Practica de Soportabilidad Dielectrica Del Aire

1

Alexis Leandro Zapata Zapata, José Martínez Cañas, Sebastián Orozco Viana

Medidas de Soportabilidad Dieléctrica del Aire Bajo Diferentes Configuraciones de AC y DC (Marzo 2017) 

II. OBJETIVOS Resumen—El aire es uno de los principales materiales usados como aislante en las instalaciones de media y alta tensión, debido a sus propiedades dieléctricas y principalmente a que es gratis y regenerativo. La correcta caracterización de la rigidez dieléctrica del aire, es de vital importancia a la hora de diseñar cualquier tipo de instalación de media y alta tensión, en la cual se use como parte del aislamiento, además de ayudar a definir las distancias de seguridad para operarios y maquinaria. Palabras claves—aislamiento, electrodo, factor de corrección, gap, rigidez dieléctrica, ruptura dieléctrica.

1)

A. Objetivo General Hacer pruebas de soportabilidad dieléctrica del aire bajo diferentes configuraciones de AC y DC.

B. Objetivos Específicos 1) Obtener curvas de soportabilidad dieléctrica del aire, usando alta tensión alterna y directa para diferentes configuraciones de electrodos. 2) Aplicar la norma IEEE-95, relacionada con los factores de corrección por condiciones ambientales. III.

E

I.

INTRODUCCIÓN

N la actualidad, la necesidad de transportar grandes cantidades de potencia, desde las centrales de generación a los centros de carga con pocas pérdidas, hace que se tenga que recurrir a niveles altos de tensión. Estos, requieren de un aislamiento robusto que, en muchas ocasiones, se elige el aire. Este, tiene buenas propiedades dieléctricas, sin mencionar que es regenerativo y que, en caso de despeje de falla, se tendrá de nuevo las propiedades dieléctricas del mismo. Adicionalmente, es gratis, a diferencia de los demás aislamientos, como gases, sólidos y aceites. La rigidez dieléctrica del aire varía según las condiciones climatológicas y ambientales, tales como son: la temperatura, la humedad, la presión entre otros. Por lo tanto, es muy importante conocer la rigidez dieléctrica del aire bajo unas condiciones dadas a la hora de elegirlo como dieléctrico, para una instalación de alta o extra alta tensión y esto, es de gran importancia en líneas de transmisión y subestaciones, donde este es principalmente el aislamiento de sus equipos. .

Fecha de entrega 27 de marzo de 2017. Integrantes: José Martínez Cañas, estudiante de ingeniería eléctrica de la Universidad de Antioquia, e-mail [email protected]. Alexis Leandro Zapata Zapata, estudiante de ingeniería eléctrica de la Universidad de Antioquia, e-mail [email protected]. Sebastián Orozco Viana, estudiante de ingeniería eléctrica de la Universidad de Antioquia, e-mail [email protected].

MARCO TEÓRICO

A. Rigidez dieléctrica del aire Es el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aislante y pasa a ser conductor. Se mide en voltios por metro V/m (en el SI). La rigidez dieléctrica del aire se encuentra entre 0.4 - 3.0 kV/mm dependiendo de la presión atmosférica y la temperatura del aire. B. Arreglos homogéneos e inhomogéneos del campo eléctrico en el aire Para el arreglo del campo eléctrico homogéneo, se debe colocar una placa conductora al frente de otra placa conductora y entre estas, aplicar la diferencia de tensión. Este no será un campo idealmente homogéneo debido al efecto borde, pero es lo que más se le aproxima, como lo muestra la Fig. 1.

Fig. 1. Arreglo de campo eléctrico homogéneo en el aire.

Para los arreglos de campo inhomogéneos se pueden tener los arreglos de esfera-esfera, esfera-punta, punta-punta, esferaplano, plano-punta entre otros.

