Pruebas en Alta tensión.
Las
pruebas de alta tensión abarcan una
amplia gama de técnicas en función de la naturaleza del equipo, material,
elemento y tipo de prueba requerida. Las
pruebas de alta tensión se realizan generalmente para asegurar que el
dispositivo pueda operar con seguridad durante su funcionamiento nominal, como
una forma de comprobar la eficacia de su aislamiento. El objetivo perseguido
durante las pruebas de alta tensión determinará el tipo y cantidad de tensión
aplicada, así como la corriente aceptable.
En
el caso de los equipos y componentes es necesario conocer su comportamiento
ante determinadas sobretensiones, ya que en los sistemas eléctricos, además de
las sobretensiones por rayos se
presentan también las transitorias asociadas a las perturbaciones que se
producen en ellos, causando durante el tiempo que duren tensiones y corrientes
superiores a los del estado estacionario, es por ello que los mayores esfuerzos
a que ellos están sometidos se producen durante los transitorios.
Las
sobretensiones que se presentan en los sistemas eléctricos pueden ser de origen
interno o externo las causas que las provocan se muestran en la Fig.1
Fig.1-
Origen de Sobretensiones. [1]
Los
transitorios electromagnéticos de origen interno se deben fundamentalmente al
intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético del
sistema, estos en general son de breve duración y resultan importantes por las
sobretensiones que producen, cualquiera sea su origen, el valor máximo no es el
único parámetro que determina la severidad de una sobretensión, también es
importante su duración y forma de onda.
Debido
a la importancia de estos fenómenos es necesario investigar los efectos que
ellos producen sobre los elementos y componentes del sistema, así como
desarrollar técnicas para la detección y localización de los que puedan haber
sido dañados, de ahí la importancia de los laboratorios de alta tensión que son
los destinados para realizar estos trabajos.
Equipos de prueba.
Para
entender mejor la función de los equipos de prueba en alta tensión en el mundo,
se requiere analizar cuáles fueron las necesidades que originaron los primeros fenómenos
y efectos que se observaron sobre los elementos y componentes del sistema dando
inicio los estudios en los primeros laboratorios en el pasado.
Estos
fenómenos se dieron por la ampliación de los sistemas eléctricos, así como la
transmisión de grandes cantidades de energía eléctrica desde lugares remotos,
lo que creó la necesidad de incrementar continuamente las tensiones en los
sistemas eléctricos, convirtiéndose la confiabilidad y la operación segura de
éstos en un punto de vital importancia tanto técnico como económico.
Las
pruebas de alta tensión consisten básicamente en la aplicación deliberada, a un equipo o elemento de un sistema, de una
tensión superior a su tensión nominal de trabajo por un periodo de tiempo
específico para determinar si el aislamiento del mismo es capaz de soportar o
no dicha tensión.
Las
formas convencionales de los equipos de prueba que se usan en los laboratorios
de alta tensión para generar estas tensiones
se pueden dividir en tres grupos:
·
Equipos de prueba a corriente alterna.
·
Equipos de prueba a corriente continua.
·
Generadores de impulso.
Con
estos equipos de prueba se persigue el objetivo de disponer de tensiones y
corrientes de prueba, perfectamente controladas, que sean capaces de simular
tanto las condiciones normales de trabajo como las sobretensiones que pueden
llegar a aparecer en los sistemas eléctricos.
El
equipo fundamental para las pruebas son los transformadores de prueba que se
construyen generalmente en unidades monofásicas con uno de los terminales de
alta tensión y el núcleo permanentemente conectado a tierra ya que el objeto a
probar normalmente se conecta a tierra. Sin embargo, en numerosos circuitos
para la generación de altas tensiones de corriente directa y de impulso se
requieren transformadores completamente aislados, en cuyo caso es común
conectar a tierra el centro del enrollado de alta tensión, obteniéndose, por
tanto, una tensión simétrica respecto a tierra.
Desde
el punto de vista térmico, regulación y
los KVA de salida, el diseño de los transformadores de prueba de alta tensión
convencionales no difieren mucho de los transformadores de potencia. Sin
embargo, los transformadores de prueba están sometidos frecuentemente a
sobretensiones transitorias debido a las descargas disruptivas de los objetos bajo prueba y su aislamiento, por
tanto, deben ser diseñados para soportar dichas condiciones de trabajo.
