Date post: | 30-Jul-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | luis-e-ardila |
View: | 364 times |
Download: | 0 times |
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
1
PRACTICA 6: ESTUDIO DEL CAMPO MAGNETICO NO HOMOGENEO
Luis E. Ardila Diego M. Calderón José F. Lozano
[email protected] [email protected] [email protected]
ACTIVIDADES PARA ANTES DE INICIAR LA PRACTICA
1. Defina los siguientes términos: electrón, efluvios, ionización y rigidez dieléctrica.
Electrón:
Es una partícula subatómica que tiene una carga negativa y que se encuentra alrededor del
núcleo atómico, su movimiento genera corriente eléctrica y definen las interacciones
atómicas.
Efluvios:
Es un tipo de descarga corona que se da en forma lumínica, se puede observar en
generadores electrostáticos o en la superficie de los conductores que se encuentran
rodeados por un medio conductor, por ejemplo las líneas de transmisión cercanas al nivel
del mar.
Ionización:
Es el proceso por el cual se generan iones, que son átomos o moléculas que dejan de tener
carga neutra y toman exceso de carga positiva o negativa. Esto fenómeno puede suceder
de diferentes formas puede ser químico cuando por medio de reacciones se presenta la
transferencias de electrones entre partículas o también físico cuando diferentes procesos
arrancan electrones de estas, generando iones positivos.
Rigidez Dieléctrica:
Es la capacidad que presenta un material de soportar un determinado nivel de tensión sin
presentar disrupción.
2. ¿Qué diferencias existen entre los siguientes fenómenos: descargas parciales,
disrupción, arco eléctrico y flameo?
Las descargas parciales se presentan antes de formarse el arco eléctrico y no son muy
duraderas, el arco eléctrico se presenta cuando la descarga logra estabilizarse y cuando es
muy intensa se presenta el flameo, si este fenómeno sucede sobre un material dieléctrico
tenemos el fenómeno de disrupción.
3. ¿Qué es y cómo se origina el efecto corona?
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
2
Se conoce como efecto corona al fenómeno que se presenta cuando existen descargas
parciales en la superficie de un material, este se presenta más fácilmente en bordes por la
a comulación de campo eléctrico.
Se origina por la ionización del aire cercano al conductor debida a la alta tensión de este. Al
estar ionizadas pueden conducir corriente eléctrica fácilmente y parte de los electrones que
están en la línea pueden circular por el aire.
4. ¿De qué maneras se manifiesta el efecto corona? Explique brevemente.
Se presentan descargas parciales sobre el material, la circulación de corriente sobre el aire
conlleva a una coloración característica debido a una elevación en la temperatura del gas,
este fenómeno también viene acompañado de un sonido característico.
5. ¿Qué diferencias existen entre una descarga corona negativa y una positiva?
La principal diferencia es que en el caso de punta negativa de genera más de una
avalancha al mismo tiempo y se hayan una cerca de la otra, esto hace que la avalancha
primaria aumente su longitud, es como si se aumentara el electrodo. En el caso de punta
positiva una gran cantidad de iones negativos se acumulan alrededor del ánodo y se
genera un campo eléctrico casi homogéneo entre los iones y en ánodo.
El principal efecto ante la aplicación de un potencial positivo al electrodo punta, es un
aumento significativo del voltaje disruptivo con respecto a que si se aplicara un potencial
negativo debido a que es más difícil que tenga lugar ionización alguna y de esta manera
también la corriente de conducción.
6. Explique brevemente el proceso en el cual al aparecer descargas corona se
genera ozono.
La energía generada en las descargas separa los átomos de la molécula de oxigeno y
estos átomos individúales se pueden re combinar fácilmente con las moléculas que no se
separaron del oxigeno, formando así el ozono.
7. ¿Cómo se ve afectado el proceso de formación del efecto corona si se modifican
las condiciones ambientales como presión, humedad, densidad del aire y
presencia de agua?
Se modifica el tiempo y la tensión disruptiva, puesto que si la presión es mayor la descarga
se da en menor tiempo o si la humedad es alta también.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
3
8. ¿Qué es un streamer y qué relación tiene con los pulsos trichel?
