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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DOS DIODOS DE POTENCIA,
VOLTAJE ANODO CÁTODO INVERSO DE 150 kV, CORRIENTE
NOMINAL DE 50mA PARA EL LABORATORIO DE ALTA
TENSIÓN DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA.
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL
TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
AUTORES:
Jorge Luis Padilla Guarnizo Jorge Luis Rodríguez Calle
DIRECTOR:
Ing. Flavio Quizhpi
Cuenca – Ecuador
2013
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
EL contenido de esta tesis es de exclusiva responsabilidad de los autores, y
autorizamos la utilización de la misma con fines académicos.
Cuenca, Junio del 2013.
JORGE LUIS PADILLA G. JORGE LUIS RODRIGUEZ C.
Ingeniero FLAVIO QUIZHPI Director de Tesis.
CERTIFICA: Que la tesis con el título “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DOS
DIODOS DE POTENCIA, VOLTAJE ÁNODO CÁTODO INVERSO DE 150kV,
CORRIENTE NOMINAL DE 50mA PARA EL LABORATORIO DE ALTA
TENSIÓN DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA”, ha sido
desarrollada por los estudiantes Jorge Luis Padilla Guarnizo y Jorge Luis Rodríguez
Calle, ha sido revisada y asesorada de acuerdo a los requerimientos establecidos en la
propuesta inicial y al cronograma definido, por lo que después de reunir los
requisitos estipulados en los Documentos Generales e Instructivos de Graduación de
la Universidad, autorizo su presentación para los fines legales consiguientes.
Cuenca, Julio del 2013.
Ing. Flavio Quizhpi
I
DEDICATORIA
A dios por haberme dado el discernimiento, la palabra y la fortaleza para sortear las
tribulaciones.
A mis amados padres Ramiro Padilla y Mariana Guarnizo por apoyarme en todo
momento y darme sus sabios consejos para ser una persona mejor, a mi querido tío
Livio Guarnizo por haber creído en mí y ser un pilar fundamental en mi carrera, a
mis hermanos Elizabeth Padilla y Carlos Padilla por la paciencia y la comprensión, a
mi querida sobrina María Augusta por enseñarme el sentido de la inocencia y el amor
sincero.
II
DEDICATORIA
A Dios por guiarme en cada uno de mis pasos, permitiéndome alcanzar mis metas
con sabiduría y fortaleza.
A mis queridos padres, Segundo Rodríguez y María Edelina Calle por su esfuerzo y
dedicación que hoy se ve reflejado en estas páginas.
A mis hermanos, Klever, Fredy y Cecilia, por el apoyo incondicional que me brindan
día a día.
A mis amigos y compañeros que estuvieron a mi lado durante toda mi carrera
universitaria, compartiendo gratos momentos.
III
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero Flavio Qhizhpi. Directo de tesis quien supo guiarnos de forma
profesional y desinteresada, en la realización de este trabajo.
Al personal del laboratorio quienes nos colaboraron muy amablemente.
A todos nuestros amigos y compañeros, que de uno u otra forma ayudaron a
la realización de este proyecto.
Un agradecimiento especial a la Ing. Mónica Romero y el Ing. Juan Carlos
Chuncho por habernos colaborado en el desarrollo de este trabajo.
CONTENIDO
DEDICATORIA ........................................................................................................................... I
DEDICATORIA .......................................................................................................................... II
AGRADECIMIENTOS ..............................................................................................................III
CAPITULO 1 ............. …………………………………………………………………………………...1
1 CÁLCULO Y DISEÑO DE UN DIODO DE POTENCIA DE VOLTAJE ÁNODO
CÁTODO INVERSO DE 150 kV CON UNA CORRIENTE NOMINAL DE 50
mA ................. ………………………………………………………………………………..1
1.1 Recursos disponibles ..................................................................................................... 1
1.1.1 Transformadores de Pruebas……………. ..................................................................... 1
1.1.2 Panel de control…………………….. ............................................................................. 2
1.1.3 Osciloscopio………………………… .............................................................................. 4
1.1.4 Puesta a tierra del laboratorio………........................................................................... 5
1.1.5 Barras de Conexión y barras aislantes ......................................................................... 6
1.1.6 Corona de conexión y Pedestal de Piso ........................................................................ 7
1.1.7 Diodos………………………………………. ..................................................................... 7
1.1.8 Capacitores…………………………………… ................................................................. 8
1.1.9 Resistencias…………………………………................................................................... 10
1.1.10 Soporte de electrodos para pruebas de disrupción .................................................... 10
1.1.11 Barra de descarga a tierra……………….. .................................................................. 12
1.1.12 Esferas de disrupción y separador de esferas ............................................................ 13
1.1.13 Interruptor de puesta a tierra…………… ................................................................... 14
1.2 Proceso de diseño ....................................................................................................... 14
1.2.1 Cálculos de Voltaje…………………….. ...................................................................... 15
1.2.2 Factor de Corrección ( aK )……………. ...................................................................... 16
1.3 Simulación del sistema diodo de alta tensión ............................................................. 17
1.3.1 Simulación del comportamiento del diodo en región directa e inversa ..................... 17
1.3.2 Simulación estado transitorio y permanente .............................................................. 19
1.3.2.1 Régimen transitorio ..................................................................................................... 19
1.3.2.2 Régimen permanente .................................................................................................. 23
1.3.3 Ecuaciones diferenciales del circuito diodo-resistencia con un inductor y un
capacitor en paralelo……………………. .................................................................... 26
1.3.3.1 Circuito con un inductor en paralelo ........................................................................... 26
1.3.3.2 Corriente del capacitor ................................................................................................ 28
1.3.3.3 Voltaje en el capacitor ................................................................................................ 29
CAPITULO 2 ............................................................................................................................33
2 CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS ...........................................................33
2.1 Construcción de dos diodos de potencia de voltaje ánodo cátodo inverso de
150kV con una corriente nominal de 50mA. ............................................................... 33
2.1.1 Elección de los diodos 2CL2FP…………. .................................................................. 33
2.1.2 Hojas de datos……………………………. .................................................................... 38
2.1.2.1 Diodo HVM12 ............................................................................................................ 38
2.1.2.1 Diodo HVCA 2CL2FP ................................................................................................ 39
2.1.2.2 Información técnica de la Resistencia Film. ............................................................... 39
2.1.3 Cuadro de Procesos………………… ........................................................................... 40
2.2 Proceso Mecánico ....................................................................................................... 41
2.2.1 Armado del circuito………………… ........................................................................... 41
2.2.2 Cuerpo del diodo…………………………. .................................................................... 42
2.2.3 Aluminio………………………………… ........................................................................ 43
2.2.3.1 Características principales del aluminio ..................................................................... 43
2.2.3.2 Remaches .................................................................................................................... 43
2.2.3.3 Punta ........................................................................................................................... 44
2.2.3.4 Tapa ............................................................................................................................ 44
2.2.3.5 Terminal del circuito .................................................................................................. 45
2.2.3.6 Terminal hacia la tapa ................................................................................................ 46
2.2.4 Calculo del volumen del cilindro ............................................................................... 47
2.3 Proceso Eléctrico ........................................................................................................ 48
2.3.1 Llenado de aceite dieléctrico y prueba de hermeticidad en los diodos de
potencia…………………………….. .............................................................................. 48
2.3.2 Pruebas de la Rigidez Dieléctrica del Aceite aislante ................................................ 50
2.3.3 Características del grilon y prueba de rigidez dieléctrica ......................................... 51
2.3.4 Prueba de los diodos HVCA 2CL2FP ........................................................................ 54
2.3.5 Prueba de la resistencia en polarización directa e inversa de los diodos
diseñados y construidos para el laboratorio .............................................................. 55
2.3.6 Prácticas del laboratorio de alta tensión con los diodos de potencia
diseñados y construidos para el laboratorio. ............................................................. 56
2.3.6.1 Rectificación de media Onda ...................................................................................... 56
2.3.6.2 Generación y medición de voltajes directos .............................................................. 58
2.3.6.3 Generación y medición del voltaje de impulso ........................................................... 59
CAPITULO 3 ............................................................................................................................63
3 ENSAYO DE LOS DIODOS DE ALTA TENSIÓN ...............................................63
3.1 Normas ........................................................................................................................ 63
3.1.2 Norma ASTM D-877………………. ............................................................................ 65
3.1.2.1 Rigidez dieléctrica en el aceite aislante ..................................................................... 65
3.1.2.2 Muestra ....................................................................................................................... 67
3.1.2.3 Seguridad ................................................................................................................... 67
3.1.2.4 Aplicación .................................................................................................................. 67
3.1.3 Norma DIN.53481……………………… ...................................................................... 68
3.1.3.1 Rigidez dieléctrica en el Grilon.................................................................................. 68
3.2 Protocolo de Pruebas ................................................................................................. 69
3.3 Verificación de la ecuación de Schockley ................................................................... 70
3.4 Sistema doblador ........................................................................................................ 75
CAPITULO 4 ............................................................................................................................78
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................78
4.1 Conclusiones ............................................................................................................... 78
4.2 Recomendaciones ........................................................................................................ 84
5 ANEXOS ..................................................................................................................86
6 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................87
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Descripción de las características técnicas del transformador ...................................2
Tabla 1.2 Descripción de pantalla del panel de control .............................................................2
Tabla 1.3 Descripción del mando del panel de control ..............................................................3
Tabla 1.4 Características del osciloscopio del laboratorio de Alta Tensión [2]. ........................4
Tabla 1.5 Características de las barras de conexión del laboratorio de alta tensión ..................6
Tabla 1.6 Características de las barras de conexión del laboratorio de alta tensión ..................6
Tabla 1.7 Características de la corona y pedestal del laboratorio de alta tensión ......................7
Tabla 1.8 Diodos existentes en el laboratorio de alta tensión ....................................................8
Tabla 1.9 Capacitores existentes en el laboratorio de alta tensión .............................................8
Tabla 1.10 Resistencias existentes en el laboratorio ................................................................10
Tabla 1.11 Características del soporte de electrodos para pruebas de disrupción del
laboratorio de alta tensión.........................................................................................10
Tabla 1.12 Descripción de los electrodos para pruebas en el laboratorio ................................11
Tabla 1.13 Características de la barra de descarga a tierra laboratorio de alta tensión ...........13
Tabla 1.14 Parámetros de los diodos construidos como tesis para el laboratorio de alta
tensión. ......................................................................................................................15
Tabla 1.15 Características del diodo 2CL2FP [5] ....................................................................17
Tabla 2.1 Información técnica del diodo HVM12 [9] ..............................................................38
Tabla 2.2 Información técnica del diodo 2CL2FP [10] ...........................................................39
Tabla 2.3 Resistencia film 1g ohm 1/2w 5%[6] .......................................................................39
Tabla 2.4 Resultados de la prueba de rigidez dieléctrica del aceite .........................................51
Tabla 2.5 Características del Grilon [12] ................................................................................52
Tabla 2.6 Datos Obtenidos de la prueba de Grilon ..................................................................53
Tabla 2.7 Resultados de la prueba de Grilon ...........................................................................53
Tabla 2.8 Prueba de resistencia de los diodos 2CL2FP ...........................................................54
Tabla 2.9 Prueba de resistencia de los diodos 2CL2FP ...........................................................55
Tabla 2.10 Resultado del diodo de potencia 1 vs el diodo del laboratorio ..............................57
Tabla 2.11 Resultado del diodo de potencia 2 vs el diodo del laboratorio ..............................57
