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Ragnar Holm
Ragnar Holm
• 6 de Mayo de 1879, Skara (Suecia),
† 27 de Febrero de 1970, St. Marys , Pensilvania , EE.
UU.
Sueco de nacimiento, dedicó la
mayor parte de su vida al estudio práctico y teórico de los contactos
eléctricos.
Nacido el 6 de mayo de 1879 en
Skara (Suecia), estudió allí hasta 1898.
En 1905 se licenció en
Matemáticas y Física Teórica en la Universidad de Uppsala.
Como becario, estudió en la
Universidad de Gottingen (Alemania), donde conoció a Hans GERDIEN, que llegaría
a ser director de los laboratorios de investigación de Siemens.
En esta universidad, trabajó en
los problemas de las descargas de gas. En 1908 se doctoró en Filosofía por la
Universidad de Uppsala.
De 1909 a 1919 trabajó en
Siemens, en Berlín, donde prosiguió sus investigaciones sobre las descargas de
gas, pero también se interesó por los problemas que planteaban los contactos en
los circuitos telefónicos. Esto le llevó a establecer los inicios de la teoría
de contactos, destacando el concepto de superficies reales y teóricas e
investigando la relación entre temperatura y tensión.
Tras la Primera Guerra Mundial,
regresó a Suecia como profesor, continuó trabajando en la teoría del efecto
corona y prosiguió sus investigaciones sobre los contactos eléctricos donde era
una autoridad líder a nivel mundial.
De 1927 a 1945 volvió a trabajar
en Siemens, donde concentró todos sus esfuerzos en la teoría de los contactos.
Desde 1945 hasta su muerte en
1970, trabajó en los laboratorios de investigación de Stackpole, uno de los
principales fabricantes de materiales de contacto, en Sainte-Mary (Estados
Unidos).
Ragnar HOLM y su esposa Else
HOLM, doctora en Física, publicaron un centenar de artículos sobre contactos
eléctricos, pero la principal obra de Ragnar HOLM sigue siendo " Electric
Contacts ", cuya primera edición alemana se publicó en 1946. Este libro
sigue siendo la principal referencia sobre el vasto tema de los contactos
eléctricos.
También hizo importantes contribuciones al campo de la tribología, específicamente a la predicción del desgaste. En 1963, Holm recibió el Premio Internacional de la Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación.
En 1968, recibió el premio Mayo D. Hersey de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros mecánicos.
En 1971, un año después de la
muerte de Holm, el IEEE estableció el Premio Ragnar Holm al Logro Científico
("Premio Ragnar Holm") por sus esfuerzos en el campo de los contactos
eléctricos. El premio se otorga anualmente desde 1972.
domingo, 1 de octubre de 2023
martes, 26 de septiembre de 2023
martes, 19 de septiembre de 2023
Sistemas de conservación de aceite en Transformadores
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Las variaciones de temperatura
del líquido aislante debidas a la carga de los transformadores o al ambiente
provocan un aumento ó disminución del volumen de aquél. Estas variaciones se
regulan mediante el depósito de expansión o conservador. Este dispositivo
consiste en un depósito metálico, habitualmente cilíndrico, que se conecta al
transformador mediante una tubería fijada al fondo del depósito. Con el
transformador fuera de servicio el conservador se encuentra parcialmente lleno
de aceite, quedando en la parte superior una cámara ocupada por aire.
Cuando el transformador está en
servicio los volúmenes de aceite-aire son variables, expulsándose aire al
exterior en algunas ocasiones mientras que en otras debido a la contracción de
la masa de aceite se aspira aire del exterior; esta comunicación se efectúa a
través de una tubería terminada en un dispositivo que filtra y seca el aire
exterior aspirado.
Este es el sistema denominado de
“preservación de aceite a presión constante en contacto con la atmósfera”.
Debido al diferente estado del
desecante, el aire que penetra en el interior del conservador puede estar más o
menos húmedo, con lo cual parte de esa humedad pasará indefectiblemente al
aceite del transformador. Con objeto de evitar totalmente el contacto del aire
con el aceite del transformador, frecuentemente se utiliza el sistema
denominado de “preservación de aceite a presión constante sin contacto con la
atmósfera”, o sistema sellado.
Consiste en introducir dentro del depósito metálico un balón o bolsa de caucho, sujeto a la parte superior de aquél. El aceite rodea externamente al balón, mientras que en el interior de éste solo se encuentra aire, con lo cual se consigue separar totalmente el aceite del contacto con la atmósfera externa..
El aumento de volumen del aceite
en el conservador empuja el fondo del balón hacia arriba expulsando el aire del
interior, por el contrario, cuando la masa de aceite se contrae el balón aspira
aire del exterior y aumenta de volumen.
Estos sistemas se completan con
una serie de accesorios destinados a vigilar el correcto funcionamiento u
operatividad de los mismos, tales como indicadores de nivel, válvulas de
vaciado y llenado, etc.
Los cambiadores de tomas en carga
por estar lleno de aceite el compartimiento del ruptor necesita igualmente de
un pequeño conservador para absorber las variaciones del volumen de este
aceite; pero es preciso señalar que el único sistema válido para ellos es de
preservación a presión constante en contacto con la atmósfera, ya que no es
imperativo el mantener un aire totalmente exento de humedad por carecer el
ruptor de elementos aislantes significativos, y por otra parte es preciso el
evacuar al exterior los gases producidos por el arco durante las conmutaciones.
Aunque la función principal del
sistema de conservación de aceite es adaptarse a los cambios en el volumen de
aceite debidos a las variaciones de temperatura, también desempeña un papel
importante en la conservación de la calidad del aceite al evitar la entrada de
contaminantes en el transformador. Cuando un transformador tiene varios
compartimentos de aceite además del tanque principal, para cambiadores de
tomas, cajas de cables y dispositivos auxiliares, cada compartimento suele
requerir su propio sistema de conservación de aceite.