Una descarga streamer se da cuando no es necesaria la recombinación de los electrones
sino solamente depende de la avalancha en sí, puesto que esta ya tiene una gran cantidad
de electrones.
Los streamer se comportan aleatoriamente, a diferencia de los pulsos trichel que son el
resultado de procesos de ionización cíclicos.
ACTIVIDADES Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
I. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los métodos de
medición empleados, muestre el valor de sus componentes y la relación de
transformación de cada uno.
Para llevar a cabo esta práctica satisfactoriamente es necesario contar con sistemas de
medida los cuales nos permitan transformar las altas tensiones en voltajes reducidos los
cuales se puedan medir mediante equipo convencional, este trabajo lo realizan los
divisores de tensión, en este caso utilizaremos dos tipos de estos divisores.
En primera medida tenemos un divisor capacitivo puro, el cual consiste en una
capacitancia de alta de 100 pF, con un ramal de baja de 200 nF, este divisor nos servirá
para medir la tensión a la salida del transformador, y así mediante la relación de
transformación tener un estimado si la tensión esta correcta entre el primario y
secundario del transformador.
Tenemos un segundo equipo de medida, el cual consiste en un divisor resistivo
compensado, el cual cuenta con una rama de alta de 52 pF conectados en paralelo con
243,6 MΩ y un ramal de baja, de un condensador de 50 nF conectado en paralelo con
una resistencia de 240 kΩ.
La configuración y valores de los dos equipos de medida a utilizar durante la práctica se
encuentran resumidos en la figura 9, la relación de transformación de cada uno de estos
divisores es de 1862 para el capacitivo puro y de 928 para el resistivo compensado.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
4
Figura 1. Sistemas de medida, a) divisor capacitivo puro (1862) y b) divisor resistivo compensado (928).
II. Monte un circuito de generación de alta tensión DC positiva y conecte un
electrodo separado a una distancia considerable de la referencia (tierra) de tal
manera que se asegure que por ningún motivo se generara disrupción en el aire.
Aumente la tensión desde cero hasta 50KV, observe y analice los fenómenos que
se presentan durante la prueba. Distinga y explique si aparecieron fenómenos
tales como descargas parciales, efluvios, ionización y efecto corona.
Como primera medida, y con el fin de tener un estimado del rango de tensiones en las
que se presentará el efecto corona para la configuración punta-placa positiva, se monta
el circuito mostrado en la siguiente figura, en el cual se ajusta la distancia inter-
electródica y de esta manera determinar a qué tensión aproximada se presentaran los
distintos fenómenos durante la práctica.
Figura 2. Montaje generación DC positivo, con electrodos punta-placa.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
5
Para la anterior configuración se tomaron medidas a distintas distancias de los
electrodos y se observó la tensión en la que se empezaba a presentar efecto corona,
estos valores se encuentran en la siguiente tabla.
Distancia (cm) Tensión (kV)
2 15,52
3 27,77
4 29,84
5 21,53
Tabla 1. Tensiones donde comienza efecto corona.
Una foto del montaje realizado se puede observar en la siguiente figura.
Figura 3. Montaje realizado en el laboratorio, se observan los electrodos punta-placa.
Después de tener un estimado de la tensión esperada, se procedió a realizar la prueba
para esta configuración de electrodos. Durante la realización de la práctica, se aplico
tensión con una tasa de crecimiento constante, y se registraron los valores en los cuales
se presentaron distintos fenómenos, tales como descargas parciales, efluvios,
ionización y efecto corona, las tensiones registradas se encuentran en la siguiente
sección.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
6
III. Registre los valores de tensión en los cuales se observaron y/o percibieron estos
fenómenos.
Punta positiva Distancia: 2 cm
Tensión (kV) Fenómeno
14,35 Disrupción
14,57 Disrupción
Tabla 2. Tensiones de los fenómenos observados en punta positiva 2 cm.
Punta positiva Distancia: 4 cm
Tensión (kV) Fenómeno
18,49 Efluvio
18,88 Corona
20,19 Fin de prueba
Tabla 3. Tensiones de los fenómenos observados en punta positiva 4 cm.
Cuando se tenía una separación de 4 cm se pudo observar claramente los efluvios
provenientes de la punta positiva descendiendo hacia la placa, la prueba se terminó
para prevenir una disrupción en estas condiciones, el color de los efluvios y el efecto
corona tenían un matiz azuloso.
