Construcción y evaluación de un divisor de alto voltaje para pruebas de impulso tipo rayo

Construction and evaluation of a high voltage divider for lightning impulse tests

  • Juan David Mina Casaran Universidad del Valle
  • Diego Fernando García Universidad del Valle
  • Diego Fernando Echeverry Universidad del Valle
Palabras clave: damping resistor, lightning impulse voltage, low voltage branch, scaling factor, voltage divider (en_US)
Palabras clave: divisor de voltaje, factor de escala, impulso de tensión, rama de bajo voltaje, resistor de amortiguamiento (es_ES)

Resumen (es_ES)

Contexto: La medición segura y efectiva de señales de alto voltaje se ha convertido, desde hace años, en una de las mayores preocupaciones por parte de quienes realizan ensayos en alta tensión. En ese sentido, el divisor de tensión representa uno de los dispositivos de mayor importancia para la medición en laboratorio de señales como las generadas por los rayos. Sin embargo, el divisor debe contar con características adecuadas de voltaje nominal, factor de escala y respuesta en frecuencia, para que la señal registrada sea un reflejo de la señal aplicada al equipo bajo prueba. Muestra de ello son los tipos más comunes de divisores de tensión desarrollados (divisor resistivo, divisor capacitivo y divisor capacitivo amortiguado), cada uno con características propias que permiten un buen desempeño del sistema de medición y registro en alta tensión. Con el propósito de evaluar el desempeño del sistema de medición y registro, en lo referente a la etapa de conversión, en este trabajo se presentan los aspectos teóricos y prácticos relacionados con el diseño, construcción y evaluación de un divisor capacitivo amortiguado de 300 kV, usado para la medición de señales de impulso de tensión tipo rayo.

Método: Para el diseño y evaluación del divisor de voltaje, se utilizaron herramientas computacionales de simulación, como Mathematica® y Pspice®, las cuales ayudaron a estimar el comportamiento de los componentes del divisor: resistor de amortiguamiento y ramas de bajo voltaje. Del mismo modo, se utilizaron equipos de laboratorio (medidor de respuesta en frecuencia y generador de impulsos de voltaje de 300 kV), para verificar el desempeño de los componentes del divisor. Los ensayos se basaron en pruebas de respuesta en frecuencia, capacidad de aislamiento y obtención de los factores de escala del divisor, de acuerdo con estándares nacionales e internacionales.

Resultados: En la prueba de respuesta en frecuencia realizada al resistor de amortiguamiento, desde 20 Hz hasta aproximadamente 1 MHz, los efectos parásitos son despreciables y la impedancia del resistor se puede considerar puramente resistiva. Por su parte, en la prueba de capacidad de aislamiento, se observó que el resistor puede soportar impulsos de tensión de hasta 10 kV, sin que se produzca ruptura del aislamiento del resistor. Respecto a la verificación de los factores de escala, las diferencias porcentuales no superaron el límite de variación de voltaje pico establecido por norma.

Conclusiones: Los resultados muestran que la metodología desarrollada fue adecuada para el diseño, construcción y simulación del divisor de tensión. Los modelos eléctricos propuestos en la metodología fueron suficientes para obtener resultados confiables en las simulaciones. Finalmente, las contribuciones más importantes del trabajo fueron la construcción de un resistor de amortiguamiento no inductivo y la construcción de una rama adicional de bajo voltaje.

Resumen (en_US)

Context: For years, the safe and effective measurement of high voltage signals has one of the major concerns of those conducting high voltage tests; in these cases, voltage divider represents one of the most important devices for laboratory measurement of signals (such as those generated by lightning). However, the divider must have adequate characteristics of nominal voltage, scale factor, and frequency response, so that the recorded signal is a reflection of the signal applied to the equipment under test. For example, the most commonly developed voltage dividers (resistive divider, capacitive divider, and damped capacitive divider) have their own characteristics that allow a good performance of the high voltage measurement and recording system. This paper presents the theoretical and practical aspects related to design, construction, and evaluation of a damped capacitive divider of 300 kV in order to evaluate the performance of the measurement and recording system in relation to the conversion stage.

Method: Simulation tools such as MATHEMATICA® and PSPICE® were used for the design and evaluation of the voltage divider. These helped estimate the behavior of the divider components (damping resistor and low voltage arms). Additionally, laboratory equipment (frequency response meter and 300 kV voltage pulse generator) was used to verify the performance of the components. The experiments were based on frequency response tests, insulation capacity, and obtaining the scale factors according to national and international standards.

Results: In the frequency response test performed on the damping resistor from 20 Hz to 1 MHz, the parasitic effects are negligible and the impedance of the resistor can be considered purely resistive. In the insulation capacity test, resistor can withstand voltage pulses of up to 10 kV without breaking the resistor insulation. Regarding the verification of the scale factors, the porcentage differences did not exceed the limit of peak voltage variation set by the standard.

Conclusions: The results show the methodology developed was adequate for the design, construction, and simulation of the voltage divider. The electrical models suggested in the methodology were sufficient to obtain reliable results during simulations. Finally, the most important contributions of this work were the construction of a non-inductive damping resistor and the construction of an additional low-voltage branch.

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.

