Especificación de un laboratorio de extra alto voltaje para la Escuela Politécnica Nacional

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. ESPECIFICACIÓN DE UN LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE PARA LA ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA [email protected]. DIRECTOR: DR. GABRIEL SALAZAR YÉPEZ [email protected] Quito, Junio 2015.

(2) DECLARACIÓN. Yo, JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo,. a la Escuela Politécnica Nacional, según lo. establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. __________________________________________________ JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA.

(3) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA, bajo mi supervisión.. _____________________________ DR. GABRIEL SALAZAR YÉPEZ DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) AGRADECIMIENTO Mis más profundos agradecimientos son para mis padres, quienes son el motor de mis acciones y sin los cuáles nunca habría podido terminar esta etapa de mi vida. Agradezco al Dr. Gabriel Salazar por haber confiado en mí y haberme ayudado a realizar este proyecto en un momento de mi vida en que las cosas empezaron a salir mal. De la misma manera agradezco la ayuda del personal del Departamento de Energía Eléctrica por la información y diligencia prestada para sacar adelante este trabajo. Agradezco a mis compañeros de universidad, muchos de ellos parte del cuerpo docente de la Escuela Politécnica Nacional, por la ayuda prestada para obtener información de muy difícil acceso y de gran utilidad para este proyecto. Agradezco a mi amigo Paul Muñoz y el resto de amigos que en complicidad (y que aún no sé quienes fueron en totalidad) tuvieron un gran gesto de amistad y solidaridad cuando pasé malos momentos económicos por causas mayores y me regalaron el computador en el que redacté este trabajo. Realmente fue un gesto que nunca voy a olvidar. Sólo en los malos momentos se sabe cuantos amigos tienes. Finalmente agradezco a la Escuela Politécnica Nacional por todo lo que aprendí en sus aulas, por los tiempos vividos, por los amigos conocidos, porque me enseñó que hay varias formas de llegar a una meta, pero el camino sacrificado es el que tiene mejor recompensa..

(5) DEDICATORIA. Con todo mi cariño dedico este trabajo a mis padres Gabriel y María. Y a todos los que creen en segundas oportunidades..

(6) I. CONTENIDO CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 OBJETIVOS ............................................................................................. 1 1.1.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 1. 1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 1. ALCANCE ................................................................................................ 2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ......................................................... 3 ANTECEDENTES .................................................................................... 6 RAZÓN DE LA EXISTENCIA DE UN LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE .......................................................................................................... 10 OBJETIVOS QUE SE VAN A ALCANZAR CON LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE ..................................... 12 JUSTIFICACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE .................................................. 13 CAPÍTULO 2 ........................................................................................................ 20 SITUACIÓN ACTUAL ........................................................................................... 20 RECURSOS DEL LABORATORIO ........................................................ 20 2.1.1. RECURSOS HUMANOS .................................................................. 20. 2.1.2. RECURSOS FÍSICOS ...................................................................... 22. 2.1.2.1. Kit de construcción de alto voltaje .............................................. 23. 2.1.2.1.1 Transformador elevador de Alto Voltaje ................................. 24 2.1.2.1.2 Elementos pasivos de alto voltaje .......................................... 25 2.1.2.2. Sistema de medición y control ................................................... 29. 2.1.2.2.1 Sistemas de medición de altos voltajes .................................. 30 2.1.2.3. Equipo complementario ............................................................. 31. SERVICIO ACADÉMICO DEL LABORATORIO .................................... 35 SERVICIO PARA EL MEDIO EXTERNO ............................................... 37 INVESTIGACIÓN ................................................................................... 41 PROBLEMAS DEL LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE ..................... 42 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 45 PROYECCIÓN DEL NUEVO LABORATORIO ..................................................... 45 EL PROBLEMA DE LA VISIÓN DEFORMADA DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA .................................................................................................. 45 EL PROBLEMA DEL TRABAJO EXPERIMENTAL EN LA EDUCACIÓN CIENTÍFICA ...................................................................................................... 54 PROYECCIÓN ACADÉMICA E INVESTIGATIVA ................................. 57.

(7) II. PROYECCIÓN DE SERVICIOS AL MEDIO EXTERNO ........................ 67 CAPÍTULO 4 ........................................................................................................ 73 ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS E INSTALACIONES ....................................... 73 TIPOS DE LABORATORIOS DE ALTO VOLTAJE ................................ 73 VOLTAJES DE PRUEBA ....................................................................... 76 4.2.1. VOLTAJES DE PRUEBA DE FRECUENCIA INDUSTRIAL ............. 76. 4.2.2. VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO ............... 77. 4.2.3. VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO DE MANIOBRA ................. 78. 4.2.4. VOLTAJES DE PRUEBA DE CORRIENTE DIRECTA D.C. ............. 79. GENERADOR DE VOLTAJE ALTERNO ............................................... 80 4.3.1. VOLTAJE REQUERIDO ................................................................... 81. 4.3.2. POTENCIA REQUERIDA ................................................................. 87. 4.3.3. TIPOS DE GENERADORES DE ALTO VOLTAJE AC ..................... 89. 4.3.3.1. Transformadores de prueba ....................................................... 89. 4.3.3.2. Sistemas resonantes .................................................................. 92. 4.3.3.3. Opción con sistema de transformadores de prueba. .................. 95. 4.3.3.4. Opción con sistema resonante. .................................................. 98. GENERACIÓN DE VOLTAJE CONTINUO .......................................... 113 4.4.1. OPCIÓN PARA EL LABORATORIO............................................... 117. GENERACIÓN DE VOLTAJES DE IMPULSO ..................................... 122 4.5.1. OPCIÓN PARA EL LABORATORIO............................................... 127. GENERACIÓN DE CORRIENTES DE IMPULSO................................ 134 4.6.1. OPCIÓN PARA EL LABORATORIO............................................... 137. EQUIPO DE PRUEBA DE TRANSFORMADORES ............................. 145 4.7.1. OPCIÓN PARA EL LABORATORIO............................................... 151. EQUIPOS E INSTRUMENTOS COMPLEMENTARIOS ...................... 161 4.8.1. SISTEMA DE MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES ............. 163. 4.8.2. INSTRUMENTOS ADICIONALES .................................................. 165. REQUERIMIENTOS DE ESPACIO FÍSICO ......................................... 167 REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS..................................................... 180 4.10.1 SISTEMA DE ILUMINACIÓN.......................................................... 181 4.10.2 CARGA DE LOS SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE......................... 185 4.10.3 CARGAS ADICIONALES ............................................................... 188 4.10.4 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN ...................................... 189 4.10.5 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ................................................. 192 4.10.6 SISTEMA DE APANTALLAMIENTO .............................................. 194.

(8) III. CAPÍTULO 5 ...................................................................................................... 196 PROPUESTA ..................................................................................................... 196 DATOS GENERALES DEL PROYECTO ............................................. 196 5.1.1. Nombre del Proyecto ...................................................................... 196. 5.1.2. Unidad Ejecutora ............................................................................ 196. 5.1.3. Cobertura y Localización ................................................................ 197. 5.1.4. Monto.............................................................................................. 197. 5.1.5. Plazo de Ejecución ......................................................................... 197. 5.1.6. Sector y tipo del proyecto ............................................................... 198. DIAGNÓSTICO Y PROBLEMA ............................................................ 198 5.2.1 Descripción de la situación actual del área de intervención del Proyecto ...................................................................................................... 198 5.2.2. Identificación, descripción y diagnóstico del problema ................... 198. 5.2.3. Línea base del proyecto ................................................................. 201. 5.2.4. Análisis de Oferta y Demanda ........................................................ 204. 5.2.5. Identificación y caracterización de la población objetivo ................. 211. OBJETIVOS DEL PROYECTO ............................................................ 213 5.3.1. Objetivo General y Objetivos Específicos ....................................... 213. 5.3.2. Indicadores de Resultados ............................................................. 213. 5.3.3. Matriz de marco lógico .................................................................... 215. VIABILIDAD Y PLAN DE SOSTENIBILIDAD ....................................... 220 5.4.1. Viabilidad técnica ............................................................................ 220. 5.4.1.1. Descripción de la Ingeniería del Proyecto ................................ 220. 5.4.1.2. Especificaciones Técnicas ....................................................... 223. 5.4.2. Viabilidad financiera y/o económica................................................ 233. 5.4.2.1 Metodología utilizada para el cálculo de la inversión total, costos de operación y mantenimiento, ingresos y beneficios. ............................ 234 5.4.2.2 Identificación y valoración de la inversión total, costos de operación y mantenimiento, ingresos y beneficios. ................................. 235 5.4.2.3. Flujos Financieros y/o Económicos .......................................... 246. 5.4.2.4. Indicadores financieros y/o económicos (TIR, VAN y otros) .... 247. 5.4.2.5. Evaluación Económica ............................................................. 250. 5.4.3. Análisis de Sostenibilidad ............................................................... 251. 5.4.3.1. Análisis de Impacto Ambiental y de riesgos ............................. 251. 5.4.3.2. Sostenibilidad Social ................................................................ 251. PRESUPUESTO .................................................................................. 252 ESTRATEGIA DE EJECUCIÓN ........................................................... 256.