Punta positiva Distancia: 5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
19,83 Descargas Parciales
20,21 Efluvio
20,39 Corona
22,32 Fin de prueba
Tabla 4. Tensiones de los fenómenos observados en punta positiva 5 cm.
IV. Repita el montaje cambiando la forma del electrodo al menos tres veces, observe
y describa los fenómenos tales como descargas parciales, efluvios, ionización y
efecto corona. Si es posible tome fotografías evidenciando el fenómeno.
La forma de los electrodos se cambió tres veces como se indica en el enunciado,
teniendo finalmente una configuración punta-punta, esfera-esfera y un cable flotante.
En el montaje realizado con un electrodo punta-punta fue mucho más fácil observar los
fenómenos de efluvios, ionización del gas y las descargas parciales, se tomaron
fotografías de estos fenómenos, y los datos se encuentran a continuación.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
7
Distancia: 2 cm
Tensión (kV) Fenómeno
21,42 Disrupción
Tabla 5. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 2 cm.
Distancia: 3,5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
24,27 Disrupción
Tabla 6. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 3,5 cm.
Distancia: 5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
26,68 Pre-descargas
29,23 Efluvio
30,07 Corona
31,64 Disrupción
Tabla 7. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 5 cm.
En una configuración de punta-punta en 5 cm tenemos que en la parte inferior se
presenta una mayor luminosidad del electrodo.
Distancia: 6 cm
Tensión (kV) Fenómeno
28,23 Pre-descargas
31,61 Corona
36,38 Trichel
38,05 Disrupción
Tabla 8. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 6 cm.
En la siguiente figura se puede observar el fenómeno de efluvios en cuales
acompañado de un sonido de vibración bajo, se puede ver como el gas ionizado al
elevar su temperatura presenta un tono azuloso, lo que indica una elevada temperatura.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
8
Figura 4. Punta-punta
Figura 5. Arco eléctrico
Cuando se elevo el voltaje se presenta el fenómeno de descargas eléctricas, el cual
emite una cantidad considerable de luz, es un fenómeno difícil de documentar por que
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
9
la duración es muy corta. Este fenómeno viene acompañado de un gran impacto sonoro
debido a la gran cantidad de energía disipada.
Figura 6. Efluvios
En la anterior imagen se observan gas ionizado a mayor temperatura debido a su que
su color es mas blanco que en la figura 2 en este caso se podían observar a simple
vista algunas descargas parciales muy pequeñas, pero debido a la sensibilidad de la
cámara no se pueden observar. Las descargas parciales emitían un ruido de no muy
elevada amplitud, sonaba como un zumbido.
La segunda configuración consistió en un arreglo esfera-esfera, donde el campo
eléctrico tiene una configuración homogénea, y por lo general no se producirá efecto
corona previo a la disrupción, sin presentarse fenómenos previos visibles como los
observados en una configuración no homogénea. Los valores y fenómenos observados
durante la prueba con estos electrodos se encuentran a continuación.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
10
Distancia: 2 cm
Tensión (kV) Fenómeno
32,88 Disrupción
Tabla 9. Tensiones de los fenómenos observados en esfera-esfera 2 cm.
Distancia: 4 cm
Tensión (kV) Fenómeno
41,02 Pre-descargas
46,40 Fin
Tabla 10. Tensiones de los fenómenos observados en esfera-esfera 4 cm.
La prueba se suspende en 46 kV para evitar una disrupción, y debido a que el rango de
tensiones de interés ya fue superado sin la presencia de fenómenos observables como
en configuraciones no homogéneas previas.
La ultima configuración implementada fue conectar un conductor y se observo efecto
corona en sus extremos
Figura 7. Conductor
El efecto corona se visualiza claramente en los extremos del conductor, puesto que la
configuración en punta genera elevadas concentraciones de campo eléctrico y la
ionización del aire circundante es más fácil.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
11
Cable
Tensión (kV) Fenómeno
12,34 Pre-descargas
15,02 Corona
20,88 Figura 5
Tabla 11. Tensiones de los fenómenos observados en el cable positivo.
