎞ ⎟⎟ − ⎠ ⎛ 1 1 ⎜⎜ + ⎝ α1 α 2 ⎡⎛ 1 ⎢⎜ 1 + 1 ⎞⎟ + R2 = 2(C1 + C2 ) ⎢⎜⎝ α1 α 2 ⎟⎠ ⎣ 2 ⎤ ⎞ 4(C1 + C 2 ) ⎥ ⎟⎟ − α 1α 2 C1 ⎥ ⎠ ⎦ (3-10) 2 ⎤ ⎛1 1 ⎞ 4(C1 + C2 ) ⎥ ⎜⎜ + ⎟⎟ − α1α 2C1 ⎥ ⎝ α1 α 2 ⎠ ⎦ (3-11) En la tabla 3-1 se muestran los resultados de la resolución de las ecuaciones para algunas formas de ondas determinadas. Tabla 3-1 Constantes para el cálculo del Generador [3] T1/T2 Tcr/T2 1/α2 1/α1 (us) (us) (us) (us) 1.2/50 ----------- 3.48 0.8 1.2/50 ------------ 68.2 0.405 1.2/200 ----------- 284 0.381 250/2500 ---------- 2877 104 ----------- 250/2500 3155 62.5 Además de todo el análisis anterior se debe tomar en consideración algunos aspectos constructivos, para ello se asume una resistencia aproximada, según la ecuación 3-12, de manera de asegurar la no ocurrencia de oscilaciones. R1 ≈ R = 2 ⋅ L C (3-12) Donde 1 1 1 = + C C1 C 2 3.4 (3-13) SIMULACIÓN GENERADOR DE IMPULSOS DE UNA ETAPA Existen distintos valores de energía en circuitos generador de impulso, valor que está determinado, como ya fue explicitado en la sección 3.2 de este documento. Asumiendo una energía de 5 kJ y una tensión de 100 kV el condensador C1 debe tener un valor de 1 uF [2]. Con las ecuaciones 3-10 y 3-11 se pueden calcular los valores de las resistencias necesarias para el circuito. Por lo tanto el valor de las resistencias para una carga de 100 pF es R1 = 4.05k Ω R2 = 68.193Ω El circuito utilizado en la simulación es el mostrado en la figura 3-5. Para la simulación se asume que el condensador se encuentra, con anterioridad, cargado a 100kV. Figura 3-5 Circuito generador de impulsos Las figuras 3-6 muestra el frente del impulso, se puede apreciar como este se produce al momento de cerrar el esplosor, en este caso a los 10 [ms], este tiempo debe cumplir con la norma ANSI 4-1982, analizada en el capítulo 1 de este documento, es decir, 1.2 ± 30% [μs]. 99KV 75KV 50KV 25KV 0V 10.00000ms V(C2:1) 10.00100ms 10.00200ms 10.00300ms 10.00400ms 10.00516ms Time Figura 3-6 Detalle tiempo de frente del impulso. 99KV 75KV 50KV 25KV 0V 10.00ms V(C2:1) 10.01ms 10.02ms 10.03ms 10.04ms 10.05ms Time Figura 3-7 Detalle tiempo de cola del impulso. Al igual que en la figura anterior, la figura 3-7 muestra en este caso el tiempo de cola, el cual debe también cumplir con la norma. Los tiempos de frente y cola son los siguientes: Tiempo de frente: 1.13 μ s Tiempo de cola: 50.6 μ s Como se puede apreciar los tiempos normalizados cumplieron a cabalidad lo exigido por la norma ANSI 4-1982. 3.5 GENERADOR DE IMPULSOS DE “N” ETAPAS [3]. Las dificultades encontradas con el generador de impulsos de alta tensión de una etapa son principalmente las referidas a los altos niveles de tensión que están involucrados en los elementos que conforman el circuito, produciéndose en ellos problemas de dimensiones, efecto corona considerable altos niveles de esfuerzos de los dieléctricos en el caso de los condensadores, etc. Estos problemas pueden hacer inaplicables el circuito de una etapa para tensiones muy altas. Para superar estos problemas, en 1923 E. Marx, sugiere una configuración especial de condensadores y resistencias, donde los primeros se cargan en paralelo y posteriormente se descargan en serie a través de esplosores o “spark gaps”. La configuración del circuito propuesto por E. Marx se aprecia en la figura 3-8. El funcionamiento del generador Marx es el siguiente: Al momento de conectar la fuente de energía continua, representada como una fuente de tensión continua en la figura 3-8, los condensadores de carga o de etapa se comienzan a cargar a través de las resistencias de carga (Rc); la potencia exigida a la fuente va a depender del valor de estas resistencias, una vez cargados todos los condensadores se desconecta la fuente de alimentación. En algunos casos la fuente no es desconectada al momento de producir la descarga del generador, pero en este caso la fuente de alimentación del generador debe estar diseñada para soportar cortocircuitos. Figura 3-8 Generador de impulsos tipo Marx Para descargar el generador con la tensión necesaria en la probeta de ensayo, se utiliza un sistema de esplosores; estos consisten en sendas esferas de cobre de diámetro según necesidades y nivel de tensión del generador. Estos esplosores se cierran y conectan en serie los condensadores de etapas junto con las resistencia de frente y cola, en la figura 3-8 R1 y R2 respectivamente. Las ecuaciones que gobiernan este circuito son las mismas que para el caso de los circuitos de una etapa, con la salvedad que en el caso del generador Marx las resistencias y condensadores deben ser tomados según el número de etapas con que cuente el generador. Las ecuaciones son las siguientes: n 1 1 =∑ C1 1 C `1 (3-14) R1 = R``1 + ∑ R`1 (3-15) Finalmente la resistencia efectiva de descarga, despreciando R1’’, viene dada por: R2 = n ⋅ R`2 = ∑ R`2 (4-16) Con los datos anteriores se debe agregar, además, que el rendimiento del generador viene dado por distintos factores y se calcula para los mismos valores equivalentes a un circuito de una etapa. 3.6 SIMULACIÓN GENERADOR MARX. Para simular un generador Marx se debe, primero, calcular los elementos que conforman un circuito de una etapa, estos cálculos se hacen con las ecuaciones 3-10 y 3-11. si se considera un circuito generador con un almacenamiento de energía de 5 kJ por etapa y 100 kV de carga, entonces el condensador necesario (C1) tendrá un valor de 1 uF. Suponiendo, además, una carga de 1nF entonces las resistencias del circuito de una etapa (figura 3-2) serán: R1 = 405.4 Ω R2 = 68.13 Ω Para calcular los valores del generador marx se deben aplicar las ecuaciones 314, 3-15 y 3-16. según estas los valores para las resistencias y condensadores de etapas son tal como se muestran a continuación. R1’ = 101.35 Ω R2’ = 17.03 Ω C1’ = 4 uF Con los valores calculados, se puede apreciar la configuración que tiene el circuito en la figura 3-9, el cual es un generador Marx de 4 etapas, es decir, con los 100 kV de carga en cada condensador, se debiese obtener, idealmente, 400 kV. Figura 3-9 Generador Marx 4 etapas. Las formas de onda obtenida se muestran en las figuras 3-10 a la figura 3-13. 