ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALbibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/10698/1/CD-6294 sa.pdf · Es por...
289
Transcript of ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALbibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/10698/1/CD-6294 sa.pdf · Es por...
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
ESPECIFICACIÓN DE UN LABORATORIO DE EXTRA ALTO
VOLTAJE PARA LA ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
ELÉCTRICO
JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA
DIRECTOR: DR. GABRIEL SALAZAR YÉPEZ
Quito, Junio 2015
DECLARACIÓN
Yo, JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
__________________________________________________
JUAN DAVID RAMÍREZ GUASGUA
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por JUAN DAVID RAMÍREZ
GUASGUA, bajo mi supervisión.
_____________________________
DR. GABRIEL SALAZAR YÉPEZ
DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTO
Mis más profundos agradecimientos son para mis padres, quienes son el motor de
mis acciones y sin los cuáles nunca habría podido terminar esta etapa de mi vida.
Agradezco al Dr. Gabriel Salazar por haber confiado en mí y haberme ayudado a
realizar este proyecto en un momento de mi vida en que las cosas empezaron a
salir mal. De la misma manera agradezco la ayuda del personal del Departamento
de Energía Eléctrica por la información y diligencia prestada para sacar adelante
este trabajo.
Agradezco a mis compañeros de universidad, muchos de ellos parte del cuerpo
docente de la Escuela Politécnica Nacional, por la ayuda prestada para obtener
información de muy difícil acceso y de gran utilidad para este proyecto.
Agradezco a mi amigo Paul Muñoz y el resto de amigos que en complicidad (y que
aún no sé quienes fueron en totalidad) tuvieron un gran gesto de amistad y
solidaridad cuando pasé malos momentos económicos por causas mayores y me
regalaron el computador en el que redacté este trabajo. Realmente fue un gesto
que nunca voy a olvidar. Sólo en los malos momentos se sabe cuantos amigos
tienes.
Finalmente agradezco a la Escuela Politécnica Nacional por todo lo que aprendí en
sus aulas, por los tiempos vividos, por los amigos conocidos, porque me enseñó
que hay varias formas de llegar a una meta, pero el camino sacrificado es el que
tiene mejor recompensa.
DEDICATORIA
Con todo mi cariño dedico este trabajo
a mis padres Gabriel y María.
Y a todos los que creen en segundas
oportunidades.
I
CONTENIDO
CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1
OBJETIVOS ............................................................................................. 1
1.1.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 1
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 1
ALCANCE ................................................................................................ 2
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ......................................................... 3
ANTECEDENTES .................................................................................... 6
RAZÓN DE LA EXISTENCIA DE UN LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE .......................................................................................................... 10
OBJETIVOS QUE SE VAN A ALCANZAR CON LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE ..................................... 12
JUSTIFICACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE .................................................. 13
CAPÍTULO 2 ........................................................................................................ 20
SITUACIÓN ACTUAL ........................................................................................... 20
RECURSOS DEL LABORATORIO ........................................................ 20
2.1.1 RECURSOS HUMANOS .................................................................. 20
2.1.2 RECURSOS FÍSICOS ...................................................................... 22
2.1.2.1 Kit de construcción de alto voltaje .............................................. 23
2.1.2.1.1 Transformador elevador de Alto Voltaje ................................. 24
2.1.2.1.2 Elementos pasivos de alto voltaje .......................................... 25
2.1.2.2 Sistema de medición y control ................................................... 29
2.1.2.2.1 Sistemas de medición de altos voltajes .................................. 30
2.1.2.3 Equipo complementario ............................................................. 31
SERVICIO ACADÉMICO DEL LABORATORIO .................................... 35
SERVICIO PARA EL MEDIO EXTERNO ............................................... 37
INVESTIGACIÓN ................................................................................... 41
PROBLEMAS DEL LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE ..................... 42
CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 45
PROYECCIÓN DEL NUEVO LABORATORIO ..................................................... 45
EL PROBLEMA DE LA VISIÓN DEFORMADA DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA .................................................................................................. 45
EL PROBLEMA DEL TRABAJO EXPERIMENTAL EN LA EDUCACIÓN CIENTÍFICA ...................................................................................................... 54
PROYECCIÓN ACADÉMICA E INVESTIGATIVA ................................. 57
II
PROYECCIÓN DE SERVICIOS AL MEDIO EXTERNO ........................ 67
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................ 73
ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS E INSTALACIONES ....................................... 73
TIPOS DE LABORATORIOS DE ALTO VOLTAJE ................................ 73
VOLTAJES DE PRUEBA ....................................................................... 76
4.2.1 VOLTAJES DE PRUEBA DE FRECUENCIA INDUSTRIAL ............. 76
4.2.2 VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO ............... 77
4.2.3 VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO DE MANIOBRA ................. 78
4.2.4 VOLTAJES DE PRUEBA DE CORRIENTE DIRECTA D.C. ............. 79
GENERADOR DE VOLTAJE ALTERNO ............................................... 80
4.3.1 VOLTAJE REQUERIDO ................................................................... 81
4.3.2 POTENCIA REQUERIDA ................................................................. 87
4.3.3 TIPOS DE GENERADORES DE ALTO VOLTAJE AC ..................... 89
4.3.3.1 Transformadores de prueba ....................................................... 89
4.3.3.2 Sistemas resonantes .................................................................. 92
4.3.3.3 Opción con sistema de transformadores de prueba. .................. 95
4.3.3.4 Opción con sistema resonante. .................................................. 98
GENERACIÓN DE VOLTAJE CONTINUO .......................................... 113
4.4.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO ............................................... 117
GENERACIÓN DE VOLTAJES DE IMPULSO ..................................... 122
4.5.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO ............................................... 127
GENERACIÓN DE CORRIENTES DE IMPULSO................................ 134
4.6.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO ............................................... 137