Tabla 2.12 Resultado de la prueba de medición de voltaje directo .........................................59
Tabla 2.13 Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso .....................................60
Tabla 3.1 Organismos de Normalización .................................................................................63
Tabla 3.2 Rigidez dieléctrica [8] ..............................................................................................67
Tabla 3.3 Descripción de la prueba. [4] ...................................................................................68
Tabla 3.4 Datos obtenidos de la prueba en baja tensión de los diodos de potencia .................72
Tabla 3.5 Datos obtenidos del circuito doblador......................................................................77
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Vista de los elementos disponibles en el laboratorio ...............................................1
Figura 1.2. Transformador de pruebas del laboratorio de alta tensión ......................................2
Figura 1.3. Parte superior de izquierda a derecha HV9150, HV9151 Y HV9152, parte inferior
izquierda a derecha, voltaje del primario y conectores para el osciloscopio ..............3
Figura 1.4. Zona de mando del panel de control del laboratorio de alta tensión .......................4
Figura 1.5. Osciloscopio del laboratorio de alta tensión [3] ......................................................5
Figura 1.6. Puntos de conexión de la puesta a tierra del laboratorio .........................................5
Figura 1.7. Lado izquierdo, barra conectora modelo HV9108, lado derecho, barra conectora
modelo HV9119 y HV9118 ........................................................................................6
Figura 1.8. Barras aislantes del laboratorio de alta tensión ......................................................7
Figura 1.9. Lado izquierdo modelo HV9109, lado derecho Modelo HV9110 del laboratorio
de alta tensión .............................................................................................................7
Figura 1.10. Vista anterior y posterior de los diodos existentes en el laboratorio de alta
tensión .........................................................................................................................8
Figura 1.11. Vista anterior y posterior de los capacitores HV9141 y HV9120, el circulo color
blanco muestra donde se puede formar el partidor capacitivo para la medición de
voltaje .........................................................................................................................9
Figura 1.12. Capacitores HV9130 del laboratorio de alta tensión .............................................9
Figura 1.13. Capacitores del laboratorio de alta tensión ..........................................................9
Figura 1.14. Resistencias del laboratorio de alta tensión ......................................................10
Figura 1.15. Soporte de electrodos para prueba de disrupción, donde se encuentra la manija
manual, la conexión hacia el panel de control, indicador analógico y la conexión a
tierra ..........................................................................................................................11
Figura 1.16. Electrodos de 16.5cm de diámetro a la izquierda y electrodos de 5cm de
diámetro a la derecha existentes en el laboratorio de Alta Tensión .......................12
Figura 1.17. Electrodos tipo esfera de 9.5cm de diámetro a la izquierda, electrodos de 5cm
de diámetro en el centro y electrodo de 1.8cm de diámetro a la derecha .................12
Figura 1.18. Electrodos tipo punta de 5cm de largo a la izquierda y electrodos cilíndricos de
5cm de largo y 1.3cm de diámetro a la derecha .......................................................12
Figura 1.19. Barra de descarga a tierra del laboratorio de alta tensión ..................................13
Figura 1.20. HV9125 en la parte superior y HV9126 en la parte inferior ...............................14
Figura 1.21. Interruptor de puesta a tierra del laboratorio de Alta Tensión ............................14
Figura 1.22. Circuito para la medición de voltaje alterno en el secundario del transformador
del laboratorio de alta tensión ...................................................................................15
Figura 1.23. Grafica de la ecuación de Schockley con los parámetros de los diodos 2CL2FP19
Figura 1.25. Simulación del régimen transitorio circuito con carga R ....................................20
Figura 1.26. Circuito con carga RL, esquematizado en simulink para régimen transitorio.....21
Figura 1.27. Simulación del régimen transitorio circuito con carga RL ..................................21
Figura 1.28. Circuito con carga RC, armado en simulink para régimen transitorio ................22
Figura 1.29. Simulación del régimen transitorio circuito RC ..................................................22
Figura 1.30. Circuito con carga R, armado en simulink para régimen permanente.................23
Figura 1.31. Simulación de régimen permanente, circuito con carga R ................................24
Figura 1.32. Circuito con carga RL, armado en simulink para régimen permanente ..............24
Figura 1.33. Simulación de régimen permanente, circuito con carga RL ................................25
Figura 1.34. Circuito con carga RC, armado en simulink para régimen permanente ..............25
Figura 1.35. Simulación de régimen permanente, circuito con carga RC ...............................26
Figura 1.36. Circuito valido para determinar la ecuación de corriente ....................................27
Figura 1.37. Gráfica de la corriente en el Inductor. .................................................................28
Figura 1.38. Circuito RC para el cálculo de la corriente y voltaje en el capacitor ..................29
Figura 1.39. Simulación del voltaje y corriente en el capacitor ...............................................32
Figura 2.1. Resistencia film 1G ohm 1/2w 5% [7] ..................................................................35
Figura 2.2. Circuito diodo de alta tensión ................................................................................35
Figura 2.3. Circuito, diodo de alta tensión ...............................................................................37
Figura 2.4. Dimensiones físicas del diodo HVM12 [10] .........................................................38
Figura 2.5. Dimensiones del diodo 2CL2FP [6] ......................................................................39
Figura 2.6. Cuadro de procesos eléctricos y mecánicos ..........................................................40
Figura 2.7. Circuito en 3D. Diodo, resistencias .......................................................................41
Figura 2.8. Dimensiones del circuito, diodo, resistencia ........................................................42
Figura 2.9. Cuerpo del diodo ...................................................................................................42
Figura 2.10. Remache ..............................................................................................................43
Figura 2.11. Punta ....................................................................................................................44
Figura 2.12. Vista en corte de la punta ....................................................................................44
Figura 2.13. Tapa .....................................................................................................................45
Figura 2.14. Terminal del circuito ...........................................................................................45
Figura 2.15. Terminal hacia la tapa..........................................................................................46
Figura 2.17. Diodo ensamblado ...............................................................................................47
Figura 2.18. Dimensiones del cilindro .....................................................................................47
Figura 2.19. Llenado del diodo con aceite a vacío...................................................................50
Figura 2.20. Equipo para realizar la medición de rigidez dieléctrica del aceite ......................50
Figura 2.21. Circuito para realizar prueba de rigidez dieléctrica de los materiales .................52
Figura 2.22. Circuito verificador de la resistencia en ambas polarizaciones ...........................55
Figura 2.23. Circuito rectificador de media onda ....................................................................56
Figura 2.24. Circuito generador de voltaje continúo ...............................................................58
Figura 2.25. Circuito para generar impulso y medir el BIL de un elemento ...........................60
Figura 2.26. Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso ...................................61
Figura 2.27. Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso ...................................61
Figura 3.1. Prueba de rigidez dieléctrica en los aceites [17]....................................................66
Figura 3.2. Esquema para la verificación de la ecuación de Schockley ..................................71
Figura 3.3. Esquema armado para la verificación de la ecuación de Schockley .....................71
Figura 3.4. Curva región directa diodo 1 .................................................................................73
Figura 3.5. Curva región directa diodo 2 .................................................................................73
Figura 3.6. Curva región directa diodo laboratorio ..................................................................74
Figura 3.7. Circuito doblador de tensión [20] ..........................................................................76
1
CAPITULO 1
1 CÁLCULO Y DISEÑO DE UN DIODO DE POTENCIA DE
VOLTAJE ÁNODO CÁTODO INVERSO DE 150 kV CON
UNA CORRIENTE NOMINAL DE 50 mA
En este capítulo se presenta los criterios empleados para realizar el
diseño de los diodos de potencia para el laboratorio de Alta Tensión de la
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca. Los mismos toman en cuenta
parámetros que están en función de las necesidades de la aplicación, se describen los
elementos disponibles en el laboratorio para realizar las diferentes pruebas y se
ejecuta una simulación en el software Matlab-R2011b con el objetivo de verificar el
correcto funcionamiento de los mismos.
1.1 Recursos disponibles
El laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Politécnica Salesiana
sede Cuenca cuenta con equipos de marca TERCO [1], se describe a continuación
las características de los elementos disponibles.
Figura 1.1. Vista de los elementos disponibles en el laboratorio
1.1.1 Transformadores de Pruebas
La tabla 1.1 presenta las características técnicas del transformador del
laboratorio y la figura 1.2 una fotografía del mismo.
2
Tabla 1.1 Descripción de las características técnicas del transformador
Figura 1.2. Transformador de pruebas del laboratorio de alta tensión
1.1.2 Panel de control
En la Tabla 1.2 se observa el modelo y la descripción de las pantallas del
panel de control y en la figura 1.3 se muestra una fotografía del mismo.
Tabla 1.2 Descripción de pantalla del panel de control
3
Figura 1.3. Parte superior de izquierda a derecha HV9150, HV9151 Y HV9152,
parte inferior izquierda a derecha, voltaje del primario y conectores para el
osciloscopio
En la tabla 1.3 se muestra la descripción de la zona de mando del panel de control y
en la figura 1.4 se observa una fotografía de la misma. La lista de la tabla se observa
de arriba hacia abajo.
Tabla 1.3 Descripción del mando del panel de control
4
Figura 1.4. Zona de mando del panel de control del laboratorio de alta tensión
1.1.3 Osciloscopio
En la tabla 1.4 se muestra las características técnicas del osciloscopio
existente en el laboratorio de alta tensión y en la figura 1.5 se presenta una fotografía
del mismo.
Tabla 1.4 Características del osciloscopio del laboratorio de Alta Tensión [2].
5
Figura 1.5. Osciloscopio del laboratorio de alta tensión [3]
1.1.4 Puesta a tierra del laboratorio
El laboratorio de alta tensión cuenta con una puesta a tierra, a través de
una malla independiente, con un valor de 0.6Ω y sus conexiones están dispuestas
de la siguiente manera.
El primer punto de conexión de derecha a izquierda donde sale el cable color verde
con amarillo es para el elemento HV9133, el segundo punto de conexión es para la
puesta a tierra del transformador y el piso sobre la cual se colocan los diferentes
elementos y el tercer punto de conexión es para colocar a tierra la jaula que
mantiene la distancia de seguridad.
En la figura 1.6 se muestra una foto de las conexiones de tierra del laboratorio.
Figura 1.6. Puntos de conexión de la puesta a tierra del laboratorio
6
1.1.5 Barras de Conexión y barras aislantes
En la tabla 1.5 se observa las características de las barras de conexión
del laboratorio y en la figura 1.7 se muestra una fotografía de las mismas.
Tabla 1.5 Características de las barras de conexión del laboratorio de alta tensión
Figura 1.7. Lado izquierdo, barra conectora modelo HV9108, lado derecho, barra
conectora modelo HV9119 y HV9118
La tabla 1.6 presenta las características de las barras aislantes del laboratorio y la
figura 1.8 muestra una fotografía de las mismas.
Tabla 1.6 Características de las barras de conexión del laboratorio de alta tensión
7
Figura 1.8. Barras aislantes del laboratorio de alta tensión
1.1.6 Corona de conexión y Pedestal de Piso
La tabla 1.7 muestra las características de la corona de conexión y del
pedestal de piso y en la figura 1.9 se observa una fotografía de los mismos.
Tabla 1.7 Características de la corona y pedestal del laboratorio de alta tensión
Figura 1.9. Lado izquierdo modelo HV9109, lado derecho Modelo HV9110 del
laboratorio de alta tensión
1.1.7 Diodos
La tabla 1.8 presenta las características técnicas de los diodos del
laboratorio y la figura 1.10 muestra una fotografía de los mismos.
8
Tabla 1.8 Diodos existentes en el laboratorio de alta tensión
Figura 1.10. Vista anterior y posterior de los diodos existentes en el laboratorio de
alta tensión
1.1.8 Capacitores
La tabla 1.9 presenta las características técnicas de los capacitores del
laboratorio y la figura 1.11 muestra una foto de los mismos.
Tabla 1.9 Capacitores existentes en el laboratorio de alta tensión
9
Figura 1.11. Vista anterior y posterior de los capacitores HV9141 y HV9120, el
circulo color blanco muestra donde se puede formar el partidor capacitivo para la
medición de voltaje
La figura 1.12 y 1.13 muestran una fotografía de los capacitores disponibles en el
laboratorio.
Figura 1.12. Capacitores HV9130 del laboratorio de alta tensión
Figura 1.13. Capacitores del laboratorio de alta tensión
10
1.1.9 Resistencias
La tabla 1.10 presenta las características técnicas de las resistencias del
laboratorio y la figura 1.14 muestra una fotografía de las mismas.
Tabla 1.10 Resistencias existentes en el laboratorio
Figura 1.14. Resistencias del laboratorio de alta tensión
1.1.10 Soporte de electrodos para pruebas de disrupción
La tabla 1.11 presenta las características técnicas del soporte de
electrodos para pruebas de disrupción y en la figura 1.15 se muestra una fotografía de
la misma.
Tabla 1.11 Características del soporte de electrodos para pruebas de disrupción del
laboratorio de alta tensión
11
Figura 1.15. Soporte de electrodos para prueba de disrupción, donde se encuentra la
manija manual, la conexión hacia el panel de control, indicador analógico y la
conexión a tierra
La tabla 1.12 muestra los electrodos disponibles en el laboratorio para realizar las
diferentes pruebas de descargas empleando el soporte de electrodos para pruebas de
disrupción y en las figuras 1.16, 1.17 y 1.18 se observa una fotografía de las mismas.