100KV Tension de Carga Condensador 1 Tension de Carga Condensador 4 50KV 0V 0s V(C1:1,C1:2) 50ms V(C4:1,C4:2) 100ms 150ms 200ms 250ms Time Figura 3-10 Tensión en los condensadores de etapa. 300ms 374KV 300KV 200KV 100KV 0V 289.9906ms 290.0000ms V(R14:2) 290.0100ms 290.0200ms 290.0300ms 290.0400ms 290.0500ms 290.0600ms Time Figura 3-11 Tensión de salida del generador (impulso). 100KV 75KV 50KV 25KV 0V 289.456ms 289.600ms -V(R21:1,R11:1) 289.800ms 290.000ms 290.200ms 290.400ms 290.600ms 290.800ms Time Figura 3-12 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de frente. 100KV 50KV 0V 290.00ms -V(R22:1,R21:2) 290.02ms 290.04ms 290.06ms 290.08ms Time Figura 3-13 Tensión, durante la descarga, en la resistencia de cola. En las figuras 3-10 a la 3-13 se puede apreciar como se comporta la tensión en los distintos elementos que conforman el generador Marx. La primera observación es el tiempo que toma al generador en cargar los condensadores de etapa (Figura 3-10). Este tiempo depende de la constante que forman las resistencias de carga con los condensadores de etapa, esto es la constante de tiempo τ = Rc*Ce, donde Rc es la resistencia de carga de la etapa y Ce es el condensador de cada etapa. Al ser mayor la cantidad de energía que puede almacenar el generador, necesariamente el condensador de cada etapa debe ser de un valor mayor, lo que implica que la constante de tiempo τ aumenta lo que, a su vez, aumenta el tiempo necesario para cargar completamente el generador. En generadores reales los tiempos necesarios para cargar los condensadores va desde los 55 segundos, para un generador de 40 kJ, hasta los 2 minutos para un generador de 80 kJ y 2.4 MV de salida. En la figura 3.11 se aprecia la descarga de alta tensión en la salida del generador, esta descarga debe cumplir estrictamente la norma Std 4-1982, la cual está expuesta en el capítulo 1 de este documento. Esta norma hace referencia a los tiempos de frente y cola del generador, los cuales deben ser de 1.2 μs de frente y 50 μs de cola. En la simulación los tiempos medidos son: Tf = 1.15 μs Tc = 49.8 μs Como se puede apreciar estos tiempos están dentro de lo exigido por la norma y sus tolerancias. Para las figuras 3-12 y 3-13, las cuales representan las tensiones a las cuales son sometidas las resistencias de frente y cola, determinan que estas resistencias deben estar fabricadas para soportar altas tensiones, los mismos valores exigidos a los condensadores de etapa. Cabe destacar que la corriente exigida a la fuente de alimentación depende exclusivamente de los valores de las resistencias de carga, ya que el valor de cada condensador de carga lo determina la necesidad de energía de cada generador en particular, lo que implica que estas deben ser de un valor tal de asegurar la limitación de corriente y, al mismo tiempo, influir en la menor cantidad en el rendimiento del generador. En capítulos siguientes se darán a conocer valores reales de generadores proporcionados por la empresa Haefely. CAPÍTULO 4 GENERADOR DE IMPULSOS HAEFELY MODELO SGSA 4.1 INTRODUCCIÓN A continuación se presentará el generador de 8 etapas marca Haefely modelo SGSA 100-800, el cual se puede utilizar para hacer ensayos a distintos dispositivos eléctricos de niveles medios de potencia y tensión. La adquisición de este tipo de generadores acarrea una serie de gastos, producto de los niveles de tensión a los cuales trabaja y a los altos niveles de tecnología que conlleva trabajar con estos elementos. Dentro de las distintos gastos asociados a la adquisición están los de compra, transporte, internación, etc. Los cuales se verán en detalle en este capítulo. El generador Haefely SGSA es uno de una serie de generadores que ofrece esta firma, se ha elegido este generador en particular, principalmente por las características de trabajo, las cuales lo hacen ideal para trabajar en laboratorios de universidades o en pequeñas empresas del rubro de la Alta Tensión. 4.2 APLICACIÓN 4.2.1 Generalidades El sistema de prueba de impulsos SGSA puede ser utilizado para generar impulsos de tensiones desde 10 kV hasta 750 kV simulando, de esta manera, descargas atmosféricas y sobre-tensiones por maniobras. El rango total de tensión cubre desde 100 kV hasta 800 kV con una energía por etapa equivalente a 5 kJ. Las aplicaciones posibles están estandarizadas de acuerdo a las normas IEC, ANSI e IEEE y algunas de aplicación específica [4]. El sistema puede ser actualizado de varias maneras para pruebas especiales o para mejoramiento de su operación. El generador permite la incorporación de circuitos y componentes adicionales que sirven para optimizar las posibles pruebas que se pueden realizar con este, dentro de las cuales se pueden nombrar: • Transformadores de distribución. • Pequeños transformadores de potencia. • Cables • Descargadores • Motores y generadores • Aisladores • Bushing • Transformadores de medida El sistema completo puede ser controlado desde una unidad central de proceso (computador). 4.2.2 Características Principales • Tensión máxima de carga 800 kV • Energía por etapa 5 kJ • Disparo confiable a través de trigatrón. • Fácil operación con sistema de control por microprocesador. • Equipado con resistencias para la generación de impulsos tipo rayo y tipo maniobra • Dispositivo único de tierra de protección • Fácil reconfiguración en caso de ser necesario • Las resistencias pueden ser intercambiadas en caso de ser necesario. • Diferentes tipos de base • Comunicación entre sistemas de control y medida. 4.2.3 Rango de Operación La tensión mínima de salida es de 10 kV, independiente de la polaridad. Esto se obtiene con solo una etapa del generador, las sobrantes se deben conectar en paralelo o simplemente desconectarlas. El rango máximo de operación, independiente de la polaridad, es de 100 kV con las 8 etapas conectadas. 