EQUIPO DE PRUEBA DE TRANSFORMADORES ............................. 145
4.7.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO ............................................... 151
EQUIPOS E INSTRUMENTOS COMPLEMENTARIOS ...................... 161
4.8.1 SISTEMA DE MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES ............. 163
4.8.2 INSTRUMENTOS ADICIONALES .................................................. 165
REQUERIMIENTOS DE ESPACIO FÍSICO ......................................... 167
REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS ..................................................... 180
4.10.1 SISTEMA DE ILUMINACIÓN.......................................................... 181
4.10.2 CARGA DE LOS SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE ......................... 185
4.10.3 CARGAS ADICIONALES ............................................................... 188
4.10.4 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN ...................................... 189
4.10.5 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ................................................. 192
4.10.6 SISTEMA DE APANTALLAMIENTO .............................................. 194
III
CAPÍTULO 5 ...................................................................................................... 196
PROPUESTA ..................................................................................................... 196
DATOS GENERALES DEL PROYECTO ............................................. 196
5.1.1 Nombre del Proyecto ...................................................................... 196
5.1.2 Unidad Ejecutora ............................................................................ 196
5.1.3 Cobertura y Localización ................................................................ 197
5.1.4 Monto .............................................................................................. 197
5.1.5 Plazo de Ejecución ......................................................................... 197
5.1.6 Sector y tipo del proyecto ............................................................... 198
DIAGNÓSTICO Y PROBLEMA ............................................................ 198
5.2.1 Descripción de la situación actual del área de intervención del Proyecto ...................................................................................................... 198
5.2.2 Identificación, descripción y diagnóstico del problema ................... 198
5.2.3 Línea base del proyecto ................................................................. 201
5.2.4 Análisis de Oferta y Demanda ........................................................ 204
5.2.5 Identificación y caracterización de la población objetivo ................. 211
OBJETIVOS DEL PROYECTO ............................................................ 213
5.3.1 Objetivo General y Objetivos Específicos ....................................... 213
5.3.2 Indicadores de Resultados ............................................................. 213
5.3.3 Matriz de marco lógico .................................................................... 215
VIABILIDAD Y PLAN DE SOSTENIBILIDAD ....................................... 220
5.4.1 Viabilidad técnica ............................................................................ 220
5.4.1.1 Descripción de la Ingeniería del Proyecto ................................ 220
5.4.1.2 Especificaciones Técnicas ....................................................... 223
5.4.2 Viabilidad financiera y/o económica. ............................................... 233
5.4.2.1 Metodología utilizada para el cálculo de la inversión total, costos de operación y mantenimiento, ingresos y beneficios. ............................ 234
5.4.2.2 Identificación y valoración de la inversión total, costos de operación y mantenimiento, ingresos y beneficios. ................................. 235
5.4.2.3 Flujos Financieros y/o Económicos .......................................... 246
5.4.2.4 Indicadores financieros y/o económicos (TIR, VAN y otros) .... 247
5.4.2.5 Evaluación Económica ............................................................. 250
5.4.3 Análisis de Sostenibilidad ............................................................... 251
5.4.3.1 Análisis de Impacto Ambiental y de riesgos ............................. 251
5.4.3.2 Sostenibilidad Social ................................................................ 251
PRESUPUESTO .................................................................................. 252
ESTRATEGIA DE EJECUCIÓN ........................................................... 256
IV
5.6.1 ESTRUCTURA OPERATIVA .......................................................... 256
5.6.2 ARREGLOS INSTITUCIONALES Y MODALIDAD DE EJECUCIÓN .... ........................................................................................................ 256
5.6.3 CRONOGRAMA VALORADO POR COMPONENTES Y ACTIVIDADES ............................................................................................ 256
5.6.4 ORIGEN DE LOS INSUMOS .......................................................... 259
ESTRATEGIA DE SEGUIMIENTO Y EVALUACIÓN ........................... 261
5.7.1 MONITOREO DE LA EJECUCIÓN ................................................. 261
5.7.2 EVALUACIÓN DE RESULTADOS E IMPACTOS .......................... 262
5.7.3 ACTUALIZACIÓN DE LA LÍNEA DE BASE .................................... 262
CAPÍTULO 6 ...................................................................................................... 263
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 263
CONCLUSIONES ................................................................................ 263
RECOMENDACIONES ........................................................................ 270
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 273
ANEXOS ............................................................................................................ 278
V
RESUMEN
En este documento se propone la construcción de un Nuevo Laboratorio de Alto
Voltaje para la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela
Politécnica Nacional. Se parte de la condición actual del laboratorio existente y se
plantea sus limitaciones y necesidades.
Se consideran luego las funciones y utilidades que debería tener el laboratorio en
la actualidad, enfocándose en tres actividades principales: la investigación
científica-técnica, la docencia, y el apoyo al medio externo por medio de servicios.
Se consideran algunos criterios nuevos sobre la forma de estudiar en laboratorios
y desarrollar una visión científica en los alumnos, se proponen algunos criterios
sobre posibles líneas de investigación que se pueden realizar en el campo de los
altos voltajes con ayuda del laboratorio así como la oferta de servicios que podría
cubrirse para ayudar a las empresas del sector eléctrico.
Con las razones antes mencionadas, se propone entonces cuáles deberían ser las
condiciones técnicas del laboratorio. Se formula la necesidad de tener un
Laboratorio de Extra Alto Voltaje con la capacidad de prueba de equipamiento
usado en el sistema eléctrico hasta un nivel de voltaje de 500 kV. En base a ese
criterio se especifican los equipos necesarios de acuerdo a la existencia en el
mercado, y se realiza una estimación del espacio físico y de los requerimientos de
obras civiles y eléctricas.