(9) IV. 5.6.1. ESTRUCTURA OPERATIVA .......................................................... 256. 5.6.2. ARREGLOS INSTITUCIONALES Y MODALIDAD DE EJECUCIÓN .... ........................................................................................................ 256. 5.6.3 CRONOGRAMA VALORADO POR COMPONENTES Y ACTIVIDADES ............................................................................................ 256 5.6.4. ORIGEN DE LOS INSUMOS .......................................................... 259. ESTRATEGIA DE SEGUIMIENTO Y EVALUACIÓN ........................... 261 5.7.1. MONITOREO DE LA EJECUCIÓN ................................................. 261. 5.7.2. EVALUACIÓN DE RESULTADOS E IMPACTOS .......................... 262. 5.7.3. ACTUALIZACIÓN DE LA LÍNEA DE BASE .................................... 262. CAPÍTULO 6 ...................................................................................................... 263 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 263 CONCLUSIONES ................................................................................ 263 RECOMENDACIONES ........................................................................ 270 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 273 ANEXOS ............................................................................................................ 278.

(10) V. RESUMEN En este documento se propone la construcción de un Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional. Se parte de la condición actual del laboratorio existente y se plantea sus limitaciones y necesidades. Se consideran luego las funciones y utilidades que debería tener el laboratorio en la actualidad, enfocándose en tres actividades principales: la investigación científica-técnica, la docencia, y el apoyo al medio externo por medio de servicios. Se consideran algunos criterios nuevos sobre la forma de estudiar en laboratorios y desarrollar una visión científica en los alumnos, se proponen algunos criterios sobre posibles líneas de investigación que se pueden realizar en el campo de los altos voltajes con ayuda del laboratorio así como la oferta de servicios que podría cubrirse para ayudar a las empresas del sector eléctrico. Con las razones antes mencionadas, se propone entonces cuáles deberían ser las condiciones técnicas del laboratorio. Se formula la necesidad de tener un Laboratorio de Extra Alto Voltaje con la capacidad de prueba de equipamiento usado en el sistema eléctrico hasta un nivel de voltaje de 500 kV. En base a ese criterio se especifican los equipos necesarios de acuerdo a la existencia en el mercado, y se realiza una estimación del espacio físico y de los requerimientos de obras civiles y eléctricas. Finalmente se presenta una propuesta que considera la estimación de la inversión necesaria para llevar a cabo el proyecto, tiempo de ejecución y actividades a realizar en base a los lineamientos de la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo SENPLADES para la inclusión de proyectos en los planes de inversión pública, para que este documento sirva como base para la presentación de un proyecto final que pueda ser financiado..

(11) VI. PRESENTACIÓN Un nuevo enfoque en la dinámica productiva del país se basa en la idea de que el país deba ser capaz de ofrecer una cantidad mínima de productos industrializados para reducir la dependencia de productos extranjeros. En el presente caso nos concierne el área de equipamientos eléctricos de potencia, ya que para llegar a una etapa de industrialización con un gran valor agregado nacional se requiere de una fase de investigación científica-técnica previa. Es por eso que este proyecto de titulación propone la construcción de un Laboratorio de Alto Voltaje en la Escuela Politécnica Nacional que sirva para la investigación principalmente, así como para apoyo a la docencia y la prestación de servicios al medio externo.. En el Capítulo 1, Introducción se presentan los objetivos, alcance y justificación de este proyecto de titulación. Y también los antecedentes, justificaciones y objetivos que motivan a la construcción del nuevo laboratorio.. En el Capítulo 2, Situación Actual se aborda la realidad del Laboratorio de Alto Voltaje de la institución, se da una visión de los recursos con los que cuenta, de los servicios que presta, de las limitaciones que tiene y se resume la problemática que presenta.. En el Capítulo 3, Proyección del Laboratorio se muestran algunos criterios sobre cómo debería funcionar el laboratorio para proyectarse como cuna de futuros investigadores, en base a investigación de publicaciones pedagógicas que en los últimos años han estudiado la verdadera función que han tenido las prácticas de laboratorio en la enseñanza de las ciencias, y promoviendo nuevas ideas para cambiar la visión deformada y tradicional de la ciencia que no ha promovido el desarrollo de la creatividad e innovación, a partir de prácticas en un laboratorio.. En el Capítulo 4, Especificación de Equipos e Instalaciones se sugieren los equipos necesarios para la implementación de un laboratorio de capacidad.

(12) VII. suficiente para trabajar con equipamiento de un voltaje nominal de 500 kV. Se muestran alternativas y especificaciones técnicas de equipos disponibles en el mercado, se determinan las dimensiones que debería tener el edificio para emplazar al laboratorio y los requerimientos eléctricos mínimos para su funcionamiento. En el Capítulo 5, Propuesta se realiza un Perfil de Proyecto en base a las normas para la inclusión de programas y proyectos en los planes de inversión pública de SENPLADES. En este perfil se estiman los costos de inversión y operación del laboratorio, se plantea su viabilidad técnica y económica, se especifican las actividades a realizarse en base a la metodología del Marco Lógico de un proyecto, con el fin de que el documento pueda usarse como un borrador de un proyecto final que se pueda presentar para conseguir financiamiento para la construcción del laboratorio. El Capítulo 6, contiene las conclusiones y recomendaciones surgidas a raíz de la elaboración del presente trabajo..

(13) 1. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN La Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional cuenta con varios laboratorios de uso académico que sirven a las 4 carreras que ofrece. Dentro de estos laboratorios, está el Laboratorio de Alto Voltaje que pertenece al Departamento de Energía Eléctrica DEE, laboratorio que tiene equipamientos muy especiales para generación de altos voltajes y que es uno de los pocos laboratorios que brinda sus servicios al medio externo mediante ensayos en equipos y materiales que se utilizan en el sistema eléctrico y que son requeridos por empresas particulares. Este laboratorio genera ingresos a la universidad y es de gran utilidad en los programas de postgrado que está emprendiendo la universidad, en especial el programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica que lleva a cabo el DEE. En este capítulo se muestran los antecedentes, las razones y los objetivos que se van a alcanzar con la construcción de un nuevo Laboratorio de Alto voltaje para la Escuela Politécnica Nacional.. OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVO GENERAL. ·. Realizar las especificaciones técnicas y de operación para un nuevo laboratorio de Extra Alto Voltaje para la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional.. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ·. Justificar la necesidad de implementar un nuevo Laboratorio de Altos Voltajes y Altas Corrientes en el país..

