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Práctica No.1 Introducción al laboratorio de alta tensión Meza Xolo Gustavo, Reyes Reyes José Francisco Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Instituto Politécnico Nacional

Resumen— Este documento representa el reporte final de la práctica realizada en el laboratorio de Alta Tensión, la cual tuvo como finalidad que al término de la práctica el alumno conociera la utilidad del laboratorio de alta tensión (AT) para la prueba de aislamiento de los equipos, conociera los equipos que componen el laboratorio de AT así como su distribución y finalmente comprender las medidas de seguridad que se deben respetar para la integridad del personal y de los equipos. De lo anterior, se presentan en el reporte: la distribución de los equipos en el área de trabajo, el principio de funcionamiento y las características generales de los equipos identificados.

I.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

La Técnica de las Altas Tensiones es una de las ramas de la Ingeniería Eléctrica que requiere de mucha experimentación y por consiguiente, de Laboratorios dotados de equipos e instrumentos altamente especializados. A. Pruebas de laboratorio. En estos laboratorios se realizan pruebas experimentales a equipos de alta tensión, se estudia la física de los mecanismos de ruptura dieléctrica en diferentes materiales aislantes y se estudia la aplicación de energía pulsada en diferentes procesos industriales. El principal equipo con el que cuenta un laboratorio de alta tensión es lo siguiente:  Transformador de prueba de alta tensión libre de descargas parciales.  Probador de bobinas por comparación de sobretensión.  Equipo de potencial.  Fuente regulada de alta tensión de CD.  Puntas Atenuadoras de alta tensión.  Bobinas de Precisión TCs.  Jaula de Faraday.  Detector de Descargas Parciales.  Divisor capacitivo de tensión.  Divisor capacitivo–resistiva. Algunas de las pruebas realizadas en laboratorios como LAPEM de la CFE son las siguientes.  Ciclos de calentamiento – enfriamiento a conectadores para cables de hasta 1113 KCM  Diagnostico a apartarrayos, hasta 400 kV  Elevación de temperatura (Equipo de prueba hasta 6000 A, monofásico y trifásico)

 Medición de corona, radio – interferencia, descargas parciales, capacitancia, perdidas dieléctricas y de humedad en gas hexafluoruro de azufre (SF6)  Pruebas a cables (Equipo de prueba para cables hasta 230 kV)  Pruebas con tensión de 60 Hz, con una o dos fuentes simultáneamente (Equipo de prueba hasta 1000 kV).  Pruebas con tensión de impulso (Equipo de pruebas hasta 3500 kV rayo; 2600 kV maniobra)  Pruebas de aislamiento externo en ambiente contaminado (Equipo de prueba hasta 500 kV)  Pruebas de corto – circuito de alta potencia baja tensión. 150 MVA – 1 segundo, 5 MVA continuos, 184 a 1700 volts.  Pruebas de corto – circuito de alta potencia, 2200 MVA – 0.3 segundos  Pruebas de tensión de impulso y tensión de 60 Hz simultáneamente.  Pruebas de vida a aisladores poliméricos y recubrimientos.  Pruebas prototipo a transformadores de distribución  Pruebas prototipo a wattmetros B. Seguridad en el laboratorio. Las normas básicas de seguridad son un conjunto de medidas destinadas a proteger la salud de todos, prevenir accidentes y promover el cuidado del material de los laboratorios. Son un conjunto de prácticas de sentido común: el elemento clave es la actitud responsable y la concientización de todos: personal y alumnado. 1. Si durante el desarrollo del curso se programase alguna práctica, que pudiera presentar algún riesgo potencial en la seguridad, el Profesor o el Ayudante dará las instrucciones y recomendaciones del caso, pero ningún alumno estará autorizado para modificar, en manera alguna, el experimento al menos que tenga autorización expresa de su profesor. 2. Cuando no esté seguro del manejo u operación de un equipo, solicite ayuda a su Profesor, Ayudante o en última instancia al Encargado de Laboratorio. 3. Ningún equipo del Laboratorio puede ser abierto, movido, desconectado o alterado en ninguna forma.

