rediseÑo de un prototipo de divisor de tensiÓn capacitivo amortiguado de 300 kv para pruebas de...

REDISEÑO DE UN PROTOTIPO DE DIVISOR DE TENSIÓN CAPACITIVO AMORTIGUADO DE

300kV PARA PRUEBAS DE TENSIÓN DE IMPULSO

Juan David Mina Casaran

Candidato a Ingeniero Electricista

Directores

Diego Fernando Echeverry Ibarra Ph.D

Diego Fernando García Gómez Ph.D

Julio 11 de 2013

CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

2

CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

2

SISTEMA DE GENERACIÓN Y MEDIDA EN LAT

3

DIVISOR DE TENSIÓN PARA IMPULSO

Impulso tipo rayoVolts

U[pu]

t

0,9

0,3

Tf Tc

1,0

kilo Volts

4

CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

5

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La problemática está dada en que el laboratorio de Alta Tensión de la Universidad del Valle no cuenta con un divisor de tensión de respaldo que le permita realizar un programa de verificación interno, con el cual se puedan realizar inter comparaciones y verificaciones periódicas.

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CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

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OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO

Rediseñar un prototipo de divisor de voltaje capacitivo amortiguado para señales tipo impulso que pueda ser utilizado como equipo de respaldo y para su uso en programas de verificación y comparaciones internas en el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad del Valle.

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CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

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METODOLOGÍA DE TRABAJO

Revisión del estado del arte

Adquisición del conocimiento necesario

Diseño, simulación y obtención de los materiales e insumos

Construcción y validación de los componentes del divisor

Validación del funcionamiento del divisor

10

Tipos de divisores de tensión

• Divisor resistivo:

ESTADO DEL ARTE

𝑎=𝑅𝐴𝑉+𝑅𝐵𝑉

𝑅𝐵𝑉

Divisor de tensión para impulso 300 kV

11

• Divisor capacitivo:

ESTADO DEL ARTE

𝑎=𝐶𝐴𝑉 +𝐶𝐵𝑉

𝐶 𝐴𝑉Divisor de tensión para impulso RSE 2800 kV

12

𝑎=𝐶𝐵𝑉∗(1+𝑅𝑑𝑎∗𝐶𝐴𝑉 )

𝐶𝐴𝑉

ESTADO DEL ARTE

Divisor de tensión para impulso CS 400 kV

• Divisor capacitivo amortiguado:

13

Tensión nominal y tensión máxima

de entrada

Tensión nominal de salida

Factor de escala

Cargabilidad

Ancho de banda

Frecuencia de corte

Tiempo de respuesta

Requerimientos de los divisores de tensión

ESTADO DEL ARTE

Distribución lineal del campo eléctrico

14

• Tiempo de respuesta:

ESTADO DEL ARTE

𝑻 𝟏

𝑻 𝟐

𝑻 𝟑

𝑻 𝟒

𝑻 𝟓

𝑻 𝑵=𝑻 𝟏−𝑻𝟐+𝑻 𝟑−𝑻 𝟒+𝑻 𝟓

15

ESTADO DEL ARTE

• Frecuencia de corte:

16

𝐻 (𝑠 )= 𝑏𝑺𝟐+2𝜉𝑤𝑛𝑺+𝑤𝑛

2

Rango de respuestadel divisor

Rango de frecuencia

de atenuación

Rad/seg

• Ancho de banda:AB > 1,2 MHz

[µS] [µS]

ESTADO DEL ARTE

Tiempo Tiempo

Volta

je [V

]

Volta

je [V

]

17

• Distribución lineal del campo eléctrico:

ESTADO DEL ARTE

18

Sin relajador

Altura del divisor (%)

Esfu

erzo

elé

ctric

o (*

10⁵)

• Distribución lineal del campo eléctrico: tipos de electrodos relajadores de campo eléctrico

ESTADO DEL ARTE

19

• Distribución lineal del campo eléctrico:

ESTADO DEL ARTE

Con relajador

Altura del divisor (%)

Esfu

erzo

elé

ctric

o (*

10⁵)

20

Especificaciones técnicas DCA 300 kV (previo)

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

21

Construcción del resistor de amortiguamiento

97 espiras

2 mm de separación

Voltaje entre esp. 248 V

Resistencia 486 Ω34,8 Ω/m

Voltaje máx. 12 kV

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

22

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

23

SFRA

Validación experimental al resistor de amortiguamiento

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

Impulso

10 kV

24

1,2MHz

Construcción de los brazos de baja tensión

Ceq=0,68

Ceq=0,33

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

25

Respuesta en frecuencia del DCA 300 kV

𝐻1 (𝑠 )=1’470 .588,235 35,421𝑥 10−6𝑺𝟐+475𝑺+1251′ 470.588,235

𝐻2 (𝑠 )=3 ′030.303,0335,421 𝑥10− 6𝑺𝟐+475𝑺+1253′ 030.303,03

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

26

5,5Mrad/s5,9Mrad/s

Rangos de respuesta en frecuencia del DCA

G = 850 G = 413

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

27

Frecuencia compleja s = σ + jw

G = 850 G = 413

Ancho de banda AB = 2,1 MHz . Ondas con un tiempo de frente de hasta 0,47 µs

σ ≈ -13,4 x 10⁶ nep/seg

w ≈ -5 x 10⁶ rad/seg

w ≈ 5 x 10⁶ rad/seg

σ ≈ -1,7 x 10⁴ nep/seg

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

28

σ σ

w w

G = 1/413

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

29

σ

w Caso de inestabilidad (G = 1000)

