CAPITULO 9

INSTALACIONES DE PRUEBA PARA ALTA TENSIÓN

Introducción

Para entender mejor la función de los grandes laboratorios actuales en el mundo, se requiere analizar cuales fueron las necesidades que originaron los primeros laboratorios en el pasado.

El desarrollo de la industria electrotécnica en distintas regiones del mundo está ligada a la presencia próxima de las posibilidades de realización de investigaciones. En particular la alta disponibilidad de laboratorios de ensayo en ciertas regiones promueve el desarrollo, viceversa la no disponibilidad lo impide.

A modo de ejemplo puede analizarse el caso de la industria de Italia que después de una etapa de rígida autarquía, al final de la segunda guerra se orientó en un intento de lograr un sostenido desarrollo autónomo.

La revolución industrial y tecnológica que se presentaba (en Italia) terminada la segunda guerra en lo referente al desarrollo eléctrico y electromecánico, no solo debía ser ordenada, sino que para continuar mejor el proceso de expansión se debía comenzar a pensar también en nuevas necesidades que se presentaban como consecuencia del progreso técnico alcanzado en otros países más avanzados.

Superada la emergencia inmediata de la posguerra y retornada la casi normalidad, las empresas eléctricas habían recomenzado a producir describiendo con optimismo que la energía parecía no ser suficiente.

El problema de la unificación de las frecuencias y de la interconexión de las redes, para poder intercambiar energía, fue resuelto para permitir alcanzar la unidad de la Italia eléctrica a inicios de los 50.

Algunas grandes industrias electromecánicas desarrollaban entonces sus propios productos con investigación interna en sus propios laboratorios, alcanzando algunas de ellas niveles tecnológicos de vanguardia a nivel internacional.

Otras industrias trabajaban con licencia o participación accionaria extranjera. Estas sociedades madres tenían sus propios laboratorios y probaban todos sus aparatos y productos.

Recordemos el slogan de una empresa americana que decía a sus clientes: "Usted puede confiar en Westighouse", quedando sobreentendido, cómpralo sin probarlo.

Pero la industria italiana sentía no poder continuar con la dependencia que frenaba el avance, los constructores debían resolver por ejemplo la realización de pruebas de los interruptores... Aparato que se encuentra en tantas estaciones eléctricas, está cerrado e inerte semanas y semanas, pero si ocurre una falla debe ser capaz de intervenir.

Pero esto se debía verificar, y para comprobar que los interruptores podían efectivamente interrumpir corrientes de cortocircuito existía sólo la prueba.

En consecuencia se requería además de laboratorios para pruebas de alta tensión, de un laboratorio de gran potencia, inexistente en Italia antes de 1950, año en el cual la Magrini, había adquirido un alternador para poder realizar pruebas de cortocircuito.

Este alternador era de modesta potencia aplicable a pruebas de media tensión y no atraía muchos clientes: además difícilmente otros constructores aceptaban realizar pruebas de sus propios productos en el laboratorio del competidor, viéndose, entonces obligados a realizar las pruebas en laboratorios lejos de su país.

Esta situación condujo a algunos pioneros a impulsar la construcción de un laboratorio propio independiente que dio origen al núcleo del primer laboratorio (denominado "Laboratorio X") del futuro Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano (CESI).

Objetos de ensayo y procedimientos

Se indican a continuación algunos de los objetos que se ensayan en un laboratorio:

Los procedimientos más comunes de ensayos son:

Investigación

Definir que es la investigación resulta bastante difícil y frecuentemente muchas de las actividades denominadas de investigación no son tales, sino simplemente una colección de datos experimentales, o un trabajo distinto al normal.

Estas actividades se convierten en investigación cuando los datos son analizados, sistematizados y utilizados en un modelo de validez general.

La verdadera investigación consiste en encontrar respuesta a las preguntas "cómo" y "porqué" y hacer una razonable estimación de "cuánto cuesta".

Elección de los métodos de ensayo y recursos de investigación

Los métodos para obtener suficiente y precisa información de ensayos y para realizar investigación, dependen además de los recursos, del tipo de laboratorio.