La siguiente parte de la práctica consistió en cubrir el conductor con una botella plástica
y acercarle la pértiga en la siguiente imagen se ve una foto del montaje en el momento
de acercar la pértiga.
Figura 8. Conductor cubierto
Este montaje permitió observar los efluvios más fácilmente al crear un gran campo por
la cercanía de los electrodos, pero al mismo tiempo prevenir la disrupción al tener la
botella en medio de los electrodos. Además, al ubicar este elemento se crea una
superficie cuasi-equipotencial (debido a los elevados campos aplicados) sobre la cual
las descargas parciales pueden tener más caminos.
En la figura 6 se tiene una tensión de 23,2 kV y el fenómeno de descargas parciales se
vio a los 7,14 kV.
La última parte del laboratorio pretendía contornear un aislador, el cual se ubicaba entre
el cable conductor y la pértiga.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
12
Figura 9. Aislador
Se pueden observar las descargas parciales que tratan de delinear el aislador, esto no
es fácil de realizar debido a que la el manejo de la pértiga debe ser en extremo preciso
para mantener la distancia de separación de los electrodos, además se presenta el
inconveniente que si se acerca demasiado al conductor se lleva la corriente del
transformador debido a un arco eléctrico y si se deja mucho tiempo puede causar daños
en el transformador, la tensión de contorneo fue de 28,8 kV.
Figura 10. Aislador 2
Al elevar el voltaje las descargas parciales se presentan en mayor cantidad, pero se
debe tener más cuidado con el transformador.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
13
V. Repita las experiencias de los numerales II y III, pero conectando los electrodos
alta tensión DC negativa.
Figura 11. Montaje generación DC positivo, con electrodos punta-placa.
Distancia: 2 cm
Tensión (kV) Fenómeno
-14,34 Pre-descargas
-14,51 Corona
Tabla 12. Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 2 cm.
Distancia: 5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
-17,70 Pre-descargas
-18,89 Corona
-20,68 Inicio Sonido
-27,47 Fin Sonido
-32,51 Efluvio
Tabla 13. Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 4 cm.
Distancia: 5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
-20,30 Pre-descargas
-20,53 Corona
-21,11 Efluvio
Tabla 14 Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 5 cm.
Para la configuración de electrodo flotante, también se aplico tensión negativa, los
valores se encuentran en la siguiente tabla.
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
14
Distancia: 5 cm
Tensión (kV) Fenómeno
-13,66 Pre-descargas
-22,18 Corona
Tabla 15. Tensiones de los fenómenos observados en cable negativo.
VI. ¿Qué conclusiones y diferencias se pueden se pueden rescatar entre efecto
corona negativo y positivo?
Cuando se presenta diferencia entre los electrodos (punta-placa por ejemplo) existe
diferencia entre los voltajes de generación de efecto corona respecto a la polaridad,
debido a que la acumulación de iones y su carga, en el electrodo más
pequeño (punta) inciden en las avalanchas de electrones y también en la forma del
campo eléctrico en las regiones cercanas a los electrodos.
El efecto corona para cada una de las polaridades tiene tonalidades distintas, para el
corona positivo tenemos que tiene un color azuloso, mientras que para el corona
negativo se observo un color tipo rojo.
El efecto corona se presenta a una tensión menor cuando se tiene una polaridad
positiva, mientras que el efecto corona para una polaridad negativa se retarda más en
aparecer.
Existe una diferencia en el orden de aparecimiento de los fenómenos, para la polaridad
positiva generalmente primero aparecen las descargas parciales, luego los efluvios y
finalmente corona, mientras que para la polaridad negativa vienen las descargas
parciales, luego el encendido de corona y finalmente la presencia de efluvios.
VII. ¿Es posible observar pulsos trichel con los montajes realizados en el laboratorio?
Justifique su respuesta.
No, porque los elementos del laboratorio no se encuentran capacitados para medir
señales de tan alto componente en frecuencia, esto es, las mediciones se encuentran
limitadas por el ancho de banda de los equipos, es por esta razón que los pulsos trichel
no son claramente observables con los equipos de laboratorio disponibles.
VIII. Analice y concluya sobre los resultados obtenidos, la configuración de los
electrodos, el tipo de tensión aplicada y las condiciones ambientales que se
presentaron durante la prueba.