Equipos
de prueba a corriente alterna.
a. Transformador
monofásico: Es el equipo fundamental empleado para realizar las pruebas a
corriente alterna; es un transformador con características especiales y
utilizado como la fuente para generar las tensiones y corrientes a frecuencia
de potencia necesarias para probar los equipos, componentes y aparatos que se
instalan en estos sistemas.
Para
la selección de sus características técnicas se debe tener en cuenta la tensión
y corriente necesarias para los equipos que se someterán a prueba y los ensayos
a realizar.
Los
modelos en el mercado son variados dependiendo del fabricante; se pueden encontrar
diversas marcas como HIPOTRONICS, HAEFELY TEST AG, HUBBEL High Voltage, ASEA,
MICAFIL, MESSWANDLERBAU, entre otras. El sistema de prueba está constituido
básicamente por un banco de control, transformador regulador de tensión
(autotransformador), transformador elevador, divisor capacitivo, esfera de
medición (espinterómetro vertical) y equipo bajo prueba. En la Fig. 3 se
muestra el esquema de un sistema de prueba típico.
BC- Banco de control y
pruebas; TR- Transformador regulador de tensión; TE- Transformador elevador;
DC- Divisor capacitivo; SP- Espíntometro Vertical; EV- Equipo de prueba; 1 -
Enchufe tipo VHF.
Fig. 3. Esquema del sistema de pruebas para corriente
alterna [3]
Equipos
de prueba a corriente continua.
El
uso de tensiones de corriente continua ha adquirido últimamente una mayor
importancia debido fundamentalmente a los logros que se han alcanzado en la
transmisión de esta, dado el desarrollo alcanzado por los sistemas
rectificadores y por los sistemas inversores. Esto ha planteado la necesidad de
someter a pruebas con tensiones de corriente continua a los equipos y
componentes de estos sistemas aunque siempre se han usado en pruebas a cables
aislados, capacitores, ya que ellos demandan altas corrientes cuando se prueban
con corriente alterna.
Las
altas tensiones de corriente continua se obtienen a partir de los generadores
electrostáticos y de la rectificación de la corriente alterna. Los sistemas a
partir de la rectificación de la corriente alterna más comúnmente usados son:
·
Rectificadores
de media onda.
·
Rectificadores
de onda completa.
·
Multiplicadores
de tensión.
Equipos
de prueba de tensiones de impulso.
El
esquema básico de los generadores de impulso fue originalmente propuesto por E.
Marx en 1924. Los generadores de Marx son probablemente la manera más común de
generar los impulsos de alto tensión (ver Fig. 4) para probar cuando el nivel
tensión requerido por un equipo es el
adecuado. [4]
Con
el generador de impulsos se generan sobretensiones transitorias que simulan las
producidas por los impactos directos o cercanos de las descargas
atmosféricas y las de las operaciones internas del sistema. Estas
sobretensiones se caracterizan por ondas viajeras de tensión con un frente de
onda de pendiente rápida que suben bruscamente a su valor pico o máximo para
luego descender a cero. La forma de onda normalizada desde hace mucho tiempo
por la IEC 60060-1 [5] es de 1,2 μs para alcanzar su valor pico y 50 μs para
descender al 50% de este valor, especificada como una onda típica de rayo de
1,2/50 μs. Para simular las sobretensiones externa se emplea una onda de
250/2500 μs, esta forma de onda se obtiene fundamentalmente, ajustando los
valores de R1 y R2 de la Fig.4.
Fig. 4.- Circuito generador de impulso de una etapa con
la resistencia de frente antes de la resistencia de cola [6]
Selección del nivel de tensión
para las pruebas.
Continuando con lo
anteriormente planteado lo primero a considerar para la selección del nivel de tensión
para las pruebas es saber cuáles son los componentes, equipos y/o elementos de protección individuales,
debido a que según estos se conocerá la el nivel y tipo de tensión requerida. Además
del espacio con que se cuenta para su instalación.
Para un
caso ejemplo de pruebas se puede considerar el planteado por Meléndez en su
propuesta para un laboratorio de pruebas con fines de investigación, académico y
de producción en el 2011 para pruebas en corriente alterna de hasta 50 KV y de
90 KV en corriente directa, tal como se muestra en la Tabla 1 y que la tensión
de prueba máxima requerida para las pértigas es de 100 KV [7] queda claro que
se requiere de una instalación por estos conceptos de hasta como mínimo de 100 KV,
así como también si se analiza la tensión necesaria para probar el nivel básico de aislamiento (BIL) de los sistemas de distribución el nivel de tensión a
impulso requerido para aislamiento pleno es de 120KV según la Tabla 2.