Finalmente se presenta una propuesta que considera la estimación de la inversión
necesaria para llevar a cabo el proyecto, tiempo de ejecución y actividades a
realizar en base a los lineamientos de la Secretaría Nacional de Planificación y
Desarrollo SENPLADES para la inclusión de proyectos en los planes de inversión
pública, para que este documento sirva como base para la presentación de un
proyecto final que pueda ser financiado.
VI
PRESENTACIÓN
Un nuevo enfoque en la dinámica productiva del país se basa en la idea de que el
país deba ser capaz de ofrecer una cantidad mínima de productos industrializados
para reducir la dependencia de productos extranjeros. En el presente caso nos
concierne el área de equipamientos eléctricos de potencia, ya que para llegar a una
etapa de industrialización con un gran valor agregado nacional se requiere de una
fase de investigación científica-técnica previa.
Es por eso que este proyecto de titulación propone la construcción de un
Laboratorio de Alto Voltaje en la Escuela Politécnica Nacional que sirva para la
investigación principalmente, así como para apoyo a la docencia y la prestación de
servicios al medio externo.
En el Capítulo 1, �Introducción� se presentan los objetivos, alcance y justificación
de este proyecto de titulación. Y también los antecedentes, justificaciones y
objetivos que motivan a la construcción del nuevo laboratorio.
En el Capítulo 2, �Situación Actual� se aborda la realidad del Laboratorio de Alto
Voltaje de la institución, se da una visión de los recursos con los que cuenta, de los
servicios que presta, de las limitaciones que tiene y se resume la problemática que
presenta.
En el Capítulo 3, �Proyección del Laboratorio� se muestran algunos criterios sobre
cómo debería funcionar el laboratorio para proyectarse como cuna de futuros
investigadores, en base a investigación de publicaciones pedagógicas que en los
últimos años han estudiado la verdadera función que han tenido las prácticas de
laboratorio en la enseñanza de las ciencias, y promoviendo nuevas ideas para
cambiar la visión deformada y tradicional de la ciencia que no ha promovido el
desarrollo de la creatividad e innovación, a partir de prácticas en un laboratorio.
En el Capítulo 4, �Especificación de Equipos e Instalaciones� se sugieren los
equipos necesarios para la implementación de un laboratorio de capacidad
VII
suficiente para trabajar con equipamiento de un voltaje nominal de 500 kV. Se
muestran alternativas y especificaciones técnicas de equipos disponibles en el
mercado, se determinan las dimensiones que debería tener el edificio para
emplazar al laboratorio y los requerimientos eléctricos mínimos para su
funcionamiento.
En el Capítulo 5, �Propuesta� se realiza un Perfil de Proyecto en base a las normas
para la inclusión de programas y proyectos en los planes de inversión pública de
SENPLADES. En este perfil se estiman los costos de inversión y operación del
laboratorio, se plantea su viabilidad técnica y económica, se especifican las
actividades a realizarse en base a la metodología del Marco Lógico de un proyecto,
con el fin de que el documento pueda usarse como un borrador de un proyecto final
que se pueda presentar para conseguir financiamiento para la construcción del
laboratorio.
El Capítulo 6, contiene las conclusiones y recomendaciones surgidas a raíz de la
elaboración del presente trabajo.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
La Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional
cuenta con varios laboratorios de uso académico que sirven a las 4 carreras que
ofrece. Dentro de estos laboratorios, está el Laboratorio de Alto Voltaje que
pertenece al Departamento de Energía Eléctrica DEE, laboratorio que tiene
equipamientos muy especiales para generación de altos voltajes y que es uno de
los pocos laboratorios que brinda sus servicios al medio externo mediante ensayos
en equipos y materiales que se utilizan en el sistema eléctrico y que son requeridos
por empresas particulares.
Este laboratorio genera ingresos a la universidad y es de gran utilidad en los
programas de postgrado que está emprendiendo la universidad, en especial el
programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica que lleva a cabo el DEE.
En este capítulo se muestran los antecedentes, las razones y los objetivos que se
van a alcanzar con la construcción de un nuevo Laboratorio de Alto voltaje para la
Escuela Politécnica Nacional.
OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
· Realizar las especificaciones técnicas y de operación para un nuevo
laboratorio de Extra Alto Voltaje para la Facultad de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
· Justificar la necesidad de implementar un nuevo Laboratorio de Altos
Voltajes y Altas Corrientes en el país.
2
· Describir la problemática del actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela
Politécnica Nacional.
· Indicar los lineamientos que debería seguir un nuevo Laboratorio de Alto
Voltaje para afianzar la investigación científica, el desarrollo docente y el
apoyo a la industria eléctrica ecuatoriana.
· Elaborar las especificaciones técnicas mínimas con las que debería contar
un nuevo laboratorio de Alto Voltaje en el aspecto de equipamientos e
instalaciones.
· Proponer la implementación de un nuevo laboratorio de Extra Alto Voltaje
que pueda responder a las exigencias de la modernización industrial y que
sea herramienta para el desarrollo científico-técnico del Ecuador.
· Elaborar el perfil del proyecto de implementación de un nuevo Laboratorio
de Extra Alto Voltaje en formato SENPLADES con el fin de entrar en el plan
anual de inversiones del estado y financiar el proyecto.
ALCANCE
En este proyecto de titulación se explican las condiciones en las que se encuentra
el actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional, y en base
a esos problemas se justifica la propuesta de construcción de un Laboratorio de
Extra Alto voltaje completamente nuevo.
