Departamento de Energía Eléctrica | http://www.epn.edu.ec/
LABORATORIO DE ALTO VOLTAJEPRÁCTICA N°2 1. TEMA
GENERACIÓN Y MEDIDA DE ALTOS VOLTAJES 2. OBJETIVOS
2.1. Conocer los diferentes equipos usados en el Laboratorio. (Atención a las Normas de Seguridad). 2.2. Conocer y hacer un estudio comparativo de los diferentes métodos de medida de Altos Voltajes
Alternos.
2.3. Examinar esquemas de conexión de rectificación y multiplicación del voltaje y métodos para la medida de Altos Voltajes Continuos.
3. MARCO TEÓRICO
Para la generación de Altos Voltajes, independientemente de su tipo (alterna, continua o de choque), se empieza en general por el transformador elevador; por esta razón la medición de altos voltajes alternos es de importancia básica para casi todos los ensayos de A.V. de cualquier forma.
El método de medición más sencillo pero también menos exacto, consiste en determinar el valor del AV. alterno mediante la lectura del bajo voltaje en el primario del transformador.
Como en los fenómenos de descarga es el valor máximo de cresta la base para comparaciones o coordinación de aislamiento, se requieren mediciones exactas cuando la forma de la onda se aleja de la sinusoidal; en este caso el valor eficaz del voltaje será:
𝑉 ≠ 𝑉 √2
El valor de cresta de los altos voltajes alternos se puede medir mediante esferas espinterométricas (llamadas también explosores de esferas).
La perforación del aire se produce por “ionización por impacto de las moléculas de gas cuando la intensidad de campo supera un valor crítico y esto se produce al llegar el voltaje al valor del “Voltaje estático de perforación” en un tiempo de pocos microsegundos; por esta razón se produce siempre en la cresta de la onda de voltaje.
Los voltajes de descarga, en las disposiciones de las esferas espinterométricas, están indicados en forma de tablas en función del diámetro de las esferas y para distintas distancias (ver tabla 2.1 y tabla 2.2).
Estos valores se refieren a condiciones normalizadas de presión (b) y temperatura (t) (b = 760 torr y t = 20°C).
El voltaje de descarga es proporcional a la densidad relativa del aire dentro de ciertos límites, se obtiene el verdadero voltaje de descarga, multiplicando el valor de las tablas por un factor que depende de, la densidad relativa del aire (ver tabla 2.1 y tabla 2.2).
Para la medida del valor eficaz, se puede conectar directamente un voltímetro electrostático o usar un divisor de voltaje con un instrumento de bajo voltaje calibrado para el caso.
Los altos voltajes continuos, se emplean para ensayos sobre equipos de Alto Voltaje con gran capacidad. (Condensadores, cables), para investigaciones en el campo de la física (aceleradores) y encuentra aplicaciones técnicas en varios dispositivos electrostáticos separadores, instalaciones químicas, pinturas, etc.
La generación de A.V. continuo, se consigue en general, mediante rectificación de voltajes alternos, seguida a veces de “multiplicación” del voltaje, raramente se la obtiene de máquinas electrostáticas o generadores de cinta.
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En sistemas de electrodos que forman campos fuertemente no-homogéneos siendo dieléctrico el aire o un gas, se presentan pre-descargas previas a la perforación completa; en el caso de aplicación de voltaje continuo, la polaridad de los electrodos tiene un efecto importante en el voltaje de descarga, efecto que solo puede ser explicado por la polaridad de los portadores de carga (iones) y su predominio en el gas dieléctrico. ATENCIÓN:
Se requiere un máximo de cuidado en los ensayos con voltaje continuo, pues los condensadores pueden conservar su carga por largo tiempo, aún después de la desconexión.
Seguir rigurosamente las normas de puesta a tierra. (Descargar los equipos). También los condensadores no utilizados pueden cargarse con voltajes peligrosos. 4. TRABAJO PREPARATORIO
4.1. Describa los diferentes métodos de medición de altos voltajes AC y DC. ¿Cuáles son las limitaciones de cada uno?
4.2. Explique y dibuje diagramas de los diferentes tipos de circuitos rectificadores para la generación de alto voltaje DC.
4.3. Describa el funcionamiento del generador de Van de Graaff.
4.4. Escriba y demuestre la expresión para el rizado de los rectificadores multiplicadores de voltaje. 5. EQUIPO Y MATERIALES
Software ETAP 6. PROCEDIMIENTO
6.1. Comparación de los distintos métodos de medida de A.V. alternos. En base al siguiente esquema, se simularán los métodos de medida.