4.2.4 Condiciones Ambientales El generador de impulsos es operativo con temperatura entre 0 ºC y 45 ºC y una humedad relativa ≤ 95% (sin condensación). La temperatura permisible para el transporte y almacenamiento de los equipos están dentro del rango de -20 ºC a 60ºC, con una humedad relativa ≤ 95% (sin condensación). Los valores estandarizados que aparecen en este documento equivalen para las siguientes condiciones normalizadas: T = 20 ºC, b = 1013 mbar y RH= 80%. Además los valores de tensión están calculados de manera de trabajar hasta 1000m de altura sobre el nivel del mar. Sobre esta elevación, la tensión se reduce en un 1% por cada 100 m. 4.2.5 Intervalo Entre Impulsos Con una tensión de carga máxima, el mínimo tiempo de operación del generador entre impulsos viene dado por la tabla 4-1. Estos valores quedan definidos por las limitaciones térmicas de los elementos, además del nivel de tensión alcanzado, de manera tal que si se quiere trabajar a un intervalo menor entre impulsos solo se puede hacer con niveles menores de tensión. 4.2.6 Inmunidad a la Interferencia Electromagnética La interferencia electromagnética es inevitable en las pruebas con impulsos de tensión. El sistema está diseñado especialmente para disminuir la interferencia del campo eléctrico por un correcto funcionamiento de los sistemas de control y medida. Los sistemas de comunicación y control están apropiadamente blindados y aterrizados. Las entradas y salidas están protegidas contra sobretensiones. Los componentes del sistema están aterrizados con material apropiado tal como cobre trenzado o con láminas que aseguran los potenciales a tierra en niveles seguros. Las señales de medición obtenidas desde la alta tensión van desde los 100 V hasta los 1600 V de manera de asegurar una alta relación señal/ruido. Tabla 4-1 Características del generador Haefely SGSA Impulso Impulso 1.2/50 Tensión Máxima Carga Energía Máxima CapaciTancia Impulso Máxima Carga 250/2500 Tensión Max. Salida Máxima Carga Tensión Tiempo Max. Entre Salida Impulsos Código kV kJ nF nF kV nF kV s 100-5 100 5 1000 16 90 2.7 80 40 200-10 200 10 500 12.5 180 3.2 155 40 300-15 300 15 333 10 270 3.3 230 40 400-20 400 20 250 8.5 360 3.4 305 40 500-25 500 25 200 7 445 1.7 380 40 600-30 600 30 167 6.2 540 1.7 460 40 700-35 700 35 143 5.6 630 1.7 535 50 800-40 800 40 125 5.3 700 2.3 605 55 Figura 4-1 Esquema del generador Haefely. El esquema presentado en la figura 4-1 muestra un desglose de los distintos componentes con que cuenta el generador Haefely, en ésta se puede apreciar, de izquierda a derecha, los siguientes componentes: Rectificador de carga, el cual se encarga de rectificar la alta tensión alterna que proviene desde el transformador de alta tensión. Luego se puede apreciar el generador Marx. A continuación el divisor de tensión, que se encarga de disminuir la tensión a niveles tolerables para los instrumentos de medición. Posteriormente se puede apreciar la probeta, es decir donde se sitúa el elemento al cual se van a hacer los ensayos. Otros dispositivos que no están individualizados en la figura 4-1, pero que pueden ser adquiridos a parte del equipo son: resistencia shunt para la medición de corriente, sistema de amortiguación para efectos inductivos, espinterómetros para la generación de impulsos cortados, divisores de tensión con efecto de amortiguación rápido, etc. Además de los datos eléctricos existen una serie de factores en la construcción, los cuales deben ser considerados al momento de adquirir uno de estos equipos. Entre estos factores se cuenta el recinto donde deben ser colocados los equipos, esto es el laboratorio de alta tensión. Dentro de las especificaciones que se exigen para la instalación del generador están las referidas a áreas de seguridad, estas se especifican en las figuras 4-2 y 4-3, donde se detallan las dimensiones y distancias mínimas permisibles de manera de asegurar que los elementos que forman parte de los circuitos y dispositivos no alteren las mediciones, la seguridad, aproximaciones, etc. En la tabla 4-2 se muestran, entre otros, los datos que se representan en las figuras 4-2 y 4-3. W Figura 4-2 Min. H2 Esquema de elevación de trabajo. 1m 1.8 m W W Generador 1.16 m H 1.15 m Unidad De Carga Figura 4-3 Tabla 4-2 Probeta Divisor De Tensión Esquema del plano de trabajo. Datos de dimensionamiento generador SGSA Divisor Distancia Segura Alto Peso Código Muros 4.3 W H1 m m kg 0.2 0.9 210 0.4 1.2 0.6 Capacitancia Resistor Altura Peso C R H2 pF Ω m kg CS 100-1000 1000 130 1.5 60 250 CS 200-1000 1000 130 1.5 60 1.6 308 CS 300-1000 1000 130 1.5 60 0.8 1.9 370 CS 400-1000 1000 130 1.5 60 1.0 2.3 432 CS 500-500 500 270 2.3 100 1.2 2.6 494 CS 600-500 500 270 2.3 100 1.4 3.0 556 CS 700-500 500 270 2.4 110 1.6 3.3 618 CS 800-670 670 230 3.2 150 CARACTERÍSTICAS Como se puede apreciar en la tabla 4-1, existen distintas formas de configurar el sistema de generación, con los cuales se pueden obtener tensiones de distinto nivel. La manera de obtener estos distintos niveles de tensión es a través de configuraciones distintas de los elementos del generador, estos son las resistencias y condensadores, los cuales pueden ser conectados y desconectados de manera de lograr la configuración deseada para el nivel de tensión necesario. Es así como se puede construir un generador de 1, 2, 3, hasta 8 etapas, cuyas características particulares están individualizadas en la tabla 4-1. Si se observa la tabla 4-1 el rango mínimo de carga es con el divisor de tensión conectado -el divisor de tensión debe estar siempre conectado- y sin otro elemento como probeta. Si se supone una configuración del generador con 8 etapas y si se refiere a la tabla 4-1, el rango máximo de carga es de 2.3 nF, es decir la probeta puede tener como máximo un valor de 2.3 nF, incluido el conductor utilizado para llevar la energía hasta la probeta. Se debe recordar que la probeta puede ser desde un aislador, una cadena de estos, transformadores, etc. La representación esquemática se puede apreciar en la figura 4-4. Además de las capacitancias