2.8 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SEM)
2.8.1 RESULTADOS OBTENIDOS POR MICROSCOPIO ELECTRÓNICO
Como paso final en este proyecto, se tomaron varias muestras del aislador de
1cm2, con el fin de reflejar en cada una de ellas el nivel de contaminación,
utilizando la técnica de microscopio de barrido con material proporcionado por el CINVESTAV (Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados) y auxiliados por la
estudiante de la maestría de tecnologías avanzadas Georgina Ramirez Cruz. [38]
AISLADOR PATRÓN
En estas imágenes se puede ver el aislador en condiciones de fábrica, se observan levemente algunas partículas de polvo, al igual que esta es una superficie lisa en su totalidad. Como se muestra en las figuras 2.18a y 2.18b.
Figura 2.18a fotografía del aislador patrón tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 5 micro metros.
Figura 2.18b fotografía del aislador patrón tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 10 micro metros
AISLADOR CON NIVEL DE CONTAMINACIÓN 2
En las figuras que se muestran a continuación se observa la presencia de partículas de polvo, con una visible porción de partículas de caolín, este último será el contaminante que nos arrojara los resultados esperados. A diferencia del patrón esta etapa de contaminación nos muestra una superficie rugosa ver imágenes 2.19a y 2.19b.
Figura 2.19a Fotografía del aislado con nivel de contaminación 2 tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 5 micro metros
Figura 2.19b Fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 10 micro metros
AISLADOR CON NIVEL DE CONTAMINACIÓN 3
En esta etapa se ve avanzada la contaminación por el caolín, se observan grietas en el aislador, las cuales son tomadas como pistas para la corriente de fuga observe figuras 2.20a y 2.20b.
Figura 2.20a fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 5 micro metros
Figura 2.20b fotografía del aislado con nivel de contaminación 3 tomada por el microscopio de barrido con una escala dada a 10 micro metros.
2.8.1.1. INTERPRETACIÓN DE IMÁGENES MICROSCOPIO ELECTRÓNICO.
Las imágenes anteriores fueron obtenidas por el microscopio electrónico con técnica de barrido teniendo la finalidad de observar la estructura superficial de los aisladores tomando en cuenta tres de sus niveles de contaminación.
Teniendo como resultado en el aislador que tiene un nivel de contaminación 3 una gran información y en el cual se puede observar una grieta o ruta la cual se puede interpretar como un camino de conducción en el cual la corriente de fuga
aumentara y en gran escala lo que podremos ver reflejado en los estudios analizados en el capítulo 3 ya que a pocos rasgos para el aislador patrón y
aislador con nivel de contaminación 1 solo nos arroja información el cual nos dice el aumento del contaminante que en nuestro caso es el caolín.
CAPÍTULO 3
ANÁLISIS DE RESULTADOS EN LAS PRUEBAS
En el presente capitulo tabularemos los resultados de corrientes de
fuga y tensión de flameo cambiando en cada uno de los aisladores
los diferentes niveles de contaminación así como los porcentajes de
humedad, Para así obtener las graficas de las tablas y poder
interpretar los resultados.
3.1 INTRODUCCIÓN
Este capítulo es basado en el análisis de las mediciones obtenidas.
Se realizan las pruebas elegidas para la tensión de flameo, haciéndose diferentes pruebas para poder obtener un parámetro graficable, modificando el porciento de humedad relativa, por medio de la cámara de niebla.
Se recopilaron los datos por medio de volmetro (Hipotronics), para posteriormente colocarlas en tablas y graficas.
Se tomaron fotografías de la prueba del aislador, las cuales se pueden ver en anexos C.
Se tienen 4 tipos de contaminaciones [34], con las cuales se hicieron las pruebas, modificando la temperatura ambiente y el porcentaje de humedad relativa, con la finalidad de representar los distintos tipos de clima y analizar su comportamiento.
Cada prueba consta de 10 rupturas al mismo aislador, con las mismas características para poder eliminar las mediciones anormales y crear un promedio. Se trabaja con el elemento promedio.
Después de cada ruptura se dejo descansar al aislador por un lapso de 3 minutos aproximadamente, para permitir su recuperación, y para que el ambiente alrededor de esté se des ionice. Después de cada prueba se toman los datos y se colocan dentro de tablas. Este procedimiento se repitió con cada uno de los niveles de contaminación y adicional a esto se hizo en diversas estancias climáticas.