320kHz

Evaluación teórica de los electrodos de placas paralelas

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

Altura del brazo de alto voltaje [m]

Volta

je a

lo la

rgo

de la

ram

a AV

[V]

30

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

Distribución de los esfuerzos a lo largo del brazo de A.V (sin relajador de campo)

Altura del brazo de alto voltaje [m]

Esfu

erzo

elé

ctric

o (*

10⁶ V

/m)

E = 1’000.000 V/m

31

Distribución del voltaje a lo largo del brazo de A.V (con relajador de campo)

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

Altura del brazo de alto voltaje [m]

Volta

je a

lo la

rgo

de la

ram

a AV

[V]

32

Distribución de los esfuerzos a lo largo del brazo de A.V (con relajador de campo)

Altura del brazo de alto voltaje [m]

Esfu

erzo

elé

ctric

o (*

10³

V/m

)

DISEÑO, SIMULACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE COMPONENTES

E = 225.000 V/m

33

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

34

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

Ondas de salida para la evaluación del divisor

48 impulsos positivos y negativos30 kV – 170 kV

35

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

Determinación del factor de escala

X = 386σ = 4,3

_X = 822σ = 5,2

_

36

Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de frente

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

37

Tiempo de frente:1,2 µs ± 30%

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de frente

1,8%

3%

1,6%

3%

38

a = 386

Divisor previo 1% - 9%

a = 822

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de cola

39

Tiempo de cola:50 µs ± 20%

Desplazamiento temporal de la onda de impulso (DCA): tiempo de cola

VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL DIVISOR

0%

4%

0%

3,3%

40

a = 386 a = 822

Divisor previo 2% - 4%

CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema

2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

41

DIVISOR DE TENSIÓN CAPACITIVO AMORTIGUADO300 KV

Especificaciones técnicas DCA 300 kV (final)

42

CONTENIDO

• Introducción1

• Planteamiento del problema

2

• Objetivos3

• Metodología de trabajo4

• Resultados obtenidos5

• Conclusiones y trabajos futuros6

43

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

• Con la realización de este trabajo queda demostrada la factibilidad que representa construir y repotenciar divisores de tensión para impulso, mediante la utilización de elementos comerciales como lo son: alambre de Nicrom, condensadores de poliéster, y accesorios metálicos.

• Con la técnica aplicada para la construcción del resistor son despreciables los efectos inductivos a frecuencias inferiores de 1 MHz; esto fue comprobado con el análisis de respuesta en frecuencia (FRA) realizado al resistor.

Conclusiones.

44

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

• En las simulaciones realizadas al divisor de tensión en el software FLUX 2D se encontró que los electrodos de placas paralelas presentan un buen desempeño produciendo una distribución lineal del voltaje en el brazo de alta tensión y minimizando los esfuerzos eléctricos en los condensadores más próximos a la entrada del divisor.

• Durante las pruebas realizadas al divisor, se demostró que este elemento es apto para medir tensiones de impulso de 1,2 x 50µs ya que presenta una señal de salida que discrepa con respecto a la señal de entrada en porcentajes que no superan el 4%, respecto de la señal de entrada.

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CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

• Mediante la implementación de herramientas de simulación computacional como son PSPICE, MATLAB, FLUX2D y AUTOCAD se facilitó el desarrollo del proyecto, dado que estas herramientas ayudan a estimar previamente el comportamiento de elementos constituyentes del divisor de tensión permitiendo realizar mejoras antes de establecer el diseño final.

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CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Trabajos futuros

• A partir de los resultados obtenidos en este trabajo, actualmente se encuentra aprobado un proyecto de grado para la construcción de un divisor resistivo de 100 kV, construyendo el brazo de alto voltaje con la técnica aplicada en este trabajo; igualmente el Grupo de investigación en Alta Tensión aumentará la capacidad de voltaje con que se realizan las pruebas de impulsos tipo rayo, para esto se requiere construir un divisor para impulso de 700 kV.

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AGRADECIMINETOS

A Dios por brindarme su bendición e iluminar mi camino.

A mis padres y mi familia por apoyarme siempre.

A mis tutores los profesores Diego Fernando Echeverry y Diego Fernando García, por brindarme toda su experiencia, consejo y apoyo en el desarrollo de este trabajo.

A los jurados los profesores Eduardo Marles y Diego Navas.

A toda la familia que conforma el Grupo de Investigación en Alta Tensión de la Universidad del Valle.

Agradezco a todos mis amigos y compañeros por haberme dado la posibilidad de compartir buenos momentos a su lado.

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¡GRACIAS!