parásitas del conductor que lleva la energía a la probeta se debe considerar la capacitancia del conductor que energiza el divisor de tensión, en la figura 4-5 se ven en detalle todas las capacitancias incluidas en un ensayo. Divisor de Tensión Probeta Figura 4-4 Esquema conexión Alta Tensión Capacitancia Conductor 1 Figura 4-5 Probeta Capacitancia Conductor 2 Divisor de Tensión Distribución de Capacitancias. En el caso de las capacitancias parásitas de los conductores se pueden estimar asumiendo la distribución de campo eléctrico entre un conductor y un plano, que para el caso en particular que interesa a este trabajo el plano equivale a la tierra de protección utilizada. Así, y según la teoría de campos eléctricos, el valor aproximado para el caso en particular del generador Haefely, los conductores agregarían un valor de 500 fF cada uno a la capacitancia total, esta situación se apreciará en detalle en la simulación del Generador. Es necesario dejar en claro que en el caso de un ensayo real, las capacitancias se miden antes de realizar la prueba y calibrar el generador. 4.4 SIMULACIÓN GENERADOR HAEFELY Para simular las descargas que produce el generador haefely, es necesario saber de antemano cuales son los valores de las resistencias y capacitancias de los distintos componentes que conforman el generador, estos se pueden apreciar en las siguientes figuras. Figura 4-6 Unidad de carga La unidad de carga está formada por todos los dispositivos necesarios para elevar la tensión desde los 220 V hasta los 100 kV necesarios para cargar el generador, dentro de estos dispositivos se encuentra el transformador elevador, el puente rectificador (doblador de tensión) y el regulador de tensión. En este caso se simuló la unidad de carga como un transformador, cuyos datos fueron tomados desde el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Técnica Federico Santa María, donde se encuentra una unidad de similares características. Además de los dispositivos nombrados cabe destacar que el transformador tiene características de diseño que lo hacen inmune a las radiointerferencias, efectos capacitivos y efectos corona, todos indeseables al momento de la realización de un ensayo en alta tensión. Además, la unidad de carga cuenta con un divisor de tensión de 100 kV con una resistencia de alta tensión de 200 MΩ, con el cual se toma la muestra que se lleva a la unidad central de proceso o unidad central de control que viene incluida dentro del equipo. Por lo tanto no es necesario para la simulación incorporar un condensador que simule las capacitancias parásitas a la salida de la unidad de carga. Figura 4-7 Salida alta tensión del generador En el caso de la salida del equipo, entiéndase como tal el lado de la probeta, y todo el sistema de alta tensión de prueba y medición, se deben tomar en consideración las capacitancias parásitas, tal como indica la figura 4-7, en el caso particular de este equipo la capacitancia aproximada entre elementos (Probeta y Divisor) es de 500 fF (fento Faradios), los que se muestran en la figura 4-7 como C_parásita 1 y C_parásita 2, respectivamente. Como es sabido se simulará el generador con sus 8 etapas, en la figura 4-8 se puede apreciar una sección del generador (2 etapas) con los condensadores de carga (125 nF), las resistencias de cola (67.65 Ω), las resistencias de frente (51 Ω) y las resistencias de carga que tienen un valor de 50 kΩ. Esta configuración se repite 8 veces que son las que conforman el grueso del generador Haefely. Figura 4-8 Detalle de dos etapas del generador. Uniendo todas las partes y corriendo el programa Pspice 9.2 para la simulación, la figura 4-9 muestra la tensión que se produce en la probeta, sobre el elemento que está siendo sometido a estudio; es así como al realizar la medición de los tiempos de frente y cola de esta forma de onda se puede concluir que estos tiempos se encuentran dentro de la norma ANSI 4-1982 (capítulo 1) sobre ensayos en alta tensión (1.2 us y 50 us de frente y cola , respectivamente). Los tiempos observados en la simulación son de 1.18 us y 48 us para tiempo de frente y cola, respectivamente. 760KV 600KV 400KV 200KV 0V 20.0026ms 20.0100ms V(DIVAT:1) 20.0200ms 20.0300ms 20.0400ms Time Figura 4-9 Tensión en la probeta. 20.0500ms 760KV 600KV 400KV 200KV 0V 20.003ms V(DIVAT:1) 20.004ms 20.005ms 20.006ms Time Figura 4-10 Frente de la descarga 100KV 50KV 0V 0s 10s V(R5:2,Ce10:2) 20s V(Ce1_1:1,Ce1_2:2) 30s 40s 50s 60s Time Figura 4-11 Detalle de la carga del generador La diferencia del valor de tensión entre los condensadores de la primera y última etapa no representa problema en el funcionamiento del generador en general. Sin embargo, en la figura 4-11, se puede concluir que el tiempo mínimo que debe transcurrir antes de poder generar la descarga es de a lo menos 50 segundos, por lo que la simulación del proceso de carga del generador se acerca a lo esperado en la realidad. Este tiempo de carga se debe comparar con el valor que aparece en la tabla 4-1. 4.5 OTROS DISPOSITIVOS Para trabajar con el Generador Haefely, y debido a los niveles altos de tensión, es necesario implementar una serie de medidas tendientes a disminuir los riesgos de trabajar con alta tensión, estas medidas son las siguientes: malla a tierra, reja de seguridad e interruptores de emergencia. 4.5.1 Malla a Tierra La malla a tierra a la cual se conectará el sistema de prueba debe tener una resistencia máxima de 2Ω, de manera de asegurar una tensión de paso mínimo, además con esta característica se asegura la no ocurrencia de oscilaciones en los componentes del sistema de alta tensión, protegiendo de esta manera los dispositivos de posibles daños. 4.5.2 Reja de Seguridad Para asegurar que ninguna persona va a ingresar al sector donde se encuentra el aparato, este debe ser protegido con una reja metálica la cual debe tener un espaciado máximo de 50 milímetros y una altura mínima de 1.8 metros. 