Se pueden considerar básicamente tres tipos de laboratorios:

Al primer grupo pertenecen aquellos laboratorios que están equipados para poder realizar prácticamente todo tipo de ensayos requeridos por clientes tales como fabricantes, empresas suministradoras de energía, o usuarios de equipamiento electromecánico que desean realizar pruebas en un laboratorio independiente (no del fabricante del producto).

Se trata de laboratorios de prestigio internacional que tienen una amplia trayectoria en estas actividades, y que han ido progresivamente creciendo y adecuándose a las necesidades y requerimientos que el avance tecnológico imponen, desarrollando nuevos métodos de prueba y exigencias que años atrás eran impensables.

Los laboratorios industriales son aquellos que se encuentran instalados en las empresas y que tienen por finalidad permitir al fabricante resolver sus propias necesidades de pruebas (control de materiales, procesos de fabricación, probar y experimentar nuevos prototipos), y además realizar todos los ensayos de rutina (control de la fabricación) y también algunos de los ensayos de tipo (control del diseño).

Al último grupo pertenecen aquellos laboratorios construidos por una universidad para la realización de ensayos de alta tensión y/o potencia que están destinados a satisfacer requerimientos de empresas locales que no disponen de adecuados laboratorios y además el desarrollo de nuevas técnicas.

Es evidente que este tipo de laboratorio está en condiciones óptimas para poder realizar trabajos de investigación que aunque modestos permiten una mejor formación de los alumnos que tienen acceso al mismo para la realización de cursos de entrenamiento.

Se debe tener en cuenta que ciertos problemas de alta tensión pueden resolverse utilizando papel y lápiz, o con la ayuda de programas de computación.

Muchos ensayos de aceptación pueden realizarse con equipos modestos, pero es indispensable preparar el ensayo para que no presente ninguna dificultad que lo invalide, al momento de ejecutarlo.

Las particularidades de cada ensayo, condiciones del mismo, repetibilidad, dificultades de medición, obtención de información que posibilita confirmar que el ensayo es correcto, son muchas, y la experiencia es un componente importante para lograr éxito.

Finalidades

En los laboratorios de alta tensión se determinan las características y comportamiento de los distintos aislamientos de los equipamientos electromecánicos a través de los siguientes ensayos dieléctricos:

a. Ensayos de frecuencia industrial (onda senoidal)

b. Ensayos de impulsos atmosféricos (onda 1.2 ´ 50 m s)

c. Ensayos de impulso de maniobra (onda 250 ´ 2500 m s) para todos los equipamientos.

Ensayos de aislación de frecuencia industrial

Los ensayos de aislación a frecuencia industrial se realizan normalmente con transformadores especiales, alimentados desde la red eléctrica o alimentados con un generador dedicado.

El esquema de conexión generalmente utilizado se observa en la figura 9.1.

Las unidades de la cascada son exactamente iguales, la única diferencia es la aislación contra masa de cada unidad.

Cuando se utilizan varios transformadores en cascada las unidades se montan de manera de poder ser utilizadas cada una por separado o en serie o en paralelo.

El arrollamiento primario en las unidades generalmente está dimensionado para una tensión nominal no mayor de 1 kV.

La primera unidad y las unidades intermedias de la cascada tienen un arrollamiento terciario que sirve para alimentar el primario de las unidades sucesivas.

Sobre las superficies de las partes en tensión de los aparatos conectados al circuito de ensayo no deben presentarse efluvios y entonces estos aparatos tienen anillos y pantallas metálicas de forma conveniente.

La tensión de ensayo puede medirse directa o indirectamente.

En la figura 9.2 se observa la cascada de transformadores adoptada por el CESI en su laboratorio de alta tensión.

En particular la cascada de transformadores está constituida por dos unidades de 800 kV cada una, compuesta a su vez por dos semiestadios idénticos como se muestra en la figura 9.3. Cada semiestadio dispone de una toma capacitiva que es utilizada para la medida de la correspondiente tensión.

Cada una de las cuatro señales de tensión se transmite a tierra mediante una cadena electro óptica cuyas características se indican en la tabla 1.

