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• Washington Omar Jr.

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ALTA TENSIÓN I

PRESENTACION

Horario u

Martes (3761), 18H00 – 20H00

u

Sábado 14H00-16H00 (3761)

u

Practicas en Laboratorio (Cada 15 días ) Sábado 14H0016H00 ( 3761) Ing. Ervin Solano.

Horario u

Sábado (3760), 09H00 – 13H00

u

Practicas en Laboratorio (Cada 15 días ) Sábado 09H0011H00 ( 3760 ) Ing. Ervin Solano.

POLITICA DE EVALUACION ( Interciclo - Final ) u

Lecciones Escritas

u

Proyectos en AVAC

u

Practicas en Laboratorio

u

Actividad en Clase - Deberes

u

Examen ( 20 % )

OBJETIVOS DEL CURSO u

Estudiar el comportamiento y los efectos de los materiales.

u

Comprender y aplicar técnicas para evaluar fenómenos electromagnéticos que se producen en líneas de transmisión y predeterminar sus efectos.

u

Comprender eventos que provocan sobre tensiones tanto de tipo permanentes como transitorias en sistemas de transmisión.

u

Clasificar las sobretensiones por magnitud y tiempo

u

Ejecutar pruebas en Alta Tensión

OBJETIVOS DEL CURSO u

Seleccionar los parámetros de aislantes en equipos de potencia.

u

En general se debe analizar el comportamiento del voltaje en estado estable y transitorio en un Sistema Eléctrico de Potencia.

CONTENIDO u

INTRODUCCIÓN

u

DESCARGAS Y PERFORACIONES EN GASES Y EN EL AIRE

u

AISLANTES LIQUIDOS Y SOLIDOS

u

TECNICAS DISRUPTIVAS

u

SOBRETENSIONES

u

SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

u

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA

TEXTOS-REFERENCIAS u

KUCHLER ANDREAS, HIGH VOLTAGE ENGINEERING FUNDAMENTALS-TECHNOLOGY-APPLICATIONS, SPRINGER,2013.

u

RAVINDRA ARORA, WOLFGANG MOSCH, HIGH VOLTAGE AND ELECTRICAL INSULATION ENGINEERING IEEE PRESS SERIES ON POWER ENGINEERING, WILEY, 2011.

u

NEC 2014

u

NFPA 780

u

IEEE Std 1243, Std 1410-2004, Std 998.

CONCEPTOS BASICOS u

Voltaje o Tensión Eléctrica: Es la fuerza necesaria que mueve los electrones en un circuito por medio de un material conductor desde un punto de mayor potencial a otro menor potencial. u

La electricidad estática es energía eléctrica en reposo

u

La electricidad dinámica implica la transferencia de energía de una fuente a una carga. Esto se realiza mediante el movimiento de electrones a lo largo de un circuito. La fem es la energía que impulsa a los electrones en un circuito.

CONCEPTOS BASICOS u

Corriente Eléctrica: Es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que se encuentra a diferente potencial eléctrico. u

Puesto que los electrones son partículas cargadas negativamente, son atraídas por cargas positivas y repelidos por cargas negativas. Si dos objetos cargados se conectan por medio de un material conductor como un alambre, una corriente de electrones fluirá del objeto negativo al positivo.

CONCEPTOS BASICOS u

Corriente Eléctrica:

CONCEPTOS BASICOS u

Corriente Eléctrica:

CONCEPTOS BASICOS u

Corriente Eléctrica: Un amperio de corriente equivale al movimiento de 6.28 x 1018 electrones que pasan por un punto dado en un circuito en un segundo de tiempo.

CONCEPTOS BASICOS u

Conductor: Es una substancia en la que los electrones de las capas atómicas mas externas están muy débilmente ligadas al núcleo, de manera que pueden moverse libremente.

u

En estos materiales, los electrones de valencia es decir los de nivel superior, pueden separarse sin dificultad de los átomos padres al aplicar la fuerza del voltaje. Dicho de otra manera un conductor es un material que tiene muchos electrones libres.

CONCEPTOS BASICOS u

Conductor: El Oro, La Plata, El Aluminio, El Cobre son buenos conductores eléctricos en general los metales tienen esta propiedad.

u

Ciertos Gases bajo condiciones especiales, pueden usarse como conductores por ejemplo el gas neón, el gas argón, el vapor de mercurio, vapor de sodio se usan en lámparas.