4.5.3 Interruptores de Emergencia En todas las puertas de acceso al laboratorio de alta tensión de deben instalar interruptores de emergencia, los cuales permanecerán cerrados si todas las puertas del laboratorio se encuentran cerradas, en caso que una de las puertas sea abierta el sistema será desenergizado a través de una unidad central donde irán conectados los interruptores. 4.5.4 Malla de Faraday Aunque el caso de la reja de Faraday no es de protección presta una utilidad muy alta. El transformador que viene incorporado con el Generador tiene la particularidad de utilizarse para la medición de descargas parciales. Este tipo de mediciones se ven altamente afectadas por las radiaciones electromagnéticas de frecuencias utilizadas en la radiodifusión, radioafición, celulares, etc. por lo que estas pueden llevar a errores en las mediciones, de manera de asegurar que esto no suceda se implementa la reja de Faraday. La reja de Faraday es una malla de metal, con un espaciado no superior a los 10 mm, la reja de Faraday debe cubrir por completo toda el área del laboratorio donde se realizan las pruebas, incluido el piso. Todas las uniones que forman la malla deben estar solidamente soldadas de manera de asegurar a cabalidad la continuidad eléctrica de ésta. CAPÍTULO 5 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO 5.1 INTRODUCCIÓN En la aplicación de un estudio económico de la compra e implementación de equipos de alta tensión, es necesario adelantar algunos conceptos utilizados en el mercado internacional. 5.1.1 Costo FOB (Free on Board) Costo del producto instalado a bordo del buque, en el puerto de origen. Este costo incluye los gastos de documentación, costos financieros, gastos de agencias de aduanas y el transporte terrestre hasta el puerto de embarque. Es el proveedor el que se encarga de fijar este costo. 5.1.2 Costo CIF (Cost, Insurange and Freight) Es el Costo en puerto de embarque (FOB) más los gastos de flete marítimo, seguro y arancel en destino. El costo CIF = FOB + 0.07*FOB + 0.02*FOB (5-1) El arancel correspondiente al ingreso de este tipo de tecnología desde EEUU es nulo, debido al tratado de libre comercio que mantiene Chile con ese país. Además de los costos anteriormente citados se debe agregar los correspondientes a manejo en aduana, que equivalen a 0.25% del costo CIF. Existe otra opción en la gran gama de alternativas para los ensayos en alta tensión, este es el equipo “Kit de Alta Tensión” de la misma firma. La garantía de este equipo es que en el se pueden realizar ensayos de distintos tipos, estos son: alta tensión alterna, alta tensión continua, impulsos rayo y maniobra y descargas parciales. La desventaja principal del Kit Haefely de Alta Tensión, comparada con el modelo SGSA 100-800 es que tiene una capacidad de carga menor, lo que limita el tipo de equipo al cual se pueden realizar ensayos de impulsos. La simulación del Kit Haefely se encuentra en el apéndice B. A continuación se analizarán los costos asociados a la adquisición de cada equipo. 5.2 COSTO DE ADQUISICIÓN GENERADOR MARX HAEFELY Los costos asociados a la adquisición de un generador Marx de 8 etapas de Marca Haefely, modelo SGSA 100-800 se muestran en la tabla 5-1. Tabla 5-1 Costo generador SGSA 100-800 COSTO F.O.B. U$ 240.000,00 FLETE (7% FOB) U$ 16.800,00 SEGURO (2% FOB) U$ 4.800,00 Continuación Tabla 5-1 C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) ARANCEL U$ 261.600,00 U$ 0,00 MANEJO EN ADUANA U$ 654,00 VALOR EN FAENA U$ 262.254,00 TRANSPORTE E INSTALACIÓN U$ 1.000,00 COSTO TOTAL U$ 263.254,00 Como se puede apreciar el costo total de la adquisición del equipo generador de alta tensión asciende hasta los U$ 263.254. 5.3 COSTO ADQUISICIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY Los costos de adquisición del kit de alta tensión haefely se puede apreciar en la tabla 5-1. Este equipo en comparación con el SGSA 100-800 tiene un costo mucho más elevado, lo que hace imprescindible referir bien los datos y conjeturas para que la decisión de adquisición de un equipo u otro se base en un análisis completo de manera de tomar la decisión correcta, hay que recordar que la inversión es bastante fuerte. Tabla 5-2 Costo KIT A.T. Haefely COSTO F.O.B. U$ 320.000,00 FLETE (7% FOB) U$ 22.400,00 SEGURO (2% FOB) U$ 6.400,00 C.I.F. (FOB+FLETE+SEGURO) U$ 348.800,00 ARANCEL U$ 0,00 MANEJO EN ADUANA U$ 872,00 VALOR EN FAENA U$ 349.672,00 TRANSPORTE E INSTALACIÓN U$ 1.000,00 COSTO TOTAL U$ 350.672,00 Como se puede apreciar de la información mostrada en las tablas anteriores la diferencia en la adquisición entre un equipo y otro es bastante significativo, del orden de los U$ 90.000, sin embargo se debe mencionar que en el caso del equipamiento más costoso este puede realizar un amplio número de ensayos, característica que no cumple el generador Marx. 5.4 EJEMPLO DE ENSAYO DE ALTA TENSIÓN Existe una gran variedad de ensayos que se pueden realizar con un generador Marx, lo más comunes son los siguientes: Envejecimiento Contaminación Mecánicos Aceite Todos estos ensayos varían en su beneficio económico según distintos factores, como por ejemplo fletes y seguros de transporte, asesorías, estudios especializados, tiempos de ensayo, utilización de recursos humanos y tecnológicos, etc. por lo que como referencia el cobro por ensayos de estudio en alta tensión pueden variar entre los U$ 5.000 y los U$ 50.000. Además de la variación en los factores antes mencionados debe agregarse que la periodicidad de la solicitud de estos servicios no es constante y por ello es difícil establecer, en un periodo determinado, la cantidad de veces que se utilizarán los servicios del generador. Sin embargo, y a modo de ejemplo, se dará el detalle de un proyecto de medición de “Critical Flashover” con contaminación en aisladores. Este proyecto está basado en un estudio solicitado por una empresa minera para determinar la influencia de contaminantes que se depositaban en los aisladores debido a las faenas en la mina. El problema surge cuando en la empresa se producen descargas en los aisladores. Estas fallas