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Diseño protección de un condensador de 80 kV. kV. Luisa Fernanda Buitrago Arroyave. Cód: 205507 – Sebastián Valencia Ramírez. Cód: 205548
Resumen —
Este informe presenta el diseño final de la protección de un condensador de ochenta kilo Voltios por medio de un espinterómetro basados en parámetros como el tipo de gas, los electrodos utilizados, y la tensión aplicada. Además se analizan las razones por las cuales se implementó una configuración específica determinada por la mejor distribución de campo eléctrico, basados en ayudas computacionales tales como ANSYS.
I. JUSTIFICACIÓN
En toda la industria moderna, donde toda la maquinaria se mueve mediante energía eléctrica, el sistema de transmisión y distribución se encuentran sujetos a tensiones mucho mayores que la normal del servicio. La concientización cada vez mayor de los peligros que pueden acarrear las sobretensiones generadas por descargas atmosféricas y por la maniobra de los diferentes equipos de potencia han llevado a investigar nuevos métodos de diseños y protecciones para sistemas de alta tensión. Es por esto que se presenta la necesidad de proteger dichos equipos, en este caso un condensador de 80 kV, acudiendo a los conceptos de campo eléctrico y según lo antes mencionado la mejor manera de protegerlos es mediante un espinterómetro el cual tiene un arreglo esfera – esfera, ya que este conserva el campo homogéneo, y en caso de haber una disrupción ésta se efectúe de la mejor manera, preservando el equipo. II. OBJETIVOS
A través de los conceptos de campo eléctrico analizar y establecer el diseño de la protección adecuada para un capacitor de 80 kV.
Garantizar un buen diseño a través de pruebas de simulación.
Entender y comprender el comportamiento y funcionamiento del espinterómetro.
III. MARCO CONCEPTUAL A. Condensadores de alta tensión:
Esta clase de condensadores tienen varias aplicaciones: En transmisión y en distribución de alta tensión se utilizan para hacer compensación en serie y de esta manera mejorar el factor de potencia. Como componentes para la elaboración de ensayos en laboratorios de alta tensión. Pueden ser elementos previos al equipo de registro y medida, divisor capacitivo de voltaje, y como filtros (en caso de requerir una señal específica). Estos condensadores deben ser muy confiables y estables su valor capacitivo debe ser independiente de la temperatura, la humedad, campos externos y descargas parciales. B. Protección contra sobretensiones:
Pararrayos: Capta descargas atmosféricas Descargadores: -Protección de aislamiento tanto para tensiones externas e internas. -Derivan a tierra las tensiones que alcanzan un nivel peligroso para la aislación del equipamiento protegido.
C. Descargas en gases
Para analizar el funcionamiento del espinterómetro se deben considerar algunos fundamentos de las descargas en gases. Dichas descargas dependen de varios factores tales como: tipo de gas, forma de los electrodos, polaridad de los electrodos, tipo de tensión aplicada y condiciones atmosféricas entre otros. Tipo de gas
Comprender de forma modelada el comportamiento físico y eléctrico en el fenómeno de la disrupción.
En las técnicas de alta tensión el gas más empleado es el aire, aunque existen gases cuya rigidez dieléctrica es superior, deben satisfacer otros requisitos tales como condensación, incombustibilidad y buena conductividad térmica. Entre estos
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gases se encuentran el Tetracloruro de Carbono (CCl4) y el Hexafloruro de Azufre (SF6). El aire es el medio más común para originar descargas ya que se encuentra libre en la naturaleza y no es necesario someterlo a procesos artificiales como el caso de otros dieléctricos. Las condiciones del gas pueden variar de acuerdo a condiciones atmosféricas que sobre la descarga es determinante: lluvia, temperatura presión y humedad. Lluvia: las gotas de lluvia en la superficie de los electrodos causan efluvio y altera las condiciones de la descarga Presión: como consecuencia la rigidez del aire decrece al aumentar la altitud, si el campo eléctrico es muy irregular la rigidez baja al aumentar la presión .