(14) 2. ·. Describir la problemática del actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional.. ·. Indicar los lineamientos que debería seguir un nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para afianzar la investigación científica, el desarrollo docente y el apoyo a la industria eléctrica ecuatoriana.. ·. Elaborar las especificaciones técnicas mínimas con las que debería contar un nuevo laboratorio de Alto Voltaje en el aspecto de equipamientos e instalaciones.. ·. Proponer la implementación de un nuevo laboratorio de Extra Alto Voltaje que pueda responder a las exigencias de la modernización industrial y que sea herramienta para el desarrollo científico-técnico del Ecuador.. ·. Elaborar el perfil del proyecto de implementación de un nuevo Laboratorio de Extra Alto Voltaje en formato SENPLADES con el fin de entrar en el plan anual de inversiones del estado y financiar el proyecto.. ALCANCE En este proyecto de titulación se explican las condiciones en las que se encuentra el actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional, y en base a esos problemas se justifica la propuesta de construcción de un Laboratorio de Extra Alto voltaje completamente nuevo. Se indican cuáles son las actividades que se podrían desarrollar en el nuevo laboratorio recopilando la experiencia del laboratorio existente y poniendo un nuevo enfoque en la investigación y también se indicará cuál debería ser el recurso humano que se necesita para llevar a cabo estas tareas..

(15) 3. Se especifica de manera general el equipamiento mínimo con el que se debería contar, las condiciones de trabajo a las que estarán expuestas y la dimensión de las instalaciones requeridas para emplazar el laboratorio. Finalmente se diseña la propuesta del nuevo laboratorio en base al Perfil de Proyectos de la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo SENPLADES. En este perfil de proyecto está la solución en sí a la problemática existente, se justifica el proyecto y se indica su viabilidad técnica y económica. Con la finalidad de que este proyecto sea incluido en el Plan Anual de Inversión Pública del estado ecuatoriano y así conseguir que el proyecto se haga realidad.. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO El actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica viene funcionando ininterrumpidamente desde 1966, tiene algunos componentes dañados que no se pueden remplazar debido a su inexistencia en el país, además de contar con equipos muy antiguos y una capacidad limitada, ya que tiene como valor nominal 100 kV A.C que no nos permiten probar elementos asociados a las redes eléctricas más allá del nivel de distribución de energía eléctrica de 22,8 kV. Por otra parte, la Escuela Politécnica Nacional se halla en una etapa de cambio generacional, donde una gran cantidad de profesores han salido debido a su jubilación dejando en la actualidad un vacío en la transición del conocimiento del área de Alto Voltaje, por lo que el nuevo personal docente que entra a formar parte de la facultad tiene que asumir el reto de renovar el laboratorio y de impulsarlo para que sea herramienta de desarrollo científico y de apoyo al sector eléctrico, actividades que las ha realizado durante estos años ajustándose a sus limitaciones. Adicionalmente en el mes de junio de 2014 se concretaron los trámites por parte del rectorado de la E.P.N para que los predios ubicados en la intersección de las calles Isabel La Católica y Veintimilla (La Universal) junto a la Facultad de Ingeniería Eléctrica pasen a ser parte de la Escuela Politécnica Nacional. Estos terrenos serán.

(16) 4. de gran utilidad para nuevas instalaciones que tanto requiere la facultad y por tanto el limitante del espacio físico para tener un nuevo laboratorio estaría superado. La idea de un nuevo laboratorio de Alto Voltaje no es nueva, existen antecedentes como la tesis de Alonso Vicuña con tema: Diseño del Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Escuela Politécnica Nacional dirigida por el Ing. Alfredo Mena en 1977. El proyecto presentado por el Ing. Mario Barba Ampliación y mejoramiento de servicios en altos voltajes y altas corrientes y el posterior proyecto Nuevo Laboratorio de Pruebas en Alto Voltaje presentado por el Ing. Paul Ayora al Departamento de Energía Eléctrica en 2011 muestran la necesidad que ha venido asentándose con los años de mejorar el laboratorio existente, pero que desafortunadamente han quedado sólo en proyectos que no han visto realizarse. La Escuela Politécnica Nacional en noviembre de 2013 recibió por parte del Consejo de Evaluación, Acreditación y Aseguramiento de la Calidad de la Educación Superior (CEAACES), la acreditación de la universidad en la categoría más alta A afianzándola como una universidad de excelencia. Esta categorización exige a la universidad reforzar el campo de la investigación y generar programas de postgrado a nivel de doctorado. La Facultad de Ingeniería Eléctrica necesita de laboratorios de calidad para poder llevar a cabo las investigaciones de su área y promover la generación de conocimiento que necesita nuestro país. En el caso del nuevo Laboratorio de Alto Voltaje, la Escuela Politécnica Nacional no cuenta con laboratorios similares a los de universidades de otros países de la región como el laboratorio de Alta Tensión en La Universidad de San Juan en Argentina que cuenta con una capacidad de 500 kV en corriente alterna, o la Universidad Simón Bolívar en Venezuela que cuenta con 920 kV en corriente alterna sólo por mencionar un par de referencias. El proyecto de un nuevo Laboratorio de Alto Voltaje sería único en el país. Por otro lado el Laboratorio de Alto Voltaje brinda sus servicios al sector eléctrico realizando ensayos a diversos equipos y materiales que se usan en este campo. El apoyo de la universidad es casi único en el país ya que son poquísimas las.

(17) 5. universidades que cuentan con un laboratorio de Alto Voltaje y mucho menos son las que brindan servicios al medio externo. Haciendo que si la Escuela Politécnica Nacional no brinda estos servicios no habría quien los haga. Estos ensayos limitados que aún se realizan pueden mejorar las condiciones de calidad de los productos y materiales usados por el sector eléctrico y que en muchos casos debido a la falta de capacidad para realizarlos las empresas eléctricas deben confiar en las pruebas que realizaron los fabricantes fuera del país. El laboratorio puede impulsar el desarrollo de tecnología nacional y fomentar la industria eléctrica ya que es desde la universidad de donde nacen los proyectos de investigación que luego se materializan en productos tangibles y comerciales. Como si no bastasen razones, el Ecuador está incrementando su capacidad de generación de energía eléctrica y como parte de ello está construyendo por primera vez líneas de transmisión de 500 kV y con ello incursiona en los niveles de Extra Alto Voltaje. Sobra decir que las capacidades del laboratorio existente no dan para investigar todos los fenómenos asociados a niveles tan altos de voltaje. Incluso, una gran ventaja del nuevo laboratorio sería su ubicación en Quito a 2850 m.s.n.m, altitud a la cual el aislamiento se deteriora y que las normas dan un tratamiento empírico ya que dan bases exactas sólo hasta los 1000 m.s.n.m. El estudio del aislamiento eléctrico con la altitud a altísimos voltajes sería un campo de investigación de donde se podría investigar muchísimo. Estas razones han impulsado al Departamento de Energía Eléctrica a sacar adelante proyectos de mejoramiento de sus laboratorios. El presente proyecto de titulación servirá como complemento al proyecto de implementación de un Nuevo Laboratorio de Extra Alto Voltaje como documento en el que están plasmadas las razones que nos llevan a desear un nuevo laboratorio, las experiencias que se tienen del actual laboratorio, la forma en que debería operar el nuevo laboratorio, quiénes deberían ser las personas que lo manejen, los equipos que debería tener, los servicios que podría brindar y entregar un Perfil del Proyecto para que con este en mano se pueda gestionar su financiamiento..