podrían deberse a contaminantes, existentes en el ambiente de trabajo, para verificar esta teoría se solicita el servicio. El proyecto contempla los siguientes tópicos económicos, los cuales se muestran en la tabla 5-3. Tabla 5-3 Valores económicos utilizados. VALORES HORAS HOMBRE INGENIERO 1,50 UF U$ 42,50 HORAS HOMBRE TÉCNICO 0,50 UF U$ 14,17 COSTO REPOSICIÓN MARX U$ 263.254,00 COSTO REPOSICIÓN KIT U$ 350.672,00 USO EQUIPO MARX POR 8 HORAS U$ 263,25 USO EQUIPO KIT AT POR 8 HORAS U$ 350,67 TASA DE CAMBIO $ 600,00 VALOR UF $ 17.000,00 Según CEFA de Italia (Tomada desde Universidad de la Plata, Argentina) para el cobro de servicios por utilización de laboratorio de alta tensión se toma la siguiente referencia; además de las horas hombre ingeniero y técnico se debe agregar un tanto por mil del costo de reposición del equipo utilizado por un periodo de 8 horas de este. Los ensayos que se pueden realizar en un laboratorio de alta tensión contemplan tres etapas de trabajo: Instalación y Preparación, Desarrollo de los ensayos y Análisis de Datos. Cada uno de estos puntos involucra cierta cantidad de profesionales, según las necesidades. A continuación se dará la especificación de un ensayo de alta tensión a un grupo de aisladores para estudiar como afecta la contaminación en el desempeño eléctrico de éstos. Las características de cada etapa son las siguientes: Instalación y Preparación, esta etapa se refiere al armado, configuración y calibración de los equipos que se verán involucrados en los ensayos. En el caso de contaminación es en esta etapa que se debe implementar las probetas y cantidades de contaminantes que serán aplicados en la prueba. Además, se deben calibrar los equipos según los niveles de tensión necesarios. En la segunda etapa, desarrollo de los ensayos, se llevan a cabo las descargas y es cuando se utiliza con mayor detenimiento los equipos generadores de alta tensión y los equipos de medición involucrados. También la contaminación de aisladores es fundamental que se realice según normas aplicables y que darán la veracidad al resultado final. Por último, la tercera etapa refiere al análisis de los datos obtenidos durante el desarrollo del proyecto de ensayo, en esta se ven involucrados principalmente ingenieros que son los que darán el veredicto sobre el resultado y la influencia de los contaminantes. Como se puede apreciar en el apéndice C el costo total del proyecto, es decir la suma a cobrar al cliente por realizar este estudio alcanza U$ 11.161,72. es decir del orden de $6.600.000. costo que no es despreciable, pero sin embargo en la mayoría de los casos es más económico para una empresa realizar estos estudios comparado con las pérdidas que producen fallas en el sistema eléctrico. Para hacer un análisis cuantitativo de los beneficios económicos que involucran los equipos de alta tensión se buscará una frecuencia de solicitud de ensayos, tomando como valor de referencia el cobro calculado en el ensayo por contaminación, es decir, se estimará una mínima cantidad de eventos de este tipo por año de manera que en el lapso de 20 años, periodo de vida útil garantizado de los equipos, el costo de oportunidad del capital necesario para la adquisición sea menor a la adquisición. De la teoría económica una forma de analizar la rentabilidad de un proyecto es a través del factor denominado valor actual Neto(VAN) o valor presente neto(VPN) a una cierta tasa de retorno(TRMA). Es decir, se analizará cuantos ensayos al año se necesitarían para que la inversión se justifique. Cabe destacar que los beneficios de la implementación de un laboratorio de alta tensión no son solo cuantitativos, sino también cualitativos, tanto para el prestigio de la universidad como para el alumnado, el cual tendrá un espectro más amplio en las áreas de la ingeniería eléctrica. El valor presente neto se calcula según la siguiente ecuación: VAN = ∑ j Ingresos j (1 + TRMA) j −∑ j Egresos j (1 + TRMA) j (5-2) Donde j representa el periodo, en nuestro caso el egreso equivale al capital inicial de adquisición del equipo y los ingresos el costo de cada ensayo por el número de estos que se realizan en un periodo (año). La tasa de retorno para una inversión superior a 3 años es de 4.1%. Con estos datos podemos calcular ahora el Van para nuestro proyecto, el cual es de: VAN = U$ 7557.65 Este valor es para una solicitud de 2.1 ensayos por periodo, es decir, que se debiesen esperar por cada periodo 3 ensayos de manera de asegurar la buena rentabilidad de la compra. Para el Kit de Alta Tensión el van es positivo para 2.9 ensayos por periodo, con un valor de: VAN = U$ 6.450,97. 5.5 CONCLUSIONES En el caso del generador Haefely el valor del VAN es mayor que el obtenido por el Kit Hafely, esto indica como primer análisis que en caso de existir el capital se debe optar por el Generador Haefely, sin embargo, esta conclusión es muy apurada ya que no se han tomado en cuenta otros factores que no son cuantitativos, factores que involucran al alumnado, profesorado y todos los que pertenecen a la escuela de ingeniería eléctrica. Esto es, no se busca la adquisición de un equipo de alta tensión solo por el hecho que puede llegar a ser un buen negocio dependiendo de las solicitudes de servicio que se tenga, sino además que con la compra de estos equipos se amplía el campo de estudio dentro de la Universidad, los alumnos tienen una nueva área de estudio, los profesores una nueva área de enseñanza, sino que además la universidad gana en prestigio debido a que aumenta su espectro de enseñanza situándola como una de las tres universidades que cuentan con este tipo de equipos en nuestro país. Bajo estas consideraciones y siguiendo la misma línea de análisis podemos concluir que la mejor alternativa de adquisición es el Kit de Alta Tensión Haefely debido, principalmente, a la gran cantidad de ensayos distintos que se pueden realizar con este equipo en comparación con el SGSA 100-800. CONCLUSIONES Al finalizar el trabajo podemos hacer varias reflexiones