INTRODUCCIÓN u

Tensiones Asignadas y Tensiones de Servicio u

La tensión asignada de un sistema se define según la IEC 60038, como aquella con la cual se designa al sistema y a la cual se referencian ciertas características de operación.

u

La tensión de servicio en un punto cualquiera del sistema eléctrico es el valor realmente existente en dicho punto, en un instante determinado.

u

La tensión máxima de un equipo es el máximo valor de la tensión asignada del sistema para la cual el equipo o material puede ser utilizado.

SISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA • Gigantescos y sofisticados sistemas de producción, transporte y consumo SEE CONVENCIONAL

• Es el mayor sistema industrial creado por la Humanidad

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN u

Los niveles de tensión anteriores se pueden agrupar de la siguiente manera. u

ALTA TENSION: AT:

52 kV < Vm < 300 kV

u

EXTRA ALTA TENSION: EAT: 300 kV < Vm < 550 kV

u

ULTRA ALTA TENSION: UAT:

Vm > 800 kV

CAMPOS ELECTROSTATICOS u u

u u

Carga Eléctrica La Carga Eléctrica es aquella propiedad de determinadas partículas subatómicas que se produce cuando se relacionan unas con otras, esta interacción es electromagnética y se hace con las cargas positivas y negativas de la partícula. Cualquier elemento considerado materia tiene un conjunto de cargas, positivas, negativas y fraccionadas (Quarks), existe un movimiento de las partículas que contiene este elemento y genera a su vez un campo electromagnético que interactúa con su entorno, lo que lo rodea también tiene electromagnetismo por lo que la interacción entre campos es constante. La Carga Eléctrica es una unidad del Sistema Internacional de Unidades, se define como: “La cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un determinado conductor eléctrico durante el lapso de un segundo y cuando la corriente eléctrica es de un amperio.

CAMPOS ELECTROSTATICOS u

Ley de Coulomb

u

Existen dos tipos de cargas eléctricas, cargas positivas y cargas negativas, según la Ley de Coulomb, se establece que las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen. A través de la Ley de Coulomb se puede deducir el valor de las cargas, la fórmula es:

CAMPOS ELECTROSTATICOS

CAMPOS ELECTROSTATICOS

u

Ley de Coulomb

u

K K= 9 ×10 N

; εo = permitividad del vacío= 8.8542 ×10 /

/N

CAMPOS ELECTROSTATICOS

Ejemplo 1 u

Dos balones conductores de igual radio son electrizados con cargas Q1 y Q2. La distancia “d” entre los centros de los balones es mucho mayor que sus radios. Los balones son puestos en contacto y vueltos a poner en sus posiciones originales. Determinar en ambos casos, la fuerza existente entre los dos balones. Evalué la respuesta para cuando d=10 cm.

u

A) Q1= 2x10

u

B) Q1+Q2

10

C ; Q2= 8X10

10

C

CAMPOS ELECTROSTATICOS u

Campo Eléctrico u Una

propiedad del espacio mediante la cual “se propaga” la interacción entre cargas.Una región del espacio donde existe una perturbación tal que a cada punto de dicha región le podemos asignar una magnitud vectorial, llamada intensidad de campo eléctrico E.

CAMPO ELECTRICO u

Sea una carga eléctrica puntual q situada en un punto, y F una fuerza sobre ella proporcional a q. Se llama campo eléctrico en el punto que ocupa q uE

u

Se ve que E es un vector de la dirección de F, del mismo sentido que F si q es positiva, y de sentido opuesto si q es negativa; su unidad es N/C (newton por culombio). Por tanto, que sea E el campo eléctrico en un punto significa que la fuerza sobre una carga de un culombio en ese punto es E. Por lo que la fuerza sobre cualquier carga de q culombios en ese punto se halla multiplicando q por el campo: uF

CAMPO ELECTRICO

CAMPO ELECTRICO En torno a cualquier instalación eléctrica de potencia existen campos eléctricos y magnéticos, provocados por la presencia de voltajes y corrientes. Los campos eléctricos dependen sólo de los voltajes, los campos magnéticos dependen sólo de las corrientes y los valores observados son respectivamente proporcionales.