(18) 6. ANTECEDENTES El Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional fue instalado en el año de 1966 por la empresa alemana MESSWANDLER BAU-GMBH, BAMBERG ALEMANIA, en la facultad de Ingeniería Eléctrica, el cual se utiliza para la generación y medida de altos voltajes alternos, continuos y de impulso. Cuenta con las características básicas listadas a continuación: -. Voltaje alterno: 1 Transformador de elevación de 220 V/100 kV, en dos etapas de 50 kV. Una potencia de salida de 5 kVA en la etapa de 100 kV o 2,5 kVA por etapa de 50 kV.. -. Voltaje continuo: mediante rectificación de voltaje alterno se pueden tener 130 kV de voltaje continuo en una etapa o 260 kV en dos etapas. La máxima corriente que se puede obtener en ambos casos es de 5 mA.. -. Voltaje de impulso: se pueden tener impulsos de voltaje normalizados de 1.2/50 us. Mediante una o dos etapas. Teniendo un máximo voltaje de carga de 130 kV para una etapa con una energía de 60 J. En dos etapas se puede tener 260 kV mediante voltaje de carga con 120 J de energía.. Estas características están detalladas en las hojas técnicas del laboratorio. Sin embargo, esto no significa que se puede tener los niveles máximos indicados, por razones como el deterioro del aislamiento eléctrico con la altitud y el daño de algunos elementos como rectificadores y capacitores después de tantos años de trabajo, lo que impide armar los circuitos en doble etapa. De acuerdo a la norma IEC 60071-1 Coordinación del Aislamiento. El nivel de prueba de voltaje sostenido y voltaje de impulso para algunos sistemas eléctricos se muestra en la Tabla 1.1..

(19) 7. Tabla 1.1. Niveles de aislamiento eléctrico para sistemas eléctricos según IEC y corregidos por devaluación de aislamiento al nivel de la ciudad de Quito. Sistema Eléctrico. Voltaje del Sistema Ecuatoriano. Voltaje Normalizado según IEC. U (kV). Um (kV). Valores de norma. Voltaje de impulso atmosférico normalizad o VITo (kVp). 6,3 13,2 22,8 34,5. 7,2 12 17,5 24 36. 60 75 95 145 170. Voltaje sostenido de frecuencia industrial de corta duración. Valores corregidos Al nivel de Quito ࡯࢕࢔࢙࢚ࢇ࢔࢚ࢋࢊࢋࢉ࢕࢘࢘ࢋࢉࢉ࢏Ö࢔ ૚ ቀ ቁ ൎ ૚Ǥ ૝ ૙Ǥૠ૚૚. VITq (kVp). VFIq (kV). 84,4 105,5 133,6 203,9 239,1. 28,1 39,4 53,4 70,3 98,5. VFIo (kV) 20 28 38 50 70. Interpretando los niveles de la Tabla 1.1. Para pruebas de voltaje sostenido de frecuencia de 60 Hz, en teoría se puede probar elementos del sistema de hasta 34,5 kV, ya que se requiere de 98,5 kV y disponemos de 100 kV. Sin embargo, con todos los años que tiene el transformador de elevación y dependiendo de qué elemento sea el que se quiera probar, ya que cada elemento actúa como carga, y por la experiencia en el manejo de este sistema del laboratorio, no siempre es posible llegar a los 100 kV. Los ensayos con ondas de impulso de voltaje en cambio son más exigentes en cuanto al nivel pico de la onda que se aplica. Luego de tantos años de trabajo, hay dos rectificadores y dos capacitores dañados, que son irremplazables como elementos únicos e irreparables, esto impide armar el circuito de doble etapa de impulso, por lo que se dispone sólo de 130 kV de onda de impulso, reduciendo la capacidad de prueba sólo a elementos del sistema de 13,2 kV. En resumen, el Laboratorio de Alto Voltaje tiene la capacidad garantizada para pruebas de voltaje sostenido de frecuencia industrial en elementos que pertenecen máximo al sistema de 22,8 kV. Y para pruebas de impulso de voltaje del tipo atmosférico máximo a elementos del sistema de 13,2 kV..

(20) 8. Cuando se instaló el laboratorio en 1966, tener un laboratorio de 100 kV bastaba para los niveles de voltaje que se manejaban. Sin embargo, la expansión del sistema eléctrico con los años ya evidenciaba la necesidad de incrementar la capacidad del laboratorio. Es por eso que no es la primera vez que se habla de repotenciar, renovar y reconstruir el Laboratorio de Alto Voltaje. Existen referentes históricos sobre propuestas de renovación del laboratorio. En el año de 1976, apenas a 10 años de la instalación del laboratorio, el Ing. Alfredo Mena quien trabajaba en la Facultad como docente y estaba a cargo de dicho laboratorio, ya propuso hacer un laboratorio que para la época pretendía proyectarse para pruebas en el sistema de 230 kV. Realizó dos Tesis de grado que han sido referencias para este trabajo: -. Diseño del Apantallamiento y Puesta a Tierra del Nuevo Laboratorio de Alta Tensión de la E.P.N. Por Jorge Efraín Páez Valencia en 1976.. -. Diseño del Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Escuela Politécnica Nacional. Por Alonso Rafael Vicuña Arellano en 1977.. En aquellos años ya hablaban de la insuficiente capacidad del laboratorio, y presentaron propuestas, que finalmente no se ejecutaron debido a razones económicas principalmente. En la década del año 2000, el Ing. Mario Barba Clavijo, junto a quienes trabajaban activamente en el área de Alto Voltaje, los ingenieros: Fausto Avilés y Paul Ayora, elaboró una propuesta para repotenciar el laboratorio existente, con el nombre de: AMPLIACIÓN Y MEJORAMIENTO DE SERVICIOS EN ALTOS VOLTAJES Y ALTAS CORRIENTES, proyecto en el que proponía cambiar el equipo del laboratorio por uno nuevo de un nivel de 200 kV AC e instalarlo en el local donde actualmente está ubicado el Laboratorio de Control de Procesos Industriales, local que fue construido con el objetivo de que en este espacio funcione el nuevo Laboratorio de Alto Voltaje; que cuenta con mucho más espacio, entrada para vehículos, y altura necesaria..

(21) 9. En ese proyecto se incluyó no sólo la necesidad de altos voltajes, sino de altas corrientes y pretendía cubrir los requerimientos para pruebas en el sistema de 69 kV. Este proyecto finalmente no fue financiado y no se ejecutó. Durante los años 2010 y 2011 el proyecto fue nuevamente retomado, por el Ing. Paul Ayora, en este proyecto se pretendía construir un laboratorio que pueda trabajar con componentes del sistema de 69 kV. Proyecto que quedó en propuesta ya que no se llegó a gestionar su ejecución. Se realizó la propuesta de un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que sería único en el país y a nivel de América Latina, y que en palabra del Ing. Paúl Ayora no pudo ser encaminado debido a un conflicto de ideas: La idea general de este proyecto fue presentada al entonces ministro de Energía Ing. Glas ahora Vicepresidente de la República- por medio del Ing. Medardo Cadena. Al Ing. Glas le pareció una muy buena idea, pero consideraba que debía estar en la Universidad Yachay (según indicó el Ing. Cadena) por lo cual no se continuó con gestiones sobre el proyecto. Este proyecto tenía un carácter continental, pues no tengo referencia de otro similar en algún país de América. Se podía trabajar como un centro de altos estudios para investigación de varios países de América. Quizás se debería refrescar la idea, toda vez que La Universidad Yachay no va a incursionar en el campo de los altos voltajes. Este último proyecto tiene ideas muy importantes, y que han sido base de este trabajo, siendo que la Escuela Politécnica Nacional como líder de la educación nacional debe ser quien impulse la investigación para promover el desarrollo de nuestro país. De esta manera se presentan los precedentes sobre los que se ha trabajado y reconociendo el mérito y dedicación que cada uno de ellos puso al desarrollar sus proyectos, y que ahora que se han revisado es imprescindible nombrarlos y hacerles llegar la gratitud que la Facultad de Ingeniería Eléctrica les debe por su trabajo, y con la mejor forma de agradecimiento que es hacer realidad las ideas que tuvieron..