Se han desarrollado muchas
tecnologías y variantes diferentes para los sistemas de conservación del
aceite, y cada una de ellas tiene unos requisitos de mantenimiento
particulares.
A continuación se describen los
tipos más comunes.
Sistema de cámara de gas a presión regulada
En algunos transformadores se utiliza un volumen de gas en
la superficie del aceite (cámara de gas) como método para impedir la entrada de
oxígeno y humedad en el transformador. Estos sistemas ofrecen algunas ventajas
y desventajas que el usuario debe conocer.
|
Ventajas |
Inconvenientes |
|
- La presión positiva del nitrógeno (junto con una buena junta)
mantiene alejados el oxígeno y la humedad - La purga de nitrógeno durante los ciclos térmicos elimina la
humedad y el oxígeno - Los valores más bajos de contenido de humedad y oxígeno en el
transformador reducen la velocidad de deterioro del aislamiento. |
- Si la botella de nitrógeno está vacía, puede entrar humedad y
oxígeno en el transformador - Los altos niveles de nitrógeno en el aceite podrían provocar la
retención de burbujas de nitrógeno en el aislamiento o en las bombas en
determinadas condiciones de enfriamiento. - La purga de nitrógeno eliminará otros gases del transformador, lo
que hace que el análisis de gases disueltos tenga un valor limitado para las
tendencias a largo plazo, especialmente en el caso de gases de baja
solubilidad que se liberan fácilmente del aceite, como el hidrógeno. - Mayores requisitos de recursos de mantenimiento |
Tabla 1: Sistema de cámara
de gas a presión regulada
Normalmente, los principales
componentes instalados en un transformador con un sistema de cámara de gas
regulado incluyen los siguientes elementos: Cilindro de nitrógeno, reguladores
de alta y baja presión, manómetro de alta presión para indicar la presión en el
cilindro de nitrógeno, sumidero para recoger cualquier condensado de humedad o
aceite, dispositivo de alivio de presión y alarmas de alta y baja presión.
Figura 1: Principales sistemas de conservación del aceite
Sistemas conservadores
El Sistema Conservador de aceite
de transformador consiste normalmente en uno o más depósitos montados
externamente (o tanques de expansión). Se instalan a la altura necesaria para
proporcionar un nivel de aceite en el transformador que esté por encima de la
tapa del tanque principal del transformador o, en muchos casos, por encima del
saliente más alto de los aisladores con aceite. Muchos sistemas conservadores
suelen incluir, como se ha indicado anteriormente, un balón dentro del tanque
que proporciona una barrera de aceite-aire para evitar que la humedad y el aire
disuelto penetren en el aceite del transformador (ver figura 2). Por lo
general, la vida útil del balón de caucho debe considerarse en el rango de
10-20 años.
El sistema incluye una tubería de
compensación de aire que permite que el aire entre en el balón cuando la
temperatura del transformador disminuye y que el aire salga del balón cuando la
temperatura aumenta. También suele haber un desecante en este conducto de
compensación para secar el aire entrante.
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Figura 2: Balón de
caucho dentro del conservador
Algunos sistemas conservadores
tienen un tanque de compensación de presión separado y no tienen el balón de
aire interno. Estos sistemas no mantienen el aceite desgasificado en un
transformador, sino que permiten que el aceite se sature con aire o nitrógeno
(dependiendo de si se utiliza aire o nitrógeno en el espacio de gas del
sistema).
Todos los sistemas conservadores
suelen tener un indicador de nivel de aceite conectado al tanque con una
conexión de alarma para alertar a los operadores cuando el nivel de aceite está
en el mínimo, o en el máximo, aceptable en el depósito. También suele haber una
válvula Buchholz u otra válvula antirretorno que se cierra en caso de rotura
del depósito principal. Algunas de estas válvulas también contienen un colector
de gas que atrapa el gas generado en el tanque principal y emite una alarma
cuando se acumula un determinado volumen. Los transformadores con sistemas
conservadores también pueden tener sistemas de relés detectores de gas que se
montan por separado en el tanque.
Se debe tener en cuenta que las
pruebas de inyección de aire en el relé Buchholz provocarían la acumulación de
burbujas de aire en el lado del aceite de cualquier balón, diafragma o membrana
instalada en un conservador.
Transformadores de tanque
sellado
Un sistema de tanque sellado
simplemente utiliza el tanque sellado de un transformador para mantener el
aceite aislado de las condiciones atmosféricas externas. El uso de un sistema
de tanque sellado requiere que el tanque sea lo suficientemente grande como
para acomodar el volumen mínimo de aceite requerido por el transformador cuando
el aceite está frío, y el volumen máximo de aceite generado cuando el
transformador funciona con su carga nominal máxima a la temperatura ambiente
máxima prevista. Por lo tanto, el tanque debe ser capaz de absorber todas las
variaciones volumétricas del aceite, (por ejemplo. tanques corrugados) desde
una condición de frío sin tensión hasta una condición de "carga
máxima". Este tipo de sistema de conservación se utiliza normalmente para
transformadores más pequeños cuyos requisitos de nivel de aceite mínimo y
máximo pueden predecirse con exactitud.
Muchos otros transformadores de
tanque sellado se llenan con nitrógeno seco y disponen de manómetros y válvulas
de llenado para añadir manualmente nitrógeno si la presión disminuye. Una de
las ventajas del sistema de tanque sellado es que son menos costosos que el de
tanque sellado con gas a presión regulada. Una de las desventajas es que una
fuga puede permitir la entrada de oxígeno y humedad en el tanque. Algunos
transformadores de tanque sellado pueden sufrir una ligera pérdida de presión
de gas en picos de carga, lo que dará lugar a presiones negativas (o vacío)
durante los periodos de carga ligera. Debe considerarse la posibilidad de
convertir estos transformadores a un sistema de gas regulado por presión.