Ejemplo 2 u

¿Cuál es el valor del campo eléctrico total en el punto A.? Si hay dos cargas fuente, Q1= 50x 10 C y Q2 = 50x10 C

Ejemplo 2 u

¿Cuál es el valor del campo eléctrico total en el punto A.? Si hay dos cargas fuente, Q1= 50x 10 C y Q2 = 50x10 C

Ejemplo 2 u

¿Cuál es el valor del campo eléctrico total en el punto A.? Si hay dos cargas fuente, Q1= 50x 10 C y Q2 = 50x10 C

Ejemplo 2 u

¿Cuál es el valor del campo eléctrico total en el punto A.? Si hay dos cargas fuente, Q1= 50x 10 C y Q2 = 50x10 C

Ejemplo 3 u

Localizar el punto, o los puntos sobre el eje de las “x”, donde la intensidad del Campo Eléctrico se anule, para la ubicación, de las partículas eléctricamente cargadas que se muestra en la figura.

Ejemplo 4 u

Una esfera no conductora con una carga “q”, cuelga de un hilo de longitud “l” ,dentro de un campo eléctrico de intensidad E. Determinar la masa de la esfera, si el ángulo entre la vertical y el hilo es ϴ.

Calculo del Campo Eléctrico u

Calcular el campo eléctrico creado por un hilo conductor infinito con densidad lineal de carga uniforme λ.

u

Calcular el campo eléctrico creado por una superficie cilíndrica infinitamente larga de radio R y densidad superficial de carga σ.

u

Calcular el campo eléctrico creado por una esfera conductora con carga uniformente distribuida Q., de manera exterior e interior.

Condensador Eléctrico u

La facultad de almacenar energía en forma de carga eléctrica se llama Capacidad. Un dispositivo físico designado para poseer capacidad recibe el nombre de Condensador.

u

En su forma mas simple un condensador no es mas que dos conductores separados por un aislante.

Condensador Eléctrico u

Un condensador almacena energía cuando se obliga a una carga eléctrica a ir a las placas, por cierta fuente de energía, tal como una batería.

u

Cuando se conecta una batería al condensador, circula una corriente directa hasta que el condensador quede cargado.

u

Condensador Eléctrico u

Los electrones del terminal negativo de la batería se mueven a través de los conductores de conexión acumulándose en una de las placas. En el mismo instante, electrones de la otra placa se mueven, a través de los cables de conexión, hacia el terminal positivo de la batería.

u

El resultado total es que una placa del condensador termina con un exceso de electrones (carga negativa). La otra placa termina con una deficiencia de electrones (carga positiva).

u

Tomar en cuenta que en el proceso de carga del condensador no se mueven electrones desde una placa, a través del dieléctrico, a la otra placa.

u

Cuando el condensador esta cargado se detiene la corriente y se comporta como un interruptor abierto.

Condensador Eléctrico u

Las cargas opuestas de las placas del condensador crean una nueva fuente de energía.

u

La energía almacenada en el condensador produce un voltaje igual al de la fuente de la energía original.

u

Ya que el voltaje del condensador es igual, pero en oposición, al de la batería existe un estado de equilibrio. No puede circular corriente en ningún sentido.

u

Un condensador cargado puede desconectarse de la fuente original de energía y usarlo como nueva fuente de energía.

Condensador Eléctrico u

El condensador tiene limitado su uso como fuente primaria de energía por lo siguiente: u

Por su peso y tamaño, la cantidad de energía que puede almacenar es pequeña comparada con una batería.

u

El voltaje obtenido del condensador disminuye rápidamente cuando se retira la energía del condensador.

Condensador Eléctrico u

En un circuito de corriente continua, un condensador actúa como un circuito abierto después de su carga inicial.

u

En corriente alterna, los condensadores periódicamente almacenan y retoman energía. En otras palabras, se cargan y descargan al variar el voltaje de la fuente de corriente alterna.

u

Aunque la cantidad de energía almacenada es pequeña,un condensador puede producir una descarga eléctrica. Esta puede ser grave y fatal si el equipo es grande y cargado a un voltaje elevado.

