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GENERACIÓN Y MEDIDA DE ALTOS VOLTAJES Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica CP – Alto Voltaje Castillo Jimbo Pablo Andrés [email protected] OBJETIVOS 1. Conocer los diferentes equipos usados en el Laboratorio. (Atención a las Normas de Seguridad). 2. Conocer y hacer un estudio comparativo de los diferentes métodos de medida de Altos Voltajes Alternos. 3. Examinar esquemas de conexión de rectificación y multiplicación del voltaje y métodos para la medida de Altos Voltajes Continuos. INFORME 2

Distancia Voltaje Voltaje Voltaje entre Voltaje Relación de Divisor Chubb esferas [V] Transformación Capacitivo Fortescue [m] [V] [V] [V] 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

16050 29870 42500 53160 62200

15700 28350 40680 51790 61630

16500 33000 47500 59000 70000

16000 33000 46000 52260 61555

Tabla 1 Valores de voltaje medidos en simulación

I. SEGÚN NORMA, ESTABLECER LAS CARACTERÍSTICAS DEL ALTO VOLTAJE ALTERNO GENERADO PARA QUE SEA CONSIDERADO COMO ALTO VOLTAJE ALTERNO DE PRUEBA. El voltaje de prueba debe ser un voltaje alterno que generalmente tenga una frecuencia en el rango de 45 a 65 Hz, normalmente se conoce como voltaje de prueba de frecuencia industrial. Se pueden requerir pruebas especiales en frecuencias consideradas claramente por debajo o por encima de este rango, según lo especificado por el Comité Técnico pertinente. [1] La forma de onda de voltaje debe aproximarse a una sinusoide con ambos semiciclos muy parecidos. Se cree que los resultados de una prueba de alto voltaje no se ven afectados por pequeñas desviaciones de una sinusoide si la relación de pico a rms, los valores equivalen a √2 dentro de ±5%. [1] II. GRAFICAR (EN FORMA SUPERPUESTA) EL VOLTAJE EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA ENTRE ESFERAS, CON LOS DIFERENTES MÉTODOS DE MEDIDA EMPLEADOS. HAGA UN COMENTARIO DE LOS RESULTADOS. CALCULE EL ERROR RELATIVO TOMANDO COMO REFERENCIA EL MÉTODO QUE CREA EL MÁS PRECISO. COMENTE ESTOS RESULTADOS.

Ilustración 1 Grafica de los voltajes medidos en función de la distancia

Voltaje real [V] 16050 29870 42500 53160 62200

Error Relación Error Error de Divisor Chubb Transformación Capacitivo Fortescue [V] 2,18 5,09 4,28 2,58 0,92

2,80 10,48 11,76 10,99 12,54

0,31 10,48 8,24 1,69 1,04

Tabla 2 Calculo de errores para métodos de medida

Podemos obtener que aunque esta práctica se desarrolló en un software de simulación, encontramos errores que aunque pequeños nos demuestra el nivel de apego a la realidad del ATPDraw. III. DESCRIBA EL FUNCIONAMIENTO DEL VOLTÍMETRO ELECTROSTÁTICO. INCLUYA LAS ECUACIONES QUE RIGEN EL

FENÓMENO FÍSICO QUE PERMITE TOMAR LAS MEDIDAS DE VOLTAJE. Aprovecha la fuerza mecánica entre dos electrodos cargados para medir altos voltajes, conformado por dos placas, una fija y una móvil. La fuerza de atracción mecánica tiende a aumentar la capacitancia para incrementar la energía eléctrica almacenada. [2] Se deriva de la ley de Coulomb la cual establece que el campo eléctrico es el campo de las fuerzas eléctricas, este método consiste en la utilización de 2 placas paralelas las cuales son conectadas en paralelo a la diferencia de potencial a medir, de esta manera se genera un campo eléctrico que se dirige desde la placa cargada positivamente a la otra y con ello una fuerza de atracción entre las placas, el voltímetro electrostático cuantifica este campo eléctrico y lo relaciona con el voltaje mediante las siguientes ecuaciones. [3] 1 𝐹 = 𝜀𝐴𝐸 2 2

▪ Transmisión de energía de punto a punto y de larga distancia sin tomas intermedias. ▪ Aumento de la capacidad de una red eléctrica existente en situaciones en las que es difícil o costoso instalar cables adicionales. ▪ Transmisión y estabilización de energía entre redes de CA no sincronizadas, siendo el ejemplo extremo la capacidad de transferir energía entre países que utilizan CA a diferentes frecuencias. ▪ Estabilizar una red eléctrica predominantemente de CA, sin aumentar los niveles de falla. ▪ Integración de recursos renovables como el viento en la red principal de transmisión. V. CON LOS DATOS OBTENIDOS EN 6.2. CALCULE EL RIZADO Y EL FACTOR DE RIZADO PARA CADA CASO. COMENTE LOS EFECTOS DE LA CAPACITANCIA Y LA FRECUENCIA. DÉ RECOMENDACIONES.