Tabla 1.12 Descripción de los electrodos para pruebas en el laboratorio
12
Figura 1.16. Electrodos de 16.5cm de diámetro a la izquierda y electrodos de 5cm de
diámetro a la derecha existentes en el laboratorio de Alta Tensión
Figura 1.17. Electrodos tipo esfera de 9.5cm de diámetro a la izquierda, electrodos
de 5cm de diámetro en el centro y electrodo de 1.8cm de diámetro a la derecha
Figura 1.18. Electrodos tipo punta de 5cm de largo a la izquierda y electrodos
cilíndricos de 5cm de largo y 1.3cm de diámetro a la derecha
1.1.11 Barra de descarga a tierra
La tabla 1.13 muestra las características de la barra de descarga a tierra
disponibles en el laboratorio y la figura 1.19 muestra una fotografía de la misma.
13
Tabla 1.13 Características de la barra de descarga a tierra laboratorio de alta
tensión
Figura 1.19. Barra de descarga a tierra del laboratorio de alta tensión
1.1.12 Esferas de disrupción y separador de esferas
El modelo de las esferas de disrupción es el HV9125 y del separador de
esferas es el HV9126, estos elementos sirven para realizar las pruebas de disrupción
a través de un impulso generado. El separador se conectado al HV9125 del panel de
control para ser comandado. En la figura 1.20 se muestra una fotografía de los
mismos.
14
Figura 1.20. HV9125 en la parte superior y HV9126 en la parte inferior
1.1.13 Interruptor de puesta a tierra
El modelo del interruptor de puesta a tierra es el HV9114, este hace
contacto con el electrodo HV9138, sirve para aterrar los elementos que estén
conectados al mismo una vez que se des energice el circuito a través del panel de
control. En la figura 1.21 se observa una fotografía de este.
Figura 1.21. Interruptor de puesta a tierra del laboratorio de Alta Tensión
1.2 Proceso de diseño
Para realizar el cálculo y diseño de los diodos de potencia, nos basamos
en los parámetros que deben cumplir para ser utilizados en el laboratorio.
15
Los parámetros se muestran en la tabla 1.14.
Tabla 1.14 Parámetros de los diodos construidos como tesis para el laboratorio de
alta tensión
1.2.1 Cálculos de Voltaje
Como dato técnico del manual del laboratorio de alta tensión de la UPS
sede Cuenca, se tuvo que él voltaje kVVRMS 100 , puesto que los diodos tenían que
ser diseñados para trabajar con voltaje pico (pV ), se procedió a calcularlo.
kVkVV
VV
p
RMSp
421.1412*100
2*
(1.1)
Un dato importante que se consideró, es el RMSV real en el secundario del
transformador. Al realizar la práctica de medición del voltaje en el secundario se
tuvo como resultado un kVVRMS 5.113 , el circuito que se empleó se muestra en la
figura 1.22.
Figura 1.22. Circuito para la medición de voltaje alterno en el secundario del
transformador del laboratorio de alta tensión
16
Por lo cual el cálculo de pV fue el siguiente.
kVkVV
VV
p
RMSp
513.1602*5.113
2*
(1.2)
Se tomó en cuenta el factor de corrección aK que se debe aplicar a todos los
elementos que estén a 1000 msnm, para nuestro caso nuestro 35.1aK por lo cual
nuestro pV quedó de la siguiente manera.
kVkVV
KVV
p
aRMSp
65.21635.1*2*5.113
*2*
(1.3)
Finalmente este es el valor de pV que se protegió, el mismo se cubrió en polarización
directa e inversa, ya que esto nos garantizó una mayor seguridad en el uso de los
diodos que se construyeron como tesis para el laboratorio.
1.2.2 Factor de Corrección ( aK )
Siempre es importante tomar en cuenta el factor de corrección aK para la
protección de elementos que trabajan en altas tensiones, este depende de la presión
atmosférica basado en la altitud, según norma IEC 60071-2[4], la cual nos dice que.
8150
Hm
a eK (1.4)
En dónde:
H= es la altura sobre el nivel del mar (en metros).
m = 1 constante para tensiones de impulso tipo rayo.
Como Cuenca se encuentra entre los 2350m y los 2550m, el valor que se colocó para
la altura es su promedio, es decir 2450m.
35.18150
24501
eKa
17
Los diodos que van dentro de las capsulas que forman el diodo de potencia fueron
elegidos de acuerdo al voltaje que deben soportar tanto en polarización directa como
inversa y la corriente que permiten conducir.
En primera instancia escogimos los HVM12, tras la falla de las capsulas en las
pruebas, se eligió los HVCA 2CL2FP, el cálculo del número de diodos empleados
en las capsulas para las 2 unidades, así como el valor de las resistencias que se
colocaron en paralelo a cada uno, el por qué fallaron los HVM12 y porque se
escogieron los HVCA 2CL2FP se describe en el capítulo 2 sección 2.1.
1.3 Simulación del sistema diodo de alta tensión
En la simulación del sistema diodo de alta tensión se empleó el software
Simulink que es una plataforma de Matlab R2011b, este permite observar el
comportamiento del diodo en alto voltaje.
1.3.1 Simulación del comportamiento del diodo en región directa e
inversa
Para esta simulación se empleó la ecuación de Schockley [5], con este se
observa el comportamiento del diodo diseñado, en las regiones directa e inversa.
En esta simulación se tomó en cuenta las características técnicas de los diodos
empleados en el diseño y la construcción.
Tabla 1.15 Características del diodo 2CL2FP [6]
En la tabla 1.15 se observa las características técnicas del diodo 2CL2FP que
finalmente fue elegido para realizar la construcción de los dos diodos de potencia.
18
En Rashid (2004) se presenta una serie de ecuaciones que permiten modelar el
comportamiento:
Polarización directa:
)1(/
TD nVV
SD eII (1.5)
Polarización Inversa:
)1(/
TD nVV
SD eII (1.6)
Dónde:
DI : Corriente que atraviesa el diodo.
SI : Corriente de fuga del diodo.
DV : Caída de tensión del diodo.
n : Coeficiente de emisión del diodo.
TV : Voltaje térmico del diodo.
Código para la simulación:
clc
clear all
% Parámetros del diodo
Is=2e-6;
n=1.8;
VT=25.7e-3;
VD=0:9.121:416;
% Ecuación de Schockley
Id=Is*((exp(VD/(n*VT)))-1)
plot(VD,Id)
title('CURVA DE POLARIZACIÓN DIRECTA')
xlabel('Voltaje del Diodo (V)')
ylabel('Corriente que atraviesa el diodo (A)')
clc
clear all
% Parámetros del Diodo
Is=2e-6;
n=1.8;
VT=25.7e-3;
VD=-416:9.121:0;
%Ecuación de Schockley
Id=Is*((exp((-abs(VD))/(n*VT)))-1)
plot(VD,Id)
title('CURVA DE POLARIZACIÓN INVERSA')
xlabel('Voltaje del Diodo (V)')
ylabel('Corriente que atraviesa el diodo (A)')
19
En la figura 1.23 se observa la gráfica del diodo de potencia en polarización directa
e inversa con las características del diodo que se empleó para el diseñado y
construcción de este.
Figura 1.23. Grafica de la ecuación de Schockley con los parámetros de los diodos
2CL2FP
1.3.2 Simulación estado transitorio y permanente
1.3.2.1 Régimen transitorio
En las figuras 1.24, 1.26 y 1.28, se observa los esquemas empleados en
simulink para graficar el estado transitorio de los circuitos con cargas: resistiva (R),
resistencia en serie a un capacitor (RC) y resistencia en serie a un inductor (RL).
Las figuras 1.25, 1.27 y 1.29 presentan las gráficas de los circuitos. En cada una se
muestra, desde la parte superior, el voltaje del diodo, la corriente que circula y por
último la tensión en la carga.
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500-1
0
1
2
3
4
5x 10
284 CURVA CARACTERÍSTICA VOLTAJE - CORRIENTE DE UN DIODO
Voltaje del Diodo (V)
Corr
iente
que a
travie
za e
l dio
do (
A)
20
Figura 1.24. Circuito con carga R, esquematizado en simulink para régimen
transitorio
Figura 1.25. Simulación del régimen transitorio circuito con carga R
21
Figura 1.26. Circuito con carga RL, esquematizado en simulink para régimen
transitorio
Figura 1.27. Simulación del régimen transitorio circuito con carga RL
22
Figura 1.28. Circuito con carga RC, armado en simulink para régimen transitorio
Figura 1.29. Simulación del régimen transitorio circuito RC
23
1.3.2.2 Régimen permanente
Las figuras 1.30, 1.32 y 1.34 presentan los esquemas empleados en
simulink para graficar el estado permanente de los circuitos con cargas R, RC y RL.
Las figuras 1.31, 1.33 y 1.35 presentan las gráficas de los circuitos, de igual manera
que en el punto 1.3.2.1 desde la parte superior se muestra el voltaje del diodo, la
corriente que circula por el diodo y por último la tensión en la carga.
Figura 1.30. Circuito con carga R, armado en simulink para régimen permanente
24
Figura 1.31. Simulación de régimen permanente, circuito con carga R
Figura 1.32. Circuito con carga RL, armado en simulink para régimen permanente
25
Figura 1.33. Simulación de régimen permanente, circuito con carga RL
Figura 1.34. Circuito con carga RC, armado en simulink para régimen permanente
26
Figura 1.35. Simulación de régimen permanente, circuito con carga RC
1.3.3 Ecuaciones diferenciales del circuito diodo-resistencia con
un inductor y un capacitor en paralelo
1.3.3.1 Circuito con un inductor en paralelo
En la Figura 1.36 se muestra el circuito que se empleó para determinar
las ecuaciones diferenciales de corriente.
27
Figura 1.36. Circuito valido para determinar la ecuación de corriente
Malla 1
(1.7)
Malla 2
∫
∫
(
)
En un tiempo 0 la corriente inicial
(
) (1.8)
La corriente en el inductor es máxima en un tiempo .
(
)
(
)
(
) (1.9)
Código para la simulación de la corriente en el circuito inductor.
clc
clear all
%t=5tao......tao=RC.....R=10Mohm....C=1200pF..
%tmax=0.06
28
%Vc=Vo-VD=150000-418=149584
t=0:0.0001:0.06;
L=100e-6;
Vc=0:100:149584;
i2=((149584)/L)./t
plot(t,i2)
title('CURVA: CORRIENTE DEL INDUCTOR EN FUNCION DEL TIEMPO')
xlabel('Tiempo (s)')
ylabel('Corriente (A)')
Figura 1.1. Gráfica de la corriente en el Inductor
1.3.3.2 Corriente del capacitor
En la figura 1.38 se observa el circuito empleado para determinas las
ecuaciones de corriente y voltaje en un circuito RC.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060
5
10
15x 10
9 CURVA: CORRIENTE DEL INDUCTOR EN FUNCION DEL TIEMPO
Tiempo (s)
Corr
iente
(A
)
29
Figura 1.2. Circuito RC para el cálculo de la corriente y voltaje en el capacitor
(1.10)
Corriente en el capacitor
∫
∫
Voltaje inicial del capacitor
(1.11)
El capacitor se carga completamente cuando donde
(1.12)
1.3.3.3 Voltaje en el capacitor
Empleamos el mismo circuito de la figura 1.32 para determinar la
ecuación del voltaje en el circuito RC.
30
Al estar en paralelo
Entonces
Multiplicamos la ecuación por R para eliminar el denominador
(
)
(1.13)
Para resolver la ecuación diferencial remplazamos
Remplazando en la (1.13)
∫
∫
(1.14)
El voltaje inicial del capacitor Vc(0)=0, remplazando en
31
Remplazando x y en (1.14) tenemos
( (
)) (1.15)
Como se sabe del cálculo de corriente del punto anterior
Remplazando en (1.15)
(
) ( (
))
(
)( (
))
Código de simulación del voltaje y corriente en un circuito RC.
clc
clear all
%t=5tao......tao=RC.....R=10Mohm....C=1200pF..