Dieléctricos u

El estudio del Campo eléctrico en presencia de materia es lo que conocemos como estudio de los DIELECTRICOS.

u

FARADAY experimento que cuando se llenaba el espacio entre las placas de un condensador con alguna materia aislante como MICA o VIDRIO, la capacidad del condensador aumentaba con una constante de proporcionalidad εr .conocida como constante dieléctrica relativa.

u

En general todos los materiales que no son conductoras presentan este efecto y se les llama subestación dieléctricas

u

Al producto de la constante dieléctrica relativa y la constante dieléctrica del vacio se la conoce como CONSTANTE DIELECTRICA.

Dielectricos u

u

La materia es normalmente neutra eléctricamente, un ejemplo desde el punto de vista atómico esta constituida por cargas positivas y negativas de igual numero. A diferencia de los conductores, en los dieléctricos, estas cargas no son libres de moverse cuando están bajo la influencia de un campo eléctrico externo, como sucede con los electrones en los metales conductores, no obstante las fuerzas producidas por el campo eléctrico origina desplazamientos relativos de las cargas de signo opuesto cuya extensión depende de la mayor o menor rigidez con que las cargas estén unidas, este desplazamiento se conoce como POLARIZACION DE LA SUBSTANCIA.

Dielectricos u

Desde el punto de vista macroscópico, los desplazamientos de carga debidos a la polarización originan la aparición de cargas en la superficie del DIELECTRICO.

u

Desde el punto de vista atómico los desplazamientos de los centros de carga pueden considerarse como una colección de dipolos eléctricos y se puede hablar de un momento dipolar por unidad de volumen.

Valores de constantes dieléctricas relativas o índice dieléctrico εr SUBSTANCIA

εr

SUBSTANCIA

εr

Baquelita

4.5 - 7.5

Aire

Ambar

2.2 - 2.9

Micanita

4.5 - 5.5

Vidrio

3.5 - 16

Papel

1.8 - 2.6

Mica

5.0 - 7.0

Parafina

2.1 - 2.3

Madera

3.0 - 6.5

Porcelana

4.5 – 6.0

3

Aceite de Trafo

2.2 - 2.5

3.0 - 4.5

Agua Destilada

81.0

Goma Laca Aislante de cable

1.0006

AISLADORES Un aislador eléctrico es un material que no conduce fácilmente una corriente eléctrica. Estos materiales contienen electrones de valencia que están fuertemente ligados al núcleo de sus átomos. Como consecuencia se requiere de un voltaje muy intenso para producir en ellos un numero significativo de electrones libres. El vidrio, la porcelana, mica, hule, plástico, papel y madera son aisladores comunes. Estos materiales se emplean para aislar eléctricamente a los conductores, de manera que las corrientes que transportan circulen en las trayectorias convenientes.

AISLADORES No existe una separación total entre los conductores y los aisladores. Todos los materiales aislantes conducirán corriente eléctrica si se les aplica un voltaje lo suficientemente alto. Por ejemplo, se estima que el aire es un buen aislador, sin embargo en una tormenta, los enormes voltajes generados entre las nubes y la tierra provocan que el aire conduzca corriente en forma de relámpago.

RIGIDEZ DIELECTRICA La capacidad de un material para aislar se conoce como RIGIDEZ DIELECTRICA. MATERIAL

RIGIDEZ DIELECTRICA – Voltaje de ruptura en voltios por 0.001 pulgadas

MICA

3500-5000

TEFLON

1000-2000

POLIETILIENO

500-700

MADERA

125-750

VIDRIO

200-250

AIRE PORCELANA

75 50-100

Introduccion a la aislación de Equipo de Alta Tensión u

Introduccion u

La creciente necesidad en las ultimas décadas de aprovechar mejor el espacio disponible especialmente en las zonas urbanas, ha conducido a la reducción del tamaño de los equipos eléctricos. El estudio en profundidad del comportamiento dieléctrico de los materiales permite seleccionar, desarrollar y mejorar los aislamientos en busca de diseños mas compactos.

u

La propiedad mas importante de un aislamiento solido, liquido o gaseoso es su rigidez dieléctrica Ec., La rigidez dieléctrica es el cociente entre el nivel de tensión máximo admisible sin provocar la ruptura y la distancia entre los electrodos en los que esta aplicada la tensión.

u

La Rigidez dieléctrica de un aislamiento depende de la forma de onda de la tensión, polaridad y duración, de la temperatura, presión y humedad del aislamiento, forma geométrica y naturaleza de los electrodos. Para aislamientos expuestos al exterior el valor de la rigidez dieléctrica también esta condicionado por la lluvia y el nivel de polución ambiental.