Tabla 1. Tensiones de prueba
a medios aislados de goma. Fuente [8] [9].
|
||||
CLASE
|
VOLTAJE DE ENSAYO A C.A. ( V
)
|
VOLTAJE
MÍNIMO DE RUPTURA A C.A.
( V )
|
VOLTAJE DE ENSAYO A C.D. (V)
|
VOLTAJE
MÍNIMO DE RUPTURA A C.D.
(V)
|
0
|
5.000
|
6.000
|
20000
|
35000
|
1
|
10.000
|
20.000
|
40000
|
60000
|
2
|
20.000
|
30.000
|
50000
|
70000
|
3
|
30.000
|
40.000
|
60000
|
80000
|
4
|
40.000
|
50.000
|
70000
|
90000
|
Tabla 2. Niveles básicos de aislamiento Fuente [10]
|
||
NIVEL DE TENSIÓN
(KV)
|
NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO
(KV)
|
|
AISLAMIENTO REDUCIDO
|
AISLAMIENTO PLENO
|
|
1.2
|
30
|
45
|
2.5
|
45
|
60
|
5
|
60
|
75
|
8.7
|
75
|
95
|
15
|
95
|
110
|
23
|
150
|
|
34.5
|
200
|
|
Se está
claro de que se requiere un sistema de prueba de tensión de impulso de hasta
200 KV para poder efectuar todos los tipos de prueba de impulso que requieren
los transformadores y los pararrayos de distribución. En las pruebas a
aisladores, en dependencia de la clase de aislamiento se requieren tensiones
superiores a los 100 KV.
Cabe
destacar que dependerá de las dimensiones del espacio con que se cuenta para la
instalación del mismo. Es por ello que para la selección de las dimensiones del
local donde se va a instalar el sistema de pruebas de alta tensión, lo más
importante es que se cumplan las medidas de seguridad y entre ellas las
distancias de seguridad mínimas requeridas.
Estas medidas
de seguridad dependen del diseño del laboratorio, pues si se instala en un área
abierta es necesario garantizar los límites de aproximación a las partes
energizadas mediante vallas o cercas perimetrales, mientras que si se trata de
un local cerrado enmallado sólo es
necesario garantizar una distancia ligeramente superior a la de la componente
eléctrica de seguridad planteada por el American Institute of Electrical
Engineers a fin de evitar el salto de una chispa eléctrica a la pared.
Debido a
esto se estudiaron diversas normas, entre ellas la NFPA 70E [11] norte
americana y la española señalada en la guía técnica alto voltaje del IFIC [12].
Para el
caso de un local abierto y delimitado por una cerca perimetral de poca altura
se trabajó con la norma NFPA 70E citada por el reglamento técnico de
instalaciones eléctricas de Colombia [13], que especifica los distanciamientos
a considerar entre el personal y las partes energizadas de equipos, con el fin
de poder trabajar en zonas sin riesgo de arco eléctrico. Las distancias de
seguridad para diferentes tensiones se
muestran en la Tabla 3.1.
Si el laboratorio se fuera a
instalar en un área abierta y el personal estuviera separado de los equipos de
prueba por una cerca perimetral de una altura menor de la de una persona sería
imprescindible cumplir estas especificaciones y el punto energizado más cercano a la cerca debía estar, para
tensiones de hasta 220 kV, como mínimo 145 o 160 cm. Estos serían los valores
mínimos permisibles para garantizar la seguridad de los operarios y en
este caso, también de los estudiantes
que realicen prácticas con dicho
equipamiento. Además, esto obliga a definir con exactitud la ubicación de los
equipos de prueba dentro del área de ensayo a fin de que se cumpla con esta
condición.
Para
finalizar se deben evaluar los equipos existentes en el mercado según las
pruebas a realizar y los esquemas de conexión de estos según para determinar
las la altura mínima del local así como el largo y ancho del mismo.