2 C. Factores de corrección La ruptura del aislamiento del aire depende de las condiciones atmosféricas, en particular depende de la presión y de la humedad del aire. La tensión de descarga medida en una condición determinada, se refiere al valor que se hubiera logrado en condiciones atmosféricas definidas normales. Se pretende que el equipo en prueba soporte a una cierta altura sobre el nivel del mar un ensayo con cierto valor de tensión, en esas condiciones de presión y temperatura se aplica efectivamente la tensión de ensayo. Si ese ensayo se refiere al nivel del mar, se determina el factor de corrección Kt. Condiciones atmosféricas normales: humedad absoluta h0=11g/m3, temperatura t0=20°C y presión p0=101.3 kPa (1013 mbar). Aplicando factores de corrección, la tensión de ensayo medida en ciertas condiciones de temperatura, presión y humedad, se deben referir al valor de tensión que se debe utilizar en condiciones normales, como se muestra en (1) y (2).

U=U 0 ∙ K t (1)

K t =k 1 ∙ k 2

(2) Donde k1 es el factor de corrección de densidad del aire (altura sobre el nivel del mar) y k2 el factor de corrección de humedad y estas se definen como se muestra en (3) y (5). El factor de corrección de la densidad del aire k1 depende de la densidad relativa del aire  y se puede expresar por:

k 1=δ

h −11 ) δ k =1+ 0.010 ¿ h −11 ) δ k =1+ 0.012¿ h −11 ) δ k =1+ 0.014 ¿

Donde UB es la tensión de descarga 50% (medida o estimada) para las condiciones atmosféricas reales, en kV, L la distancia mínima de descarga en metros, con los valores reales de densidad del aire δ y de k. En el caso en que no se disponga de la tensión estimada de 50%, se puede suponer que es UB igual a 1,1 veces la tensión de ensayo. Por otra parte, según la recomendación de la IEEE 43, la corrección por temperatura de la medida de resistencia de aislamiento, como se muestra en (10):

Rc =k T . R T (10)

RT

(

)

(4) Donde t y t0 están dadas en grados centígrados y la presión atmosférica b y b0 en kilopascal o milibar. El factor de corrección por humedad k2 se puede expresar como se muestra en (5).

k 2=k

Donde k es un parámetro que depende del tipo de tensión aplicada y se obtiene en función de la relación entre la humedad absoluta h y la densidad relativa δ . Como se muestra en (6) para tensión tipo impulso, en (7) para tensión alterna y en (8) para tensión directa.

kT

Rc

es la resistencia de aislamiento corregida a

es el factor de corrección a la temperatura T°C y

es la resistencia de aislamiento medida a la

temperatura T°C. El factor k T tendrá un valor según el material. Este valor para aisladores termoplásticos se muestra en (11) y para aislamientos termoestables, como son los epóxidos o de poliéster, los cuales se muestran en (12). En ambas ecuaciones T es la temperatura de medición.

k T =0.5

(40−T) 10

(11)

n

(5)

UB 500 ∙ L ∙ δ ∙ k

(9)

40°C,

b 273+t 0 δ= ∙ b0 273+t

(8)

g=

Donde

La densidad relativa del aire se obtiene por (4).

(7)

Los factores de corrección dependen del tipo de descarga y para ello se considera el parámetro mostrado en (9).

m

(3)

(6)

−4230

k T =e

1 1 − ( T +273 313 )

(12) D. Ley de Paschen para condiciones de campo eléctrico homogéneo en el aire La ley de Paschen, llamada así en honor del físico alemán Friedrich Paschen (1865-1947) que fue el primero en establecerla en 1889. Estudia la tensión disruptiva de láminas paralelas envueltas de gas como función de la presión y la distancia entre ellas. La tensión necesaria para crear un arco

3 eléctrico a través del espacio entre láminas disminuyó a un punto a medida que la presión fue reducida. Luego, comenzó a aumentar, gradualmente excediendo su valor original. También encontró que, disminuyendo el espacio entre láminas a presión normal, causaba el mismo comportamiento en la tensión de ruptura. Paschen encontró que la tensión disruptiva puede ser descrita mediante (13).