Para protección, se coloca una resistencia de agua salina entre el transformador y la base del aislador, para protección del mismo transformador, esta resistencia que se encuentra conectada después de la boquilla del trasformador, se creó de agua purificada y unas piscas de sal para dar la resistencia deseada de 135 ohm, con el fin de evitar el regreso de una corriente de fuga que daña el la fuente de alimentación, tiene la propiedad de crear un solo sentido para la corriente, con la finalidad de eliminar la existencia de los regresos de corriente, y que estos se queden en el sistema y no en la fuente, hasta que sean drenados a tierra.
Se hizo el estudio de las pruebas existentes para la corriente de fuga, y se escogieron las de la normas IEC-1109 y la IEC-507, como se menciona en el capítulo 2, así como en el caso de la tensión de flameo, se realizan diferentes tipos de pruebas para los mismos aisladores, y nos referimos a que se modificaron las circunstancias ambientales y así poder analizar a estos aislantes en sus diversos lugares que se utilizan, y para obtener elementos tabulables.
La recopilación de los datos en este caso fue por medio de un osciloscopio digital (tektronix 2440) para posteriormente hacer los cálculos de la corriente de fuga que se mostraran posteriormente.
Dentro de estas pruebas también se hace uso de las 4 tipos de contaminación que ya se han mencionado, y se modifico el porcentaje de humedad relativa, para tener la comparación de resultados y analiza cada uno de estos.
En este caso se tuvieron diferentes problemas debido a causas externas del circuito, las cuales se arreglaron de forma gradual. Por ejemplo, para la protección
del aparato de medición (osciloscopio), Al hacer las mediciones se observaron grandes errores debidos al ruido eléctrico, medido en el osciloscopio, por lo que se opto por crear un mejor blindaje a los aparatos de medición. Donde la forma de blindar los cables de medición, fue a con el uso de una manguera de metal que se aterrizo sólidamente a tierra, así como el forrado de los instrumentos de medición con papel aluminio.
El procedimiento experimental fue muy parecido a la medición de la tensión de flameo, con ligeros cambios como que ahora con la consola de mando, se incrementa la tensión en un 5% de la tensión nominal del transformado, en un orden máximo de 50 % de la tensión máxima. Se utilizo un divisor de tensión para posteriormente medirla al volmetro. Mientras que la caída de tensión que existe en el aislador se registraba por medio de una resistencia colocada en serie al aislante a probar, y esta resistencia a su vez se encontraba dentro de la caja del circuito de protección que se menciono en el capítulo 2, y que se monitoreaba en el osciloscopio.
Estos incrementos en la tensión nominal se hicieron hasta el punto de ruptura del aislador e inmediatamente se desenerguiza todo el sistema para evitar daños a la fuente o a cualquier otro equipo en los alrededores del arreglo experimental.
Se tomaron fotografías de cada una de las reacciones que se tienen en este procedimiento para el análisis de los mismos y se grafico para tener un patrón comparativo.
Y se procedió al cálculo de la corriente por la ley de ohm. Se tabularon las lecturas para posteriormente graficarlas.
3.2 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA
Para interpretar los resultados de corriente de fuga fue necesario conectar el sistema de protección antes mencionado en el capítulo 2, referir el aislador y el equipo a tierra para proteger al operador y al equipo de medición que en nuestro caso será un osciloscopio de la figura 2.14.
Primero se recurrió a obtener las corrientes de fuga teniendo en cuenta un ruido de fondo observado en el osciloscopio sin tensión aplicada de 0 kV (el valor de tensión de 0 kV es tomado para tensiones registradas en el voltmetro menores de 1 kV).
Para la obtención de la corriente de fuga, realizamos un circuito de protección y de medición el cual fue mencionado en nuestro capitulo dos el cual nos permitirá obtener la corriente de fuga mediante la ley de Ohm.
Y como sabemos un osciloscopio solo es posible que muestre tensiones por lo que estaremos monitoreando la diferencia de potencial en la resistencia del circuito a diferentes tensiones aplicadas, para obtener la corriente de fuga
sustituiremos el valor de R=135 Ω en (1) para al igual que la tensión que sea
Para tener una forma más visible de lo obtenido observar figura 3.1 en donde tenemos el aislador para la medición de la corriente de fuga.