Se indican cuáles son las actividades que se podrían desarrollar en el nuevo
laboratorio recopilando la experiencia del laboratorio existente y poniendo un nuevo
enfoque en la investigación y también se indicará cuál debería ser el recurso
humano que se necesita para llevar a cabo estas tareas.
3
Se especifica de manera general el equipamiento mínimo con el que se debería
contar, las condiciones de trabajo a las que estarán expuestas y la dimensión de
las instalaciones requeridas para emplazar el laboratorio.
Finalmente se diseña la propuesta del nuevo laboratorio en base al Perfil de
Proyectos de la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo SENPLADES. En
este perfil de proyecto está la solución en sí a la problemática existente, se justifica
el proyecto y se indica su viabilidad técnica y económica. Con la finalidad de que
este proyecto sea incluido en el Plan Anual de Inversión Pública del estado
ecuatoriano y así conseguir que el proyecto se haga realidad.
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
El actual Laboratorio de Alto Voltaje de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica viene funcionando ininterrumpidamente desde 1966, tiene algunos
componentes dañados que no se pueden remplazar debido a su inexistencia en el
país, además de contar con equipos muy antiguos y una capacidad limitada, ya que
tiene como valor nominal 100 kV A.C que no nos permiten probar elementos
asociados a las redes eléctricas más allá del nivel de distribución de energía
eléctrica de 22,8 kV.
Por otra parte, la Escuela Politécnica Nacional se halla en una etapa de cambio
generacional, donde una gran cantidad de profesores han salido debido a su
jubilación dejando en la actualidad un vacío en la transición del conocimiento del
área de Alto Voltaje, por lo que el nuevo personal docente que entra a formar parte
de la facultad tiene que asumir el reto de renovar el laboratorio y de impulsarlo para
que sea herramienta de desarrollo científico y de apoyo al sector eléctrico,
actividades que las ha realizado durante estos años ajustándose a sus limitaciones.
Adicionalmente en el mes de junio de 2014 se concretaron los trámites por parte
del rectorado de la E.P.N para que los predios ubicados en la intersección de las
calles Isabel La Católica y Veintimilla (La Universal) junto a la Facultad de Ingeniería
Eléctrica pasen a ser parte de la Escuela Politécnica Nacional. Estos terrenos serán
4
de gran utilidad para nuevas instalaciones que tanto requiere la facultad y por tanto
el limitante del espacio físico para tener un nuevo laboratorio estaría superado.
La idea de un nuevo laboratorio de Alto Voltaje no es nueva, existen antecedentes
como la tesis de Alonso Vicuña con tema: �Diseño del Nuevo Laboratorio de Alto
Voltaje para la Escuela Politécnica Nacional� dirigida por el Ing. Alfredo Mena en
1977. El proyecto presentado por el Ing. Mario Barba �Ampliación y mejoramiento
de servicios en altos voltajes y altas corrientes� y el posterior proyecto �Nuevo
Laboratorio de Pruebas en Alto Voltaje� presentado por el Ing. Paul Ayora al
Departamento de Energía Eléctrica en 2011 muestran la necesidad que ha venido
asentándose con los años de mejorar el laboratorio existente, pero que
desafortunadamente han quedado sólo en proyectos que no han visto realizarse.
La Escuela Politécnica Nacional en noviembre de 2013 recibió por parte del
Consejo de Evaluación, Acreditación y Aseguramiento de la Calidad de la
Educación Superior (CEAACES), la acreditación de la universidad en la categoría
más alta �A� afianzándola como una universidad de excelencia. Esta categorización
exige a la universidad reforzar el campo de la investigación y generar programas
de postgrado a nivel de doctorado.
La Facultad de Ingeniería Eléctrica necesita de laboratorios de calidad para poder
llevar a cabo las investigaciones de su área y promover la generación de
conocimiento que necesita nuestro país. En el caso del nuevo Laboratorio de Alto
Voltaje, la Escuela Politécnica Nacional no cuenta con laboratorios similares a los
de universidades de otros países de la región como el laboratorio de Alta Tensión
en La Universidad de San Juan en Argentina que cuenta con una capacidad de 500
kV en corriente alterna, o la Universidad Simón Bolívar en Venezuela que cuenta
con 920 kV en corriente alterna sólo por mencionar un par de referencias. El
proyecto de un nuevo Laboratorio de Alto Voltaje sería único en el país.
Por otro lado el Laboratorio de Alto Voltaje brinda sus servicios al sector eléctrico
realizando ensayos a diversos equipos y materiales que se usan en este campo. El
apoyo de la universidad es casi único en el país ya que son poquísimas las
5
universidades que cuentan con un laboratorio de Alto Voltaje y mucho menos son
las que brindan servicios al medio externo. Haciendo que si la Escuela Politécnica
Nacional no brinda estos servicios no habría quien los haga. Estos ensayos
limitados que aún se realizan pueden mejorar las condiciones de calidad de los
productos y materiales usados por el sector eléctrico y que en muchos casos debido
a la falta de capacidad para realizarlos las empresas eléctricas deben confiar en las
pruebas que realizaron los fabricantes fuera del país. El laboratorio puede impulsar
el desarrollo de tecnología nacional y fomentar la industria eléctrica ya que es desde
la universidad de donde nacen los proyectos de investigación que luego se
materializan en productos tangibles y comerciales.