D. Forma de los electrodos:
El tipo de descarga depende de la forma de los electrodos ya que su configuración se encuentra directamente relacionada con la formación del campo eléctrico, Figura 1, este puede ser homogéneo como el caso del arreglo de esferas y el arreglo de placas o no homogéneo como el caso del arreglo punta placa y punta - punta. La homogeneidad del campo se debe a la igualdad del área (que los iones y electrones deben ocupar) alrededor de los electrodos. Existe otro tipo de electrodos consistentes en un arreglo de placas con una pequeña curvatura en sus extremos, conocidos como perfiles de Rogowski. Dichos perfiles se diseñan siguiendo una línea equipotencial correspondiente a un nivel determinado de tensión, Figura 2, definiéndose tal perfil para esta figura en la primera línea equipotencial.
Para este problema en particular la protección se realizará por medio de un espinterómetro el cual se desempeña como un interruptor, se debe procurar que este funcione en todos los casos con una mínima dispersión respecto un nivel de tensión de operación. Esto se logra para un arreglo de electrodos que presente una distribución homogénea de campo eléctrico. Es posible construir un espinterómetro utilizando el arreglo de placas, así como es posible construirlo con el arreglo de Rogowski o el arreglo de esferas. Utilizando el arreglo de placas se pueden producir descargas a partir de campo eléctrico homogéneo, siempre y cuando, la descarga se produzca en todo el centro de las placas más no hacia sus extremos. Pero a niveles elevados de tensión y grandes distancias interelectródicas, la concentración de campo se hace muy notoria en dichos extremos, aumentando de este modo la probabilidad de descarga en esta región debido al campo eléctrico no homogéneo, que asocia lo que conduce a lecturas erróneas. El perfil de Rogowski ofrece una solución frente a estos problemas de concentración de campo, ya que tiene una curvatura en los extremos (Figura 2) que coincide con una línea equipotencial correspondiente a una tensión de diseño V. El campo será homogéneo siempre y cuando el nivel de tensión existente entre los electrodos sea menor o igual a la tensión V; cuando la tensión supere este valor, la concentración de campo comenzará a aparecer hacia los extremos presentando el mismo problema del arreglo de placas. El arreglo esfera-esfera no presenta estos problemas de concentración de campo; el campo es netamente homogéneo siempre y cuando la distancia de separación de las esferas no supere la mitad del diámetro de las mismas. Por lo tanto el arreglo de electrodos más adecuado para la construcción del espinterómetro es el arreglo de esferas. IV. PRUEBAS DE CAMPO ELÉCTRICO
Arreglo Punta – placa:
Figura 1. Tipos de arreglos, A Arreglo esferas, B arreglo placas (Campo homogéneo); C arreglo punta – placa, D arreglo placapunta, E arreglo puntas, F arreglo barras (campo no homogéneo).
Figura 3. Evaluación del campo eléctrico configuración punta- placa.
Figura 2. Líneas equipotenciales que definen el perfil de Rogowski.
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Arreglo Punta- Punta:
Figura 7. Evaluación del campo eléctrico configuración barra- barra.
Figura 4. Evaluación del campo eléctrico configuración punta -punta.
Arreglo placa - punta:
Figura 5. Evaluación del campo eléctrico configuración placa -punta.
Arreglo placa- placa:
Arreglo barra – barra:
Arreglo esfera – esfera:
Figura 8. Evaluación del campo eléctrico configuración esfera – esfera. Campos eléctricos homogéneos: En la práctica no existen
campos eléctricos homogéneos debido a la distorsión que se presenta en los bordes o extremos del arreglo electródico. Sin embargo existen zonas homogéneas dentro de un campo eléctrico, donde la intensidad es siempre la misma. Arreglo de placas paralelas: El arreglo de placas paralelas encuentra múltiples aplicaciones prácticas, pero presenta un problema de dispersión en sus bordes. El desplazamiento eléctrico y también por con siguiente la intensidad de campo, son bastante elevado en el borde de las placas, por tal motivo las descargas tienden a ocurrir precisamente en los bordes. Esferas excéntricas:
Figura 6. Evaluación del campo eléctrico configuración placa -placa.