Transformadores con
respiración libre
El sistema más común de
conservación del aceite es, con diferencia, el transformador de libre
respiración. Para mantener la sequedad del aceite, la mayoría de los
Transformadores de respiración libre están equipados con un filtro desecante,
de modo que sólo entre aire seco en el conservador. Sin embargo, algunos
Transformadores de respiración libre no tienen ninguna disposición para evitar
que el aire húmedo entre en el conservador, e inevitablemente aumente el
contenido de humedad del aceite.
En estos casos, debe considerarse
la posibilidad de adoptar alguna medida que garantice la sequedad del aceite.
Después de la sustitución, el
reacondicionamiento o el reprocesamiento del aceite, la modificación preferida
es incluir un balón de caucho en el depósito de expansión (si así está previsto).
Si no se justifica el coste de la
conversión a un diseño sellado con balón, una mejora alternativa sería ventilar
el depósito de expansión a través de un sistema desecante. La adición de un
balón de caucho es preferible porque su diseño incluye el sellado del aceite
contra la entrada de oxígeno y humedad en el conservador
FUENTES:
Guide for Transformer Maintenance
(Cigre 2011)
ABB: Transformer Handbook
viernes, 15 de septiembre de 2023
Materiales aislantes utilizados en transformadores
Los materiales aislantes
utilizados en transformadores deben tener las siguientes propiedades:
1. Alta rigidez dieléctrica,
2. Buenas propiedades mecánicas,
3. Larga vida útil a temperatura de funcionamiento,
4. Fácilmente trabajable.
El material aislante debe
soportar las temperaturas de funcionamiento que se producen en el transformador
durante su vida útil.
Los materiales de aislamiento que
se utilicen en transformadores sumergidos en líquido deben ser compatibles con
el mismo.
MATERIALES SÓLIDOS
Materiales de celulosa
Se utilizan principalmente en
transformadores sumergidos en aceite con clase térmica 105.
El aislamiento de celulosa está
hecho de tipos de madera de crecimiento lento, con fibras alargadas. Estas
fibras proporcionan una larga vida útil, y la alta densidad proporciona una
elevada rigidez dieléctrica.
Los productos de celulosa son
compatibles con el aceite mineral y son fáciles de impregnar con él.
La impregnación se realiza al
vacío y a temperatura elevada, y las diminutas cavidades de la celulosa se
llenan de aceite. De este modo se aumenta aún más la rigidez dieléctrica. Si
las cavidades no se llenaran de aceite, estas pequeñas burbujas de aire provocarían
descargas parciales. A largo plazo, las descargas parciales pueden provocar una
ruptura dieléctrica.
Los contaminantes representan
puntos débiles en el aislamiento que pueden provocar una ruptura dieléctrica.
El aislamiento de celulosa se
especifica en las normas IEC 60554-3 para papel e IEC 60641-3 para el cartón.
Madera
La madera laminada se utiliza
para diferentes fines de soporte en transformadores sumergidos en líquido. La
norma IEC aplicable es la 61061-1/2/3.
Porcelana
La porcelana se utiliza
principalmente para aisladores en transformadores sumergidos en aceite. En
algunos casos también se utiliza como soportes o separadores en transformadores
de tipo seco.
Materiales aislantes
sintéticos
Estos materiales se utilizan
principalmente en transformadores de tipo seco o reactancias con clases
térmicas superiores 130, 155, 180, 220. Estos materiales son más caros que el
aislamiento de celulosa.
Los esmaltes se utilizan como
aislamiento de conductores, y normalmente tienen doble revestimiento. Existen
varias calidades para diferentes aplicaciones. Se hace referencia a la norma
IEC 60317.
Las resinas epoxi utilizadas en
combinación con cargas, por ejemplo, fibra de vidrio y polvo de cuarzo, se
emplean para barreras aislantes y bobinados completos al vacío.
Los poliésteres pueden utilizarse
como barreras aislantes, espaciadores y adhesivos para conductos. Se hace
referencia a las normas IEC 60893-3 e IEC 61212-3.
Las fibras de aramida se utilizan
para fabricar hojas de papel o cartón aislante de diferentes grosores. La
superficie del material puede ser lisa o porosa. El tipo poroso puede
impregnarse de aceite hasta cierto punto. El material tiene muy buenas propiedades
térmicas, clase térmica 220.
El aislamiento de aramida se
especifica en la norma IEC 60819-3 para el papel y en la IEC 60629-1 para el
cartón.
MATERIALES LÍQUIDOS
Generalidades
El fluido de un transformador
tiene varias funciones; las dos más importantes son, sin duda, el aislamiento y
la refrigeración. Otra función es llevar información sobre el estado de la
parte activa dentro del transformador.
Deben cumplir varios requisitos;
|
Químicos |
Eléctricos |
|
Estabilidad a la oxidación |
Tensión de ruptura CA |
|
Contenido de inhibidor de oxidación Se recomienda inhibidor |
Tensión de ruptura, impulso |
|
Azufre corrosivo |
Factor de disipación |
|
Contenido de agua |
Carga de corriente |
|
Índice de neutralización |
|
|
|
|
|
Físicos |
Adicionales |
|
Viscosidad |
Bajo contenido de partículas |
|
Aspecto |
Compatibilidad con otros materiales del transformador |
|
Densidad |
Propiedades gaseosas |
|
Punto de fluidez |
Estructura aromática |
|
Tensión superficial |
Estructura poliaromática |
|
Punto de inflamación |
Propiedades de solubilidad |
Aceite mineral
Las propiedades importantes del
aceite mineral se especifican en la norma IEC 60296.
Punto de inflamación 145 °C,
densidad 0,88 kg/dm3, permitividad relativa 2,2.
El aceite mineral es el líquido
más utilizado. Normalmente, el aceite mineral es la referencia con la que se
comparan todos los demás líquidos.
El aceite mineral ofrece en la
mayoría de los casos el mejor compromiso entre coste y propiedades técnicas, y
la compatibilidad con otros materiales del transformador también es muy buena.
Los inhibidores retardan el
proceso de envejecimiento del aceite.