%tmax=0.06
%Vc=Vo-VD=150000-418=149584
Vo=150000;
Vd=416;
t=0:0.0001:0.06;
C=100e-12;
R=10e6;
i2=(C*(Vo-Vd))./(t);
Vc=(5/6)*(Vo-Vd)*(1-exp((-t)/(R*C)));
subplot(2,1,1)
plot(t,i2)
title('CURVA: CORRIENTE EN EL CAPACITOR EN f(t)')
xlabel('Tiempo (s)')
ylabel('Corriente (A)')
subplot(2,1,2)
plot(t,Vc)
title('CURVA: VOLTAJE EN EL CAPACITOR EN f(t)')
xlabel('Tiempo (s)')
ylabel('Voltaje (V)')
32
En la figura 1.39 se muestra la simulación de las ecuaciones de voltaje y corriente de
un circuito RC con los parámetros de los diodos de potencia diseñados y construidos
para el laboratorio.
Figura 1.3. Simulación del voltaje y corriente en el capacitor
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060
0.05
0.1
0.15
0.2CURVA: CORRIENTE EN EL CAPACITOR EN f(t)
Tiempo (s)
Corr
iente
(A
)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060
5
10
15x 10
4 CURVA: VOLTAJE EN EL CAPACITOR EN f(t)
Tiempo (s)
Voltaje
(V
)
33
CAPITULO 2
2 CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS
2.1 Construcción de dos diodos de potencia de voltaje ánodo
cátodo inverso de 150kV con una corriente nominal de
50mA.
2.1.1 Elección de los diodos 2CL2FP
En la sección 1.2, tabla 1.14 se observa los parámetros que deben cumplir
los diodos de potencia para realizar las prácticas en el laboratorio de alta tensión de
la UPS sede Cuenca.
Porque se eligió entre los diodos HVM12 y los 2CL2FP, se explica a continuación.
Partimos del kVVp 421.141 ,1 para tener un margen de seguridad se redondeó a un
kVVp 150 .
La disponibilidad en el mercado local de los diodos HVM12, fue uno de los aspectos
que jugó un papel importante para elegirlos como elementos que formen parte de los
diodos de potencia, ya que al ser fácil su adquisición esto permitiría que la
construcción se realice en un menor tiempo.
Los diodos HVM12 tenían un kVVRMS 8 en polarización directa y un kVVRMS 12
en polarización inversa2, el pV que se cubrió es de 150kV, con este dato se calculó
el número de diodos que se colocó en el circuito para los diodos de potencia.
Para llegar a cubrir tensiones elevadas se colocó diodos en serie, esto hace que se
sumen los voltajes que cada diodo soporta tanto en polarización directa como
1 Cálculos realizados en el Capítulo 1, sección 1.2, ecuación 1.1
2 Característica obtenida de la hoja de datos del Capitulo 2, sección 2.1.2, tabla 2.1
34
inversa, aumentan el nivel de tensión que se protege y asegurando el correcto
funcionamiento de las capsulas3.
El cálculo se realizó de la siguiente manera. Se divide el voltaje pico ( pV ) del
laboratorio para 2 obteniendo el RMSV , este a su vez se dividió para el RMSV en
polarización directa e inversa de los diodos HVM12, teniendo los siguientes
resultados.
83.812
2150
kV
kV (2.1)
25.138
2150
kV
kV (2.2)
El cálculo según la ecuación (2.1) muestra que en polarización inversa se debe
colocar 9 unidades y según el cálculo de la ecuación (2.2) en polarización directa se
debe colocar 13 unidades.
Teniendo en cuenta que era importante colocar resistencias en paralelo a cada uno de
los diodos para garantizar la distribución equitativa de las tensiones inversas de
polarización, ya que si bien los 13 diodos pertenecen al mismo modelo no tienen
exactamente las mismas características eléctricas se procedió a calcular estas.
Al contar con 13 diodos se colocó 13 resistencias en paralelo, la corriente de fuga es
de Ax 6105 .4
Se calculó el voltaje que atravesaba cada diodo.
kVkV
V DiodoCada 15.813
2150/ (2.3)
Una vez calculado el voltaje que pasa por cada diodo se calculó las resistencias que
deben ir en paralelo a cada diodo HVM12.
3 Capsulas es otra forma de llamar a los diodos de potencia diseñados y construidos como tema de
tesis para el laboratorio de alta tensión de la UPS sede Cuenca. 4 Característica obtenida de la hoja de dato del Capitulo 2, sección 2.1.2, tabla 2.1
35
GAx
kV
I
VR
S
DiodoCada 63.1105
15.86
/ (2.4)
Como se observa se necesitó una resistencia de 1.63 GΩ. A nivel local y nacional no
existen tiendas electrónicas que dispongan de estos elementos, así que se los importó
desde España. Los valores comerciales en ese país eran de 1GΩ como máximo. Para
llegar a los valores calculados se colocaron en serie dos resistencias y esta a su vez
paralelo a cada diodo HVM12.
En la figura 2.1 se observa las características físicas de las resistencias de 1GΩ.
Figura 2.4. Resistencia film 1G ohm 1/2w 5% [7]
La figura 2.2 muestra el circuito diodo de alta tensión con estos elementos, tomando
en cuenta que las resistencias en paralelo tienes un valor de 2 GΩ.
Figura 2.2. Circuito diodo de alta tensión
Una vez realizados los cálculos de voltaje, resistencias y número de elementos se
procedió a armar el circuito que conforma el diodo de potencia, luego se verificó la
hermeticidad de las capsulas, se los lleno con aceites mineral de transformador
UNIVOLT N 61B con inhibidor y posteriormente se realizó las pruebas en el
laboratorio de alta tensión de la UPS sede Cuenca.
36
Al realizar el circuito de la práctica # 35, los diodos de potencia construidos con los
HVM12 tuvieron un resultado negativo, antes de ejecutar la práctica se observó en el
Megger6 una resistencia en polarización directa de 6kΩ y en inversa de 23GΩ, luego
de ser sometido a un kVVRMS 80 se midió una resistencia en polarización inversa
de 347MΩ, lo que significa que se los diodos se dañaron.
Este resultado negativo se produjo porque al realizar la práctica se dio un pico de
tensión mayor a los 150kV, en cualquier práctica que se desee realizar en el
laboratorio debido a las altas tensiones. Los picos que se producen, por lo general,
van a llegar a los 180kV7; por lo tanto para garantizar un funcionamiento adecuado
es necesario elevar el valor de tensión en las dos polarizaciones.
Se determinó que el laboratorio no genera un kVVRMS 100 como indica el manual,
en realidad se tiene un kVVRMS 5.113 , con lo cual el voltaje pico kVVp 513.1608,
además se multiplicó por un factor de corrección 35.1aK ,9 al realizar esta
operación se tuvo un kVV p 65.216 ,10
siendo este el nivel de tensión que se debía
proteger. Si se empleaba los diodos HVM12se necesita 19 elementos de estos, lo cual
afecta las dimensiones de los diodos de potencia, se necesitaban distancias mayores
para un número mayor de elementos, pero las capsulas ya estaban construidas,
además una capsula más grande era poco estético para el laboratorio. Por esta razón
se opta por buscar otros diodos, que cubriendo ese nivel de tensión, necesite un
número menor de elementos. Los diodos que se pueden conseguir en el mercado
Americano son los diodos 2CL2FP que tienen un kVV p 3011
en las dos
polarizaciones, siendo esta la mejor opción.
5 Manual de experimentos de alta tensión para laboratorio de la UPS sede Cuenca, práctica #3:
Generación y medición de Voltaje Directo [8]. 6 Megger: Instrumento que permite la medición de valores elevados de resistencia [9]
7 Valor determinado tras realizar multiples prácticas en condiciones de un ambiente ionizado y al
realizar un cambio brusto de tensión. 8 Valor calculado en el Capítulo 1, sección 1.2, ecuación 1.2
9 Valor calculado en el Capítulo 1, sección 1.2, ecuación 1.4
10 Valor calculado en el Capítulo1, sección 1.2, ecuación 1.3
11 Características sacada de la hoja de datos del Capítulo 2, seción 2.1.2.2, tabla 2.2
37
Número de elementos = 22.730
65.216
kV
kV (2.5)
Se trabajó directamente con valores pico, la hoja de datos de estos diodos da las
características técnicas, la ecuación 2.5 muestra que son 7 unidades para los diodos
de potencia, se utilizaron 8 unidades para tener una mejor protección cubriendo un
KVVp 240 . Se procedió a calcular el voltaje en cada diodo para determinar la
resistencia en paralelo de la siguiente manera.
kVkV
V DiodoCada 08.278
65.216/ (2.6)
GAx
kV
I
VR
S
DiodoCada 54.13102
08.276
/ (2.7)
El valor de las resistencias es de 13.54GΩ, como se sabe no hay valores comerciales
de resistencias tan altas, lo que se hizo es colocar tres resistencias de 1 GΩ en serie
que da un total de 3 GΩ y este se colocó a su vez en paralelo a cada uno de los
diodos. Lo importante es que las resistencias colocadas en paralelo tengan el mismo
valor óhmico para evitar que los diodos se quemen. El número total de elementos
que tiene cada capsula es de 8 diodos 2CL2FP y 24 resistencias de un Giga cada
una, dándonos un total de 32 elementos por circuito.
En la figura 2.3 se observara el circuito diodo de alta tensión, tomando en cuenta
que las resistencias en paralelo tienes un valor de 3 GΩ.
Figura 2.3. Circuito, diodo de alta tensión
Una vez calculados los valores de tensión, resistencias y elegidos los diodos que van
a formar las capsulas, se procedió a armar el circuito que formará el diodo de
potencia para la tesis, luego se comprobó su hermeticidad, se llenó con aceite para
transformador UNIVOLT N 61B con inhibidor y se llevó al laboratorio de alta
38
tensión de la UPS sede Cuenca para realizar las diferentes pruebas. En estas se
obtuvo como resultado un correcto funcionamiento puesto que no se quemaron y los
valores que mostraban las pantallas del panel de control eran muy parecidos a los que
se dio cuando se probó los mismos circuitos con los diodos de potencia que el
laboratorio disponía, esto se verá con más detalle en el punto 2.3.
2.1.2 Hojas de datos
2.1.2.1 Diodo HVM12
Figura 2.4. Dimensiones físicas del diodo HVM12 [10]
Tabla 2.1 Información técnica del diodo HVM12 [10]
39
2.1.2.2 Diodo HVCA 2CL2FP
Figura 2.5. Dimensiones del diodo 2CL2FP [6]
Tabla 2.1 Información técnica del diodo 2CL2FP [6]
2.1.2.3 Información técnica de la Resistencia Film.
Tabla 2.3 Resistencia film 1g ohm 1/2w 5%[7]
Category Resistors
Series MINI-MOX
Resistance (Ohms) 1G
Power (Watts) 0.5W, 1/2W
Composition Thick Film
Temperature Coefficient 200ppm/°C
Tolerance ±5%
Package / Case Axial
Size / Dimension 0.130" Dia x 0.354" L (3.30mm x 9.00mm)
40
2.1.3 Cuadro de Procesos
En la figura 2.6 se observa el proceso eléctrico y mecánico seguido para diseñar y
construir los diodos de potencia.
Figura 2.6. Cuadro de procesos eléctricos y mecánicos
41
2.2 Proceso Mecánico
En este punto se presentan los procesos mecánicos de construcción que
se realizaron para la fabricación de los diodos de potencia, considerando las
características mecánicas y eléctricas de cada uno de los materiales que componen
dicho elemento. Como dieléctrico, el grilon es la mejor opción, por sus propiedades y
su fácil adquisición en el mercado local. Y como conductor, el aluminio es unos de
los materiales que presentan mayores ventajas sobre los demás.
A continuación, se explica el proceso de fabricaron de cada uno de los elementos que
componen el diodo de potencia.
2.2.1 Armado del circuito
Para elegir las dimensiones del cilindro, se parte de la cantidad y
características físicas de cada uno de los componentes del circuito, el mismo que va
a ir alojado dentro del cilindro, como por ejemplo: resistencias, diodos 2CL2FP,
terminales y remaches.
De la tabla 2.3, se obtienen las dimensiones de las resistencias. Dando una longitud
total de 50mm y un diámetro de 3.30mm.