Este tipo de arreglo pertenece al principio del condensador esférico denominado también explosor de esferas, espinterómetro, esferas disruptivas, sphere gap, y spark gap este arreglo se utiliza como instrumento para medir tensiones DC AC y valor pico de impulsos de polaridad definida, e igualmente se utiliza como explosor de corte para cortar la onda correspondiente a una sobretensión atmosférica o de maniobra en su tiempo de frente o cola.
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V. DISEÑO Y USO DEL ESPINTERÓMETRO .
esferas en caso de que sean hechas de material conductor no deben ser menores a los especificados en la tabla 1
Limites del tamaño de los componentes de un espinterómetro: Cuando las esferas esta dispuestas en un arreglo horizontal (Fig. 10), los limites de seguridad de las esferas y sus partes energizadas son iguales para ambos lados del espinterómetro, tanto la esfera de mayor nivel de tensión como la esfera sometida a menor nivel de tensión, mientras que para el arreglo de esferas vertical (Fig.9) los limites son solo para la esfera que esta conectada al lado de alta.
Tabla1. Aclaraciones acerca del espaciamiento de las esferas.
Conexiones a tierra
Una esfera puede ser conectada directamente a tierra, pero puede ser conectada a través de una resistencia en serie para propósitos especiales, tales como proteger equipos .deben ser de muy bajo valor desde 100 KΩ a 1MΩ
Figura.9 Arreglo Vertical
Prueba destructiva en condensadores
Este ensayo encuentra la tensión máxima soportada por los condensadores antes de romper el aislamiento para prever las condiciones más severas a las que puede ser sometido, consiste en aumentar gradualmente el nivel de tensión DC hasta que se presente tensión de ruptura en el condensador .Los diseñadores usan un factor de utilización para referirse al nivel de tensión soportado por el condensador , para esta protección se empleará un factor de protección de 2 que corresponde a 160 kV de un condensador de 80kV
Especificaciones del espinterómetro
Adoptando las especificaciones dadas es el Estándar IEEE 4 de 1995 y empleando la tabla 8 de este estándar .
Figura.10 Arreglo Horizontal
Espacio libre alrededor de las esferas
La distancia desde el punto de esfera de alta tensión a algún objeto extraño tal como muros techos tanques de transformadores, bujes, generadores, y además a la estructura de soporte a las
De donde se tomaran las especificaciones del diseño de un espinterómetro de unas esferas de 12.5 cm de diámetro y una separación de 7 cm entre dichas esferas de acuerdo a las distancias mínimas de seguridad del estándar IEEE mostradas en la tabal 1, la distancia mínima entre el espinterómetro y el suelo es de seis veces el diámetro de las esferas; es decir, se debe contar con una distancia mínima de 75 cm; ahora la distancia mínima entre el espinterómetro y el condensador debe ser 12 veces la separación de las esferas, para este caso es de 84 cm.
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VII. REFERENCIAS
Tabla 2. Tomada de la tabla 8 del std IEEE 4-1995
VI. CONCLUSIONES Se seleccionó el arreglo esfera- esfera debido a que este presenta una distribución de campo eléctrico más homogéneo, así mismo este arreglo no presenta punto críticos de alta densidad de campo eléctrico como los que se presentan en los demás arreglos. Se selecciono el diámetro de los electrodos del espinterómetro de 12.5 cm de diámetro ya que este diámetro permite alcanzar una disrupción de 160 kV con un valor de campo homogéneo de 3% según el Std IEEE 4 de 1995. Se cumplieron los objetivos propuestos en el diseño de la protección del condensador .
Tesis, Diseño y construcción de un espinterómetro para alta tensión-impulso tipo rayo/Duvier Bedoya Bedoya, año 2.004. Tesis, Diseño y construcción de un condensador de alta tensión/ Mayra Raquel Arellano y Ancizar Salazar Trejos, año 2.004. High Voltage Engineering; Fundamentals. E. Kuffel, J. Kuffel, W.S. Zaengl.