Tabla 1 Principales características de la cadena electro óptica

Banda pasante

10 kHz

Linealidad

± 2%

Relación señal / ruido

70 dB

Tipo de fibra óptica

monofibra

Alimentación del transmisor

6 Vcc

Consumo del transmisor

0.25 W

Tensión de ingreso al transmisor

± 1 ± 2 ± 4 seccionables por el receptor mediante telecomando

Tensión de salida del receptor

± 10 V

Encendido del transmisor

Mediante telecomando

En la figura 9.3 se muestra el esquema de medición. Las señales de salida de los cuatro receptores se envían a un sistema electrónico que permite efectuar la suma (parcial o total) de cada tensión, indicar su correspondiente valor en kV eficaces y visualizar la forma de onda con un osciloscopio normal.

Ensayos de aislación a impulso

Los ensayos de aislación a impulso normalizado que simulan las solicitaciones con frente brusco de origen atmosférico o de maniobra, se realizan con generadores de impulso.

El esquema básico de los generadores de impulso es generalmente el de Marx que muestra la figura 9.4, consiste en grupos de capacitores que se cargan en paralelo por medio de rectificadores de alta tensión, a través de resistencias de carga. La descarga de los capacitores se realiza a través de espinterómetros a esferas de un circuito serie que incluye resistencias amortiguadoras de las oscilaciones.

La carga de los capacitores y en consecuencia la tensión total del generador puede variarse regulando la tensión del rectificador. La polaridad de la tensión se cambia invirtiendo las conexiones de los capacitores al rectificador.

El método más utilizado para originar la descarga del generador consiste en aplicar un impulso de tensión al electrodo central de un espinterómetro con tres esferas, que está colocado entre el primer y segundo grupo, por medio de una fuente auxiliar.

Iniciada la descarga, ésta se propaga a todos los espinterómetros de la cadena.

Hay ensayos en los que se requiere la aplicación de tensión alterna al aparato y simultáneamente aplicar la onda de impulso, esto exige que el dispositivo de disparo actúe en modo sincronizado.

Además se debe registrar automáticamente el fenómeno.

Para relevar la tensión de descarga se utiliza normalmente un divisor de tensión de tipo resistivo o un divisor de tensión de tipo capacitivo.

La figura 9.5 muestra un generador de impulso de 2400 kV, 240 kJ con pupitre de comando.

Circuito de prueba

Los elementos conectados juntos para la prueba a impulso se pueden subdividir físicamente en tres circuitos como se indica en la figura 9.6:

· circuito principal que comprende el generador a impulso y el objeto en prueba (transformador, reactor etc.)

· circuito para la medida de las tensiones

· circuito de truncamiento (si son previstas pruebas de onda truncada)

Los símbolos utilizados tienen el siguiente significado:

GI

generador de impulsos

CG

capacidad del generador

CL

capacidad de carga

CT

capacidad equivalente del objeto en prueba

LT

inductancia equivalente del objeto en prueba

Rsi

resistencia serie interna

Rse

resistencia serie externa

Rp

resistencia en paralelo

SC

shunt para la medida de la corriente

ST

espinterómetro de corte

OP

objeto en prueba

Z1, Z2

divisores de tensión

Zc

impedancia adicional del circuito de corte

La forma del impulso depende de los parámetros del circuito y del objeto en prueba. En particular el tiempo de frente T1 depende substancialmente de la capacidad del objeto en prueba y de la resistencia en serie.

El tiempo para el hemivalor T2 está determinado por la capacidad del generador y de la resistencia en paralelo.

En la Publicación IEC 722 "Guide to the lightning impulse and switching impulse testing of power transformers and reactors" se pueden obtener indicaciones más detalladas acerca de la elección de los parámetros del circuito de prueba y de las dificultades para obtener la forma de onda requerida para la prueba de impulso.

Siendo la velocidad de variación de las tensiones y de las corrientes impulsivas muy elevada y teniendo en cuenta y dado el valor finito de las impedancias en juego, no se puede suponer que durante las pruebas de impulso todo el sistema de tierra está a potencial cero.