Se montaron diferentes configuraciones para observar el efecto corona y se puede decir
que no todas permiten observar efecto corona en el laboratorio. La configuración punta
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
15
placa no permite observar este fenómeno, tal vez porque se necesita un mayor nivel de
obscuridad en el laboratorio.
La mejor configuración que permitió observar el fenómeno de efluvios y descargas
parciales fue punta-punta, debido a la alta acumulación de campo eléctrico. La que se
utilizo para efluvios es el espinterómetro que permite una separación constante de los
electrodos y se puede regular el voltaje entre ellos con la consola. La otra configuración
punta-punta que se utilizo corrió a cargo de un extremo de un conductor y la pértiga, en
este caso era muy difícil mantener la distancia de separación de los electrodos
constante, pero era más fácil manejar un voltaje constante y acercar o alejar la pértiga.
Las condiciones ambientales se mantuvieron estables durante la prueba en 84 % de
humedad y 18 °C, pero si somos estrictos diferentes condiciones de temperatura,
presión, humedad, etc. Cambiarían los voltajes de los efectos.
Lo primero que se hizo en la práctica fue generar corriente alterna, y utilizar el
espinterómetro en su configuración punta a punta. Con sus dos puntas se sujetó un
disco de acrílico, posteriormente, se empezó a subir poco a poco la tensión del
transformador, el primer efecto que se percibió fue un efecto auditivo de baja intensidad,
que manifiesta la concentración de campo eléctrico, esta concentración es mayor en
cada una de las puntas del espinterómetro.
Se siguió aumentando el nivel de tensión, y además de que el fenómeno auditivo
aumentaba su intensidad, se observó una pequeña iluminación violeta en las puntas del
espinterómetro, esta es la manifestación de la ionización en las puntas, este fenómeno
visual es conocido como el efecto corona, el efecto corona está causado por la
ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión en el
conductor. En el momento que las moléculas de aire se ionizan, éstas son capaces de
conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por el conductor
pasan a circular por el aire. Tal circulación producirá un incremento de temperatura en
el gas, que se tornará de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado
para niveles altos. La intensidad del efecto corona, por lo tanto, se puede cuantificar
según el color del halo, que será rojizo en aquellos casos leves y azulado para los más
severos.
Al aumentar un poco más la tensión, se producen descargas parciales en el ambiente,
este fenómeno también se determina por unos “pequeños sonidos de descarga”.
Después de este fenómeno, se llega a la disrupción del aire.
Después de observar varias disrupciones y aumentar más el nivel de tensión, se llega a
la generación de un arco eléctrico entre las dos puntas de espinterómetro, este arco
eléctrico termina perforando el acetato. Finalmente se aumenta más la tensión, hasta el
punto en que la cantidad de energía produce un flameo, y termina destruyendo el
acetato. Después de la prueba se observó el acrílico y se vieron los caminos que toman
ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano
16
las primeras disrupciones alrededor de la superficie del acetato y además las
perforaciones producidas por el arco eléctrico.
CONCLUSIONES
La observación del fenómeno de efecto corona en el laboratorio de alta tensión es
posible si reduce la luminosidad, la mejor configuración que permite observar efluvios y
descargas parciales es punta-punta.
Para poder analizar el fenómeno cambiando de polaridad de los electrodos sería
necesario reducir considerablemente la luz que entra al laboratorio por que en las
condiciones actuales el fenómeno se puede documentar, pero no observar.
Durante la práctica se pudo observar que para llegar a la condición de flameo en la
producción de campo eléctrico no homogéneo, se empieza por la concentración de
campo eléctrico, el cual con el aumento de tensión hace que se produzca la ionización,
se sigue con las descargas parciales, posteriormente se genera una disrupción, y
finalmente un arco eléctrico, el cual puede llegar a generar la condición de flameo si se
tiene una energía bastante grande.
El efecto corona, es un efecto visual, que dadas las condiciones de luminosidad y de
voltajes aplicados se percibe alrededor de un conductor cuando el aire que lo rodea es
ionizado y posteriormente se vuelve conductor. Este efecto visual generalmente es de
color violeta o azul.
REFERENCIAS
[1]LÍNEAS DE TRANSPORTE DE ENERGÍA, Checa Luis María, MARCOMBO, S.A. 1988