Otros fluidos
Estos fluidos se reservan para
aplicaciones especiales y suelen ser entre 5 y 6 veces más caros que el aceite
mineral.
La principal motivación para
utilizar estos fluidos es mejorar la seguridad contra incendios y el impacto
medioambiental.
Además, estos fluidos se pueden
utilizar a temperaturas elevadas, pero tienen capacidades limitadas en climas
extremadamente fríos.
Dimetil Silicona
Las propiedades importantes del
fluido de silicona se especifican en IEC 60836
Punto de inflamación 310 °C,
densidad 0,96 kg/dm3, permitividad relativa 2,7.
El fluido de silicona tiene
menores propiedades dieléctricas y de refrigeración que el aceite mineral.
Cuando se inflama, crea una capa
de óxido en la superficie que retarda la llama. Sin embargo, no es
autoextinguible, lo que provoca la formación de arcos y fallos eléctricos.
El fluido de silicona no se
utiliza en cambiadores de tomas bajo carga debido a sus bajas propiedades lubricantes.
Éster sintético
Las propiedades importantes del
éster sintético se especifican en IEC 61099
Punto de inflamación 275 °C,
densidad 0,97 kg/dm3, permitividad relativa 3,2.
Hidrocarburos sintéticos
Las propiedades importantes del
hidrocarburo sintético se especifican en IEC 60867
Punto de inflamación 230 °C,
densidad 0,83 kg/dm3, permitividad relativa 2,1.
Éster agrícola
Sin especificación aplicables IEC.
Punto de inflamación 330 °C,
densidad 0,91 kg/dm3, permitividad relativa 3,2.
Se trata de un buen compromiso
entre seguridad contra incendios y respeto del medio ambiente. BIOTEMP es un
éster agrícola desarrollado y patentado por ABB, basado en aceite de girasol,
domingo, 10 de septiembre de 2023
lunes, 4 de septiembre de 2023
lunes, 28 de agosto de 2023
Historia de los métodos de cálculo de redes eléctricas
El conjunto de leyes eléctricas
que rigen el funcionamiento de las redes eléctricas se estableció antes de que
se generalizara la necesidad de realizar cálculos.
El desarrollo a lo largo del tiempo
de herramientas para el cálculo predictivo del comportamiento de las redes
eléctricas puede resumirse en cuatro etapas, con solapamiento de períodos
coincidentes.
● Cálculo "manual", de 1925 a 1960
Este fue el periodo en el que el
descubrimiento de redes eléctricas basado en fenómenos observados y medidos en
las instalaciones. Se utilizó el método analítico basado en una comprensión
física a priori: el problema se plantea en una ecuación basada en las leyes de
la electricidad, la resolución numérica se realiza manualmente (regla de
cálculo, tablas numéricas), y las hipótesis se confirman por la correspondencia
correcta entre medición y cálculo. La extrapolación predictiva se practica utilizando
ábacos que deducían los parámetros determinantes.
Al mismo tiempo, se desarrollan las mejores prácticas basadas
en la experiencia.
● Simuladores de modelos, de 1950 a 1990
A medida que las redes crecían en
tamaño y complejidad las redes se convirtieron en verdaderos sistemas
eléctricos con múltiples interacciones. Además, el concepto fue surgiendo
gradualmente. La necesidad de predicción era cada vez más importante y más
global, ya que implicaba prever numerosas situaciones operativas normales o
perturbadas con certeza y precisión.
El simulador cumple estos requisitos.
Es una herramienta de laboratorio costosa en términos de inversión y
utilización, prerrogativa de los distribuidores eléctricos. El principio del simulador
consiste en crear un modelo a escala reducida de la red, reproduciendo el
comportamiento del sistema en tiempo real.
Según la aplicación, el simulador
puede ser un analizador de transitorios (por ejemplo, propagación de ondas),
una red artificial (por ejemplo, ensayo de protecciones), una micro red (por
ejemplo, estabilidad dinámica)
Para aumentar su capacidad y
rendimiento estos simuladores se han complementado con simuladores analógicos
con dispositivos electrónicos para modelar determinados elementos (por ejemplo,
reguladores), dando lugar a los simuladores híbridos.
● Simuladores digitales a partir de 1970
En un momento en que las redes
empezaban a optimizarse y aparecían fallos importantes en las grandes redes de
distribución, las necesidades aumentaron. Los simuladores digitales fueron
la respuesta con la llegada de la informática.
ü Inicialmente, los programas de cálculo se ejecutaban en grandes ordenadores centrales; estos programas los elaboraban generalmente las empresas para satisfacer sus propias necesidades.
ü Después, hacia 1990, la simulación digital y la descentralización se generalizaron con los microordenadores PC. La comercialización de programas se desarrolló, y hoy los usuarios disponen de una amplia oferta para multitud de aplicaciones.
Nota: El principio del simulador digital es crear un programa
detallando las leyes de la red y, a continuación, resolver las ecuaciones con
un programa informático adecuado. Tiene la gran flexibilidad de tratar todo
tipo de redes y muchos fenómenos, pero no en tiempo real.
● Talleres digitales, a partir de 1990.
Es la etapa de la generalización de la simulación por
ordenador como herramienta de cálculo universal (red virtual) con posibilidad
de obtener bases de datos globales y procesamiento en tiempo real para el
desarrollo de productos, formación de operarios, optimización del control…
jueves, 24 de agosto de 2023
Seguridad de funcionamiento de una red eléctrica
Con el paso de los años, la seguridad
de las redes se ha convertido en un requisito que se extiende a todos los
procesos vulnerables a los cortes de electricidad.
El concepto de seguridad de
funcionamiento viene definido por las siguientes magnitudes:
● disponibilidad de energía
● frecuencia anual de cortes,
● mantenibilidad.