respecto de lo estudiado. Las normas estudiadas son solo una pequeña parte de una gran variedad de normas y dentro de las cuales se desprenden otras que dependen del tipo de trabajo en el cual se va aplicar una norma específica, por ejemplo para alta tensión la norma principal es la 4-1982 estudiada en el capítulo 1 de este trabajo. Sin embargo, para hacer ensayos de la misma índole en la cual se aplica esta norma se deben considerar otras como la c29.1 de ella, dependiendo del tipo de aislador, se debe aplicar la c29.10, c29.11, etc. Es decir sería muy difícil para un solo trabajo dar a conocer todas las normas existentes. Al igual que en alta tensión las lámparas de descarga deben ser reguladas para asegurar que en caso del reemplazo del ignitor este cumpla con lo exigido por los fabricantes de manera de asegurar su correcto funcionamiento, es así que existen también normas que regulan el alto, ancho, duración, etc de los impulsos, sin embargo las normas no son tan explícitas y detalladas comparadas con las normas aplicadas a la alta tensión. El generador Marx es la alternativa más utilizada para generar impulsos de hasta 5 MV de tensión debido a la baja complejidad en su fabricación y su diseño no varía mayormente entre fabricantes. El principal trabajo de simular estos efectos se refiere principalmente a la forma de producir la descarga, de hecho estas descargas se producen a través de dieléctricos, como el aire, que aún en la actualidad no están del todo comprendidas por los expertos. Sin embargo, la aplicación de software para este y otros estudios es de vital importancia ya que se puede saber como se van a comportar los elementos ante un evento fortuito como un rayo que cae en un sistema de transmisión, y es para eso que se debe estar preparado de manera de asegurar la continuidad y calidad del servicio eléctrico además de la disminución en los costos económicos. El gran problema para una universidad de recursos limitados es el alto costo de implementar tecnología de punta en el análisis y generación de alta tensión, sin embargo a través de un análisis exhaustivo de costos y beneficios se puede determinar que estos equipamientos pueden equiparar el costo de instalarlos. No solo por el hecho de que se habla de equipos que cuestan miles de dólares sino que acarrea una serie de beneficios para la universidad que no son cuantitativos, pero que tienen gran importancia para una institución que busca expandirse al mundo. BIBLIOGRAFÍA [1] Coaton, J.R. & Marsden A.M., Lamp and Lighting, Arnold, Fourth Edition, 1997. [2] Gallaguer, Pearmain, High Voltage: Measurement, Testing and Design, John Wiley and Sons, 1984. [3] Kuffel, E., Zaengl, W.S., High Voltage Engineering, Fundamentals, Hammond p., 1984. [4] IEEE, Power Engineering Society, Standard Techniques for High Voltage Testing, 1982. [5] American National Standard, Test Methods For Electrical Power Insulators, 1988. [6] Escuela del Técnico Electricista, Tomo 12, Técnica de la Alta Tensión, Labor S.A., 1970. [7] Quiroz N., Iván P., Diseño, Construcción y Evaluación Técnica y Económica de un Ignitor para Lámparas de Descarga de Haluros Metálicos. Informe Final de Proyecto de Título, Escuela de Ingeniería Eléctrica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Mayo de 2000. [8] British Standard, General and Safety Requirements for Starting Device, England, 1990. [9] Cadense Design Systems, PSpice version 9.2, 1998-2000. APÉNDICE A CURVAS PARA EL CÁLCULO DE FACTORES DE CORRECCIÓN APÉNDICE A CURVAS DE NORMAS PARA CORRECCIÓN DE FACTORES Figura A-1 Curva para corrección de humedad Figura A-2 Curva para el factor de corrección de presión Figura A-3 Curva para corrección de humedad Norma C29.1 Figura A-4 Figura A-5 Curva para el cálculo de m y n. Ejemplo de curva de probabilidad para cálculo de CFO. APÉNDICE B SIMULACIÓN KIT DE ALTA TENSIÓN HAEFELY APÉNDICE B SIMULACIÓN KIT ALTA TENSIÓN HAEFELY B.1 GENERACIÓN ALTA TENSIÓN ALTERNA Para generar alta tensión alterna se utiliza el transformador Elevador, el cual consta de tres etapas, cada una capaz de generar 100 kV efectivos. Este transformador consta de tres devanados dos de los cuales están en relación 1:1 para poder formar la cascada necesaria para elevar la tensión a niveles superiores a los 100 kV. Las características intrínsecas del transformador fueron obtenidas desde un transformador de similares características existente en la Universidad Técnica Federico Santa María. B.1.1 Generación Alta Tensión Alterna con una Etapa Figura B-1 Circuito equivalente para generación AC, 1 etapa. Las formas de onda siguientes representan la tensión en la carga y la corriente en el secundario del transformador. Todas las simulaciones estarán hechas a plena carga, es decir con la capacidad máxima de carga del transformador. 200KV 100KV SEL>> 0V RMS(V(CARGA:1)) 200KV 0V -200KV 0s 50ms V(CARGA:1) 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 250ms 300ms Time Figura B-2 Tensión en la probeta 100mA 50mA 0A RMS(I(L2)) 200mA 0A SEL>> -200mA 0s 50ms 100ms 150ms 200ms I(L2) Time Figura B-3 Corriente en el transformador B.1.2 Generación Tensión Alterna con dos Etapas Como se explicó anteriormente para generar el doble de tensión se utiliza el transformador con una configuración en cascada, tal como se muestra en el circuito siguiente. Figura B-4 Generación AT alterna, 2 etapas. 400KV 200KV SEL>> 0V RMS(V(CM21:1)) 400KV 0V -400KV 0s 50ms 100ms 150ms 200ms V(CM21:1) Time Figura B-5 Tensión AC, 2 etapas. 250ms 300ms 40mA 20mA SEL>> 0A RMS(I(L6)) 40mA 0A -40mA 0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms I(L6) Time Figura B-6 B.2 Corriente transformador AC, 2 etapas. GENERACIÓN ALTA TENSIÓN CONTINUA. Para generar alta tensión continua el kit haefely tiene, al igual que en el caso de tensión alterna, tres niveles de tensión que se pueden obtener a través de distintas configuraciones. B.2.1 Generación Tensión Continua con una Etapa Figura B-7 Circuito AT DC, 1 etapa. 