REDISEÑO DE UN PROTOTIPO DE DIVISOR DE TENSIÓN CAPACITIVO AMORTIGUADO DE
300kV PARA PRUEBAS DE TENSIÓN DE IMPULSO
Juan David Mina Casaran
Candidato a Ingeniero Electricista
Directores
Diego Fernando Echeverry Ibarra Ph.D
Diego Fernando García Gómez Ph.D
Julio 11 de 2013
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
2
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
2
SISTEMA DE GENERACIÓN Y MEDIDA EN LAT
3
DIVISOR DE TENSIÓN PARA IMPULSO
Impulso tipo rayoVolts
U[pu]
t
0,9
0,3
Tf Tc
1,0
kilo Volts
4
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
5
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La problemática está dada en que el laboratorio de Alta Tensión de la Universidad del Valle no cuenta con un divisor de tensión de respaldo que le permita realizar un programa de verificación interno, con el cual se puedan realizar inter comparaciones y verificaciones periódicas.
6
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
7
OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO
Rediseñar un prototipo de divisor de voltaje capacitivo amortiguado para señales tipo impulso que pueda ser utilizado como equipo de respaldo y para su uso en programas de verificación y comparaciones internas en el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad del Valle.
8
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
9
METODOLOGÍA DE TRABAJO
Revisión del estado del arte
Adquisición del conocimiento necesario
Diseño, simulación y obtención de los materiales e insumos
Construcción y validación de los componentes del divisor
Validación del funcionamiento del divisor
10
Tipos de divisores de tensión
• Divisor resistivo:
ESTADO DEL ARTE
𝑎=𝑅𝐴𝑉+𝑅𝐵𝑉
𝑅𝐵𝑉
Divisor de tensión para impulso 300 kV
11
• Divisor capacitivo:
ESTADO DEL ARTE
𝑎=𝐶𝐴𝑉 +𝐶𝐵𝑉
𝐶 𝐴𝑉Divisor de tensión para impulso RSE 2800 kV
12
𝑎=𝐶𝐵𝑉∗(1+𝑅𝑑𝑎∗𝐶𝐴𝑉 )
𝐶𝐴𝑉
ESTADO DEL ARTE
Divisor de tensión para impulso CS 400 kV
• Divisor capacitivo amortiguado:
13
Tensión nominal y tensión máxima
de entrada
Tensión nominal de salida
Factor de escala
Cargabilidad
Ancho de banda
Frecuencia de corte
Tiempo de respuesta
Requerimientos de los divisores de tensión
ESTADO DEL ARTE
Distribución lineal del campo eléctrico
14
• Tiempo de respuesta:
ESTADO DEL ARTE
𝑻 𝟏
𝑻 𝟐
𝑻 𝟑
𝑻 𝟒
𝑻 𝟓
𝑻 𝑵=𝑻 𝟏−𝑻𝟐+𝑻 𝟑−𝑻 𝟒+𝑻 𝟓
15
ESTADO DEL ARTE
• Frecuencia de corte:
16
𝐻 (𝑠 )= 𝑏𝑺𝟐+2𝜉𝑤𝑛𝑺+𝑤𝑛
2
Rango de respuestadel divisor
Rango de frecuencia
de atenuación
Rad/seg
• Ancho de banda:AB > 1,2 MHz
[µS] [µS]
ESTADO DEL ARTE
Tiempo Tiempo
Volta
je [V
]
Volta
je [V
]
17
• Distribución lineal del campo eléctrico:
ESTADO DEL ARTE
18
Sin relajador
Altura del divisor (%)
Esfu
erzo
elé
ctric
o (*
10⁵)
• Distribución lineal del campo eléctrico: tipos de electrodos relajadores de campo eléctrico
ESTADO DEL ARTE
19
• Distribución lineal del campo eléctrico:
ESTADO DEL ARTE
Con relajador
Altura del divisor (%)
Esfu
erzo
elé
ctric
o (*
10⁵)
20
Especificaciones técnicas DCA 300 kV (previo)
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
21
Construcción del resistor de amortiguamiento
97 espiras
2 mm de separación
Voltaje entre esp. 248 V
Resistencia 486 Ω34,8 Ω/m
Voltaje máx. 12 kV
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
22
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
23
SFRA
Validación experimental al resistor de amortiguamiento
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
Impulso
10 kV
24
1,2MHz
Construcción de los brazos de baja tensión
Ceq=0,68
Ceq=0,33
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
25
Respuesta en frecuencia del DCA 300 kV
𝐻1 (𝑠 )=1’470 .588,235 35,421𝑥 10−6𝑺𝟐+475𝑺+1251′ 470.588,235
𝐻2 (𝑠 )=3 ′030.303,0335,421 𝑥10− 6𝑺𝟐+475𝑺+1253′ 030.303,03
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
26
5,5Mrad/s5,9Mrad/s
Rangos de respuesta en frecuencia del DCA
G = 850 G = 413
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
27
Frecuencia compleja s = σ + jw
G = 850 G = 413
Ancho de banda AB = 2,1 MHz . Ondas con un tiempo de frente de hasta 0,47 µs
σ ≈ -13,4 x 10⁶ nep/seg
w ≈ -5 x 10⁶ rad/seg
w ≈ 5 x 10⁶ rad/seg
σ ≈ -1,7 x 10⁴ nep/seg
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
28
σ σ
w w
G = 1/413
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
29
σ
w Caso de inestabilidad (G = 1000)
320kHz
Evaluación teórica de los electrodos de placas paralelas
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
Altura del brazo de alto voltaje [m]
Volta
je a
lo la
rgo
de la
ram
a AV
[V]
30
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
Distribución de los esfuerzos a lo largo del brazo de A.V (sin relajador de campo)