Objetivos
El objetivo del estudio del
comportamiento de una red en términos de seguridad de explotación es:
● diseñar la arquitectura de red óptima
para satisfacer las necesidades de suministro energético de los receptores de
la instalación de acuerdo con los requisitos de continuidad impuestos por el
proceso, gracias a:
o un mejor control de los riesgos derivados de los cortes de energía,
o mejores criterios de decisión para elegir entre varias soluciones;
● prever situaciones de
funcionamiento anómalas, cuantificar su probabilidad y definir un nivel de
confianza asociado al suministro de energía eléctrica.
Fenómenos y orígenes
La presencia de energía eléctrica
se caracteriza normalmente por:
● Fiabilidad para una duración
determinada DT, expresada por el tiempo medio entre dos fallos -MTBF-, o por el
tiempo medio hasta el primer fallo -MTTF-,
● Disponibilidad en el tiempo
T,
● Tiempo medio desde el fallo
hasta la reparación -MTTR-.
El suministro de energía
eléctrica depende esencialmente de:
● la estructura topológica de la red
eléctrica para todos los regímenes de funcionamiento posibles y durante sus
cambios de estado: normal, degradado o en régimen de emergencia,
● el funcionamiento normal del
sistema cuando los distintos regímenes de funcionamiento se desarrollan
correctamente,
● la organización del mantenimiento,
● la previsión de perturbaciones
accidentales.
Efectos y soluciones
Desde el punto de vista
eléctrico, las averías de la red adoptan principalmente las siguientes formas:
● Cortes de corriente de los
distribuidores de energía: las propias redes de distribución están sujetas a
fallos o perturbaciones (avería de equipos, perturbaciones atmosféricas, etc.).
Esto provoca bajadas de tensión y cortes breves o prolongados en las
subestaciones de entrada. En función de la topología de la red y de los medios
desplegados, estas perturbaciones pueden propagarse hasta los receptores.
● Fallos de aislamiento: los
cortocircuitos provocan bajadas de tensión o interrupciones en los receptores,
en función de:
o las protecciones instaladas y su selectividad,
o la distancia "eléctrica" del receptor con respecto a la avería,
o la topología de la red, con o sin dispositivos de reconfiguración de redundancia activa o pasiva.
● Disparos intempestivos:
provocan el corte de la alimentación de los receptores situados aguas abajo.
● Fallos de funcionamiento: cuando
la aparamenta no efectúa un cambio de estado solicitado (no abre o no cierra a
petición). En general, estos fallos no provocan perturbaciones directas en los
receptores. En cambio, suelen ser fallos no detectados que provocan un mal
funcionamiento de la red cuando se produce otro fenómeno, como:
o
pérdida de protección y/o selectividad
o
pérdida de recursos de reconfiguración, de
reserva, etc.
Los efectos de las caídas de
tensión o los cortes de suministro dependen de la sensibilidad del receptor.
Algunos receptores, como los
equipos informáticos, son sensibles a las caídas de tensión o a las
interrupciones muy breves (algunas decenas de ms), mientras que otros equipos
pueden aceptar interrupciones más largas sin perturbar el proceso.
Por tanto, es esencial
caracterizar los equipos por su nivel de sensibilidad.
Además, la duración real de la
pérdida del receptor o del proceso no siempre es proporcional a la duración del
corte de corriente. En algunos casos, la reposición del servicio puede depender
de muchos más parámetros que el simple retorno de la energía eléctrica
(restablecimiento del funcionamiento de una sala blanca, parametrización de una
máquina herramienta, proceso químico, etc.).
Por lo tanto, es necesario
evaluar la criticidad de los receptores como consecuencia de su parada.
Los medios tradicionales
utilizados para protegerse de todas estas perturbaciones son:
● fuentes autónomas
(generadores, turbinas de gas, etc.),
● múltiples acometidas de la
red de distribución lo más independientes posible,
● utilización de sistemas de
desensibilización (inversores, no-break, etc.),
● sistemas que permitan el
reabastecimiento, ya sea mediante la reconfiguración de la red (onduladores de
alimentación, red en bucle, etc.), ya sea mediante una fuente de energía
secundaria lo más cercana posible al receptor,
● aplicación de medios que permitan
detectar los fallos lo antes posible (periodicidad del mantenimiento
preventivo, test automáticos, etc.).
Las ventajas de un estudio
Un estudio de seguridad operativa
ayuda a controlar el riesgo asociado a los sucesos graves a la hora de diseñar
la arquitectura de una red eléctrica mediante:
● la determinación de la
criticidad de los receptores y, en función de su nivel de sensibilidad, de los
incidentes graves para la instalación eléctrica. Se trata de identificar los
puntos críticos de la red y asociarles criterios de rendimiento de seguridad;
● el análisis cuantitativo de
una o varias arquitecturas de base en función de los índices de seguridad;
● la justificación final de la
elección de los sistemas de reserva y/o desensibilización, redundancia y
mantenimiento preventivo en función de las exigencias del cliente.
Ejemplo
Este caso procede de un estudio
de mejora de la red eléctrica de un centro en una industria automovilística
(véase la fig. 1). El objetivo era reducir el alcance (duración y número) de
las interrupciones debidas a averías o trabajos de mantenimiento.
● Objetivo del cálculo
Realizar un análisis de
criticidad y cuantificar la situación existente, para después proponer mejoras.
● Resultados del cálculo
El cálculo permitió definir las
modificaciones de la topología que aportarían las ganancias de seguridad
deseadas (véase el diagrama de la figura 1).
Se ha conseguido un tiempo de inactividad anual inferior a una hora, y el mantenimiento de los equipos eléctricos puede realizarse sin interrumpir el proceso.
Figura 1: Mejoras
recomendadas (líneas grises) en la red eléctrica de una industria
del automóvil, esquema y resultados
lunes, 21 de agosto de 2023
Reactancias de alisado
Reactancia de alisado
ABB, 800 kV HVDC en baño de aceite
Las reactancias de alisado, son
componentes de los sistemas de transmisión en corriente continua de alta
tensión (HVDC), se usan para reducir el flujo de corrientes armónicas y de
sobrecorrientes transitorias en el sistema de corriente continua gracias a sus
dos funciones:
ü
Suavizar el rizado de la tensión en el puente
convertidor de 12 fases.