En la figura 2.5, se presentan las dimensiones del diodo 2CL2FP, que da una
longitud de 63.24mm y un diámetro de 4.3mm.
Partiendo de estas dimensiones se a armar el circuito, como se explicó en el capítulo
anterior. Cada circuito consta de un diodo y tres resistencias, como se presenta en la
figura 2.7.
Figura 2.7. Circuito en 3D. Diodo, resistencias
42
La longitud de cada circuito es de 70mm, con un radio de 21.65mm, como se
muestra en la figura 2.8. Eso, multiplicado por 8 da un total de 560mm, que será la
dimensión total del circuito de los diodos de potencia.
Figura 2.8. Dimensiones del circuito, diodo, resistencia
2.2.2 Cuerpo del diodo
El cuerpo del cilindro, figura 2.9, alojará el circuito, diodo-resistencia, y
estará lleno de aceite dieléctrico, UNIVOLT N61B. Además tendrá un roscado NPT
en cada uno de sus extremos.
Figura 2.9. Cuerpo del diodo
70
15,24
9
R1 R3R2
D1
21
,65
43
2.2.3 Aluminio
Para ensamblar el circuito se utilizaron remaches de aluminio, al igual
que las tapas y terminales, ya que una de las ventajas del aluminio es la resistencia a
la corrosión, su durabilidad y su peso ligero.
El aluminio es el elemento químico más abundante sobre la corteza terrestre.
2.2.3.1 Características principales del aluminio
El aluminio es un metal ligero, blando pero resistente, de aspecto gris
plateado. Su densidad es aproximadamente un tercio de la del acero o el cobre. Es
muy maleable y dúctil y es apto para el mecanizado y la fundición. [11]
Debido a su elevado calor de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa
superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que
detiene el proceso de oxidación proporcionándole resistencia a la corrosión y
durabilidad. [11]
2.2.3.2 Remaches
Los remaches, que unen a cada resistencia con su respectivo diodo,
fueron fabricados de una barra de aluminio, con las siguientes dimensiones, figura
2.10.
Figura 2.10. Remache
10
6
1,5
44
2.2.3.3 Punta
La punta sirve de soporte al cuerpo del diodo. Está construida de tal
manera que este elemento se acople a la corona de conexión, figura 2.11.
La punta se unirá a la tapa, a través de un perno de cabeza hexagonal M8x20, como
se muestra en la figura 2.12.
Figura 2.11. Punta
Figura 2.12. Vista en corte de la punta
2.2.3.4 Tapa
La tapa es el elemento que sellará de manera hermética (utilizando O
rings) el cuerpo del cilindro de tal forma que no hayan fugas de aceite aislante por las
mismas. Está construida de acuerdo a las dimensiones, tanto del radio interno como
del radio externo del cuerpo. Al interior de la tapa existirá un roscado NPT, el cual es
un tipo de roscado que se emplea en los sistemas de instalación hidráulica. Figura
2.13.
DIN 7991 - M8x20
Hexagon socket countersunk
head cap screws
45
En el centro de una de las tapas del cilindro se procede a trazar dos agujeros roscados
los mismos que servirán para el llenado del aceite dieléctrico, una vez sellado los
cilindros.
Figura 2.13. Tapa
2.2.3.5 Terminal del circuito
Este terminal ira remachado, a cada uno de los extremos del circuito y se
conectara al terminal hacia la tapa. Figura 2.14.
Figura 2.14. Terminal del circuito
46
2.2.3.6 Terminal hacia la tapa
Este elemento consta de dos roscas, una interna y otra externa. La rosca
interna sirve para conectarse con el terminal del circuito y la rosca externa sirve para
fijar el circuito Diodo-Resistencia a la tapa, como se muestra en la figura 2.15.
Figura 2.15. Terminal hacia la tapa
La figura 2.16, muestra el ensamble de todos los elementos descritos anteriormente.
Figura 2.16. Vista en corte de: Punta, Tapa, Terminal del circuito y terminal hacia la
tapa
47
La figura 2.17, presenta el ensamble total de los diodos de potencia.
Figura 2.17. Diodo ensamblado
2.2.4 Cálculo del volumen del cilindro
Se calculó la cantidad de aceite aislante necesaria para llenar el cilindro,
figura 2.18, de tal manera que no haya ninguna disrupción eléctrica.
Para encontrar el volumen de un cilindro se utilizó la siguiente formula:
(2.8)
El volumen del cilindro es el producto del área del círculo de la base por la altura. En
donde el área del círculo es:
Figura 2.18. Dimensiones del cilindro
, multiplicado por dos nos da un total de o lo que es lo
mismo 3.57 litros de aceite dieléctrico.
700
101,6
57
48
2.3 Proceso Eléctrico
2.3.1 Llenado de aceite dieléctrico y prueba de hermeticidad en los
diodos de potencia.
Una vez concluido el proceso mecánico los diodos de potencia fueron
llevados a TECNIESAT S.A, para el llenado con aceite mineral a vacío, para lo cual
se siguió el siguiente proceso:
1. Se limpió la superficie de cada diodo de potencia con solvente Cloretheno.
2. De acuerdo a las tomas para ejecutar vacío y carga de nitrógeno que tenían
estos se prepararon los acoples necesarios y se conectó a la bomba de vacío
con derivación para el tanque de nitrógeno seco, en cada caso se tenía
intercalado un instrumento de medición positivo y negativo.
3. Una vez realizado los pasos 1 y 2, se ejecutó el vacío en el interior del diodos
de potencia, luego se produjo la ruptura de vacío con nitrógeno a 2/2,0 cmKg
nuevamente se procedió a llenar a vacío y se hizo otro enjuague con
nitrógeno seco, todo esto se efectuó con el objetivo de limpiar por completo
el interior del diodo de potencia sacando cualquier pelusa, gota de agua o
material que se encuentre en el interior.
4. Antes de llenar los diodos con aceite mineral UNIVOLT N 61B con inhibidor
se comprobó si estos estaban herméticamente sellados, para lo cual se
procedió a realizar 2 pruebas.
1) Se selló la entrada de nitrógeno y se realizó el vacío del diodo de
potencia, el vacuómetro llegó a marcar -0.94 bar, se mantuvo el diodo en
estas condiciones por una hora aproximadamente, una vez transcurrido
este tiempo se volvió a ver cuál era la medición que se tenía en el
vacuómetro, este seguía marcando los -0.94bar verificando así que no
existía fuga.
49
2) Se sacó el vacío del diodo abriendo la llave de la bomba de vacío, se selló
la entrada que tiene el diodo para conectar las mangueras de la bomba y
se habilitó la toma de nitrógeno, se llenó con nitrógeno seco el diodo de
potencia y se colocó agua con jabón en las parte en donde puede existir
fugas como en el contacto eléctrico, con esto se verifico que estaba
completamente sellado porque que no produjo burbujas.
5. Una vez realizado el enjuagues y probada la hermeticidad del diodo de
potencia se procedió a llenar a vacío con aceite UNIVOLT N 61B12
con
inhibidor, en la una toma se coloca la manguera de vacío y en la otra toma se
colocó la manguera que conectaba al tanque de aceite, se acciona la llave que
iba a producir el vacío, una vez que se llegó a -0.94 bar se deshabilitó esta
llave y procedió a seccionar dos llaves, una que dejaba salir el vacío y la otra
que dejaba pasar el aceite. Se llenó el diodos hasta 1 cm antes de llegar al
tope, se deja este espacio para llenarlo con nitrógeno seco, se retiró los
acoples, se selló el diodo de potencia y se dejó reposar por una 1 hora más
para verificar que no existas fugas, este procedimiento se realizó para los dos
diodos.
En la figura 2.19 se muestra una fotografía del diodo cuando se estaba llenando con
aceite a vacío en los talleres TECNIESAT S.A.
12
Aceite mineral UNIVOLT N 61B, utilizado como dieléctrico y refrigerante en las capsulas [12]
50
Figura 2.191. Llenado del diodo con aceite a vacío
2.3.2 Pruebas de la Rigidez Dieléctrica del Aceite aislante
La prueba de rigidez dieléctrica del aceite se realizó con el equipo
HIPOTRONICS 60 kV, a una temperatura de 20°C, para esta prueba se empleó la
norma ASTM D 877 la cual nos dice que el aceite debe tener una rigidez dieléctrica
de 60kV por cada 2.5mm [12].
En la figura 2.20 se muestra el equipo empleado para la prueba y en la tabla 2.4 se
muestran los resultados obtenidos.
Figura 2.202. Equipo para realizar la medición de rigidez dieléctrica del aceite
51
Tabla 2.4 Resultados de la prueba de rigidez dieléctrica del aceite
Como podemos observar en la tabla los resultados son satisfactorios, tenemos una
rigidez dieléctrica de 220 kV por cada cm, como tenemos una separación de 5cm
entre diodos 2CL2FP se necesita 1100 kV para que se produzca la disrupción entre
ellos.
2.3.3 Características del grilon y prueba de rigidez dieléctrica
En la construcción de los diodos de potencia no se emplearon materiales
cerámicos ya que el costo que tendría estos hubiese sido excesivamente elevado, esto
se debe a la necesidad de trabajar con moldes para construirlos según la forma y las
dimensiones, por esta razón se optó trabajar con grilon que es un material
termoplástico el cual se obtiene de la poliamida 6, además que es dieléctrico, fácil de
mecanizar, tiene una buena resistencia mecánica, no se desgasta con facilidad y
puede soportar temperaturas de 10 a 100 grados centígrados [13].
En la tabla 2.5 se observa algunas características técnicas del grilon.
52
Tabla 2.5 Características del Grilon [13]
Para realizar la prueba de rigidez dieléctrica en el laboratorio de alta tensión se
montó el circuito que se observa en la figura 2.21, el grilon fue colocado entre los
electrodos tipo punta que están ubicados en el soporte de electrodos para pruebas de
disrupción. Al emplear este tipo de electrodos se concentra la tensión en el punto,
donde la punta se presiona con el material. Se tomaron 20 muestras colocando las
puntas en diferentes partes del grilon, el cual tiene las siguientes dimensiones, 7cm
de ancho por 7.5cm de largo y un espesor de 1,2cm.
Figura 2.213. Circuito para realizar prueba de rigidez dieléctrica de los materiales
Las muestras que se tomaron con la pantalla HV9150 y con en el osciloscopio se
presentan en la tabla 2.6, en la tabla 2.7 se observan los resultados que se tuvieron en
kV/cm.
53
Tabla 2.6 Datos Obtenidos de la prueba de Grilon
Tabla 2.7 Resultados de la prueba de Grilon
Es importante mencionar que en la prueba, el grilon no fue perforado por la tensión,
la disrupción se produjo a través de la superficie del material. Los valores de tensión
mostrados en la tabla 2.6 fueron tomados antes de la disrupción por la superficie.
54
2.3.4 Prueba de los diodos HVCA 2CL2FP
Se realizó una prueba de los diodos 2CL2FP antes de que estos formen
parte del circuito del diodo de potencia.
La hoja de datos nos dio como característica técnica que este modelo de diodo
soportaba una tensión pico de 30 kV en polarización directa e inversa, 13
por lo cual
se calibro el panel de control a una tensión de 25kV y se puso el diodo que se había
adquirido para pruebas, se observó que este rectificaban correctamente en ambas
polaridades, por lo cual se dedujo que tenían un buen funcionamiento.
Una vez que se probó al diodo con tensión, se procedió a medir la resistencia de este
en ambas polaridades. Se obtuvo el valor promedio de la resistencia realizando
diferentes mediciones con el Megger, este tiene la opción de ser calibrado con 6
tensiones, al realizar 6 pruebas se pudo conseguir los valores promedio de las
resistencias, los mismos que se muestra en la tabla 2.8.
Tabla 2.8 Prueba de resistencia de los diodos 2CL2FP
13
Dato característico que se puede observar en el Capítulo 2, sección 2.1.2.2, tabla 2.2
55
2.3.5 Prueba de la resistencia en polarización directa e inversa de
los diodos diseñados y construidos para el laboratorio
Se comprueba el correcto funcionamiento de los diodos de potencia
diseñado y construidos como tema de tesis, midiendo los valores de resistencia con el
Megger en polarización directa e inversa antes y después de someterlos a tensión, en
la tabla 2.9 se observa los valores obtenidos en la prueba.