4. Excepto en caso de emergencia, queda prohibido correr en los laboratorios, así como la práctica de juegos y conductas irresponsables. 5. No se permitirá comer, beber o fumar al interior de las instalaciones de los Laboratorios. 6. Evitar el uso de cadenas, collares, anillos y pulseras metálicas. 7. En laboratorios sólo se permitirá el uso de zapatos con suela de goma, totalmente cerrados en su parte superior. 8. Bajo ninguna circunstancia trabajar descalzo. 9. Durante el desarrollo del trabajo de laboratorio, asegurarse de que las manos estén bien secas.

II.

DESARROLLO

Fig. 2. Fuente de alta tensión con rectificadores.

Tambien se cuenta con un vóltmetro de esferas (Fig. 3.), en el cual se mide una tensión de ruptura, al ir separando las esferas.

Dentro de la inspección visual que se llevó a cabo laboratorio de altas tensiones I, se identificaron distintos equipos como son: Un generador de impulsos Fig. 1, el cual permite la realizar ensayos dieléctricos (condiciones de sobretensión) de aparatos de alta tensión (interruptores, cables, transformadores y reactancias).

Fig. 3. Vótmetro de esferas. Fig. 1. Generador de impulsos de alta tensión.

Un equipo de potencial en alta tensión con rectificadores Fig. 2, el cual esencialmente su ocupa como una fuente de alta tensión en cd.

Se tienen también algunos transformadores elevadores, se tiene uno de 150 kV (Fig. 4.):

Fig. 7. Tablero de control. Fig. 4. Transformador de 220/150kV

Otro transformador de 60 kV (Fig. 5):

Un equipo interesante con el que cuenta el laboratorio, pero que por cuestiones de espacio no está en operación, es la bobina de tesla (Fig. 8.)

Fig. 5. Transformador de 4/60 kV.

Así mismo cuando las pruebas requieren supervisión de parámetros físicos del ambiente, como temperatura, presión, humedad, se cuenta con instrumentos para esto (Fig.). Fig. 8. Bobina de tesla.

III.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

De acuerdo al levantamiento arquitectónico realizado en la práctica, el plano de la Fig. 9. Representa la distribución real aproximada del laboratorio, en dicho plano se observan en amarillo las áreas destinadas para equipos específicos, así también es notorio que existen separaciones entre las áreas designadas. Lo anterior es por cumplimiento a reglas y recomendaciones de seguridad, para esto tipo de laboratorios. Fig. 6. Instrumentos de medición para parámetros físicos del ambiente.

Dado que las pruebas que se realizan tienen su grado de peligro, existe un tablero de control (Fig. 7.) que permite operar los equipos de alta tensión desde un cuarto de control aislado de un posible contacto eléctrico con los equipos, que están bajo algún experimento.

Fig. 9.

Distribución arquitectónica con las dimensiones de las zonas de seguridad y de áreas designadas para equipos específicos.

Los equipos inspeccionados e identificados, en su mayoría poseen datos de fábrica, lo cual nos permite conocer un poco más de su funcionamiento, su diseño, etc. TABLA I.

Transformador elevador. TIPO TE 120

Walter N° 263828

220 / 100 000 V 5KVA permanentes 30 KVA 1 hora Uess = 150 KV F = 50 a 60 Hz

TABLA II.

Ferranti. Unidad Rectificadora. AC entrada. DC salida. Clasificación 30 mA CONT 30. 50 mA hora. TOP - VE BOTTOM + E W.O. No. 11651/22588 Hollinwood, England

1

TABLA III.

Ferranti. Triggatron Firing Equipment. Supply 240 Volts 50 / 60 c/s W.O. No. 11685 / 71146 Hollinwood, England TABLA IV.