ü
Disminuir la corriente de cortocircuito en el
enlace de corriente continua.
La corriente continua que procede
del rectificador en los sistemas de c.c. tiene componentes armónicos
superpuestos, también llamados rizado. La reactancia de alisado está conectada
en serie al rectificador (convertidor) y por ella circula toda la corriente de
carga, incluida la corriente continua y las pequeñas corrientes armónicas de
corriente alterna.
Figura 1
El propósito de la reactancia es
proporcionar una alta impedancia al flujo de las corrientes armónicas, reducir
su magnitud y, por lo tanto, hacer que la corriente continua sea más uniforme.
Cuanto mayor sea la inductancia de la reactancia, menores serán las corrientes
armónicas restantes (rizado), pero al mismo tiempo mayores serán los costes y
las pérdidas de la reactancia. La caída de tensión a través de la reactancia
son los huecos en la tensión del rectificador.
Una reactancia de alisado no
tiene una potencia nominal en el mismo sentido que las reactancias de corriente
alterna. Sin embargo, se puede comparar su tamaño en función de la energía
magnética almacenada. A este respecto, el tamaño de una reactancia de alisado
en sistemas HVDC puede ser mucho mayor que incluso las reactancias shunt más
grandes, lo que también se refleja en las dimensiones físicas. A veces es
necesario compartir el devanado (que naturalmente es monofásico) en dos columnas
del núcleo para mantener las dimensiones externas dentro del perfil de transporte.
Además de reducir el rizado de la
corriente, la reactancia de alisado tiene otras funciones que cubrir, como:
ü prevenir
el fallo de conmutación en el inversor limitando la velocidad de subida de la
corriente durante la conmutación en un puente (la transferencia de corriente de
una válvula a otra en la misma posición del puente) y durante la caída de
tensión en otro puente;
ü reducir
la velocidad de subida de la corriente si se producen fallos en el sistema de
c.c.;
ü mejorar
la estabilidad dinámica del sistema de transmisión;
ü reducir el riesgo de fallo de conmutación durante la caída de tensión del sistema de c.a..
El diseño puede ser de tipo seco o sumergido en aceite, con o sin núcleo de hierro hueco o con pantalla magnética. La característica magnética puede ser lineal o no lineal.
En los grandes sistemas HVDC, las
reactancias de alisado funcionan a un alto potencial de c.c. a tierra. Cuando
se han utilizado reactancias de núcleo de aire de tipo seco, se han colocado en
plataformas, que tienen un alto nivel de aislamiento a tierra. En muchos casos,
dependiendo de la inductancia requerida y de la tensión de servicio, las
reactancias de núcleo de aire de tipo seco serán probablemente más baratas y
ligeras que las reactancias sumergidas en aceite (foto cabecera). Sin embargo,
incluso el peso de las reactancias de núcleo de aire de tipo seco puede
ascender a 25 - 50 toneladas, por lo que una plataforma aislante debe tener un
diseño mecánico robusto (figura 2).
Las reactancias de núcleo de aire
de tipo seco tienen una característica de inductancia lineal, mientras que las
reactancias sumergidas en aceite pueden tener una característica de inductancia
no lineal debido a la saturación en el núcleo ferromagnético o el blindaje,
dependiendo de la densidad de flujo elegida al diseñar la reactancia.
Figura 2: Reactancias
de alisado BPEG- 800kV HVDC 4000 A, 75mH
La corriente continua que fluye a
través de las reactancias de alisado provoca un desajuste magnetizante que se
superpone la magnetización de c.a.. De forma que, el flujo magnético no oscilará
simétricamente en torno a cero, sino en torno a un valor de flujo determinado
por la magnetización de corriente continua. En la parte del ciclo en la que el
flujo de c.c. y el flujo de c.a. tienen la misma dirección, el núcleo de hierro
puede estar saturado.
La figura 3 muestra un ejemplo en
el que la línea roja vertical indica la magnetización de c.c. de polarización
causada por la corriente de c.c. que circula por la reactancia. Las dos líneas
horizontales punteadas indican la franja de variación del flujo enlazado causada
por la tensión de c.a. armónica superpuesta. Están situadas simétricamente
alrededor del flujo magnético en corriente continua. Las dos líneas verticales
de puntos indican los límites de la corriente alterna armónica correspondiente.
Estos últimos límites están situados asimétricamente en relación con la
corriente magnetizante de c.c.
Figura 3
La inductancia L de la reactancia
se define como:
Es idéntica a la pendiente de la
curva de magnetización, que varía con la corriente de magnetización. La parte
inferior de la curva es lineal, y en este intervalo L es constante. Cuando el
núcleo está completamente saturado, la curva también es lineal y L también es
constante, pero aquí la pendiente de la curva corresponde a la inductancia de una
reactancia con núcleo de aire, como si el núcleo de hierro no existiera. Entre
estos dos rangos lineales hay un rango en el que la curva no es lineal. En este
rango L no es constante, sino que varía durante el ciclo de la tensión y la
corriente alterna. La L resultante se denomina inductancia incremental, que es
menor que la inductancia en el rango lineal bajo de la curva. En consecuencia,
la reducción del rizado de la corriente también será menor en comparación con
la reducción que se conseguiría si la reactancia funcionara en el rango lineal
bajo de la curva de magnetización. Por otro lado, sin embargo, esto provocaría una
reactancia más cara. En la actualidad, las reactancias de alisado de los
grandes sistemas de transmisión HVDC son sumergidos en aceite y se diseñan con
núcleo de hierro seccionado, al igual que las grandes reactancia shunt. Para
estas reactancias, la inductancia incremental es un parámetro esencial. Puede
medirse durante la prueba de entrega siempre que se disponga de una fuente de
corriente continua suficientemente grande en el laboratorio de pruebas. Otra
posibilidad es calcular la inductancia incremental a partir del gráfico de la
curva de magnetización de la reactancia.