Tabla 3 - Límites de aproximación a partes energizadas de equipos [11].
|
||||
Tensión nominal
del sistema (fase-fase)
|
Límite de
aproximación seguro (m)
|
Límite de
aproximación restringida (m), incluye movimientos involuntarios
|
Límite de
aproximación técnica (m)
|
|
Parte móvil
expuesta
|
Parte fija
expuesta
|
|||
51V-300V
|
3,00
|
1.10
|
Evitar contactos
|
Evitar contactos
|
301V-750V
|
3,00
|
1.10
|
0,30
|
0,025
|
751V-15kV
|
3,00
|
1,50
|
0,66
|
0,18
|
15,1kV-36kV
|
3,00
|
1,80
|
0,78
|
0,25
|
36,1kV-46kV
|
3,00
|
2,44
|
0,84
|
0,43
|
46,1kV-72,5kV
|
3,00
|
2,44
|
0,96
|
0,63
|
72,6kV-121kV
|
3,25
|
2,44
|
1,00
|
0,81
|
138kV-145kV
|
3,35
|
3,00
|
1,09
|
0,94
|
161kV-169kV
|
3,56
|
3,56
|
1,22
|
1,07
|
230kV-242kV
|
3,96
|
3,96
|
1,60
|
1,45
|
345kV-362kV
|
4,70
|
4,70
|
2,60
|
2,44
|
500kV-550kV
|
5,80
|
5,80
|
3,43
|
3,28
|
Servicios que podrá brindar un sistema de pruebas hasta 125 KV
Los servicios que brindaría el laboratorio se
soportaran sobre ensayos que permitan:
a. Brindar servicios a la docencia.
b. Efectuar servicios a las empresas de producción.
Los servicios a la docencia que se desean
brindar son:
a. Realización de prácticas de laboratorio sobre
ruptura en sólidos, líquidos y gases.
b. Evaluación del comportamiento del aislamiento
exterior.
Los servicios a la producción que se desean
brindar son con:
a. Tensiones de corriente alterna que permitan pruebas
a pértigas aislantes, guantes y botas aislantes, pruebas de aislamiento a
equipos y componentes de sistemas eléctricos hasta 34,5 kV.
b. Tensiones de corriente directa que permitan
realizar pruebas de aislamiento a cables aislados, capacitores, etc. hasta 34,5
kV.
c. Tensiones de impulso que permitan realizar pruebas
a aisladores individuales a pararrayos
para líneas de hasta 13,8 kV
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[1].
Dr. Eduardo Omaña., “Sobretensiones en Sistemas de
Potencia”, Fundación Universidad Nacional de San Juan Instituto de Energía
Eléctrica, 2001.
[2].
El Impulso. “El Laboratorio de alta tensión aporta
innovaciones tecnológicas”. Vice rectorado UNEXPO Barquisimeto., Disponible en:
http://apunexpo.pm-sol.com/pdfdocs/unexpo-impulso/12-11-2010.pdf
[3].
Equiweld Andina c.a. Equipamientos electricos, “Laboratorio
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[4].
Laboratorio de ensayos eléctricos industriales.
Universidad Nacional de Colombia. Módulo de Impulso GIC. Disponible en: http://www.ing.unal.edu.co/labe/documentos/itension.html
[5].
IEC 60060-1. High-voltage test techniques. Part 1:
General definitions and test requirements. París. 1989. pp: 76.
[6].
Dr.C Juan L. Almirall. “Temas de ingeniería Eléctrica”;
Editorial Félix Varela, La Habana, 2004.
[7].
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técnico AEN/CTN 204 Seguridad Eléctrica. Noviembre de 1998.
[8].
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Revisión (vigente). CT6 Higiene, Seguridad y Protección. 1997.
[9].
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Guantes aislantes de la seguridad. ICONTEC. Bogotá, 2002
[10].
Ing. Juan
Almirall Mesa., “Técnica de alto voltaje”, Ministerio de educación superior, La
Habana-Cuba, 1984.
[11].
National Fire Protection Association, Inc. NFPA 70E,
Norma para los requisitos de Seguridad Eléctrica de los Empleados en los
Lugares de Trabajo. Quincy, Massachusetts 02169. Edición 2000, traducción a:
Alejandro M. Llaneza y a Gonzalo Delgadillo Lopez
[12].
J. Bernabeu.
Guía técnica de recomendaciones para el trabajo con alto voltaje en el IFIC –
Instituto de Física Corpuscular, Centro Mixto Universidad de Valencia y CSIC.
Unidad Técnica de Electrónica. Valencia, España 2010.]
[13]. Reglamento Técnico de instalaciones Eléctricas (RETIE)
Resolución no.18 -1294 de Agosto 06 de 2008,
Bogotá, Colombia.