Tabla 2.9 Prueba de resistencia de los diodos 2CL2FP
Los diodos de potencia fueron sometidos a un voltaje que varió desde los 0V hasta
los 150kV utilizando el circuito que se observa en la figura 2.22.
Figura 2.42. Circuito verificador de la resistencia en ambas polarizaciones
56
Se puede observar que los valores óhmicos de los diodos de potencia mostrados en la
tabla 2.9 son los mismos antes y después de ser sometidos a tensión, lo que nos
indicó que no sufrieron daño, por lo cual se continuó con las prácticas de
comprobación.
2.3.6 Prácticas del laboratorio de alta tensión con los diodos de
potencia diseñados y construidos para el laboratorio.
Verificamos el correcto funcionamiento de los diodos de potencia
diseñados y construidos para el laboratorio realizando las prácticas y comparando
los resultados con los obtenidos al realizar las mismas pruebas con los diodos de
potencia existentes en el laboratorio.
2.3.6.1 Rectificación de media Onda
En esta práctica se verificó el correcto funcionamiento de los diodos de
potencia tanto en polarización directa como inversa, ya que se comprobó las
tensiones que se marcaban en la pantalla del HV9150 del panel de control, tanto con
los diodos potencia del laboratorio como con los diodos de potencia de la tesis, el
circuito que se empleó se observa en la figura 2.23.
Figura 2.235. Circuito rectificador de media onda
57
Los resultados pertenecientes al diodo de potencia 1 de la tesis se describen en la
tabla 2.10 y los resultados del diodo de potencia 2 de la tesis se describen en la tabla
2.11.
Tabla 2.10 Resultado del diodo de potencia 1 vs el diodo del laboratorio
Tabla 2.112 Resultado del diodo de potencia 2 vs el diodo del laboratorio
Como se observa en la tabla 2.11 los valores de tensión son muy parecido, la
diferencia que se presenta se debe a que los diodos de potencia del laboratorio tiene
un valor de impedancia característica distinta a los diodos de potencia construidos
como tema de tesis, en términos generales se observa que el funcionamiento es
correcto.
58
2.3.6.2 Generación y medición de voltajes directos
Cuando se realizó esta práctica se verificó el funcionamiento de los
diodos de potencia en una rectificación completa. Como en los casos anteriores se
comparó el comportamiento de los diodos de potencia de la tesis contra el
comportamiento con los diodos del laboratorio, en la figura 2.24 podemos observar
el esquema empleado en esta práctica.
Figura 2.246. Circuito generador de voltaje continúo
Los resultados que se obtuvieron con los diodos de potencia del laboratorio y los
diodos de potencia de la tesis se describen en la tabla 2.12.
59
Tabla 2.12 Resultado de la prueba de medición de voltaje directo
Es importante mencionar que la escala que fue empleada en la pantalla HV9151 es
de 280. Los valores que se observan de los diodos de potencia de la tesis y lo diodos
de potencia del laboratorio en la tabla 2.12 son muy parecidos, al igual que en la
práctica anterior la diferencia que se presenta se debe a los valores de impedancias
características diferentes de cada uno.
2.3.6.3 Generación y medición del voltaje de impulso
Este circuito se emplea para medir el BIL de los diferentes elementos
aislante, para nuestro caso lo importante era observar la forma de onda que se iba a
generar al dar un Triguer y producir el pulso que terminaría en la descarga de las
esferas del HV9125. Tomamos la forma de onda de la tensión de disrupción
conectando el osciloscopio a la salida del HV9152 y observamos la relación 1.2/50
tanto con los diodos de potencia propios del laboratorio como con los diodos de
potencia de la tesis. El circuito que se montó para esta práctica se observa en la
figura 2.25.
60
Figura 2.25. Circuito para generar impulso y medir el BIL de un elemento
Los valores de tensión en el primario, secundario, tensión continua, voltaje de
impulso mostrado en la pantalla HV9152, voltaje de impulso mostrado en el
osciloscopio y separación de las esferas del HV9125 se observan en la tabla 2.13
Tabla 2.133 Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso
61
En las figuras 2.26 y 2.37 se muestran la relación 1.2/50 de la señal producida al dar
el triguer y generar el impulso, la primera es con los diodos de potencia del
laboratorio y la segunda con los diodos de potencia de la tesis.
Figura 2.26. Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso
Figura 2.277. Resultado de la prueba generación de voltaje de impulso
La forma de onda de los diodos de potencia del laboratorio y los diseñados y
construidos para la tesis tiene características iguales, la relación 1.2us de subida y
los 50us de cola, se da en ambas, recordando que los 50us se miden en él 2
PV.
62
Los valores de voltaje de impulso en los cuales se producen las disrupciones de las
esferas del HV9125 observados en la pantalla HV9152 y en el osciloscopio son muy
parecidos entre los diodos de potencia propios del laboratorio y los de la tesis, estos
valores se pueden observar en la tabla 2.13, debemos recordando que se utilizó una
escala de 20kV por cuadro en el osciloscopio. La pequeña diferencia de voltaje que
se da es por la impedancia característica diferente que tiene cada uno de los diodos
de potencia.
Todo esto nos indica que los diodos de potencia de la tesis cumplieron esta prueba
exitosamente.
63
CAPITULO 3
3 ENSAYO DE LOS DIODOS DE ALTA TENSIÓN
3.1 Normas
Las normas técnicas son documento que contienen definiciones,
requisitos y establece especificaciones técnicas como: dimensiones físicas,
características constructivas y de operación, condiciones de seguridad, condiciones
de servicio y medio ambiente, simbología para representar equipos y sistemas, todo
esto basado en los resultados de la experiencia y del desarrollo tecnológico.
Las normas eléctricas nos indican desde la manera como se deben hacer las
representaciones gráficas, hasta explicar las formas de montaje y pruebas a las que
deben someterse los equipos. [14]
Se crean con la aceptación de todas las partes interesadas e involucradas en
una actividad entre ellos: Los fabricantes, consumidores, laboratorios, centros de
investigación. [15]
Deben aprobarse por un Organismo de Normalización reconocido. Entre las normas
eléctricas más utilizadas tenemos: Ver cuadro 3.1.
NEC National Electrical Code
ANSI American National Standards Institute
NEMA National Electrical Manufacturers Association
IEEE The Institute of Electrical and Electronics
Engineeres Inc
ASTM International - Standards Worldwide (USA)
VDE Verband Deutscher Elektrotechnoker (Germany)
ISO International Organization for Standardization
IEC InternationalElectrotechnical Commission
DIN Deutches Institut für Normung (Germany)
Tabla 3.1 Organismos de Normalización
64
En resumen, una norma se utiliza para consultar las especificaciones técnicas de un
proceso, producto o servicio. También se utiliza para buscar información científica
sobre una técnica.
Enunciaremos algunas normas que se utilizan en las diferentes pruebas aplicadas en
laboratorios a las que deben someterse transformadores, motores, cables, etc.
1. NTE INEN 2 110:1998 Transformadores. Definiciones.
2. NTE INEN 2 111:1998 Transformadores. Pruebas Eléctricas.
3. NTE INEN 2 113:98 Transformadores. Determinación de Pérdidas y
Corrientes sin carga.
4. NTE INEN 2114:2003 Transformadores de distribución Nuevos
Monofásicos.
Valores de corriente sin carga, Pérdidas y voltaje de Cortocircuito.
5. NTE 2117:1998 Transformadores. Relación de transformación.
6. NTE INEN 2118:98 Transformadores. Medida de la Resistencia de los
Devanados.
7. NTE INEN 2119:199 Transformadores. Prueba de calentamiento para
transformadores sumergidos en aceite con elevación de 65°C de
temperatura en los devanados.
8. NTE 2127:1998 Transformadores. Niveles de aislamiento
9. NTE INEN 2 133:98 Transformadores. Aceites Aislantes Para
Transformadores e interruptores. Requisitos.
10. UNE 21123 Cables de transporte de energía aislados con dieléctricos
secos.
11. IEEE Std 81-1983 IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground
Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System.
12. IEEE Std. 43-2000 Recommended Practice for Testing Insulation
Resistance of Rotating Machinery.
13. IEEE Std 112-1996 Standard Test Procedure for Polyphase Induction
Motors and Generators.
65
14. ISO/IEC 17025 Requisitos generales para la competencia de los
laboratorios de ensayo y de calibración
A continuación se describen las normas que se utilizaron para el diseño y fabricación
de los diodos de potencia.
3.1.2 Norma ASTM D-877
La norma ASTM D-877, es utilizada para evaluar la rigidez dieléctrica
que tienen los aceites aislantes empleados en los transformadores, cables y otros
equipos eléctricos.
3.1.2.1 Rigidez dieléctrica en el aceite aislante
“Es una prueba que muestra la presencia de agentes contaminantes
(carbón, agua, hierro, polvo, fibras de celulosa,) en el aceite, las cuales pueden ser
representativas si se presentan valores bajos de rigidez. Cuando un aceite está muy
contaminado tiende a presentar valores bajos de rigidez los cuales disminuyen el
aislamiento del equipo como puede ser un transformador o en este caso los diodos
de potencia.
Entre los diferentes tipos de aceites están: aceites derivados del petróleo,
hidrocarburos, ascareles (Bifenilos Polyclorados, o PCB. El cual pertenece a la
familia de los hidrocarburos clorados).
La prueba consistente en aplicar un voltaje de C.A. entre dos electrodos sumergidos
en aceite a una distancia de 2.54 mm o 2.0 mm dependiendo de la norma a ser
utilizada. Como se muestra en la figura 3.1.
66
Figura 3.1. Prueba de rigidez dieléctrica en los aceites [16]
El valor de tensión en kilovoltios a la que se presenta descarga entre los electrodos
se le conoce como rigidez dieléctrica y como norma general es el promedio del
resultado de 5 pruebas sobre la misma muestra dejando reposar por intervalos de un
minuto entre pruebas.
Las normas utilizadas y los valores límites permitidos para esta prueba son las
siguientes:
1. ASTM D-877: Prueba de voltaje de ruptura para líquidos aislantes usando
electrodos planos separados 2.54 mm, Tensión Mínima 25 kV
2. ASTM D-1816: Prueba de voltaje de ruptura de aceite dieléctrico de origen
de petróleo, usando electrodos semiesféricos separados 2.0 mm, Tensión
mínima 50 kV.” [16]
El cuadro 3.2 se presenta las características de cada una de estas normas.
67
Tabla 3.2 Rigidez dieléctrica [17]
3.1.2.2 Muestra
“La muestra se toma según estándar D 923, el cual no indica que: se
etiqueta, con fecha, equipo, temperatura al momento de tomarla (en el rango 20 a
30°C). Previo al inicio de la prueba la muestra debe ser inspeccionada y si se
observa agua libre debe ser abortada y declarada como insatisfactoria.” [18]
Debido a la cantidad de contaminantes que puede tener la muestra, ésta debe ser
invertida y girada lentamente antes de llenar la taza de prueba, una agitación rápida
puede introducir aire a la muestra, afectando el voltaje de ruptura.
3.1.2.3 Seguridad
En lo que se refiere a la seguridad, esta normativa no hace referencia a
aquello. Cuando se está realizando la prueba el único responsable de establecer
prácticas de seguridad y salud es el mismo profesional de ingeniería eléctrica.
3.1.2.4 Aplicación
“El voltaje de ruptura dieléctrico determina la capacidad de un aceite
aislante de mantener una tensión eléctrica.
La presencia considerable de contaminantes dará un voltaje de ruptura bajo. Un
voltaje de ruptura alto en una muestra, no significa que la cantidad de
contaminantes sea suficientemente baja para que sea aceptada en todos los equipos
eléctricos”. [18]
68
3.1.3 Norma DIN.53481
La norma DIN.53481, es utilizada para medir la rigidez dieléctrica en los
materiales plásticos, en este caso el Grilon.
3.1.3.1 Rigidez dieléctrica en el Grilon
La rigidez dieléctrica es la tensión que, aplicada a un material, da lugar a
la destrucción de sus propiedades de aislamiento y está formado por el paso de un
arco a través de la pieza de ensayo. El gradiente de voltaje se obtiene dividiendo la
tensión de ruptura por el espesor del aislamiento en el punto de falla. Se expresa en
MV/m o kV/mm de espesor de aislamiento. [19]
Según la norma DIN.53481, la rigidez dieléctrica del Grilon está en el rango de los
25 kV/mm.