Como si no bastasen razones, el Ecuador está incrementando su capacidad de
generación de energía eléctrica y como parte de ello está construyendo por primera
vez líneas de transmisión de 500 kV y con ello incursiona en los niveles de Extra
Alto Voltaje. Sobra decir que las capacidades del laboratorio existente no dan para
investigar todos los fenómenos asociados a niveles tan altos de voltaje. Incluso,
una gran ventaja del nuevo laboratorio sería su ubicación en Quito a 2850 m.s.n.m,
altitud a la cual el aislamiento se deteriora y que las normas dan un tratamiento
empírico ya que dan bases exactas sólo hasta los 1000 m.s.n.m. El estudio del
aislamiento eléctrico con la altitud a altísimos voltajes sería un campo de
investigación de donde se podría investigar muchísimo.
Estas razones han impulsado al Departamento de Energía Eléctrica a sacar
adelante proyectos de mejoramiento de sus laboratorios. El presente proyecto de
titulación servirá como complemento al proyecto de implementación de un Nuevo
Laboratorio de Extra Alto Voltaje como documento en el que están plasmadas las
razones que nos llevan a desear un nuevo laboratorio, las experiencias que se
tienen del actual laboratorio, la forma en que debería operar el nuevo laboratorio,
quiénes deberían ser las personas que lo manejen, los equipos que debería tener,
los servicios que podría brindar y entregar un Perfil del Proyecto para que con este
en mano se pueda gestionar su financiamiento.
6
ANTECEDENTES
El Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional fue instalado en el
año de 1966 por la empresa alemana MESSWANDLER BAU-GMBH, BAMBERG
ALEMANIA, en la facultad de Ingeniería Eléctrica, el cual se utiliza para la
generación y medida de altos voltajes alternos, continuos y de impulso. Cuenta con
las características básicas listadas a continuación:
- Voltaje alterno: 1 Transformador de elevación de 220 V/100 kV, en dos
etapas de 50 kV. Una potencia de salida de 5 kVA en la etapa de 100 kV o
2,5 kVA por etapa de 50 kV.
- Voltaje continuo: mediante rectificación de voltaje alterno se pueden tener
130 kV de voltaje continuo en una etapa o 260 kV en dos etapas. La máxima
corriente que se puede obtener en ambos casos es de 5 mA.
- Voltaje de impulso: se pueden tener impulsos de voltaje normalizados de
1.2/50 us. Mediante una o dos etapas. Teniendo un máximo voltaje de carga
de 130 kV para una etapa con una energía de 60 J. En dos etapas se puede
tener 260 kV mediante voltaje de carga con 120 J de energía.
Estas características están detalladas en las hojas técnicas del laboratorio. Sin
embargo, esto no significa que se puede tener los niveles máximos indicados, por
razones como el deterioro del aislamiento eléctrico con la altitud y el daño de
algunos elementos como rectificadores y capacitores después de tantos años de
trabajo, lo que impide armar los circuitos en doble etapa.
De acuerdo a la norma IEC 60071-1 Coordinación del Aislamiento. El nivel de
prueba de voltaje sostenido y voltaje de impulso para algunos sistemas eléctricos
se muestra en la Tabla 1.1.
7
Tabla 1.1. Niveles de aislamiento eléctrico para sistemas eléctricos según IEC y
corregidos por devaluación de aislamiento al nivel de la ciudad de Quito.
Sistema Eléctrico Valores de norma
Valores corregidos Al nivel de Quito
Voltaje del Sistema
Ecuatoriano
U (kV)
Voltaje Normalizado según IEC
Um (kV)
Voltaje de impulso
atmosférico normalizad
o
VITo (kVp)
Voltaje
sostenido de frecuencia
industrial de corta duración
VFIo (kV)
VITq (kVp) VFIq (kV)
6,3 7,2 60 20 84,4 28,1 - 12 75 28 105,5 39,4
13,2 17,5 95 38 133,6 53,4 22,8 24 145 50 203,9 70,3 34,5 36 170 70 239,1 98,5
Interpretando los niveles de la Tabla 1.1. Para pruebas de voltaje sostenido de
frecuencia de 60 Hz, en teoría se puede probar elementos del sistema de hasta
34,5 kV, ya que se requiere de 98,5 kV y disponemos de 100 kV. Sin embargo, con
todos los años que tiene el transformador de elevación y dependiendo de qué
elemento sea el que se quiera probar, ya que cada elemento actúa como carga, y
por la experiencia en el manejo de este sistema del laboratorio, no siempre es
posible llegar a los 100 kV.
Los ensayos con ondas de impulso de voltaje en cambio son más exigentes en
cuanto al nivel pico de la onda que se aplica. Luego de tantos años de trabajo, hay
dos rectificadores y dos capacitores dañados, que son irremplazables como
elementos únicos e irreparables, esto impide armar el circuito de doble etapa de
impulso, por lo que se dispone sólo de 130 kV de onda de impulso, reduciendo la
capacidad de prueba sólo a elementos del sistema de 13,2 kV.
En resumen, el Laboratorio de Alto Voltaje tiene la capacidad garantizada para
pruebas de voltaje sostenido de frecuencia industrial en elementos que pertenecen
máximo al sistema de 22,8 kV. Y para pruebas de impulso de voltaje del tipo
atmosférico máximo a elementos del sistema de 13,2 kV.
8
Cuando se instaló el laboratorio en 1966, tener un laboratorio de 100 kV bastaba
para los niveles de voltaje que se manejaban. Sin embargo, la expansión del
sistema eléctrico con los años ya evidenciaba la necesidad de incrementar la
capacidad del laboratorio. Es por eso que no es la primera vez que se habla de
repotenciar, renovar y reconstruir el Laboratorio de Alto Voltaje.