(22) 10. RAZÓN DE LA EXISTENCIA DE UN LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE Un estudiante de ingeniería de la Escuela Politécnica Nacional está altamente considerado y cotizado en la industria y áreas en las que se ha especializado, debido al nivel educativo y la reputación que la universidad ha ganado durante muchos años de trabajo riguroso. A pesar de ello, es de conocimiento general, y en base a la experiencia del autor de este trabajo siendo aún un estudiante de la institución, que la formación de un estudiante politécnico es mayoritariamente teórica, pero que deja una debilidad en la parte práctica, que según muchos empleadores que contratan a politécnicos jóvenes resulta un problema inicial en su vida laboral y que es complicado suplir en la vida profesional. Siendo que estos testimonios también salen de los jóvenes recién graduados quienes expresan que pudieron haber aprendido más cuando eran estudiantes. El trabajo en un laboratorio sirve para comprobar las teorías físicas de la naturaleza en la realidad, para crear nuevos inventos que deban ser perfeccionados hasta obtener el resultado deseado, y para descubrir efectos o fenómenos que sólo se perciben cuando se lleva a cabo un experimento. El laboratorio es la herramienta del científico para hacer realidad sus ideas. El trabajo en el laboratorio también perfecciona capacidades en cada persona, como la observación, la iniciativa, la curiosidad, la disciplina y el orden, y algo muy importante como la capacidad de trabajar en equipo. Muchos empresarios que contratan a jóvenes politécnicos se han expresado sobre la debilidad social que tiene el estudiante, y lo difícil que resulta para muchos cooperar en equipos de trabajo o comunicarse efectivamente. [1] En el caso específico de Alto Voltaje, el laboratorio y su cátedra es la primera experiencia que tiene un estudiante de ingeniería eléctrica con la carrera en sí. Es la primera y única vez que puede experimentar con campos eléctricos muy altos.

(23) 11. teniendo su seguridad garantizada. Es la primera experiencia con equipos del sistema eléctrico, con transformadores, aisladores, disyuntores, seccionadores, apartarrayos, cables, aceites, gases, etc. y donde el estudiante se puede dar cuenta de la magnitud del sistema eléctrico. En el ámbito técnico, la formación que se da en el laboratorio trata de acercar al estudiante con la vida real, con la industria del sector eléctrico. Porque es imposible concebir un ingeniero eléctrico que no sepa el funcionamiento de los elementos elèctricos, o peor aún, el nombre de las partes de un sistema cuando se encuentra ejerciendo su profesión. Por parte de los servicios externos, la Escuela Politécnica Nacional como autoridad en el área, realiza pruebas y certificaciones que son solicitadas por personas naturales y jurídicas relacionadas con el sector eléctrico y a pesar de que pudiesen ser hechas por otras universidades, o por personas con estudios especializados, siempre solicitan que sea la Politécnica quien realice las pruebas, muestra fiel de la confianza y garantía de su capacidad. A pesar de las limitaciones que tiene el Laboratorio de Alto Voltaje, siempre que existen los requerimientos para realizar un ensayo se hacen los trabajos solicitados, cumpliendo el objetivo institucional de servir a la sociedad y a la industria ecuatoriana. La razón principal por la que debe existir un Laboratorio de Alto Voltaje en la Escuela Politécnica Nacional es la Investigación Científica-Técnica, ya que con el mismo se puede incursionar en los estudios de aislamiento eléctrico aprovechando la elevación sobre el nivel del mar de Quito. Es posible trabajar sobre la elaboración de nuevos materiales dieléctricos, sobre el diseño de equipos de alto voltaje, con el fin de generar una industria nacional de insumos para el sector y de este modo reducir importaciones. Existe la posibilidad de ahondar el estudio de la compatibilidad electromagnética y de más efectos del campo eléctrico. Todo esto con el fin de hacer un mejor país, con más industria y calidad técnica..

(24) 12. OBJETIVOS. QUE. SE. VAN. A. ALCANZAR. CON. LA. IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE Las razones que motivan al Departamento de Energía Eléctrica DEE, se basan en tres ejes: -. Apoyo a la docencia. -. Apoyo a la industria eléctrica. -. Ejecución de programas de investigación científica.. Para ello es necesario construir un Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje, construcción que cubrirá tanto la infraestructura física como la formación de las personas que manejarán el nuevo centro. Internacionalmente se acepta que sobre los 345 kV, se trate a los sistemas como de Extra Alto Voltaje EHV, por tanto se ha considerado que el nuevo laboratorio debe tener capacidad para trabajar con elementos del sistema de 500 kV que entrará a funcionar en Ecuador, y en base a ello, proponemos la creación de un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que cumpla con el siguiente objetivo: Objetivo General o Propósito:. Implementar un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que permita realizar investigación científica, docencia, y brindar servicios al sector eléctrico ecuatoriano en el control de calidad de equipamiento de sistemas eléctricos de hasta 500 kV. Para poder cumplir con esta meta se necesita cumplir varios objetivos específicos que harán realidad cada uno de los ejes indicados anteriormente..

(25) 13. Objetivos Específicos:. ·. Elaborar la Planificación Técnica para el Diseño y Construcción del Laboratorio de Alto Voltaje. ·. Construir un laboratorio de Alto Voltaje con la capacidad para poder realizar pruebas a los componentes físicos del sistema eléctrico de potencia de hasta un nivel de 500 kV.. ·. Formar al Recurso Humano suficiente y especializado en Técnicas de Alto Voltaje que haga carrera en la Escuela Politécnica Nacional.. ·. Elaborar un Cuerpo Normativo para el funcionamiento del Laboratorio de Alto Voltaje. ·. Hacer partícipe efectivo a la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica en la solución de problemas técnicos y en el desarrollo de la investigación científica, revirtiendo de esta forma la inversión que realiza el país en la educación superior.. ·. Ofrecer servicios de pruebas de laboratorio al sector eléctrico para asegurar la calidad y seguridad de cada componente del sistema eléctrico.. ·. Contar con asistencia y transferencia de tecnología en la operación del primer año del nuevo laboratorio.. JUSTIFICACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE Desde que el sistema eléctrico del Ecuador se unió para formar el Sistema Nacional Interconectado ha crecido vertiginosamente debido al incremento de la demanda eléctrica de la sociedad, que cada día tiene un mayor consumo eléctrico, reflejo del ritmo de la modernización actual. Aunque en algunas épocas se descuidó la.

(26) 14. expansión que el sistema debía tener produciéndose con ello temporadas de cortes de energía y racionamientos. La política actual del gobierno ha emprendido el trabajo de fortalecer el sistema eléctrico con la construcción de nuevas centrales de generación, con el fin de tener energía disponible en los años venideros. El sistema actual de transmisión de energía trabaja a niveles de voltaje de 138 kV y 230 kV. Con la construcción de los Proyectos Emblemáticos de generación hidroeléctrica como Coca-Codo Sinclair de 1500 MW y Sopladora de 487 MW, se necesita poder llevar toda la energía que van a generar al sistema nacional, por lo que por primera vez se va a construir un sistema de transmisión de 500 kV. Este nivel de voltaje va a traer nuevas experiencias a todos los que trabajan en el sector eléctrico. En ese nivel de voltaje las condiciones de coordinación de aislamiento cambian a las conocidas en el actual sistema de 230 kV, se ven nuevos efectos de corona, se tienen elementos más grandes y más potentes, èsta es una de las razones por las que se ha decidido que el nuevo laboratorio debe tener la capacidad de realizar ensayos a los elementos que forman parte de este sistema, y con ello se podría probar cualquier elemento del sistema eléctrico de valores nominales menores o iguales a 500 kV. Al tener la capacidad de trabajar en este nivel de voltaje se puede empezar a trabajar en varias áreas de investigación. Una de las áreas que no se tiene normalizada sobre los 2000 m.s.n.m. es la degradación del aislamiento, la cual se puede estudiar por la ubicación del laboratorio en Quito. Se puede trabajar en el desarrollo de equipamientos y elementos de fabricación nacional al tener las herramientas con las que experimentar y promover tecnología propia. Sería posible certificar que los componentes del sistema eléctrico cumplen con los requisitos técnicos establecidos por normas internacionales y que en muchos casos al no poderse realizar en el país, se debe recurrir a laboratorios del extranjero o confiar en las pruebas del fabricante. Un laboratorio totalmente equipado, con tecnología de punta que vaya a la vanguardia del desarrollo de la industria eléctrica, motiva a los docentes y.