El cuadro 3.3 muestra algunas características sobre la prueba de rigidez dieléctrica,
como por ejemplo: la norma a utilizar (DIN, IEC, ASTM), diámetro de los
electrodos, el medio y la temperatura en las que se va a realizar la prueba.
Tabla 3.3 Descripción de la prueba. [19]
En resumen, La rigidez dieléctrica es la propiedad esencial de los aislantes de
plástico, el cual brinda una excelente protección para las personas y dispositivos
contra voltajes elevados.
69
3.2 Protocolo de Pruebas
Las pruebas realizadas en el laboratorio de alta tensión de la UPS sede
Cuenca, deben seguir el siguiente protocolo para evitar que se produzcan daños a
personas y equipos.
1. Todas las personas deben colocarse guantes, casco, y orejeras impidiendo
daño en las manos, cabeza u oído, ya sea este por caída de la persona, de
algún elemento o por el sonido que producen las descargas en las pruebas.
2. Al entrar en la jaula, por seguridad no se debe cerrar la puerta ya que al estar
abierta, los dispositivos de seguridad propios del laboratorio hacen que el
secundario del transformador se bloquea evitando que se pueda elevar tensión
o que se active a un nivel de tensión antes establecido.
3. Se debe descargar los elementos del laboratorio con la barra de descarga a
tierra, en especial los capacitores, con esto logramos evitar que cualquier
tensión acumulada en los elementos se descargue a través de la persona que
los manipula.
4. Cuando se haya descargado todos los elementos colocar la barra de descarga
a tierra sobre el transformador, esto evitara que se habilite el secundario del
trasformador por cualquier error ya que al estar a tierra el sistema de
seguridad del laboratorio lo bloquea.
5. Cuando se acabe de armar un circuito inmediatamente se debe proceder a
verificar si las conexiones están bien realizadas.
6. Retirar la barra de descarga a tierra del trasformador, colocar en la puerta,
esto hará que cualquier persona que entre recuerde descargar los elementos,
cerramos la puerta, verificar que ningún elemento esté conectado a tierra a
través de la señalización ubicada como luz verde en la zona de mando del
panel de control y proceder a realizar las diferentes mediciones.
70
7. Cuando se trabaja con tensiones elevadas, tener cuidado de que el ambiente
se ionice y que los elementos que no cuentan con aceite para la refrigeración
se calienten.
Si estos dos ocurren se debe proceder a abrir las ventanas para ventilar el
espacio y sacar los elementos que se hayan calentado hasta que los mismos
estén completamente fríos, caso contrario puede afectar a la medición.
8. Si se trabaja con el equipo para medir rigidez dieléctrica de aceites, se debe
utilizar guantes negros y tener cuidado al manipular las muestras de aceite
para que no se contaminen, dejar que las mismas reposen por cinco minutos
antes de hacer la prueba para que salgan las burbujas.
El aceite debe ser guardado en un recipiente color ámbar y no deben ser
expuestas a la luz.
9. Cuando se trabaja con el Megger verificar que la batería tenga niveles
adecuados de carga para obtener valores de medición acertados.
3.3 Verificación de la ecuación de Schockley
La ecuación de Schockley14
no es válida para los diodos de potencia de la
tesis ni para los propios del laboratorio de alta tensión, ya que los valores de DV son
muy elevados lo cual hace que la DI se vaya al infinito, por esta razón se realizó
pruebas en bajas tensiones con voltajes que varían desde los 15V a los 920V
empleando el circuito que se observa en la figura 3.2.
Se realizó la medición del RMSV en el diodo con una sonda diferencial
de voltaje, la corriente que atraviesa al mismo se midió con una sonda diferencial de
voltaje colocada en paralelo a una resistencia 11R y configurado en el
osciloscopio con parámetros de corriente.
14
Esta Ecuación puede ser observada en el Capítulo I sección 1.3.
71
Figura 3.2. Esquema para la verificación de la ecuación de Schockley
Los cálculos realizados para esta prueba son los siguientes.
Como dato se tiene la máxima corriente que puede soportar los diodos es de 100mA,
al calcular la resistencia en función de 90 mA para evitar que se dañe los diodos.
21,968495
920
mA
V
I
VR
R
VI
Se emplea una resistencia de 9500Ω /200W, un Variac de 220/920 V conexión
estrella conectado al banco trifásico regulable de 0-230V, una resistencia de 1Ω/ 1W
para la medición de la corriente.
En la figura 3.3 muestra el circuito armado con el diodo de la tesis, en el laboratorio
de circuitos 2.
Figura 3.3. Esquema armado para la verificación de la ecuación de Schockley
72
En la tabla 3.4 se muestran los valores de los diodos de potencia 1, 2 para la tesis y
del de laboratorio de alta tensión, tanto de voltaje RMS, corriente, voltaje del semi
ciclo positivo y del semi ciclo negativo.
Tabla 3.4 Datos obtenidos de la prueba en baja tensión de los diodos de potencia
En la figura 3.4, 3.5 y 3.6se observa las curvas en región directa del diodo 1, 2 y del
laboratorio.
73
Figura 3.4. Curva región directa diodo 1
Figura 3.5. Curva región directa diodo 2
140
180
220
260
300
340
380
420
460
500
0 200 400 600 800
Curva Diodo I
Curva Diodo I
180
220
260
300
340
380
420
460
500
0 200 400 600 800
Curva diodo II
Curva diodo II
74
Figura 3.6. Curva región directa diodo laboratorio
La curva de región directa del diodo de potencia, figura 3.4, muestra que éste
empieza a conducir a los 62 V, no hay una variación considerable de corriente hasta
los 116V, desde los 176V empieza a subir considerablemente la corriente hasta los
665V y desde esta tensión en adelante la corriente tiende al infinito.
En el diodo de potencia 2, figura 3.5, la curva de región directa muestra que este
empieza a conducir a los 61V, hasta los 114V la variación de corriente es pequeña,
desde los 175V empieza a variar en mayor proporción la corriente hasta los 666V y
desde aquí la corriente tiende al infinito.
El diodo de potencia del laboratorio, figura 3.6, empieza a conducir a los 60V, la
corriente tiene una variación pequeña hasta los 853V y desde este valor empieza a
conducir con una pendiente mayor hasta los 890V es decir la corriente cambia a un
valor más grande de forma considerable, desde estos 890V la corriente se va al
infinito.
Esta variación del comportamiento visto en los 3 diodos de potencia se debe a que la
impedancia característica de estos es diferente por lo cual varía un poco el valor de
conducción de ellos, pero no afecta su funcionamiento en las prácticas.
300
310
320
330
340
350
360
0 200 400 600 800 1000
Curva diodo Laboratorio
Curva diodosLaboratorio
75
3.4 Sistema doblador
El interés de armar un sistema doblador se fundamente en realizar
pruebas del BIL con elementos que tengan un nivel de aislamiento que pasen los
150kV.
En la figura 3.7 se muestra el esquema del circuito doblador que se montó en el
laboratorio de alta tensión de la UPS sede Cuenca, cuenta con los diodos de potencia
diseñados y construidos como tesis.
Nomenclatura.
CM: Es el capacitor HV9141, sirve para realizar la medida del secundario del
transformador.
C1 y C2: Son los dos capacitores HV9112 del laboratorio.
1D y 2D :Son los diodos de potencia diseñados y construidos para la tesis.
1LD y 2LD : Son los dos diodos de potencia disponibles en el laboratorio.
R: Es la resistencia HV9113 que permite realizar la medición de voltaje directo
76
Figura 3.7. Circuito doblador de tensión [20]
A 1C le llega la tensión desde el positivo del transformador y se suma la tensión que
pasa por los diodos 1LD y 2LD desde el negativo, por lo cual se tiene el doble de
voltaje en 1C de lo que normalmente el secundario da, cuando este voltaje circula
por 1D y 2D pasa solo el semiciclo positivo y termina la rectificación con 2C , la
tensión se mide en 1R ya que esta está en paralelo a 2C , finalmente podemos
observar su valor en la pantalla HV9151.
En la tabla 3.5 se observar los valores que se obtuvieron con el circuito doblador, es
importante mencionar que para elevar la tensión y poder realizar la prueba del BIL
con aislante que superen los 150kV es necesario un capacitor adicional que tenga el
mismo valor capacitivo que 2C , este se conectara entre el cátodo de 2D y la parte
superior de 2C .
77
Tabla 3.5 Datos obtenidos del circuito doblador
Al ver los resultados, podemos decir que los diodos diseñados y construidos como
tema se tesis funcionan correctamente, ya que han trabajado eficientemente en el
circuito doblador, con este esquema se podrá llegar a los 300kV siempre y cuando se
adquiera el capacitor que se mencionó anteriormente, con esto se podrá realizar
pruebas del BIL con elementos que tengan niveles de tensión de ruptura superiores a
los 150kV.
78
CAPITULO 4
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 Conclusiones
Al realizar el presente trabajo de tesis se ha podido llegar a las siguientes
conclusiones.
1. Es importante conocer todos los elementos que el laboratorio de alta tensión
de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca tiene disponible, para
emplearlos de una manera eficiente, conocer cuáles son las limitantes que
tiene este laboratorio e irlos superando paulatinamente.
2. Al dimensionar el nivel de tensión al cual se debe proteger los diodo de
potencia es importante tomar en cuenta todos los aspectos que lleven al
fracaso, de esta manera se realiza un correcto diseño y se evita problemas
cuando las capsulas están armadas.
En nuestro caso en primera instancia no se tomó en cuenta el factor de
corrección que se debe aplicar a los elementos que se encuentre a 1000 msnm
y tampoco se verifico si los datos del manual del laboratorio eran correctos,
por los cual se dimensiono a un nivel de tensión que se encontraba apenas un
4% por encima de los 150kV. Al momento de elevar la tensión de forma
brusca se produjo un pico que supero el nivel de tensión de protección lo cual
derivo en la quema de los diodos de potencia, cuando se volvió a analizar los
factores para determinar el nivel de tensión a proteger se observó cual era el
verdadero voltaje pico que daba el laboratorio, además se multiplico por el
factor de corrección sobredimensionando el nivel de tensión que se debía
proteger hasta un 60% sobre los 150kV. En estas condiciones a pesar de que
se produjo picos de tensión cuando se estaba realizando las pruebas de
comprobación de los diodos de potencia no ocurrió daño en los mismos.
3. El análisis del comportamiento de los diodos de potencia a través de la
plataforma simulink, emplea los parámetros de estos en la ecuación de
79
Schockley. La gráfica de región directa nos dice que no existe ningún
inconveniente en el comportamiento del diodo ya que este a un voltaje DV
=19V empieza a conducir y desde un voltaje DV =28V la corriente tiende a
infinito, esto se observa en la figura 1.23 del capítulo I sección 1.3.1. En el
caso de la zona inversa se ve que la corriente toma un valor constante de
DI = 0 sin importar el rango de voltaje empleado, esto implica que no se
alcanza un voltaje de disrupción en el cual la corriente tienda a infinito, lo
cual se da porque los parámetros de los diodos de potencia al ser
reemplazados en la ecuación de Schockley hacen que el valor de DI tenga un
comportamiento ideal.
4. Las simulaciones de régimen transitorio con los parámetros de los diodos
diseñados y construidos como tesis para el laboratorio de alta tensión de la
UPS sede Cuenca muestran un correcto comportamiento en los circuitos que
tienen las siguientes cargas:
1) Resistiva.
2) Resistencia con una inductancia en serie.
3) Resistencia con un capacitor en serie.
En el caso de la carga resistiva se observa que el voltaje en el diodo, la
corriente del circuito y el voltaje en la carga no tienen variaciones en las
formas de ondas, el comportamiento es una constante, ya que es un circuito
puramente resistivo. Esto se puede observar en las gráficas de la figura 1.25
del capítulo I sección 1.3.2.1.
En el segundo caso en el que se emplea una resistencia en serie con una
inductancia como carga se observa que la corriente llega hasta un valor
máximo, en un periodo transitorio de comportamiento exponencial y se
mantiene constante en el valor máximo, al igual que el voltaje en el diodo, en
nuestro caso la corriente llegó a los 0.015A. En cuanto el voltaje en la carga
el comportamiento es de forma inversa respecto a la corriente, esto se puede
verificar en figuras 1.27 del capítulo I sección 1.3.2.1.