Existen referentes históricos sobre propuestas de renovación del laboratorio. En el
año de 1976, apenas a 10 años de la instalación del laboratorio, el Ing. Alfredo
Mena quien trabajaba en la Facultad como docente y estaba a cargo de dicho
laboratorio, ya propuso hacer un laboratorio que para la época pretendía
proyectarse para pruebas en el sistema de 230 kV. Realizó dos Tesis de grado que
han sido referencias para este trabajo:
- Diseño del Apantallamiento y Puesta a Tierra del Nuevo Laboratorio de Alta
Tensión de la E.P.N. Por Jorge Efraín Páez Valencia en 1976.
- Diseño del Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Escuela Politécnica
Nacional. Por Alonso Rafael Vicuña Arellano en 1977.
En aquellos años ya hablaban de la insuficiente capacidad del laboratorio, y
presentaron propuestas, que finalmente no se ejecutaron debido a razones
económicas principalmente.
En la década del año 2000, el Ing. Mario Barba Clavijo, junto a quienes trabajaban
activamente en el área de Alto Voltaje, los ingenieros: Fausto Avilés y Paul Ayora,
elaboró una propuesta para repotenciar el laboratorio existente, con el nombre de:
�AMPLIACIÓN Y MEJORAMIENTO DE SERVICIOS EN ALTOS VOLTAJES Y
ALTAS CORRIENTES�, proyecto en el que proponía cambiar el equipo del
laboratorio por uno nuevo de un nivel de 200 kV AC e instalarlo en el local donde
actualmente está ubicado el Laboratorio de Control de Procesos Industriales, local
que fue construido con el objetivo de que en este espacio funcione el nuevo
Laboratorio de Alto Voltaje; que cuenta con mucho más espacio, entrada para
vehículos, y altura necesaria.
9
En ese proyecto se incluyó no sólo la necesidad de altos voltajes, sino de altas
corrientes y pretendía cubrir los requerimientos para pruebas en el sistema de 69
kV. Este proyecto finalmente no fue financiado y no se ejecutó.
Durante los años 2010 y 2011 el proyecto fue nuevamente retomado, por el Ing.
Paul Ayora, en este proyecto se pretendía construir un laboratorio que pueda
trabajar con componentes del sistema de 69 kV. Proyecto que quedó en propuesta
ya que no se llegó a gestionar su ejecución.
Se realizó la propuesta de un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que sería único en
el país y a nivel de América Latina, y que en palabra del Ing. Paúl Ayora no pudo
ser encaminado debido a un conflicto de ideas: �La idea general de este proyecto
fue presentada al entonces ministro de Energía Ing. Glas �ahora Vicepresidente de
la República- por medio del Ing. Medardo Cadena. Al Ing. Glas le pareció una muy
buena idea, pero consideraba que debía estar en la Universidad Yachay (según
indicó el Ing. Cadena) por lo cual no se continuó con gestiones sobre el proyecto.
Este proyecto tenía un carácter continental, pues no tengo referencia de otro similar
en algún país de América. Se podía trabajar como un centro de altos estudios para
investigación de varios países de América. Quizás se debería refrescar la idea, toda
vez que La Universidad Yachay no va a incursionar en el campo de los altos
voltajes.�
Este último proyecto tiene ideas muy importantes, y que han sido base de este
trabajo, siendo que la Escuela Politécnica Nacional como líder de la educación
nacional debe ser quien impulse la investigación para promover el desarrollo de
nuestro país.
De esta manera se presentan los precedentes sobre los que se ha trabajado y
reconociendo el mérito y dedicación que cada uno de ellos puso al desarrollar sus
proyectos, y que ahora que se han revisado es imprescindible nombrarlos y
hacerles llegar la gratitud que la Facultad de Ingeniería Eléctrica les debe por su
trabajo, y con la mejor forma de agradecimiento que es hacer realidad las ideas que
tuvieron.
10
RAZÓN DE LA EXISTENCIA DE UN LABORATORIO DE ALTO
VOLTAJE
Un estudiante de ingeniería de la Escuela Politécnica Nacional está altamente
considerado y cotizado en la industria y áreas en las que se ha especializado,
debido al nivel educativo y la reputación que la universidad ha ganado durante
muchos años de trabajo riguroso.
A pesar de ello, es de conocimiento general, y en base a la experiencia del autor
de este trabajo siendo aún un estudiante de la institución, que la formación de un
estudiante politécnico es mayoritariamente teórica, pero que deja una debilidad en
la parte práctica, que según muchos empleadores que contratan a politécnicos
jóvenes resulta un problema inicial en su vida laboral y que es complicado suplir en
la vida profesional. Siendo que estos testimonios también salen de los jóvenes
recién graduados quienes expresan que pudieron haber aprendido más cuando
eran estudiantes.
El trabajo en un laboratorio sirve para comprobar las teorías físicas de la naturaleza
en la realidad, para crear nuevos inventos que deban ser perfeccionados hasta
obtener el resultado deseado, y para descubrir efectos o fenómenos que sólo se
perciben cuando se lleva a cabo un experimento. El laboratorio es la herramienta
del científico para hacer realidad sus ideas.
El trabajo en el laboratorio también perfecciona capacidades en cada persona,
como la observación, la iniciativa, la curiosidad, la disciplina y el orden, y algo muy
importante como la capacidad de trabajar en equipo. Muchos empresarios que
contratan a jóvenes politécnicos se han expresado sobre la debilidad social que
tiene el estudiante, y lo difícil que resulta para muchos cooperar en equipos de
trabajo o comunicarse efectivamente. [1]
En el caso específico de Alto Voltaje, el laboratorio y su cátedra es la primera
experiencia que tiene un estudiante de ingeniería eléctrica con la carrera en sí. Es
la primera y única vez que puede experimentar con campos eléctricos muy altos
11
teniendo su seguridad garantizada. Es la primera experiencia con equipos del
sistema eléctrico, con transformadores, aisladores, disyuntores, seccionadores,
apartarrayos, cables, aceites, gases, etc. y donde el estudiante se puede dar cuenta
de la magnitud del sistema eléctrico.