(27) 15. estudiantes a desarrollar y proponer ideas que sirvan como proyectos de investigación al tener un área de trabajo de calidad. En las políticas de gobierno actuales, se elaboró el Plan Nacional del Buen Vivir, que posee 12 objetivos para el desarrollo, la inversión pública y la regulación económica. Dentro de este plan hay algunos objetivos con los que este proyecto se cohesiona, y que son: [2]. Objetivo 4. Fortalecer las capacidades y potencialidades de la ciudadanía Bajo las políticas:. ·. 4.4. Mejorar la calidad de la educación en todos sus niveles y. modalidades, para la generación de conocimiento y la formación integral de personas creativas, solidarias, responsables, críticas, participativas y productivas, bajo los principios de igualdad, equidad social y territorialidad. ·. 4.5. Potenciar el rol de docentes y otros profesionales de la educación. como actores clave en la construcción del Buen Vivir. ·. 4.6. Promover la interacción recíproca entre la educación, el sector. productivo y la investigación científica y tecnológica, para la transformación de la matriz productiva y la satisfacción de necesidades. ·. 4.7. Promover la gestión adecuada de uso y difusión de los conocimientos. generados en el país Este objetivo pretende cambiar la sociedad ecuatoriana, de una economía de recursos materiales a una economía de recurso infinito: el conocimiento. Este objetivo pretende formar investigadores que desarrollen el sector productivo nacional donde la universidad sea creadora de patentes. [2].

(28) 16. Involucra al sector educativo con el sector productivo y la investigación científica y tecnológica para transformar la matriz productiva del país. Promueve el desarrollo, transferencia e innovación de tecnología nacional. Amplia la inversión pública y privada para la transferencia de conocimiento y tecnología, y para formar investigadores y sus respectivos programas de investigación. Estos son algunos de los componentes de este objetivo a los que se va a contribuir mediante la ejecución de este proyecto. El deseo de la EPN ha sido siempre usar la ciencia en beneficio del ser humano, y el proyecto del nuevo Laboratorio de Alto Voltaje y de otros laboratorios que están en el mismo proceso de modernización, ha sido siempre pensando en enfocar su esfuerzo en producir conocimiento y formar investigadores que generen ideas que luego se hagan patentes que sirvan a la industria nacional, porque existen en el país personas capaces y con el potencial para hacer tal trabajo.. Objetivo 10. Impulsar la transformación de la matriz productiva. Bajo las políticas:. ·. 10.1 Diversificar y generar mayor valor agregado en la producción nacional. ·. 10.2 Promover la intensidad tecnológica en la producción primaria de bienes intermedios y finales. Este objetivo busca una economía basada en la producción de conocimiento para que desemboque en la transformación de las estructuras de producción. La acción organizada del sistema económico, la incorporación del conocimiento y la transformación de las estructuras productivas que se deben encaminar a la sustitución de importaciones, la creación de industrias y nuevos sectores que sean competitivos, productivos, sostenibles, sustentables y diversos. [2] La transformación de la matriz productiva supone un gran paso en la frontera científico-técnica, con una nueva visión en las formas de producir que promuevan.

(29) 17. la diversificación productiva en nuevos sectores que permitan pasar de una economía basada en la extracción de recursos naturales hacia una estructura orientada a la producción del conocimiento y la innovación y que de esa manera se pueda dar un valor agregado a la producción nacional. Este objetivo promueve la educación y la formación técnica para lograr tal transformación. Se desea conjugar la educación, la tecnología y la investigación con el sector productivo, en base a las necesidades actuales del sector y también promover conocimientos futuros. Es opinión del autor de este trabajo y quizá de muchas personas que forman parte de la universidad en general, que es necesaria la relación y el trabajo conjunto de la industria y la universidad. Trabajo que aún no se hace de la mejor manera, siendo por eso que la universidad no puede suplir todos los requerimientos que la industria necesita y que la industria exija conocimientos que no adquirieron en la etapa estudiantil a sus trabajadores, siendo que ambos gremios se necesitan para evolucionar. Es notable el ejemplo de la República de China mejor conocida como Taiwan, un país en una isla más pequeña que la provincia de Pichincha, con más de 23 millones de habitantes, que es un líder mundial en tecnología y es una de las economías más fuertes del Pacífico. Este país de pescadores apostó por el conocimiento y la industrialización en los años ochenta, sin tener la capacidad tecnológica ni económica que tenían los países desarrollados como Estados Unidos o Japón. [3] Pero ellos optaron por ligar la educación con la industria. Crearon un parque científico, un instituto de investigación de tecnología industrial, y un paquete de incentivos financieros. El Ministerio de Economía se dedicó a coordinar esfuerzos para ligar a las empresas, el parque científico, el instituto de investigación, las universidades y los laboratorios nacionales para integrar los talentos, los productos, el capital, la tecnología y el espíritu empresarial en una labor de hormigas muy bien coordinadas y con alta eficiencia, que hicieron que un grupo de.

(30) 18. pequeñas compañías haga crecer la economía de un país tan pequeño pero con metas firmes, que en la actualidad sigue construyendo parques científicos, centros de investigación y centros de incubación en las universidades. [3] En el actual Laboratorio de Alto Voltaje llegan muchas veces zapatos de protección personal para trabajos eléctricos, sus fabricantes, son en muchas ocasiones artesanos, que quieren participar en contrataciones para proveer su calzado a las empresas eléctricas y petroleras del país, pero que no cuentan con la formación ni la información necesaria para hacer un producto de calidad que les permita expandir sus negocios. Durante el breve tiempo que el autor de este proyecto trabajó en el laboratorio tuvo la satisfacción personal de poder ayudar a más de uno de los constructores de zapatos indicándoles sus observaciones mientras hacía los ensayos y las conclusiones que sacó de tales pruebas para que ellos mejoren su producto. Es interesante pensar en que si con el aporte en algo sencillo como las pruebas en zapatos es posible ayudar a una parte productiva del sector eléctrico, lo que se podría hacer con un laboratorio de envergadura y con personal altamente calificado por nuestra industria sería muy valioso. El deseo del Departamento de Energía Eléctrica es utilizar el nuevo laboratorio con el fin de generar investigación, que pueda ser utilizada en la industria eléctrica y afines. Se tiene clara la concepción de un trabajo multidisciplinario, que conjugue a la universidad y la industria, y que aúne esfuerzos con los demás laboratorios de la Escuela Politécnica Nacional para el desarrollo de tecnologías, por ejemplo: para el desarrollo de nuevos materiales aislantes se debe trabajar en conjunto con profesionales de la ingeniería química, mecánica y física. De esta manera el proyecto de implementación del Nuevo Laboratorio de Extra Alto Voltaje se alinea al Plan Nacional del Buen Vivir y permite promover la investigación científica y técnica para el desarrollo de la industria nacional, así como la formación de docentes investigadores y de mejores profesionales de la carrera. Fomentar el trabajo interinstitucional siempre ha sido una política de la Escuela Politécnica Nacional. La apuesta del actual gobierno por una sociedad del.

(31) 19. conocimiento y que tiene un hito de referencia: la creación de Yachay, una ciudad que conjugará la industria y la universidad, es una decisión que la universidad aplaude y celebra pero debe manifestar que sólo con Yachay el cambio que se espera no será posible. Se debe trabajar a nivel nacional involucrando a todas las universidades del país, y dándoles los recursos necesarios para que todas ellas puedan desarrollarse. El nuevo laboratorio no estará destinado únicamente a los estudiantes de Ingeniería Eléctrica de la EPN, sino que estará abierto a trabajar en conjunto con todas las instituciones que lo requieran, pudiendo trabajar con investigadores de varias universidades y de la misma Yachay. La Escuela Politécnica Nacional tiene la experiencia acumulada de varias generaciones de profesionales, el prestigio a nivel nacional de ser una institución de alto nivel calificada en la categoría más alta de la evaluación de universidades del Ecuador, que está abriendo programas de posgrado como el Doctorado en Ingeniería Eléctrica. Pero para ello también requiere de inversión para renovar no sólo el laboratorio de Alto Voltaje sino todos los laboratorios de las diferentes facultades que vienen funcionando por décadas y que no permiten desarrollar investigación adecuada. En el Ecuador sólo existen tres instituciones de educación superior que cuentan con un Laboratorio de Alto Voltaje, y sólo la Escuela Politécnica Nacional brinda sus servicios al medio externo con este laboratorio. El Laboratorio de Extra Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional va a ser único en su tipo en el país, y a nivel de la región estará al nivel de sus símiles en las más importantes universidades de países como Argentina, Chile o Venezuela..