Introduccion a la aislación de Equipo de Alta Tensión u

Introduccion u

En la practica, cuando se diseña un equipo, la tensión disruptiva del aislamiento se evalúa teniendo en cuenta el campo eléctrico máximo Emax, que la configuración eléctrica alcanzara y el valor de la rigidez dieléctrica Ec, en configuraciones aislantes similares construidas anteriormente.

u

Tras la construcción de un prototipo se determina la tensión disruptiva o en su caso la tensión soportada por el aislamiento mediante ensayos de alta tensión realizados conforme a los procedimientos normalizados según la IEC 60060-1.

u

La descarga disruptiva en un aislamiento es un fenómeno de naturaleza estadística, cuya probabilidad cuanto mayor es el nivel de tensión aplicada.

u

Algunos aislamientos recuperan íntegramente sus propiedades aislantes tras las descarga disruptiva, mientras que otros la pierden. A los primeros se les denomina aislamientos autorregenerables y a los segundos aislamientos no autorregenerables.

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CAMPO ELECTRICO u

El conocimiento de la distribución del campo eléctrico permite evaluar la solicitación dieléctrica a la que están sometidos los aislamientos y su capacidad para soportar la tensión o sobretensiones en servicio.

u

Se han desarrollado numerosas herramientas para el calculo de campos eléctricos que se clasifican en tres grupos: métodos analíticos, métodos de simulación experimental y métodos numéricos.

u

El calculo del campo eléctrico puede efectuarse de forma analítica aplicando métodos directos por la integración de la densidad de flujo D en superficies donde permanece constante. Esto es aplicable a configuraciones sencillas, tales como condensadores planos, condensadores cilíndricos o condensadores esféricos.

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CAMPO ELECTRICO u

En otras ocasiones es posible recurrir a métodos indirectos para determinar el campo eléctrico, tal es el caso del método de la transformación conforme, método de gran interés para resolución analítica de configuraciones mas complejas.

u

A pesar del interés que ofrecen los métodos analíticos por la exactitud obtenida en la determinación del campo eléctrico, desgraciadamente no siempre es posible obtener una ecuación analítica para un sistema genérico.

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

u

Dos placas planas a diferente tensión y de superficie infinita separadas por un dieléctrico de espesor “d” crean un campo eléctrico homogéneo.

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

u

Las superficies equipotenciales serán paralelas a las placas y estarán uniformemente repartidas a lo largo del medio dieléctrico que las separa. En consecuencia el campo eléctrico será perpendicular a las placas y constante para cualquier punto del interior del dieléctrico.

u

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

Ejemplo 5 u

Se tienen dos placas metálicas de 300 cm2 de superficie cada una, sobre cada placa va aplicada otra placa de mica de 0.5 cm de espesor y εr=7, Entre las dos placas de mica existe un intervalo de aire de 1 cm. La tensión aplicada es de 40 kV., determinar. u

El esfuerzo dieléctrico de la mica

u

El esfuerzo dieléctrico del aire

u

El esfuerzo dieléctrico del aire, si se quitaran las capas de mica.

u

La capacidad total

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

u

Cuando se dispone de tres dieléctricos diferentes de espesores d1, d2 y d3, con permisividades dieléctricas ε1, ε2 y ε3 respectivamente, el campo eléctrico uniforme en uno de ellos se deduce fácilmente a través de la siguiente expresión:

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

u

Con el fin de analizar la influencia de una capa de aire de espesor “d1”, en un aislamiento, por ejemplo por un inadecuado ajuste de uno de los electrodos el campo eléctrico en el medio dieléctrico de aire E1 será:

CAMPO ELECTRICO EN SISTEMAS AISLANTES u

CALCULO DEL CAMPO ELECTRICO EN CONFIGURACIONES SENCILLAS

u

SOLUCIONES ANALITICAS u

CAMPO ELECTRICO UNIFORME

u

Donde εr = ε2/ε1 es la permitividad relativa del segundo medio dieléctrico. Teniendo presente que d1