En el ámbito técnico, la formación que se da en el laboratorio trata de acercar al
estudiante con la vida real, con la industria del sector eléctrico. Porque es imposible
concebir un ingeniero eléctrico que no sepa el funcionamiento de los elementos
elèctricos, o peor aún, el nombre de las partes de un sistema cuando se encuentra
ejerciendo su profesión.
Por parte de los servicios externos, la Escuela Politécnica Nacional como autoridad
en el área, realiza pruebas y certificaciones que son solicitadas por personas
naturales y jurídicas relacionadas con el sector eléctrico y a pesar de que pudiesen
ser hechas por otras universidades, o por personas con estudios especializados,
siempre solicitan que sea la �Politécnica� quien realice las pruebas, muestra fiel de
la confianza y garantía de su capacidad.
A pesar de las limitaciones que tiene el Laboratorio de Alto Voltaje, siempre que
existen los requerimientos para realizar un ensayo se hacen los trabajos solicitados,
cumpliendo el objetivo institucional de servir a la sociedad y a la industria
ecuatoriana.
La razón principal por la que debe existir un Laboratorio de Alto Voltaje en la
Escuela Politécnica Nacional es la Investigación Científica-Técnica, ya que con el
mismo se puede incursionar en los estudios de aislamiento eléctrico aprovechando
la elevación sobre el nivel del mar de Quito. Es posible trabajar sobre la elaboración
de nuevos materiales dieléctricos, sobre el diseño de equipos de alto voltaje, con el
fin de generar una industria nacional de insumos para el sector y de este modo
reducir importaciones. Existe la posibilidad de ahondar el estudio de la
compatibilidad electromagnética y de más efectos del campo eléctrico. Todo esto
con el fin de hacer un mejor país, con más industria y calidad técnica.
12
OBJETIVOS QUE SE VAN A ALCANZAR CON LA
IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO LABORATORIO DE ALTO
VOLTAJE
Las razones que motivan al Departamento de Energía Eléctrica DEE, se basan en
tres ejes:
- Apoyo a la docencia
- Apoyo a la industria eléctrica
- Ejecución de programas de investigación científica.
Para ello es necesario construir un Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje, construcción
que cubrirá tanto la infraestructura física como la formación de las personas que
manejarán el nuevo centro.
Internacionalmente se acepta que sobre los 345 kV, se trate a los sistemas como
de Extra Alto Voltaje EHV, por tanto se ha considerado que el nuevo laboratorio
debe tener capacidad para trabajar con elementos del sistema de 500 kV que
entrará a funcionar en Ecuador, y en base a ello, proponemos la creación de un
Laboratorio de Extra Alto Voltaje que cumpla con el siguiente objetivo:
Objetivo General o Propósito:
Implementar un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que permita realizar investigación
científica, docencia, y brindar servicios al sector eléctrico ecuatoriano en el control
de calidad de equipamiento de sistemas eléctricos de hasta 500 kV.
Para poder cumplir con esta meta se necesita cumplir varios objetivos específicos
que harán realidad cada uno de los ejes indicados anteriormente.
13
Objetivos Específicos:
· Elaborar la Planificación Técnica para el Diseño y Construcción del
Laboratorio de Alto Voltaje
· Construir un laboratorio de Alto Voltaje con la capacidad para poder realizar
pruebas a los componentes físicos del sistema eléctrico de potencia de hasta
un nivel de 500 kV.
· Formar al Recurso Humano suficiente y especializado en Técnicas de Alto
Voltaje que haga carrera en la Escuela Politécnica Nacional.
· Elaborar un Cuerpo Normativo para el funcionamiento del Laboratorio de Alto
Voltaje
· Hacer partícipe efectivo a la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
en la solución de problemas técnicos y en el desarrollo de la investigación
científica, revirtiendo de esta forma la inversión que realiza el país en la
educación superior.
· Ofrecer servicios de pruebas de laboratorio al sector eléctrico para asegurar
la calidad y seguridad de cada componente del sistema eléctrico.
· Contar con asistencia y transferencia de tecnología en la operación del
primer año del nuevo laboratorio.
JUSTIFICACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN NUEVO
LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE
Desde que el sistema eléctrico del Ecuador se unió para formar el Sistema Nacional
Interconectado ha crecido vertiginosamente debido al incremento de la demanda
eléctrica de la sociedad, que cada día tiene un mayor consumo eléctrico, reflejo del
ritmo de la modernización actual. Aunque en algunas épocas se descuidó la
14
expansión que el sistema debía tener produciéndose con ello temporadas de cortes
de energía y racionamientos. La política actual del gobierno ha emprendido el
trabajo de fortalecer el sistema eléctrico con la construcción de nuevas centrales
de generación, con el fin de tener energía disponible en los años venideros.
El sistema actual de transmisión de energía trabaja a niveles de voltaje de 138 kV
y 230 kV. Con la construcción de los Proyectos Emblemáticos de generación
hidroeléctrica como Coca-Codo Sinclair de 1500 MW y Sopladora de 487 MW, se
necesita poder llevar toda la energía que van a generar al sistema nacional, por lo
que por primera vez se va a construir un sistema de transmisión de 500 kV.