150KV 100KV 50KV 0V 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s V(RM1:1) Time Figura B-8 Según la norma Tensión en la carga, DC 1 etapa. IEC 600060-1, la ondulación en un ensayo de alta tensión continuo no debe superar el 3%. comprueba que la ondulación es de 2.78%. En el caso de la simulación se B.3 GENERACIÓN DE IMPULSOS 1 Etapa. Al igual que para el caso de la generación de alta tensión alterna y continua, el kit haefely tiene la capacidad de trabajar con distintos niveles de tensión. Como es sabido de toda la teoría de la generación de impulsos el rendimiento del generador es influenciado por la relación entre la carga y las resistencia de cola y frente. Es así como para el caso específico del kit haefely viene una serie de resistencias de cola y frente para distintos niveles de carga. En la simulación solo se aplicará para el nivel máximo de carga, el que en general, implica el menor nivel de tensión. B.3.1 Generación de Impulsos con una Etapa Figura B-9 Generador de impulsos, 1 etapa. 105KV 80KV 40KV 0V 40.000ms V(Carga1:1) 40.020ms 40.040ms 40.060ms Time Figura B-10 Impulso con una carga de 7 nF. 1 etapa. B.3.2 Generación de Impulsos con dos Etapas Figura B-11 Generador de impulsos, 2 etapas. 197KV 150KV 100KV 50KV 0V 40.00ms V(6) 40.01ms 40.02ms 40.03ms 40.04ms Time Figura B-12 Impulso a carga máxima, 2 etapas. B.3.3 Generación de Impulsos con tres Etapas. Figura B-13 Generación de Impulsos, 3 etapas. 40.05ms 287KV 200KV 100KV 0V 40.00ms V(CB13:1) 40.02ms 40.04ms Time Figura B-14 Impulso a carga máxima, 3 etapas. 40.06ms APÉNDICE C EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN APÉNDICE C EJEMPLO DE ENSAYO EN ALTA TENSIÓN Todos estos ensayos varían en su beneficio económico según distintos factores, como por ejemplo fletes y seguros de transporte, asesorías, estudios especializados, tiempos de ensayo, utilización de recursos humanos y tecnológicos, etc. por lo que como referencia el cobro por ensayos de estudio en alta tensión pueden variar entre los U$ 5.000 y los U$ 50.000. Además de la variación en los factores antes mencionados debe agregarse que la periodicidad de la solicitud de estos servicios no es constante y por ello es difícil establecer, en un periodo determinado, la cantidad de veces que se utilizarán los servicios del generador A continuación se verá el detalle de los cobros realizados a un cliente para la solicitud de un ensayo en particular. Como ya se especificó este trabajo se realizará en tres etapas, las cuales están individualizadas en las figuras que aparecen más adelante. Los costos asociados a cada etapa del trabajo se detallan en la figura C-1. Se debe dejar en claro que este trabajo es una pequeña muestra de cómo se realiza un ensayo en alta tensión, dentro de los cuales existe una infinidad de aplicaciones que están reguladas por normas específicas dependiendo del tipo de ensayo que se realiza. Id 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Nombre de tarea ENSAYO CONTAMINACIÓN INSTALACIÓN Y PREPARACIÓN Recepción Probeta Ingeniero1 instalación Probeta Ingeniero1 Técnico1 constrastación Equipo A.T. Ingeniero1 Técnico1 Preparación Ensayos Ingeniero2 DESARROLLO DE ENSAYOS Ensayo Tensión Flashover s/contaminación Ingeniero1 Técnico1 equipo A.T. Ensayo de Tensión con aplicación de Contam Ingeniero1 Técnico1 equipo A.T. Ensayo de Tensión con aplicación de Contam Ingeniero1 Técnico1 equipo A.T. ANÁLISIS DE DATOS Análisis de datos Ingeniero1 Ingeniero2 Equipo Análisis de Datos Preparación Informe Ingeniero1 Ingeniero2 Equipo Análisis de Datos Figura C-2 Id 1 2 3 4 5 6 Costo total 11.161,72 U$ 1.756,72 U$ 170,00 U$ 170,00 U$ 453,36 U$ 340,00 U$ 113,36 U$ 453,36 U$ 340,00 U$ 113,36 U$ 680,00 U$ 680,00 U$ Detalles Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. Trab. 5.265,00 U$ Trab. 1.755,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 340,08 U$ Trab. 394,92 U$ Trab. 1.755,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 340,08 U$ Trab. 394,92 U$ Trab. 1.755,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 340,08 U$ Trab. 394,92 U$ Trab. Trab. 4.140,00 U$ Trab. 2.070,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 30,00 U$ Trab. 2.070,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 1.020,00 U$ Trab. 30,00 U$ Trab. J V 12h 12h 4h 4h 8h 4h 4h S 12 dic '04 D L 24h 24h 8h 4h 4h 8h 4h 4h 8h 8h Detalle del desarrollo del proyecto. Nombre del recurso Ingeniero1 Ingeniero2 Técnico1 Técnico2 equipo A.T. Equipo Análisis de Datos Figura C-3 Capacidad máxima 100% 100% 100% 100% 100% 100% Recursos utilizados Tasa estándar 42,50 U$/hora 42,50 U$/hora 14,17 U$/hora 14,17 U$/hora 32,91 U$/hora 1,25 U$/hora Id 1 2 Nombre de tarea ENSAYO CONTAMINACIÓN INSTALACIÓN Y PREPARACIÓN Duración 18 días Comienzo vie 10-12-04 Fin mar 04-01-05 c Pre Nombre 3 días vie 10-12-04 mar 14-12-04 3 Recepción Probeta 0,5 días vie 10-12-04 vie 10-12-04 Ingenier 4 instalación Probeta 1 día vie 10-12-04 lun 13-12-04 3 Ingenier 5 constrastación Equipo A.T. 1 día lun 13-12-04 mar 14-12-04 4 Técnico 6 Preparación Ensayos 2 días lun 13-12-04 mar 14-12-04 3 Ingenier 7 8 DESARROLLO DE ENSAYOS 9 días mié 15-12-04 lun 27-12-04 9 Ensayo Tensión Flashover s/conta 3 días mié 15-12-04 vie 17-12-04 6 Ingenier 10 Ensayo de Tensión con aplicación 3 días lun 20-12-04 mié 22-12-04 9 Ingenier 11 Ensayo de Tensión con aplicación 3 días jue 23-12-04 lun 27-12-04 10 Ingenier 12 13 ANÁLISIS DE DATOS 6 días mar 28-12-04 mar 04-01-05 14 Análisis de datos 3 días mar 28-12-04 jue 30-12-04 11 Ingenier 15 Preparación Informe 3 días vie 31-12-04 mar 04-01-05 14 Ingenier Figura C-4 Detalle calendario del ensayo Como se puede apreciar y haciendo un compendio de la información aparecida en las figuras anteriores el costo total del proyecto asciende hasta los U$ 11600, los cuales deben ser cobrados al potencial cliente del laboratorio. El mayor costo se produce en la segunda y tercera etapa, debido principalmente al mayor tiempo de dedicación, costo de los equipos involucrados y mayor número de horas ocupadas por los profesionales.