Las reactancias de alisado de los
sistemas HVDC están sometidos a tensiones dieléctricas especiales cuando cambia
la dirección del flujo de potencia en el enlace. Para verificar la capacidad de
la reactancia de soportar tales tensiones, se realiza una prueba de inversión
de polaridad antes de su entrega desde fábrica. La figura 4 muestra un diagrama
de tensión en función del tiempo para dicha prueba. A un período con polaridad
negativa le sigue un período de polaridad positiva y, finalmente, un período de
retorno a la polaridad negativa. Para demostrar que existe un margen de
seguridad satisfactorio, la tensión de prueba Upr debe ser superior a la
tensión nominal de c.c. en servicio, por ejemplo, el 25% u otro valor, según
acuerdo.
Figura 4
La prueba de inversión de
polaridad va seguida de una prueba de tensión alterna de 1 hora de duración con
medición de descargas parciales.
La prueba dieléctrica incluye
también una prueba de resistencia con tensión de c.c. igual a 1,5 veces la
tensión nominal de servicio de 1 hora de duración y con medición de descargas
parciales. Encontrará información complementaria en: - IEC 60076-6; - IEEE Std
1277-2000 IEEE Standard General Requirements and Test Code for Dry-Type and
Oil-Immersed Smoothing Reactors for DC Power Transmission.
jueves, 17 de agosto de 2023
jueves, 10 de agosto de 2023
FIELD, Cyrus West
FIELD, Cyrus West
• 30 de noviembre de 1819, Stockbridge, Mas[1]sachusetts
(USA).
† 12 de julio de 1892, New York (USA).
Empresario estadounidense al que se debe la gran hazaña de lanzar el primer cable telegráfico transoceánico, en 1886, que unió Europa con América. Fue un esfuerzo epopéyico que requirió un total de trece años.
A los quince años llegó a Nueva York para trabajar como vendedor en los almacenes de Alexander T. Stewart. A los 21 años creó una empresa para la fabricación y venta de papel a gran escala. A los treinta años ya había logrado hacerse con una gran fortuna, debido a sus viajes de negocios al extranjero concibió, la idea de conectar por cable telegráfico: Europa con América (Nueva York, pasando previamente por la isla de Newfoundland, es decir, Terranova, en español).
Se formó en 1856 una empresa, Compañía del Telégrafo Atlántico, con socios en Inglaterra: Charles Bright, John Brett y Lord Kelvin en calidad de consultor eléctrico, y socios en EE. UU.: Morse y Field, con la ayuda de cuatro financieros de Nueva York: Peter Cooper, Moses Taylor, Marshall O. Roberts y Chandler White.
Durante un periodo de trece años, Field gastó su fortuna y aguantó desastre tras desastre en su decidido intento de colocar un cable telegráfico transatlántico, para ello cruzó el océano unas cincuenta veces para dirigir el montaje del cable.
En 1857 se hizo el primer intento con el barco de guerra británico Agamemnom, pero el cable se rompió cuando se habían lanzado 610 km. Un segundo intento se realizó a las siete semanas de haberse roto el primer cable (6 de agosto de 1858), pero tampoco tuvo éxito. El tercero y último intento se realizó con un nuevo cable de cobre, y el barco cablero elegido fue el Great Eastern; la instalación finalizó en julio de 1866.
El cable permitió reducir el tiempo requerido para la comunicación entre Europa y los Estados Unidos de 12 días (la duración del cruce del océano en barco en aquel momento) a una comunicación casi instantánea.
Se enviaron telegramas de felicitación entre la reina Victoria y el presidente americano Andrew Johnson. Field recibió una recompensa de una medalla de oro y el voto de gracias del Congreso.
martes, 8 de agosto de 2023
lunes, 31 de julio de 2023
Comportamiento armónico de una red
La cuestión de los armónicos
afecta esencialmente a las redes eléctricas que alimentan equipos contaminantes
con una potencia relativa suficientemente elevada con respecto a la fuente, así
como a los condensadores.
En efecto, todo funcionamiento de
una red eléctrica alterna va acompañado de una distorsión de las ondas
sinusoidales de tensión e intensidad, debido a la naturaleza de los equipos o
fuentes.
La noción de contaminación
armónica de una red se cuantifica por la distorsión de la señal traducida en
una descomposición espectral en amplitud y fase: onda fundamental (50 o 60 Hz)
y rangos armónicos (enteros y continuos). De ello se deduce:
■
el índice global de distorsión armónica (THD)
de las magnitudes de tensión y corriente, que es una medida del valor eficaz de
la contaminación con respecto a la fundamental;
■
las leyes de composición de las magnitudes armónicas en relación con las
amplitudes y las fases.
Objetivos
El estudio del comportamiento
armónico de una red tiene por objeto:
■
identificar las situaciones de riesgo, que pueden provocar funcionamientos
anómalos o sobrecalentamiento de ciertos equipos, envejecimiento prematuro de
los equipos, perturbaciones electromagnéticas o mecánicas;
■ determinar las precauciones que deben tomarse para contener al máximo estas situaciones, garantizando así una contaminación aceptable en materia de normalización (equipos, instalación, alimentación).
Estas precauciones se refieren a:
■
la identificación de los contaminadores,
■
la estimación de soluciones de filtrado,
■
el dimensionamiento adecuado de las instalaciones,
■
la optimización de las arquitecturas de explotación.
Fenómenos y orígenes
Los distintos fenómenos
eléctricos asociados a la presencia de armónicos se manifiestan a través de mecanismos
interdependientes:
■
generación de fuentes armónicas de corriente y/o tensión por los contaminadores
■
efectos de la contaminación en el entorno inmediato de las fuentes
contaminantes,
■
propagación de armónicos por toda la red y efectos extendidos a todos los
receptores
■
composición de las distintas contaminaciones en cualquier punto de la red y en
cada instante,
■
posible amplificación de la contaminación por efecto de resonancia en presencia
de capacidades (línea larga, condensadores de compensación de energía reactiva)
La presencia de armónicos tiene
varias causas:
■
funcionamiento normal de la red, como consecuencia de requisitos de
funcionamiento y proceso: funcionamiento de cargas contaminantes a diferentes
velocidades, conexión o desconexión de otros consumidores,
■
la estructura de la red eléctrica: niveles de tensión, separación de los
contaminadores y cargas vulnerables, potencia relativa de las fuentes de los
contaminadores y de los condensadores.