(32) 20. CAPÍTULO 2 SITUACIÓN ACTUAL Antes de proponer una alternativa que permita alcanzar los objetivos planteados en el capítulo anterior. Es necesario hacer un análisis de la situación actual en la que funciona cotidianamente el Laboratorio de Alto Voltaje. Este análisis se hace teniendo en consideración los recursos físicos, académicos, de investigación y de servicios al medio externo.. RECURSOS DEL LABORATORIO El Laboratorio de Alto Voltaje perteneciente al Departamento de Energía Eléctrica DEE de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica FIEE de la Escuela Politécnica Nacional, viene funcionando desde el año de 1966 y sus servicios principales son los académicos. Adicionalmente presta sus servicios al medio externo mediante realización de ensayos a petición de las diversas empresas del sector eléctrico, para ello cuenta con los recursos que se describen a continuación:. 2.1.1 RECURSOS HUMANOS En la actualidad se vive una época de transición y cambio generacional en la universidad. Debido a la entrada de una nueva ley de educación y la salida masiva de profesores que se acogieron a una jubilación complementaria que sólo les era válida si se jubilaban antes de finalizar el año 2014. Esto ha hecho que una enorme cantidad de profesores de todas las facultades hayan salido de la institución sin poder transferir su conocimiento a los nuevos profesionales. En especial porque muchos de los profesores eran quienes manejaban el trabajo de los laboratorios, quienes tenían todo el conocimiento adquirido a través de años de experiencia y que es muy difícil de adquirir en tan poco tiempo para los nuevos profesionales que entran a formar parte del nuevo cuerpo docente de la EPN..

(33) 21. En el caso del Laboratorio de Alto Voltaje se cuenta con un nuevo profesor, graduado de Ingeniería Eléctrica y con nivel de Maestría en Ingeniería Eléctrica obtenida en la Escuela Politécnica Nacional que es el jefe del laboratorio. Dos Técnicos-docentes con formación de Ingeniería Eléctrica que dictan las clases del Laboratorio de Alto Voltaje. Y un auxiliar de laboratorio que es un estudiante de la carrera de ingeniería eléctrica que se encarga del mantenimiento del laboratorio y de servicios auxiliares. Profesionales que son parte de la nueva generación de docentes de la universidad, con mucha convicción y deseo de servicio. Es importante mencionar que estas personas formarán parte de los programas de investigación que está planificando la facultad. Por ello deberán capacitarse continuamente, hacer estudios de postgrado, trabajar en el laboratorio tanto en los programas de investigación como en los servicios al medio externo. En la opinión del autor los nuevos docentes adscritos al Departamento de Energía Eléctrica deben formar parte activa del trabajo de todos los laboratorios. Esto podría ser mediante rotación de las áreas en las que se los ubique, debido a que si el conocimiento se encapsula en una o dos personas, sin ellas el funcionamiento de los laboratorios se vuelve caótico. Si todos los nuevos técnicos-docentes rotan por cada área de especialización, en un par de años cualquiera de ellos podría ejecutar sus acciones en cualquier laboratorio del departamento, y así, no se tendría el problema de que debido a alguna eventualidad como que un docente viaje por un largo tiempo fuera del país, o renuncie a su puesto de trabajo, deje un vacío difícil de llenar para el resto del cuerpo docente, cosa que sucede en la actualidad debido a la jubilación masiva de profesores. Por otra parte, una nueva generación de profesionales siempre trae consigo grandes ideas y proyectos, que usualmente no solían ser escuchados por ser propuestos por gente muy joven. A eso hay que añadir el entusiasmo de la juventud, y la facilidad del manejo de nuevas tecnologías que hacen más fácil modernizar la infraestructura de los laboratorios. El personal de la Escuela Politécnica Nacional.

(34) 22. siempre se ha caracterizado por salir adelante con excelencia, sin importar los recursos limitados.. 2.1.2 RECURSOS FÍSICOS El Laboratorio de Alto Voltaje funciona en el aula E-008 del edificio antiguo de Ingeniería Eléctrica, en el subsuelo. Es un local de medio tamaño que mide 16 metros de largo por 12 metros de ancho y 3,85 metros de alto. Como se ve en la Figura 2.1. Figura 2.1. Área del Laboratorio de Alto Voltaje. El laboratorio cuenta con una oficina para dos personas con sus respectivos computadores y escritorios. Cuenta con pupitres unipersonales y una pizarra. El laboratorio propiamente dicho está dentro de una Jaula de Seguridad, la cual es una jaula de metal formada por una malla con dos puertas de acceso, y se completa con la malla de tierra, malla en el techo y en las paredes..

(35) 23. El fin de esta jaula es albergar el equipo de generación de alto voltaje, de manera que las personas que trabajan en el laboratorio operen los equipos desde fuera de dicha jaula, y de esta manera están protegidos del alto voltaje debido al efecto de la Jaula de Faraday que los aísla del alto campo eléctrico. En la Figura 2.2 se puede observar una foto frontal de dicha jaula.. Figura 2.2. Foto frontal de la Jaula de Seguridad del laboratorio de Alto Voltaje. 2.1.2.1 Kit de construcción de alto voltaje. El corazón del laboratorio es el Kit de Construcción de Alto Voltaje. Este es un conjunto de elementos que nos permiten generar altos voltajes AC, DC y de impulso. Este set fue proporcionado en 1965 por la empresa alemana MESSWANDLER BAU-GMBH, empresa que en la actualidad no existe al haber sido absorbida por una empresa más grande llamada Haefely Test A.G. Este equipo ha durado décadas de uso continuo, y debe ser cambiado a la brevedad posible. El mantenimiento, cuidado y uso responsable ha hecho que dure muchos más años de los que debiese. Algunos componentes están dañados y son irreparables e imposibles de conseguir por unidades. Si llegase a fallar una parte vital del conjunto como el transformador elevador, todo el laboratorio quedaría sin utilidad..

(36) 24. Este conjunto de construcción es muy útil, ya que permite armar diversos circuitos que se ven en la teoría de Alto Voltaje y comprobar las leyes físicas tras cada fenómeno. Y permiten que cada alumno este directamente vinculado, trabajando, armando, midiendo y pensando lo que sucede con cada práctica que realiza. A continuación se muestra una lista de los elementos que conforman el kit de Alto Voltaje.. 2.1.2.1.1 Transformador elevador de Alto Voltaje El kit cuenta con un transformador elevador TGZ de 220 V / 100 kV. 60 Hz. De aislamiento tipo seco de resina fundida. Puede tener dos salidas de 50 kV. La potencia máxima de salida es de 5 kVA, con una cargabilidad de 50 mA durante 15 minutos. Se puede ver este transformador y sus datos en las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5. Se alimenta con una fuente variable controlada desde una mesa de control fuera de la jaula de seguridad que varía entre 0 y 250 V. El transformador cumple con la norma IEC 60060-1 respecto a las características de su forma de onda para ser considerada como voltaje de pruebas. El trasformador es la única fuente de generación de alto voltaje del laboratorio. Entrega un máximo de 100 kV de corriente alterna y a partir de ella obtener 130 kV DC y 130 kV de impulso. Al ser único, su cuidado es altísimo porque está sometido a esfuerzos que aparecen en los ensayos dieléctricos donde se producen descargas a tierra que representan corto circuitos para el transformador.. Figura 2.3. Transformador elevador de 100 kV.