Emile Haefely & Cie SA BALE Transformador. 6 KVA 220 V 27. 3 A 50 Hz. 4/60 KV WO 293304 No. 670571

IV.

Ferranti. Divisor capacitivo. 400 pf 550 KV W.O. 11651 / 82530 Hollinwood, England TABLA V.

Tensión Primario. 220 220

Ferranti. Transformador. Tensión Secundario. 60 000 120 000

50 Hz.

KVA 5 10 No. 162968

TABLA VI.

HIPOTRONICS Derivador 400 KV C (NOM) = 200 pF R (NOM) = 1200 MΩ

CUESTIONARIO

A. Definición de conceptos de seguridad en el trabajo. 1) Accidente de trabajo: es toda lesión orgánica o perturbación funcional, inmediata o posterior, o la muerte, producida repentinamente en ejercicio, o con motivo del trabajo, cualesquiera que sean el lugar y el tiempo en que se preste. 2) Lesión: se conoce como lesión a un golpe, herida, daño, perjuicio o detrimento. El concepto suele estar vinculado al deterioro físico causado por un golpe, una herida o una enfermedad. 3) Condición insegura: aquéllas que derivan de la inobservancia o desatención de las medidas establecidas como seguras, y que pueden con llevar la ocurrencia de un incidente, accidente, enfermedad de trabajo o daño material al centro de trabajo. 4) Riesgo de trabajo: son los accidentes y enfermedades a que están expuestos los trabajadores en ejercicio o con motivo del trabajo. 5) Acto inseguro: Las acciones realizadas por el trabajador que implican una omisión o violación a un método de trabajo o medida determinados como seguros.

B. Efectos producidos por la corriente en los seres humanos, así como los valores de corrientes tolerables que puede soportar. La corriente eléctrica a su paso por el cuerpo humano produce diversos efectos que pueden provocar lesiones físicas (quemaduras, contracciones musculares, dificultades respiratorias, paros cardiacos, caídas, etc.) hasta el fallecimiento por fibrilación ventricular. Entre los efectos que produce la corriente eléctrica se distinguen:  Asfixia: si el centro nervioso que regula la respiración se ve afectado por la corriente, puede llegar a producirse un paro respiratorio.  Electrización: la persona forma parte del circuito eléctrico, circulando la corriente por el cuerpo. Como mínimo se presenta un punto de entrada y otro de salida de la corriente.  Electrocución: fallecimiento debido a la acción de la corriente en el cuerpo humano.  Fibrilación ventricular: movimiento arrítmico del corazón que puede ocasionar el fallecimiento de la persona.  Tetanización: movimiento incontrolado de los músculos debido a la acción de la corriente

eléctrica, con pérdida de generalmente en brazos y piernas.

control

La Fig. 10. nos muestra que los mayores porcentajes de contacto eléctrico, se ubican en áreas que son factibles de proteger con elementos de protección personal -EPP- (manos, cabeza, pies, pierna y ojos), por ejemplo guantes especiales herramientas con mangos aislados entre otros.

Fig. 10. Porcentajes de incidencia de contacto eléctrico. En la TABLA VII. se muestran las repercusiones al cuerpo humano por la exposición a la corriente eléctrica, con frecuencias de 50/60 Hz. TABLA VII. Efectos fisiológicos producidos por el paso de una intensidad eléctrica (50/60 Hz).

Intensidad

Efectos fisiológicos que se observan en condiciones normales.

0 - 0.5 mA

No se observan sensaciones ni efectos. El umbral de percepción se sitúa en 0.5 mA.

0.05 - 10 mA

Calambres y reflejos musculares. El umbral de no soltar se sitúa en 10 mA.

10 - 25 mA

Contracciones musculares. Agarrotamiento de brazos y piernas con dificultad de soltar objetos. Aumento de la presión arterial y dificultades respiratorias.

