Generación de Impulsos de alta tensión

Reseña histórica y datos sobre el rayo

Ya en los albores de éste siglo 1920), existía conciencia de la necesidad de que la aislación de los arrollamientos de AT de los transformadores fuera capaz de resistir las sobretensiones de corta duración originadas por las descargas atmosféricas y aunque se care­cía de bases experimentales y teóricas suficientes, se ensaya la misma - especialmente en Alemania y Suiza - con ondas de frente escarpado que alcanzaban un valor máximo de 1,1 veces la tensi6n de línea. El estudio del problema fue atacado vigorosamente en la década del 30, sobre todo en los EE.UU., mediante la investigación directa de los fenómenos producidos por el rayo en las redes de AT. Las innumerables mediciones y registros gráficos efectuados, así como la interpretación estadística de los resultados obtenidos, echo luz sobre la evolución, duración y valor máximo de esas sobretensiones; permitió reproducirlas artificialmente en costosas instalaciones destinadas a la realización de ensayos y condujo a modificaciones del diseño del transformador que derivaron en el transformador “a prueba de rayos" llamado también "antirresonante".

A comienzos de la década del 40, los ensayos con los nuevos impulsos de tensión ya eran parte de los que realizaban las grandes fábricas de transformadores norteamericanas.

En la fig.12 se ha pretendido resumir parcialmente los resultados de aquellas investigaciones, en cuanto a las corrientes desarrolladas por el rayo. Se observa que se trata de una onda que crece rápidamente hasta el máximo ­1 a 10 μseg y decrece mucho más lentamente 10 a 100 μseg. para reducirse a la mitad del valor máximo, y 100 μseg a 1,5seg para extinguirse - alcanzando grandes valores de cresta.

Los impulsos de tensión registrados en redes de AT durante la descarga directa del rayo sobre ellas o en las inmediaciones (descarga indirecta) asumieron características similares, con crestas entre 5000 V Y 50 kV.

La polaridad de las descargas respecto a la de la tierra, puede ser positiva o negativa, pero se hallo que el 90 % de los rayos; son negativos.

Ondas para ensayos

Los impulsos de tensiones positivos y negativos destinados a la comprobación de la calidad del aislamiento y del diseño de los aparatos de AT que se emplean actualmente son los siguientes:

Una onda completa de evolución y duración similar a la del rayo estadístico, la cual debido a su, larga duración, penetra a través de todo el arrollamiento y permite verificar la totalidad de la aislación entre espiras y entre bobinas parciales.

Estas onda se define, convencionalmente por el valor de cresta o amplitud Vm, expresado en kV y por las duraciones del frente o parte ascendente de la curva (T1) y de la cola o parte descendente de la curva hasta la mitad del valor de cresta (T2), expresadas en μseg y medidas a partir del origen convencional que determina la intersección de la recta que pasa por los valores 0,1 Vm y 0,9 Vm con el eje de los tiempos.

Habitualmente dichas duraciones se escriben separadas por una barra; es decir en la forma T1/T2.

La onda completa más utilizada tiene T1 =1 μseg. y T2 = 50 μseg, y se indica, por tanto con la abreviatura "onda 1/50"­.

En cuanto a la velocidad de crecimiento de la tensión, se expresa por la pen­diente de la recta mencionada, 0,8 Vom/t 0,9 – t 0,1, en kV/μseg.

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Por lo general los aparatos que producen estas ondas, llamados "generadores de impulsos de tensión", les imprimen cierta ondulación, especialmente durante los primeros μseg, a causa del principio en que se fundan. De allí que las normas la admitan, pero sin consentir que adquieran más de un 5% del valor de cresta, y que el examen de una onda deba realizarse excluyendo la componente oscilatoria, como indica la fig.14.

Hay también tolerancias para TI y T2, menores para TI­

Matemáticamente la onda completa se expresa bien por la ecuación

u = U(e^-α.t – e^-βt) (1) con U = cte. y α < β (1)

como lo demuestra la fig. 15.

Se observa que, prácticamente, la primera exponencial gobierna la evolución de la cola, y la segunda la del frente. De allí que las inversas de α y β, coeficientes cuyas dimensiones son seg ^-1 se denominen "constantes de tiempo de cola, τ₂ y de frente τ₁ respectivamente. Cuando α « β, o sea τ₂ » τ₁ como en la onda 1/50, u alcanza un valor máximo Um Prácticamente igual a U y en el instante T1 que lo adquie­re, la primera exponencial todavía conserva aproximadamente el valor U; es decir que

u = Um y U. e^-α.t = U. e^-t/τ2 = Um

En consecuencia según se deduce de (1), en este caso puede admitirse que el frente se rige por la ecuación

u = Um (1 - e^-t/τ1) (2)

Característica de la evoluci6n de la tensión en un capacitor que se carga a través de un resistor con tensión constante.

Según esta ecuación, u = Um para t = ¥; pero, suponiendo que es máxima cuando u = 0,936.Um (diferencia 6,4 %), la cresta se alcanza en el tiempo T1 que satisface la igualdad

0,936.Um = Um (1 - e^-T1/τ1)

es decir, para:

T1 = τ₁ . ln 1/ 0,064 = 2,75 . τ₁ (3)

Este tiempo puede calcularse también, según aconsejan las normas como alterna­tiva del método antes indicado, a partir de los tiempos que emplea u para adquirir los valores 0,1.Um y 0,9.Um,

t 0,l = τ₁ . ln 1/0,9 = 0,105 . τ₁

t 0,9 = τ₁ . ln 1/0,1 = 2,302 . τ₁

como sigue

t 0,9 - t 0,1 = 2,197 . τ₁.ln 1/0,9 = 0,105 . τ₁

TI = 2,75 / 2,197 = 1,25
T 0,9 – t 0,1

T1 = 1,25. (t 0,9 – t 0,1) (3‘)

Por otra parte, como en el caso indicado τ₂ » τ₁, la exponencial U. e^-βt = U. e^-t/τ1 poco después de T1, cabe admitir que durante la cola:

u = Um. e^-t/τ2 (4)

ecuación característica de la evolución de la tensión en un capacitor que se descarga sobre un resistor, según la cual la cola llega al valor u = Um/2 en el tiempo:

T2 = τ₂ . ln 2 = 0,7 τ₂ (5)

II) Una onda truncada o cortada antes de la cresta, que intenta reproducir las solicitaciones que originan en los aislantes las sobretensiones que, al alcanzar cierto valor, se descargan a tierra por contorneo perforación da un aislador, o por actuación de un pararrayos. Ver fig. 16.

Esta onda, de menor duración, no penetra tan profundamente en los arrollamientos ; pero a causa de su rápido ascenso y brusco descenso, exige la aislación de las primeras espiras y bobinas parciales del arrollamiento más duramente que la onda completa.

Prácticamente se la genera interrumpiendo la evolución de una onda completa con un descargador de puntas dispuesto en paralelo con el aparato que se ensaya y calibrado a la tensión de corte Uc.

La iniciación convencional de la onda se considera en la intersección de la recta que pasa por 0,1Uc y 0,9Uc con el eje de tiempos; la duración T, igual al lapso transcurrido entre ese instante y el del corte; la rapidez de crecimiento, igual a la pendiente de la recta citada y la de extinción igual a la pendiente de la recta que pasa por 0,9 Uc y 0,3 Uc.

Al comienzo de las investigaciones con impulsos de tensión, se utilizaba también una onda cortada después de la cresta; pero al comprobarse que no evidenciaba fallas que no pudieron mostrar las dos anteriores, se descarto.