Divisores de voltaje Chubb Fortescue
Relación de transformación Esferas espinterométricas.
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Los parámetros de simulación son:C1=0.001 µF, C2= 1 µ, C=0.001 µF, C3=0.1 µF, C4=10 µF, L1=100 mH, L2=10 mH TP1: Uprim=100000, Usec=100, Rprim=1 ohm, Lprim=1mH, Rsec=1 ohm, Lsec=1 mH TP2: Uprim=10000, Usec=100, Rprim=0 ohm, Lprim=1mH, Rsec=1 ohm, Lsec=1 mH TP1: Uprim=10000, Usec=100, Rprim=0 ohm, Lprim=10mH, Rsec=1 ohm, Lsec=1 mH El código del model es:
MODEL ESFERAS COMMENT
MODEL PARA SIMULAR ESFERAS ESPINTEROMETRICAS JUAN RAMIREZ
ENDCOMMENT
DATA GAP --GAP
INPUT i1-- SENAL DE VOLTAJE OUTPUT o1,o2,o3
VAR o1,o2,o3
FUNCTION esfera1(x):=1000*(-1.1284*x*x+30.898*x+1.9284)--ESFERA1 DE 10 CM
FUNCTION esfera2(x):=1000*(-0.8189*x*x+30.627*x+1.3954)--ESFERA2 DE 15 CM
INIT --CONDICION INCIAL
o1:=0
o2:=0
o3:=0
ENDINIT EXEC
o1:=esfera1(GAP)-- VALOR DE DESCARGA ESFERA 1 PARA EL GAP o2:=esfera2(GAP)-- VALOR DE DESCARGA ESFERA 2 PARA EL GAP
o3:=i1 -- VOLTAJE DE LA FUENTE
ENDEXEC ENDMODEL
Para distancias de las esferas (MODEL) = 10, 20, 30, 40, 50, 60 mm, se debe medir el voltaje de descarga utilizando los métodos siguientes:
Divisores de voltaje Chubb Fortescue
Relación de transformación Esferas espinterométricas.
6.2. Generación de A.V. continuo y medida de la ondulación.
Se construirá un sistema de rectificación de media onda. Para aplanamiento un condensador CS de 6.000 pF.
Se probarán los métodos de medida del punto 6.1 que apliquen. Se medirá el rizado.
Se cambiarán los valores de CS y de la frecuencia y se observarán los efectos sobre el rizado.
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6.3. Fundamentos de una cascada de GreinacherSe implementará un circuito duplicador. Se tomarán las medidas del circuito con los métodos de medida aplicables. Tome lecturas del voltaje alterno de alimentación y voltajes en los puntos de conexión de los componentes del circuito, los suficientes como para comprender el desarrollo de los voltajes del duplicador. 7. INFORME
7.1. Según norma, establecer las características del alto voltaje alterno generado para que sea considerado como ALTO VOLTAJE ALTERNO DE PRUEBA.
7.2. Para el punto 6.1. 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.
Graficar el error Vs. Voltaje. Comente estos resultados.
7.3. Determinar la(s) ecuación(es) de la curva tomada como referencia en el punto 5,2. Compare con los valores medidos, comente.
7.4. Describa el funcionamiento del voltímetro electrostático. Incluya las ecuaciones que rigen el fenómeno físico que permite tomar las medidas de voltaje.
7.5. Según Norma, establecer las características del alto voltaje continúo generado para que sea considerado ALTO VOLTAJE CONTINUO DE PRUEBA. Aplicaciones.
7.6. Con los datos obtenidos en 6.2. Calcule el Rizado y el factor de rizado para cada caso. Compare estos resultados con los obtenidos mediante análisis y cálculo matemático. Comente los efectos de la capacitancia y la frecuencia. Dé recomendaciones.
7.7. Explicar el funcionamiento del circuito de 6.3. Mediante una simulación con los valores utilizados en la práctica. Genere un nuevo circuito para tener un triplicador, simúlelo y presente sus resultados.
7.8. Conclusiones y Recomendaciones Personales. 7.9. Bibliografía.
8. REFERENCIAS
A. Roth “Técnica de la Alta Tensión” Edit. Labor Barcelona, 1966. E. Kuffel “High Voltage Engineering” Perganon Press, 1966. A Mena “Tecnica de la Alta Tensión”, Curso 1973 - 1974.
CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), Norma CEI - Pub. 60.
Elaborado por: Ing. Juan Ramírez / Ing. Daniel Orbe Revisado por: Dr.- Ing. Paúl Vásquez / Jefe de Laboratorio