Altura del brazo de alto voltaje [m]
Esfu
erzo
elé
ctric
o (*
10⁶ V
/m)
E = 1’000.000 V/m
31
Distribución del voltaje a lo largo del brazo de A.V (con relajador de campo)
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
Altura del brazo de alto voltaje [m]
Volta
je a
lo la
rgo
de la
ram
a AV
[V]
32
Distribución de los esfuerzos a lo largo del brazo de A.V (con relajador de campo)
Altura del brazo de alto voltaje [m]
Esfu
erzo
elé
ctric
o (*
10³
V/m
)
DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES
E = 225.000 V/m
33
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
34
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
Ondas de salida para la evaluación del divisor
48 impulsos positivos y negativos30 kV – 170 kV
35
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
Determinación del factor de escala
X = 386σ = 4,3
_X = 822σ = 5,2
_
36
Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de frente
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
37
Tiempo de frente:1,2 µs ± 30%
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de frente
1,8%
3%
1,6%
3%
38
a = 386
Divisor previo 1% - 9%
a = 822
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de cola
39
Tiempo de cola:50 µs ± 20%
Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de cola
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR
0%
4%
0%
3,3%
40
a = 386 a = 822
Divisor previo 2% - 4%
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema
2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
41
DIVISOR DE TENSIÓN CAPACITIVO AMORTIGUADO300 KV
Especificaciones técnicas DCA 300 kV (final)
42
CONTENIDO
• Introducción1
• Planteamiento del problema
2
• Objetivos3
• Metodología de trabajo4
• Resultados obtenidos5
• Conclusiones y trabajos futuros6
43
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
• Con la realización de este trabajo queda demostrada la factibilidad que representa construir y repotenciar divisores de tensión para impulso, mediante la utilización de elementos comerciales como lo son: alambre de Nicrom, condensadores de poliéster, y accesorios metálicos.
• Con la técnica aplicada para la construcción del resistor son despreciables los efectos inductivos a frecuencias inferiores de 1 MHz; esto fue comprobado con el análisis de respuesta en frecuencia (FRA) realizado al resistor.
Conclusiones.
44
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
• En las simulaciones realizadas al divisor de tensión en el software FLUX 2D se encontró que los electrodos de placas paralelas presentan un buen desempeño produciendo una distribución lineal del voltaje en el brazo de alta tensión y minimizando los esfuerzos eléctricos en los condensadores más próximos a la entrada del divisor.
• Durante las pruebas realizadas al divisor, se demostró que este elemento es apto para medir tensiones de impulso de 1,2 x 50µs ya que presenta una señal de salida que discrepa con respecto a la señal de entrada en porcentajes que no superan el 4%, respecto de la señal de entrada.
45
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
• Mediante la implementación de herramientas de simulación computacional como son PSPICE, MATLAB, FLUX2D y AUTOCAD se facilitó el desarrollo del proyecto, dado que estas herramientas ayudan a estimar previamente el comportamiento de elementos constituyentes del divisor de tensión permitiendo realizar mejoras antes de establecer el diseño final.
46
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Trabajos futuros
• A partir de los resultados obtenidos en este trabajo, actualmente se encuentra aprobado un proyecto de grado para la construcción de un divisor resistivo de 100 kV, construyendo el brazo de alto voltaje con la técnica aplicada en este trabajo; igualmente el Grupo de investigación en Alta Tensión aumentará la capacidad de voltaje con que se realizan las pruebas de impulsos tipo rayo, para esto se requiere construir un divisor para impulso de 700 kV.
47
AGRADECIMINETOS
A Dios por brindarme su bendición e iluminar mi camino.
A mis padres y mi familia por apoyarme siempre.
A mis tutores los profesores Diego Fernando Echeverry y Diego Fernando García, por brindarme toda su experiencia, consejo y apoyo en el desarrollo de este trabajo.
A los jurados los profesores Eduardo Marles y Diego Navas.
A toda la familia que conforma el Grupo de Investigación en Alta Tensión de la Universidad del Valle.
Agradezco a todos mis amigos y compañeros por haberme dado la posibilidad de compartir buenos momentos a su lado.
48
¡GRACIAS!