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En el tercer caso en donde se emplea una resistencia en serie a un capacitor,
la corriente del circuito tendrá un comportamiento exponencial, iniciando
desde el máximo limitado por la relación R
V, como condición de i(0), esto se
puede observar en la figura 1.29 del capítulo I sección 1.3.2.1.
Todas las simulaciones de régimen transitorio tuvieron un correcto
funcionamiento ya que cumplieron con lo que teóricamente debe pasar al
momento de simular los circuitos.
5. Las simulaciones del circuito en régimen permanente, configurado de igual
manera con los parámetros que tienen los diodos de potencia también
muestran un correcto funcionamiento en cuanto a voltaje y corriente con las
diferentes cargas que se conectan al circuito, las cargas son las mismas que se
emplearon en el análisis de régimen transitorio.
Con carga resistiva se observar que la gráfica del voltaje del diodo en el
semiciclo positivo deja pasar los 416V que son la caída de tensión debido a
las características propias de los diodos y en el semiciclo negativo se tiene un
PIV de 149584V debido a que se resta el voltaje de fuente menos la caída de
tensión, la corriente conducida por el diodo llega a los 15mA como esta en
polarización directa deja pasar el semiciclo positivo, en cuanto al voltaje en la
carga se observa 149584V en el semiciclo positivo es decir se da la
rectificación de media onda. Ver figura 1.31, Capítulo 1 sección 1.3.2.2
Con carga RL en el circuito, como se observa en la figura 1.32 del capítulo I
sección 1.3.2.2, el voltaje en la carga termina su semiciclo positivo cruzando
por cero, pero en ese momento la curva de corriente sigue conduciendo por lo
cual se forma una curva de tensión de la carga en el semiciclo negativo la
misma que va a durar un tiempo igual al tiempo que se tarde la curva de
corriente en llegar a cero, luego en la curva de la carga se forma una
oscilación debido al tiempo de recuperación del diodo para que vuelva a
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conducir y se repita la forma de onda, la gráfica de voltaje en el diodo deja
pasar en el semiciclo positivo la caída de tensión que son los 416V y cuando
se produce el tiempo de recuperación del diodo este deja pasar voltaje en el
semiciclo negativo.
Con carga RC podemos ver que el voltaje en el diodo va a tener un offset
debido a que en un primer instancia el condensador se cargó, por lo cual la
referencia ya no se encuentra en cero si no en los 5105.1 x V dejando pasar
los 150kV por encima y por debajo de este offset, la corriente en el diodo va a
producir un pico de 0,9mA cuando se cargue el capacitor, cuando este
empieza a descargarse la corriente del diodo se va a cero hasta que de nuevo
se cargue el capacitor y la corriente vuelve a formar un pico.
6. Los cálculos realizados en base al circuito planteado, que consiste en un
circuito RC paralelo en el cual se incorpora el diodo desarrollado; permitieron
establecer esencialmente dos ecuaciones por medio de las cuales se pueden
determinar los valores tanto de corriente como de voltaje presentes en el
Capacitor.
Al simular dichas ecuaciones usando el software matlab se obtienen curvas
características que representan el comportamiento del capacitor, que
inicialmente se encuentra descargado y alcanza una carga máxima que
corresponde al valor de la suma del voltaje de entrada y el voltaje del diodo,
permaneciendo en este valor sin importar la cantidad de corriente que circule
a través de él. La curva del valor de corriente inicia en un valor máximo para
luego decrecer hasta alcanzar valores cercanos a cero.
El comportamiento que se registra en dichas simulaciones, corresponde al
característico de un capacitor por cual circula una corriente continua, inicia
descargado y por lo tanto deja pasar toda la corriente pero a medida que
transcurre el tiempo se carga totalmente comportándose como un circuito
abierto.
82
7. Si bien los diodos son construidos con las mismas características, no tienen
exactamente los mismos valores químicos-eléctricos, los cual deriva en una
variación pequeña en la resistencia en polarización inversa, cuando se coloca
diodos en serie para aumentar la capacidad de bloqueo inverso es importante
que la corriente de fuga que circula por cada diodo sea la misma, ya que de
no ser así provocamos que se quemando los diodos uno por uno, para tener la
misma corriente de fuga en cada diodo colocamos resistencias en paralelo a
cada uno de ellos, siendo estas calculadas con la corriente de fuga que soporta
cada diodo cuya información está disponible en las características técnicas del
mismo y el voltaje que va a circular por cada uno de ellos, distribuyendo de
forma equitativa en cada uno de los diodos la misma tensión en bloqueo
inverso y la misma corriente.
8. La hoja de datos de los diodos HVCA 2CL2FP da como dato el pV en
polarización directa e inversas, esto ayuda a trabajar directamente con los pV
en la panel de control, si se trabaja con los RMSV se corre el riesgo de que la
pantalla de medición no marque el verdadero RMSV debido a la gran cantidad
de armónicos que tiene la red. Esta puedo ser una de las causas que provoco
que los diodos HVM12 se quemaran, ya que si bien la pantalla marcaba un
valor de RMSV existe la posibilidad de que el voltaje que en realidad salía del
secundario del transformador de pruebas fuese mayor a lo que marcaba la
pantalla.
9. Al elegir los diodos 2CL2FP se llega a proteger un 60% más del nivel de
tensión planteado, esto permite que pueda soportar un pico de tensión de
90kV sobre los 150kV, siendo esto un aspecto muy importante ya que por las
pruebas dadas se observó que cuando el ambiente esta ionizado y se hace un
movimiento brusco al subir la tensión se produce picos por lo general de
30kV sobre 150kV.
10. La capsulas que forman los diodos de potencia fueron llenados con aceite
dieléctrico por dos razones, la primera para que no se produzca disrupción
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interna entre los elementos y la segunda para tener un refrigerante para evitar
que los elementos y el propio material que forma la capsula se caliente y se
dañen o trabajen de forma errónea. Se dejó 1 cm sin llenar con aceite y se lo
lleno de nitrógeno seco por seguridad ya que si por alguna razón se quedó una
burbuja en el interior de los diodos de potencia el nitrógeno lo absorbe
eliminando la posibilidad de que se produzca una disrupción dentro del diodo,
además si llegará a trabajar a temperaturas muy altas este espacio permite que
el aceite se dilate y que no explote el diodo. Los enjuagues con nitrógeno se
hicieron para preservar un mayor período de tiempo el aceite.
11. Es importante tomar en cuenta el cambio de las condiciones atmosféricas en
las cuales se encuentran realizando las diferentes pruebas en el laboratorio,
ya que al trabajar con altas tensiones, estas provocan campos eléctricos
elevados, por lo cual la fuerza que se produce empujan los electrones de las
moléculas de aire dejándolas descompensadas y formando así un camino de
iones, esto se evidencia cuando se escucha el sonido que provoca el efecto
corona el mismo que se asemeja al sonido de fritura y este efecto se da en los
contactos del circuito, o por el olor a ozono que se da en el ambiente, además
se debe tener mucho cuidado con el calentamiento de los elementos que no
cuentan con aceite aislante, estos factores cambian las condiciones
atmosféricas en las que se está desarrollando la práctica, llegando a producir
descargas elevadas, y las mediciones pueden ser afectadas ya que se puede
fácilmente provocar una disrupción de elemento a elemento o al pasar de un
nivel cero a una tensión elevada podemos provocar picos de tensión muy
elevado, y esto pueden dañar a los diodos ya que el máximo valor que pueden
soportar los mismo tanto en polarización directa e inversa es de 240KV .
12. Es importante colocar dos capacitores 2C de 25 pF en el circuito doblador
porque como se observó en las prácticas para niveles superiores a los 150kV
producen descargas en el único capacitor 2C que está colocado, lo cual
impide realizar las pruebas del BIL ya que al ser una descarga directa a tierra
produce el efecto de un corto circuito y como no existe una resistencia que
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limite la corriente que circula por los diodos de potencia, estos pueden
quemarse.
13. La aplicación de diferentes normas durante el desarrollado del dispositivo
permiten que se pueda garantizar la calidad y el correcto funcionamiento del
equipo, cumple con estándares internacionales en lo que respecta a aspectos
esenciales como el manejo del aceite dieléctrico depositado en el interior de
los diodos de potencia, factores de corrección y diversos aspectos de calidad
del material aislante empleado en la construcción (grilon).
14. Los valores de rigidez dieléctrica tanto en el aceite como en el grilon, están
muy afectados por las condiciones de la prueba (p. ej., de espesor de la
muestra, las temperaturas, el tipo de voltaje, AC o DC, frecuencia, electrodos
y el medio de prueba). Por tanto, los valores varían de un método a otro
(normas ASTM D 149, VDE 0303, ISO 1325, IEC 60243, DIN.53481, en el
caso del grilon). Para ello se debe prestarse especial atención a las
condiciones en las que la aplicación debe funcionar.
4.2 Recomendaciones
Al realizar el presente trabajo de tesis se ha podido llegar a las siguientes
recomendaciones.
1. Se recomiendo trabajar en el laboratorio con todos los elementos de seguridad
como son casco, guantes y orejeras para evitar cualquier daño a las personas,
en el caso de trabajar dentro de la jaula se recomienda utilizar los guantes
pequeños para manipular los elementos, en el caso de estar trabajando con
aceites se recomienda utilizar los guantes negros.
2. Se recomienda estar mínimo dos personas cuando se están realizando las
prácticas, ya que si por alguna razón sucediera algún percance con una de
ellas la otra podría ayudarlo o pedir ayuda.
3. Se recomienda descargar todos los elementos del laboratorio que no estén
conectados al circuito, ya que estos pueden ser cargados estáticamente.
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4. Se recomienda manipular los diodos de potencia con cuidado y vigilar la
presencia de fugas.
5. Se recomienda tener bastante cuidado en no contaminar el aceite, es de
mucha importancia esto ya que se si se ensucia este pierde las características
eléctricas.
El aceite puede contaminarse simplemente al soplarlo o con la luz del día por
lo cual hay que transportarlo en envases color ambar y mantener en un lugar
oscuro donde se guarde de la luz, una vez sacado del tanque donde es
colocado de fábrica, se recomienda realizar las pruebas de rigidez dieléctrica
hasta 4 días después.
6. Se recomienda construir elementos como resistencias, capacitores y barras
aislantes para realizar los circuitos doblador y triplicador de tensión.
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5 ANEXOS
87
6 BIBLIOGRAFÍA
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1102a+manual&biw=1163&bih=613&bav=on.2,or.r_cp.r_qf.&um=1&ie=UT
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8&hl=es&tbm=isch&source=og&sa=N&tab=wi&ei=pOrJUYrzBITS9gS6q4
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[4]. Norma IEC 60071-2, Insulation co-ordination–Part 2: Application guide.
[5]. Rashid. M, 2004. Electrónico de Potencia: circuitos, dispositivos y
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resistor/dp/1545275
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11-39.
[9]. Manual Técnico 2010: Insulation Tester 1550C/1555: 5-24.
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http://www.nth.com.ar/panel/Web/Upload/ProductDocument/6a88a1f979414
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88
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lectricas/
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http://www.slideshare.net/GloriaCerna/3-normas-tecnicas-12004490
[16] Análisis técnico económico para la reparación o reemplazo de
transformadores de potencia, recuperado el 7 de Junio del 2013
http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/787/1/CD-1225.pdf
[17] Recuperado el 7 de Junio el 2013
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[18] Alcances normas ASTM D877, recuperado el 7 de Junio del 2013
http://www.slideshare.net/conimel1/a-l-c-a-n-c-e-s-n-o-r-m-a-a-s-t-m-d877
[19] Tests for thermoplastic materials used in the electrical and electronic
industries, recuperado el 7 de Junio del 2013
http://plastics.dupont.com/plastics/pdflit/europe/markets/TestTM_e.pdf
[20] Kind. D, 1999. High-Voltaje test Techniques: 146-147.
Anexo 1 (Diodos de potencia)
Anexo 2 (Cuerpo)
Anexo 3 (Tapa)
Anexo 4 (Punta)
Anexo 5 (Terminal hacia tapa)
Anexo 6 (Terminal de circuito)
Anexo 7 (Mecanizado de las tapas, utilizando un torno)
Anexo 8 (Mecanizado del cuerpo (grilon), utilizando un torno)