+V

-V

+V

-V

Voltaje de Rizado [V]

1,84

-1,76

386,7

-368,89

756,59

1,51

Negativa 1,06 -1,2 222,78 -252,2 479,98 Tabla 3 Tabla de la obtención del factor de rizado

1,58

Rectificación Media Onda

Ecuación 1 [4]

1 𝑉𝑟𝑚𝑠 2 𝐹 = 𝜀𝐴 2 𝑑2

Positiva

Voltajes Medidos

Voltajes Medidos

Factor de Rizado [%]

Ecuación 2 [4]

A: Área de las placas, E: Intensidad de campo eléctrico, F: Fuerza, d: distancia entre las placas, 𝜀: Constante de permeabilidad del medio, Vrms: Voltaje eficaz

Ilustración 2 Esquema del voltímetro electrostático [4]

Como el voltaje de rizado es una función inversa de la capacitancia para obtener un menor valor del voltaje de rizado debemos implementar un valor de mayor capacitancia, otra alternativa para tener menos rizado en el rectificador es modificar la frecuencia aumentándola. VI. EXPLICAR EL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO DE 6.3 MEDIANTE UNA SIMULACIÓN EN ATP CON LOS VALORES UTILIZADOS EN LA PRÁCTICA. GENERE UN NUEVO CIRCUITO PARA TENER UN TRIPLICADOR, SIMÚLELO Y PRESENTE SUS RESULTADOS.

IV. SEGÚN NORMA, ESTABLECER LAS CARACTERÍSTICAS DEL ALTO VOLTAJE CONTINÚO GENERADO PARA QUE SEA CONSIDERADO ALTO VOLTAJE CONTINUO DE PRUEBA. APLICACIONES. El voltaje de prueba, como se aplica al objeto bajo prueba, es en principio un voltaje continuo que tiene un factor de rizado menor o igual al ±3%, a menos que el Comité de Estudio pertinente especifique lo contrario. [1] Entre algunas de las aplicaciones del alto voltaje continuo tenemos: [5][6] ▪ Esquemas de transmisión por cable submarino.

Ilustración 3 Circuito Duplicador

▪ Reforzamos el conocimiento de los esquemas de conexión para la rectificación y multiplicación de voltaje continuo, y como es su aplicación en la generación y control de los altos voltajes continuos. ▪ Todos los métodos de medida de alto voltaje nos brindaron errores de medición pequeños, pero esto varia en la forma práctica debido a condiciones ambientales u otros factores que podrían presentarse al momento de realizar la medida. Ilustración 4 Gráfica de voltaje de entrada y salida del circuito duplicador

Es posible obtener una tensión continua que tiene n veces el valor de pico de la tensión de entrada sinusoidal. Esto dependerá de las n etapas que tenga el circuito multiplicador. El circuito carga condensadores con una tensión de entrada y alterna dichas cargas de modo que, en el caso ideal, se produce exactamente la n tensión de entrada en la de salida Como podemos observar en las gráficas funcionan de manera correcta.

Ilustración 5 Circuito Triplicador

Ilustración 6 Gráfica de voltaje de entrada y salida del circuito triplicador

VII. CONCLUSIONES PERSONALES.

Y

RECOMENDACIONES

Conclusiones ▪ Varios de los métodos de medición de alto voltaje son estrictamente para laboratorio como el de las esferas espinterométricas, el método de voltímetro electrostático o divisor de voltaje, porque son difícil de aplicar en la parte industrial por las complejidades que presentan.

Recomendaciones ▪ Cerciorarse varias veces de los valores que se asignen a cada elemento de los respectivos circuitos para no tener errores en la compilación del ATPDraw. ▪ Ajustar de manera correcta los tiempos de simulación y frecuencia del programa para evitar retrasos al correr la simulación. VIII. BIBLIOGRAFÍA [1] CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), Norma CEI - Pub. 60. [2] C. Wadhwa, High Voltage Engineering, New Delhi: New Age International, 2007. [3] A. M. Pachano, Las Altas Tensiones en la ingeniería Eléctrica, Quito: Escuela Politécnica Nacional, 1996. [4] A. Roth “Técnica de la Alta Tensión” Edit. Labor Barcelona, 1966. [5] HVDC. Classic reliability and availability. ABB. 24 de enero de 2010. Consultado el 21 de junio de 2020. [6] Skog, J.E., van Asten, H., Worzyk, T., Andersrød, T., Norned – World’s longest power cable, CIGRÉ session, París, 2010, paper reference B1-106.