Efectos y soluciones
Desde el punto de vista
eléctrico, esta contaminación se manifiesta bajo las siguientes formas de perturbación.
■
Fuentes directas de contaminación
Los contaminadores en corriente representan
la gran mayoría de los generadores de armónicos. Estos son las llamadas cargas
no lineales: la corriente que absorben no tiene la misma forma que la tensión
de alimentación y su espectro armónico es propio de cada carga.
Se distingue entre cargas pasivas
(soldadoras, hornos de arco, lámparas) y las cargas electrónicas de potencia
que se utilizan cada vez más (variadores de velocidad, rectificadores y
reguladores de intensidad, sistemas de alimentación ininterrumpida -SAI-,
fuentes de alimentación conmutadas).
Las gamas de tensión y potencia de estas cargas son muy amplias: van desde pequeños electrodomésticos (BT, algunas decenas de W) a los grandes consumidores industriales (AT, varias decenas de MW).
La contaminación por tensión se
debe al diseño de los bobinados y circuitos magnéticos de los equipos (máquinas
rotativas, transformadores).
Limitar la generación de
armónicos en las fuentes contaminantes es posible hasta cierto punto: montajes
dodecafásicos, convertidores sinusoidales, inductancias de alisado, filtrado
integrado.
■
Efectos directos de la contaminación sobre las cargas eléctricas
ü Las corrientes armónicas generan potencia parásita que se traduce en un calentamiento adicional y una pérdida de energía.
Este inconveniente puede evitarse sobredimensionando los equipos de acuerdo con los factores de desclasificación definidos por las normas relativas a dichos equipos.
ü La distorsión de tensión por los armónicos perturba el funcionamiento de los equipos electrónicos (por ejemplo, decalaje del paso por cero de la onda de referencia).
ü Los armónicos también tienen repercusiones mecánicas (ruido, vibraciones) y electromagnéticas (acción de corrientes fuertes sobre las corrientes débiles) en el ámbito de la compatibilidad electromagnética – CEM
■
Los efectos de transmisión provocan la propagación de armónicos, su
amplificación y su acumulación.
ü Los contaminadores de corriente inyectan sus armónicos en toda la red en función de las impedancias por las que circulan. El resultado es una distorsión armónica de las tensiones en cualquier punto de la red. Como resultado, todos los receptores son alimentados con tensiones distorsionadas.
ü Además, la presencia de condensadores puede amplificar la contaminación por efecto de resonancia (circuito tapón formado por la capacidad en paralelo con las inductancias de la red).
ü En su entorno inmediato, cada equipo contaminador sufre los efectos nocivos de sus propios armónicos.
Por último, en cualquier punto de
la red, la composición de los distintos armónicos se produce en cada instante:
en la práctica, el sumatorio se calcula mediante un método normalizado (CEI
60871).
■
Los criterios de riesgo se cuantifican mediante normas y reglamentos basados en
el valor de las distorsiones. En general, se acepta que la situación se vuelve
preocupante a partir de una THD en tensión del 5% y siempre es fuente de
dificultades por encima del 10%. Los distribuidores se comprometen a
proporcionar una THD de tensión limitada y los usuarios también deben limitar
su nivel de corrientes armónicas.
En la práctica, las situaciones
de riesgo se evalúan según criterios de potencia aplicados a los contaminadores
y a los condensadores.
■
Existen varios métodos para limitar los riesgos:
ü aumentar la potencia de cortocircuito de las fuentes,
ü separar las cargas sensibles de las redes contaminantes,
ü instalar inductancias antiarmónicos (los condensadores están protegidos de las sobrecargas),
ü instalar filtros pasivos (los armónicos no deseados quedan atrapados en circuitos de baja impedancia).
ü instalar filtros activos (los armónicos no deseados se neutralizan inyectando armónicos en oposición de fase).
Ventajas de un estudio
El objetivo es garantizar el buen
funcionamiento de la instalación durante la actividad de los contaminadores por:
■
el cálculo de las distorsiones, teniendo en cuenta los espectros
(amplitudes y fases, composición y leyes de propagación),
■
el cálculo óptimo de filtrado,
■
el cálculo del sobredimensionamiento de los equipos (estacionarios y transitorios),
■
el análisis de los esquemas de explotación de la red en sus distintos
modos de funcionamiento (conexión normal y con contaminación de fuentes,
contaminadores, cargas),
■
el análisis de sensibilidad a los parámetros influyentes (por ejemplo,
rango de variación valores de los componentes eléctricos de la red función de
la precisión, de la temperatura, etc.).
Ejemplo
Este caso práctico procede de un
estudio de diseño para una planta siderúrgica, que dispone de un horno de arco
de CC y condensadores de compensación de reactiva (véase la Fig. 1). Este horno
genera armónicos de rango completo (rectificador) superpuestos a un espectro
continuo (arco inestable).
■
Objetivo del estudio:
El condensador forma un bucle con
la inductancia del sistema (antiresonancia de rango 3), lo que da lugar a una
THD de tensión prohibida del 18,5%, por lo que es necesario determinar el
filtrado para reducir la THD a un valor aceptable.
■
Resultados del estudio
La disposición de los condensadores en tres filtros resonantes de atenuación (sintonizados en los rangos 3, 5, 7) modifican el espectro de impedancia y reduce la THD de tensión a un valor aceptable del 3%.
Figura 1: Estudio de la
presencia de armónicos en una planta siderúrgica, esquema y espectros
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