Biografía del autor/a

Juan David Mina Casaran, Universidad del Valle

Ingeniero electricista, magíster en Ingeniería Eléctrica. Estudiante de Doctorado en Ingeniería del Grupo de Investigación en Alta Tensión (Gralta), Universidad del Valle. Cali

Diego Fernando García, Universidad del Valle

Ingeniero electricista, magíster de Generación de Energía Eléctrica, doctor en Ingeniería. Docente del Grupo de Investigación en Alta Tensión (Gralta), Universidad del Valle. Cali

Diego Fernando Echeverry, Universidad del Valle

Ingeniero Electricista, doctor en Ingeniería de la Universidad del Valle. Docente del Grupo de Investigación en Alta Tensión (Gralta), Universidad del Valle. Cali

Referencias

Alfonso, A., Perdomo, L., Santamaría, F. y Gómez, C. (2014). Transient surges analysis in low voltage networks. Tecnura, 18(edición especial doctorado), 41-50. doi: https://doi.org/10.14483/22487638.9241

Daum, W. y Lynch, A.C. (1989). A high-voltage high-frequency voltage divider (for power line transients monitoring). IEE Proceedings A. Physical Science, Measurement and Instrumentation, Management and Education, 136(5), 254-255. doi: https://doi.org/10.1049/ip-a-2.1989.0042

García, D.F. y Rincón, D.F. (2009). Diseño y construcción de un generador de impulso de voltaje de 10 kV. Tecnura, 12(24), 1-10. doi: https://doi.org/https://doi.org/10.14483/22487638.6262

García, D.F., Saens, E.M., Prado, T.A. y Martínez, M. (2009). Metodology for Lightning Impulse Voltage Divisors Design. IEEE Latin America Transactions, 7(1), 71-77. doi: https://doi.org/10.1109/TLA.2009.5173467

IEEE Standard for High-Voltage Testing Techniques (2013). En IEEE Std 4-2013 (Revision of IEEE Std 4-1995), pp.1-213. doi: 10.1109/ieeestd.2013.6515981

International Electrotechnical Commission (IEC) (2010). IEC 60060-2 High-voltage Test Techniques, Part 2: Measuring Systems. Geneva, Switzerland.

Kovačević, U., Brajović, D., Stanković, K. y Osmokrović, P. (2016). Measurement uncertainty of fast pulse voltages measurements with capacitive divider. En 2016 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), pp. 649-653. doi: https://doi.org/10.1109/IPMHVC.2016.8012783

Kuffel, E., Zaengl, W. y Kuffel, J. (2000). High Voltage Engineering- Fundamentals. 2a. ed. Toronto. Newnes. doi: https://doi.org/10.1016/b978-075063634-6/50002-2

Mina, J.D. (2013). Rediseño de un prototipo de divisor de tensión capacitivo amortiguado de 300 kV para pruebas de tensión de impulso. Cali: Universidad del Valle, Biblioteca Digital. doi: https://doi.org/10.22395/rium.v13n25a6

Ortiz, A.J., Jiménez, R. y Ramos, O.L. (2014). Inspección de calidad para un sistema de producción industrial basado en el procesamiento de imágenes. Tecnura, 18(41), 76-90. doi: https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2014.3.a06

Pan, Y., Shao, H., Xiao, D., Lai, L., Shi, L., Zhou, L. y Zhao, W. (2015). Development of 300-kV Air-Insulation Standard Impulse Measurement System. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 64(6), 1627-1635. doi: https://doi.org/10.1109/tim.2015.2408799

Passon, S., Gitin, I. y Meisner, J. (2016). Investigating the properties of precision resistors for the application in high voltage DC dividers. En 2016 IEEE International Workshop on Applied Measurements for Power Systems (AMPS) (pp. 1-6). doi: https://doi.org/10.1109/amps.2016.7602872

Pattanadech, N., Potivetkul, S. y Yuttagowith, P. (2006). Corona Phenomena of Various High Voltage Shielding Types. En 2006 International Conference on Power System Technology (pp. 1–6). Chongqing. doi: https://doi.org/10.1109/icpst.2006.321552

Pattarakijkul, D., Kurupakorn, C. y Charoensook, A. (2010). Construction and evaluation of 100 kV DC high voltage divider. En CPEM 2010 (pp. 677-679). doi: https://doi.org/10.1109/cpem.2010.5543420

Prochazka, R., Hlavacek, J., Knenicky, M. y Mahmoud, R. (2016). Determination of frequency characteristics of high voltage dividers in frequency domain. En 2016 17th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE) (pp. 1-4). doi: https://doi.org/10.1109/epe.2016.7521821

Teachawong, M. y Trakulkan, C. (2014). Design and invention a 150 kV capacitive high voltage divider set. En The 4th Joint International Conference on Information and Communication Technology, Electronic and Electrical Engineering (JICTEE) (pp. 1–5). doi: https://doi.org/10.1109/jictee.2014.6804114

Vera, M.M. y Prado, T. (2006). Diseño y construcción de un divisor de tensión capacitivo amortiguado de 300 kV. Cali: Universidad del Valle, Biblioteca Digital

Yan, W., Zhao, W. y Li, Y. (2018). Effect of Step Response Measurement Arrangement on the Correction of Lightning Impulses Measured with Ultra-High-Voltage Dividers. En 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018) (pp. 1–2). doi: https://doi.org/10.1109/cpem.2018.8501145

Cómo citar
Mina Casaran, J. D., García, D. F., & Echeverry, D. F. (2019). Construcción y evaluación de un divisor de alto voltaje para pruebas de impulso tipo rayo. Tecnura, 23(61), 31-44. https://doi.org/10.14483/22487638.14385
Publicado: 2019-07-01
Sección
Investigación

Artículos más leídos del mismo autor/a