Por esto es importante elegir una apropiada "tierra de referencia", adoptándose normalmente un punto cercano al objeto en prueba que se conecta con el sistema de tierra de la sala de pruebas.

Las conexiones de retorno del objeto en prueba y del generador de impulsos con el punto de referencia deben ser de baja impedancia.

También el circuito de medida de tensiones debe estar conectado al mismo punto de referencia.

Transductores

Se entiende por transductor un dispositivo que transforma la magnitud física a medir en una señal de tensión compatible con las características de ingreso del instrumento registrador.

Por otras exigencias los transductores de tipo tradicional no resultan suficientes y por lo tanto ha sido necesario desarrollar soluciones particulares.

A continuación se considera, como ejemplo, una de estas exigencias. En particular se trata de un transductor que adopta particulares recursos para obtener una amplia banda pasante y para minimizar las influencia de las conexiones de alta tensión.

Como es conocido durante el seccionamiento de cargas capacitivas por parte de seccionadores blindados en SF6 (hexafluoruro de azufre) se generan sobretensiones de valor bastante elevado (hasta 2 a 3 p.u.) y con frecuencias muy altas (decenas de MHz).

La determinación de tales sobretensiones es de fundamental importancia para el dimensionamiento del aislamiento, en cuanto a su amplitud es comparable (sino más alta) a aquellas de origen atmosférica y además su frecuencia de aparición e muy elevada.

Con el objeto de efectuar correctamente la medida de tales sobretensiones con la necesaria precisión se ha realizado un divisor con una amplia banda pasante (> 50 MHz) y fácilmente insertable en el interior de los blindados industriales.

El divisor consiste en una unidad particular de baja tensión (sonda de campo) sensible a la variación de campo eléctrico del electrodo de alta tensión.

La figura 9.7 muestra el esquema de principio del divisor utilizado en una típica aplicación con un equipamiento blindado. El conjunto puede considerarse como un divisor capacitivo cuya capacidad de alta tensión, C1, está constituida por la capacidad parásita entre el conductor y la sonda de campo y la capacidad de baja tensión, C2, por la propia sonda.

Transmisión de las señales

La transmisión de las señales de bajo nivel tanto de comando como de medición en un laboratorio de alta tensión es muy crítica a causa de las fuertes perturbaciones existentes.

Las soluciones adoptadas para reducir tales disturbios pueden variar de caso en caso y además pueden clasificarse en:

La tabla 2 muestra, en forma sintética, las mayores ventajas e inconvenientes de cada solución.

Tabla 2 Características de los sistemas de transmisión

Sistema

Ventajas

Desventajas

 

cables coaxiales

  • simplicidad
  • gran confiabilidad
  • gran movilidad
  • sensibilidad de los disturbios inducidos
  • imposibilidad de transmisión de señales entre puntos no equipotenciales
  •  

    cadenas electro ópticas

    • posibilidad de transmisión de señales entre puntos con potencial diverso
    • escasa sensibilidad a los disturbios inducidos
  • movilidad limitada
  • mayor complejidad
  • Para este último sistema de transmisión se tienen además de las características correspondientes a la cadena electro óptica ya vistas en la tabla 1, las siguientes:

    Registro de las señales

    Las características en base a las cuales se elige el instrumento de medición dependen del tipo de señal que se debe medir y en particular de la gama de frecuencia contenida en la señal.

    En el ámbito de las medidas que se efectúan en un laboratorio de AT se pueden, desde este punto de vista, individualizar cuatro grupos:

    Conclusiones

    Las exigencias de pruebas y de investigación han obligado a adecuar los sistemas de medición de los laboratorios de alta tensión.

    La necesidad de obtener informaciones de fenómenos de alta frecuencia ha impuesto por un lado el mejoramiento de la precisión de los transductores existentes y por otro el desarrollo de nuevos tipos de transductores.

    Los principales problemas relativos a la transmisión de señales en un laboratorio de alta tensión son:

    El primer punto puede ser resuelto adoptando un adecuado apantallamiento de la sala de prueba, el segundo utilizando sistemas de fibra óptica.

    Es también necesario la optimización de los sistemas digitales de medición para adecuarlos a las reales necesidades de prueba.