Figura 3.1 circuito para la medicion de corriente de fuga
3.2.1 RESULTADOS DE CORRIENTES DE FUGA A HUMEDAD RELATIVA PROMEDIO DEL 50 A 60%.
• AISLANTE PATRÓN (SIN CONTAMINACIÓN)
De lo anterior tenemos las imágenes 3.2a ala 3.2g que son la diferencia de potencial arrojadas por el osciloscopio a partir de la resistencia interna del equipo de protección a sus diferentes tensiones aplicadas para así obtener la tabla 3.1 del día 18/03/09 realizadas a una altura 2240 msnm, para el aislador patrón (sin
contaminar), presión promedio de 586 mmHg, humedad relativa promedio del
Figura 3.2a Oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV]
Figura 3.2b Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV]
Figura 3.2c Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV]
Figura 3.2d Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV]
Figura 3.2e Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 30.[kV]
Figura 3.2f Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV]
Figura 3.2g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV]
Con los datos obtenidos anteriormente por el osciloscopio y haciendo la sustitución en (1) obtuvimos los siguientes resultados observados en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa del 50 a 60% en el
aislador sin contaminar (aislador patrón)
No. DE PRUEBA LECTURA DEL
VOLTMETRO [kV] LECTURA DEL OSCILOSCOPIO [mV] CORRIENTE DE FUGA [mA] 1 0* 3 0.0222 2 5 3.25 0.024 3 10 4.8 0.0355 4 20 9.65 0.0714 5 30 15.2 0.112 6 40 20.1 0.148 7 50 32.2 0.238
*Las lecturas registradas con cero, se refieren a valores menores de un kilo Volt.
De los resultados obtenidos de la tabla 3.1 es posible realizar el grafico de la figura 3.3 la cual muestra una comparación de corriente de fuga contra tensión aplicada e interpretar las manifestaciones encontradas.
Figura 3.3 .Grafica de resultados de tabla 3.1 donde se encuentran las
manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador sin contaminara humedad relativa del 50 a 60%
En la grafica de la figura 3.3 es la base, en el cual se observa el correcto funcionamiento, de nuestro aislador propuesto, donde se observa que el rango de tensión aplicada será para esta y para las demás pruebas de 0 a 50 Kv, puesto que una tensión mayor crea la ruptura, como se demostró en las pruebas de tensión de flameo.
Se denota que la corriente máxima alcanzada a una tensión aplicada de 50 kV es de tan solo 0.238 m Amperes y se debe de tomar en cuenta que se trata de un aislado creado para solo soportar 15 kV en condiciones normales de trabajo.
Hablando de los intervalos, es claro que los cambios entre cada uno de estos son indiscretos al aumento de la tensión aplicada casi despreciables.
• NIVEL DE CONTAMINACIÓN 1
Realizando el mismo procedimiento para obtención de corriente de fuga, tenemos las imágenes 3.4a a la 3.4g que son la diferencia de potencial arrojadas por el osciloscopio a partir de la resistencia interna del equipo de protección a sus diferentes tensiones aplicadas para así obtener la tabla 3.2 del día 17/03/09 realizadas a una altura 2240 msnm, nivel de contaminación 1, presión promedio de 586 mmHg, humedad relativa promedio del 59.5% y temperatura promedio de 25 ºC.
Figura 3.4a oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV]
Figura 3.4b oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga
sometido a 40 [kV]
Figura 3.4c oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV]
Figura 3.4d oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV]
Figura 3.4e oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV]
Figura 3.4f oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV]
Figura 3.4g oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV]
Con los datos obtenidos en las pruebas de las figuras 3.4a - 3.4g y haciendo el mismo procedimiento para el cálculo de corriente de fuga, se obtuvieron los resultados observados en la tabla 3.2.
Tabla 3.2 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en el nivel de contaminación 1. No. DE PRUEBA LECTURA DEL KILO VOLTMETRO [kV] LECTURA DEL OSCILOSCOPIO [mV] CORRIENTE DE FUGA [mA] 1 0* 20 0.148 2 5 26.4 0.195 3 10 28.6 0.211 4 20 49.8 0.368 5 30 61.4 0.454 6 40 70.4 0.521 7 50 114.2 0.845
De los resultados obtenidos de la tabla 3.2 se realizo la grafica de la figura 3.5 la cual muestra intervalos entre corriente de fuga y tensión aplicada.
Figura 3.5. Grafica de resultados de la tabla 3.2 donde se encuentran las manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada a un aislador con nivel
de contaminación 1 y una humedad relativa del 50 a 60%.
En esta grafica se nota un incremento creciente de la corriente de fuga, mientras aumenta la tensión aplicada al aislador. Los cual nos dice que cuando los niveles de contaminación son bajos y la humedad es de un promedio estándar [27], existen cambios relevantes que dañan nuestros aislantes. Ya que al comparar con el aislador patrón notamos que a los 50 kV, administrados crean una corriente de fuga es no mayor a 0.25 m Amperes, y en este nivel de contaminación
designado como NIVEL 1, a los mismos 50 kV. La corriente calculada es superior
a 0.8 m Amperes lo que es un incremento de más del 320% de su capacidad normal de trabajo.