U=

a∙ p ∙ d ln ( p ∙ d )+ b

(13) Donde U, la tensión disruptiva en voltios; p la presión en atmosferas; d la distancia entre las láminas en metros; a y b constantes que dependen de la composición del gas. Para el aire a presión atmosférica de 1 atm, a=43.6x106 y b=12.8. El gráfico de esta ecuación es la curva de Paschen. Ésta predice la existencia de una tensión disruptiva mínima para un determinado producto de la presión y la separación. El mínimo citado para presión atmosférica y una separación de 7.5 micrómetros es de 327 Voltios. En este punto, la intensidad del campo eléctrico en Voltios/metros es alrededor de unas 13 veces mayor que la necesaria para superar una brecha de un metro. El fenómeno está bien verificado experimentalmente y es conocido como el mínimo de Paschen. La ecuación falla para distancias menores de pocos micrómetros a una Atmósfera de presión y predice incorrectamente un arco infinito de voltaje en la distancia de 2.7 micrómetros. IV. MONTAJE A. Medida de soportabilidad dieléctrica del aire Se usará el porta-electrodos con su equipo de control para variación y medida del “Gap”. Se realizarán los montajes para HVAC y HVDC aplicados a las diferentes configuraciones esfera-esfera, punta-placa y punta-punta. V. PROCEDIMIENTO Utilizando primero el montaje de HVAC, se procederá a colocar como objeto de prueba el arreglo esfera-esfera y para diferentes valores del Gap, se medirá de manera precisa la tensión disruptiva del arreglo. Se procederá de manera similar con los arreglos punta-placa y punta-punta. Para los montajes de HVDC, para realizaran los siguientes tipos de arreglos: esfera-esfera, punta positiva-placa, punta negativa-placa y punta-punta.

4 TABLA III PRUEBA PUNTA-PUNTA CON AC

VI. RESULTADOS Las pruebas que se realizaron en el laboratorio, fueron las pruebas de: esfera-esfera, punta-plano y punta-punta para el caso de tensión AC y punta-plano para el caso de tensión DC, tanto para la positiva como para la negativa. En las siguientes tablas, se muestran los resultados de las pruebas junto con la corrección por condiciones ambientales. Para lo cual fue necesario hallar la humedad total y usar el procedimiento anteriormente mencionado en el apartado relativo a los factores de corrección. Para la corrección de los datos se tomó la presión de Medellín como 85,11Kpa. TABLA I PRUEBA ESFERA-ESFERA CON AC HUMEDAD DISTANCIA [CM]

ABSOLUTA [G/M3]

0,5

16,44

TEMPERATURA [°C]

TENSION DISRUPTIVA [KV]

24,1

11,4

TENSION DISRUPTIVA

17,07

26

6,7

6,2

1

17,07

26

9,5

8,7

3

16,98

25,9

13,7

12,6

5

17,07

26

28,7

26,4

9

17,07

26

35,3

32,5

12

17,03

26

44,3

40,7

24,8

18,2

16,5

3

15,83

25,7

48,5

43,9

5

14,17

25,5

63,9

56,6

9

16,1

26

90,3

82,0

TABLA II PRUEBA PUNTA-PLANO CON AC TENSIÓN DISRUPTIVA

DISTANCIA [CM]

HUMEDAD ABSOLUTA [G/M3]

TEMPERATURA

0,5

16,28

26,2

4,9

4,5

1

16,59

26

6,9

6,3

3

16,68

26,1

23,9

21,9

5

16,59

26

27,9

25,5

9

16,34

26

43,6

39,7

12

17,07

26

49,5

45,5

CORREGIDA [KV]

[°C]

CORREGIDA [KV]

Adicionalmente, en la Fig. 1 y en la Fig. 2, se puede observar el comportamiento de la soportabilidad dieléctrica del aire, a medida que se cambian tanto las geometrías de la prueba, como la separación entre los electrodos. La Fig. 1, solo muestra las pruebas en AC, mientras que la Fig. 2, muestra tanto las pruebas DC, como la AC correspondiente a la geometría Punta-Plano, para poder hacer las respectivas comparaciones. Es de aclarar que los datos graficados corresponden a los datos corregidos por condiciones ambientales, es decir es el valor de la tensión disruptiva en condiciones estándar. TABLA IV PRUEBA PUNTA-PLANO CON DC POSITIVO DISTANCIA [CM]