(37) 25. Figura 2.4. Características del transformador elevador de 100 kV. Figura 2.5. Esquemas de conexión del transformador elevador.. 2.1.2.1.2 Elementos pasivos de alto voltaje A partir del alto voltaje alterno que se puede obtener del transformador, mediante sencillos circuitos eléctricos se puede obtener alto voltaje DC y de impulso. Para ello se cuenta con capacitores, diodos y resistencias de valores específicos y aislados hasta 140 kV. A continuación se enlista estos elementos en la Tabla 2.1..

(38) 26. Tabla 2.1. Elementos pasivos del kit de Alto Voltaje Cantidad. Símbolo. Denominación. Características. 4. GS. Rectificadores de Selenio.. 140 kV 5 mA 500 k!. 3. CS. Capacitor de choque.. 140 kV 6000 pF. 3. CB. Capacitor de carga y de. 140 kV 1200 pF. medida para voltajes de impulso. 1. CM. Capacitor de medida.. 100 kV 100 pF. 2. RD. Resistencia de. 140 kV 4160 ! - 60 W. amortiguamiento.. i.. 2. RE. Resistencia de descarga.. 140 kV 9500 ! - 60 W. 2. RL. Resistencia de carga.. 140 kV 50 k! - 125 W. 2. RM. Resistencia de medida.. 140 kV 140 M! - 1 mA. Rectificadores de selenio sumergidos en aceite. Son diodos de selenio que tienen una resistencia de protección de 500 k! a 8 W, resistencia que limita la corriente de cortocircuito a 25 mA durante 5 segundos. Se utiliza para rectificar alto voltaje AC y obtener alto voltaje DC y de impulso. Como se ve en la Figura 2.6.. Figura 2.6. Rectificador de alto voltaje. Existencia: 4 unidades. Funcionales: 2 unidades..

(39) 27. ii.. Capacitor de 6000 pF. Capacitores que se utilizan como aplanadores de onda rectificada. Tienen una pequeña inductancia de unos 1.5 uH. Como los demás capacitores del kit tienen aislamiento de papel impregnado en aceite.Se muestra en la Figura 2.7.. Figura 2.7. Capacitor de choque de 6000 pF. Existencia: 3 unidades. Funcionales: 2 unidades. iii.. Capacitores de 1200 pF. Capacitores que se utilizan tanto como capacitores de carga o como divisores de voltaje. Tienen una salida para conectar una capacitancia secundaria en caso de usarse como divisores tal como se aprecia en la Figura 2.8.. Figura 2.8. Capacitor de 1200 pF. Existencia: 3 unidades. Funcionales: 2 unidades..

(40) 28. iv.. Resistencias. Las resistencias se utilizan para los circuitos generadores de impulsos, como resistencias de carga y de medida. Hay resistencias de 416 !, 9500 !, 50 k!, 140 M!. Como se ven en la Figura 2.9.. Figura 2.9. Resistencias de alto voltaje. Existencia: 6 unidades. Funcionales: 6 unidades. v.. Explosores. En el kit hay tres explosores de ignición o esferas de medida. Estas esferas se utilizan para generación de altos voltajes de impulso y para medición de voltajes. Tienen control mediante pequeños motores desde la mesa principal fuera de la jaula. Uno de ellos se ve en la Figura 2.10.. Figura 2.10. Esferas de medida y de ignición..

(41) 29. Existencia: 4 unidades. Funcionales. 4 unidades. vi.. Recipiente de Vessel. Este recipiente permite probar la característica dieléctrica de gases a diferentes niveles de presión, con un máximo nivel de sobrepresión de 5 kg/cm2 como se puede ver en la Figura 2.11.. Figura 2.11. Recipiente de Vessel. 2.1.2.2 Sistema de medición y control El Kit de Alto Voltaje se controla desde una mesa fuera de la jaula mostrada en la Figura 2.12. En esta mesa están instalados dos contactores que conectan la alimentación de bajo voltaje y alto voltaje. Tienen interruptores de encendido y apagado,. y. un. interruptor. de. desconexión. de. emergencia.. Tiene. un. autotransformador de 0 a 250 V que se controla con un volante en la mesa y que permite variar la salida de voltaje del transformador hasta 100 kV..

(42) 30. La mesa tiene un amperímetro en el lado de bajo voltaje que cuenta con un relé de sobre corriente, el que desconecta el contactor del lado de alto voltaje cuando hay una descarga y la corriente excede el umbral de 25 A y así protege al transformador de cortocircuitos sostenidos, controla también las luces indicadoras de la jaula: verde para indicar que no hay alto voltaje conectado y rojo para indicar la presencia de alto voltaje. La mesa además posee instrumentos de medición para los diversos tipos de altos voltajes.. Figura 2.12. Mesa de control del equipo de Alto Voltaje. 2.1.2.2.1 Sistemas de medición de altos voltajes Para la medición de altos voltajes alternos se cuenta con un divisor capacitivo marca Hipotronics y un medidor de la serie kVM 200 A. Es un dispositivo digital que permite medir alto voltaje AC y DC hasta 200 kV. Se ve en la Figura 2.13. Sus valores nominales son:. 200 kV rms de AC. 200 kV DC. 283 kV pico..

(43) 31. Figura 2.13. Sistema de medición de alto voltaje AC / DC. Adicionalmente se cuenta con instrumentos analógicos de medición más antiguos que se enlistan a continuación:. ·. Voltímetro electrostático YEW, con aislamiento propio, para valores eficaces de 0 a 50 kV.. ·. Resistencia de 140 M! con un miliamperímetro de bobina móvil, graduado en kV, conectado en serie.. ·. Punta de Alto Voltaje Fluke hasta 40 kV.. ·. Osciloscopio Tektronix TDS 1012B junto al capacitor de 1200 pF para medición de alto voltaje de impulso.. 2.1.2.3 Equipo complementario Se cuenta con accesorios para pruebas dieléctricas de láminas, sólidos y aceites según normas ASTM. El juego de electrodos para pruebas de aceite sólo permite hacer la prueba según la norma ASTM D877 pero no se cuenta con los electrodos para prueba de aceite según norma ASTM D1816, que es una norma más actual y más realista..

(44) 32. El laboratorio cuenta con ciertos equipos que han sido adquiridos con los años y que permiten realizar ciertas pruebas de aislamientos y resistividad de suelos, así como instrumentos de medida como multímetros, vatímetros, entre otros. En la Tabla 2.2 se describen estos elementos adicionales. Tabla 2.2. Equipos de medición del laboratorio Cantidad. Descripción. 1. Divisor capacitivo Hipotronics 200 kV. 1. Kilovoltímetro digital KVM 200-A. 1. Kilovoltímetro DC MWB. 1. Kilovoltímetro Electrostático YEW 5194020. 1. Osciloscopio Analógico GOULD OS4020. 1. Osciloscopio Digital Tektronix TDS1012B. 1. Analizador Industrial FLUKE 1735. 3. Multímetros digitales Fluke 87-V. 2. Probadores de aislamiento eléctrico MEGGER MIT410. 2. Telurómetros MEGGER DET4TCR2. 1. Ohmímetro MEGGER DLRO10HD. 1. Megaóhmetro 5kV MEGGER MIT 525. 1. Pinza amperimétrica digital Fluke 337. 1. Pinza amperimétrica analógica Fluke 80i-600. 1. Punta de medición de alto voltaje Fluke 80K-40HV. 1. Amperímetro analógico AC YEW. 1. Amperímetro analógico AC/DC AEG. 1. Amperímetro analógico AC/DC GOSSEN. 1. Voltímetro AC YEW. 1. Voltímetro DC YEW. 1. Wattímetro analógico monofásico AEG. 3. Wattímetros analógicos monofásicos YEW. 1. Multímetro Analógico SIEMENS. 1. TTR (Transformer Turn Ratiometer) AEMC 8500. 1. Megaóhmetro 5 kV AEMC 5060.