Así mismo la corriente que se acerca al resultado obtenido en el análisis del aislador patrón es tan solo de 13 kV. Muy cercano a la tensión máxima propuesta para el diseño del aislante.
Con esta primera muestra es digno de percatarse que las graficas siempre serán crecientes y es casi constante, aunque llega un punto en el cual el nivel de corriente es brusco y acelerado. Normalmente generado a los 40 kV aplicados.
NIVEL DE CONTAMINACIÓN 2
Realizando el mismo procedimiento para obtención de corriente de fuga, tenemos las imágenes 3.6a a la 3.6g que son la diferencia de potencial arrojadas por el osciloscopio a partir de la resistencia interna del equipo de protección a sus diferentes tensiones aplicadas para así obtener la tabla 3.3 del día 17/03/09 realizadas a una altura 2240 msnm, nivel de contaminación 2, presión promedio de 586 mmHg, humedad relativa promedio del 58% y temperatura promedio de 25 ºC.
Figura 3.6a oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV]
Figura 3.6b oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV]
Figura 3.6c oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV]
Figura 3.6d oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV]
Figura 3.6e oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV]
Figura 3.6f oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV]
Figura 3.6g oscilograma de la caída de tensión en la
resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 50 [kV]
Con los datos obtenidos en los oscilogramas 3.6a – 3.6g y haciendo la sustitución en la ecuación anteriormente utilizada se obtienen los siguientes resultados depositados en la tabla 3.4.
Tabla 3.3 Resultados de corrientes de fuga a humedad relativa promedio del 50 a
60% en el nivel de contaminación 2.
No. DE PRUEBA LECTURA DEL
KILO VOLTMETRO [kV] LECTURA DEL OSCILOSCOPIO [mV] CORRIENTE DE FUGA [mA] 1 0* 20 0.148 2 5 29.4 0.217 3 10 31.6 0.234 4 20 44.6 0.330 5 30 61.6 0.456 6 40 73 0.540 7 50 112.4 0.832
*Las lecturas registradas con cero, se refieren a valores menores de un kilo Volt. De los resultados obtenidos de la tabla 3.3 es posible realizar el grafico de la figura 3.7 la cual muestra una comparación de corriente de fuga contra tensión aplicada e interpretar las manifestaciones encontradas.
Figura 3.7 Grafica de resultados de tabla 3.3 donde se encuentran las manifestaciones de la corriente de fuga vs tensión aplicada al aislador con un nivel
La comparación de la grafica anterior con esta, que contiene un nivel de contaminación mayor (de grado 2), nos arroja un ligero aumento en las corrientes de fuga calculadas.
Pero si se compara con la primera prueba, (aislante patrón) se ve un nuevo valor de tensión que iguala a la máxima corriente obtenida en un aislante limpio de contaminantes. Refiriéndonos a que en la grafica el valor máximo de 0.238 m Amperes obtenidos a 50 kV, ahora se encuentran alrededor de 10 kV. lo que crea un bajo nivel y esta corriente es cercana a la ruptura.
Analizando la tendencia de cada punto o intervalo de esta grafica, podemos notar que después de los 40 kV, que es correspondiente a más del 250% de su capacidad de ruptura especificado por el diseñador, empieza a manifestar un cambio radical.
La corriente de fuga es ahora lo suficiente mente grave.
• NIVEL DE CONTAMINACIÓN 3
Realizando el mismo procedimiento para obtención de corriente de fuga, tenemos las imágenes 3.8a a la 3.8g que son la diferencia de potencial arrojadas por el osciloscopio a partir de la resistencia interna del equipo de protección a sus diferentes tensiones aplicadas para así obtener la tabla 3.4 del día 17/03/09 realizadas a una altura 2240 msnm, nivel de contaminación 3, presión promedio de 586 mmHg, humedad relativa promedio del 57% y temperatura promedio de
Figura 3.8a oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga con la mínima tensión 1.5 [kV]
Figura 3.8b oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 5 [kV]
Figura 3.8c oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 10 [kV]
Figura 3.8d oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 20 [kV]
Figura 3.8e oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 40 [kV]
Figura 3.8f oscilograma de la caída
de tensión en la resistencia para la obtención de corriente de fuga sometido a 30 [kV]
Figura 3.8g Oscilograma de la caída de tensión en la resistencia para la obtención