25 - 40 mA

Fuerte tetanización. Irregularidades cardiacas. Quemaduras. Asfixia a partir de 4 segundos de exposición.

40 - 100 mA

Efectos anteriores con mayor intensidad y gravedad. Fibrilación y arritmias cardiacas.

~1 A

Fibrilación y paro cardiaco. Quemaduras muy graves. Alto riesgo de muerte.

1-5A

Quemaduras muy graves. Parada cardiaca con elevada probabilidad de muerte

C. Jaula de Faraday, ¿qué es? ¿cómo funciona? y criterios de diseño.

La Jaula de Faraday (también conocida como Blindaje de RF), es una sala blindada contra las ondas electromagnéticas ambientes, especialmente aquellas cuya frecuencia se encuentra del orden de las frecuencias de radio (radiofrecuencia, o RF). El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por:

Donde ℮ es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico (representado en rojo en la siguiente animación) de sentido contrario al campo externo, representado en azul. El campo eléctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo. Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello se emplea para proteger dispositivos de cargas eléctricas. El fenómeno se denomina apantallamiento eléctrico.

V.

CONCLUSIONES

A. Reyes Reyes José Francisco Al término de la práctica logramos darnos cuenta de algunas de las medidas de seguridad con las que se debe de operar dentro del laboratorio de alta tensión, la primera de ellas fue entrar con bata correctamente abotonada, una vez dentro del laboratorio lo primero que se hizo fue descargar cada uno de los equipos con una pértiga correctamente aterrizada, mostrando así los muchos cuidados que se deben de tener dentro del laboratorio. Otra parte importante de la práctica fue el levantamiento arquitectónico que se hizo del laboratorio en el cual logramos darnos cuenta que existe una distancia entra cada equipo, esto con el fin de provocar una descarga y un arco eléctrico de un equipo a otro a la hora de realizar una prueba. Es importante decir que el laboratorio se encuentra dentro de una jaula de Faraday esto con el fin proteger de los campos eléctricos estáticos externos. Finalmente y como una medida de seguridad más se nos pidió utilizar calzado dieléctrico para aumentar la seguridad del personal.

B. Meza Xolo Gustavo Con esta práctica introductoria del laboratorio de altas tensiones I, identificamos los equipos con los que cuenta dicho laboratorio, así como conocer de forma general la aplicación que tienen estos, resaltando como principal o común aplicación; pruebas de aislamiento a equipos y materiales, ejemplo: alambres y cables de potencia, transformadores, equipos de medición, etc. Otro aspecto importante en la práctica fue la identificación de la distribución de los equipos en el área del laboratorio, mediante un levantamiento arquitectónico, ya que esta parte permite conocer que existen algunas reglas y recomendaciones para la distribución de equipos en esta clase de laboratorios, las cuales tienen como objetivo que los equipos funcionen bajo condiciones nominales, que no entren equipos en conflicto a la hora de su operación, ya sea con una descarga eléctrica, un arco eléctrico, etc. así como que sean seguros para los usuarios. Cabe mencionar que para garantizar la seguridad del laboratorio este se encuentra encapsulado en una jaula de Faraday, la cual va a prevenir un imprevisto con los demás áreas cercanas al laboratorio, por señales electromagnéticas externas. Finalmente se hizo hincapié en las medidas de seguridad para ingresar y desarrollar los experimentos en el laboratorio, como son: el uso de botas dieléctricas, bata de algodón, así como descargar a tierra todo equipo que se desea operar.

VI.

REFERENCIAS

[1]http://www.laba.usb.ve/alt/index.htm [2]http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx/laboratorios.html [3]http://nslie.blogspot.mx/ [4]http://www.cfe.gob.mx/ConoceCFE/9_LAPEM/Paginas/Pr uebas-de-laboratorio.aspx [5] NOM-019-STPS-2011, abril 2011 [6]http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fi sica/electro/jaula.html [7]http://www.dalde.com.ar/productos/blindajes/jaula-de faraday