0,5

15,89

25,5

8,3

7,6

1

15,68

25,8

11,2

10,3

3

15,44

26,3

34,9

31,8

5

16,07

26,8

44,9

41,3

9

15,47

27

71

64,7

TEMPERATURA

[°C]

TENSIÓN DISRUPTIVA [KV]

TENSIÓN DISRUPTIVA

HUMEDAD ABSOLUTA [G/M3]

CORREGIDA [KV]

TABLA V PRUEBA PUNTA-PLANO CON DC NEGATIVO

10,4

15,96

[°C]

0,5

CORREGUIDA [KV]

1

TENSIÓN DISRUPTIVA [KV]

DISTANCIA [CM]

TEMPERATURA

TENSIÓN DISRUPTIVA [KV]

TENSIÓN DISRUPTIVA

HUMEDAD ABSOLUTA [G/M3]

DISTANCIA [CM]

0,5

16,26

27,6

9,9

9,1

1

16,26

27,6

16,3

15,0

3

15,73

27,6

48,3

44,1

5

15,73

27,6

73

66,7

9

15,64

27,5

112

102,1

TEMPERATURA

[°C]

TENSIÓN DISRUPTIVA [KV]

TENSIÓN DISRUPTIVA

HUMEDAD ABSOLUTA [G/M3]

CORREGIDA [KV]

5 ruptura del aire, es en las geometrías que tienen puntas, ya sea punta-plano o punta-punta, siendo la más crítica esta última. En el caso de las pruebas DC, el escenario más crítico, es para la prueba positiva. En la prueba negativa, como hay que mover los iones positivos, que son más lentos y más difíciles de mover que los electrones, hay que aplicarles más tensión para que suceda la descarga. Y también se aprecia que es mucho más crítica la prueba de AC, comparada con las dos pruebas DC y esto debido al vaivén de los electrones. VIII. CONCLUSIONES

Fig. 2. Gráfica de resultados de medida de soportabilidad dieléctrica del aire, en AC, a medida que se varía la distancia entre electrodos para 3 geometrías diferentes.

Fig. 3. Gráfica de resultados de medida de soportabilidad dieléctrica del aire, en AC y DC, a medida que se varía la distancia entre electrodos para la geometría Punta-Plano.

VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS En los resultados de la pruebas se puede apreciar que, los escenarios más críticos, es decir donde se da más fácil la

Las geometrías que tienen implicadas puntas, son mucho más críticas que las que no, debido a que la distribución de carga, hace que se den descargas a tensiones más bajas que en otras geometrías donde la distribución de carga es más uniforme. La prueba en AC punta-plano, se realiza con el electrodo plano conectado a tierra, ya que es la condición más crítica. En la prueba DC, punta-plano, es mucho más crítico el escenario de la prueba a tensión positiva, debido a que los electrones son muy fáciles de mover y por lo tanto la descarga se da con menos tensión que en el caso de la prueba con tensión negativa. Las condiciones ambientales modifican notablemente los valores de tensión de ruptura, debido a que la humedad y la temperatura pueden provocar la fácil ionización del aire y así su ruptura. Para las condiciones del laboratorio se puede apreciar que, al tener una alta humedad y una temperatura por encima de la temperatura de referencia, las tensiones de ruptura disminuyen al ser corregidas, lo cual indica que es más fácil que se dé la descarga. REFERENCIAS [1] [2]

IEEE Recommended Practice fot Testing Insulation Resistance of Electric Machinery, IEEE Std 43, 2013. IEEE Recommended Practice fot Testing Insulation Testing of AC Electric Machinery (2300 V and Above) With High Direct Voltage, IEEE Std 95, 2002.