Este nivel de voltaje va a traer nuevas experiencias a todos los que trabajan en el
sector eléctrico. En ese nivel de voltaje las condiciones de coordinación de
aislamiento cambian a las conocidas en el actual sistema de 230 kV, se ven nuevos
efectos de corona, se tienen elementos más grandes y más potentes, èsta es una
de las razones por las que se ha decidido que el nuevo laboratorio debe tener la
capacidad de realizar ensayos a los elementos que forman parte de este sistema,
y con ello se podría probar cualquier elemento del sistema eléctrico de valores
nominales menores o iguales a 500 kV.
Al tener la capacidad de trabajar en este nivel de voltaje se puede empezar a
trabajar en varias áreas de investigación. Una de las áreas que no se tiene
normalizada sobre los 2000 m.s.n.m. es la degradación del aislamiento, la cual se
puede estudiar por la ubicación del laboratorio en Quito. Se puede trabajar en el
desarrollo de equipamientos y elementos de fabricación nacional al tener las
herramientas con las que experimentar y promover tecnología propia. Sería posible
certificar que los componentes del sistema eléctrico cumplen con los requisitos
técnicos establecidos por normas internacionales y que en muchos casos al no
poderse realizar en el país, se debe recurrir a laboratorios del extranjero o confiar
en las pruebas del fabricante.
Un laboratorio totalmente equipado, con tecnología de punta que vaya a la
vanguardia del desarrollo de la industria eléctrica, motiva a los docentes y
15
estudiantes a desarrollar y proponer ideas que sirvan como proyectos de
investigación al tener un área de trabajo de calidad.
En las políticas de gobierno actuales, se elaboró el Plan Nacional del Buen Vivir,
que posee 12 objetivos para el desarrollo, la inversión pública y la regulación
económica. Dentro de este plan hay algunos objetivos con los que este proyecto se
cohesiona, y que son: [2]
Objetivo 4. Fortalecer las capacidades y potencialidades de la ciudadanía
Bajo las políticas:
· 4.4 Mejorar la calidad de la educación en todos sus niveles y
modalidades, para la generación de conocimiento y la formación integral de
personas creativas, solidarias, responsables, críticas, participativas y
productivas, bajo los principios de igualdad, equidad social y territorialidad
· 4.5 Potenciar el rol de docentes y otros profesionales de la educación
como actores clave en la construcción del Buen Vivir
· 4.6 Promover la interacción recíproca entre la educación, el sector
productivo y la investigación científica y tecnológica, para la transformación
de la matriz productiva y la satisfacción de necesidades
· 4.7 Promover la gestión adecuada de uso y difusión de los conocimientos
generados en el país
Este objetivo pretende cambiar la sociedad ecuatoriana, de una economía de
recursos materiales a una economía de recurso infinito: el conocimiento. Este
objetivo pretende formar investigadores que desarrollen el sector productivo
nacional donde la universidad sea creadora de patentes. [2]
16
Involucra al sector educativo con el sector productivo y la investigación científica y
tecnológica para transformar la matriz productiva del país. Promueve el desarrollo,
transferencia e innovación de tecnología nacional. Amplia la inversión pública y
privada para la transferencia de conocimiento y tecnología, y para formar
investigadores y sus respectivos programas de investigación. Estos son algunos de
los componentes de este objetivo a los que se va a contribuir mediante la ejecución
de este proyecto.
El deseo de la EPN ha sido siempre usar la ciencia en beneficio del ser humano, y
el proyecto del nuevo Laboratorio de Alto Voltaje y de otros laboratorios que están
en el mismo proceso de modernización, ha sido siempre pensando en enfocar su
esfuerzo en producir conocimiento y formar investigadores que generen ideas que
luego se hagan patentes que sirvan a la industria nacional, porque existen en el
país personas capaces y con el potencial para hacer tal trabajo.
Objetivo 10. Impulsar la transformación de la matriz productiva.
Bajo las políticas:
· 10.1 Diversificar y generar mayor valor agregado en la producción nacional
· 10.2 Promover la intensidad tecnológica en la producción primaria de
bienes intermedios y finales
Este objetivo busca una economía basada en la producción de conocimiento para
que desemboque en la transformación de las estructuras de producción. La acción
organizada del sistema económico, la incorporación del conocimiento y la
transformación de las estructuras productivas que se deben encaminar a la
sustitución de importaciones, la creación de industrias y nuevos sectores que sean
competitivos, productivos, sostenibles, sustentables y diversos. [2]
La transformación de la matriz productiva supone un gran paso en la frontera
científico-técnica, con una nueva visión en las formas de producir que promuevan
17
la diversificación productiva en nuevos sectores que permitan pasar de una
economía basada en la extracción de recursos naturales hacia una estructura
orientada a la producción del conocimiento y la innovación y que de esa manera se
pueda dar un valor agregado a la producción nacional.
Este objetivo promueve la educación y la formación técnica para lograr tal
transformación. Se desea conjugar la educación, la tecnología y la investigación
con el sector productivo, en base a las necesidades actuales del sector y también
promover conocimientos futuros.
Es opinión del autor de este trabajo y quizá de muchas personas que forman parte
de la universidad en general, que es necesaria la relación y el trabajo conjunto de
la industria y la universidad. Trabajo que aún no se hace de la mejor manera, siendo
por eso que la universidad no puede suplir todos los requerimientos que la industria
necesita y que la industria exija conocimientos que no adquirieron en la etapa
estudiantil a sus trabajadores, siendo que ambos gremios se necesitan para
evolucionar.
Es notable el ejemplo de la República de China mejor conocida como Taiwan, un
país en una isla más pequeña que la provincia de Pichincha, con más de 23
millones de habitantes, que es un líder mundial en tecnología y es una de las
economías más fuertes del Pacífico. Este país de pescadores apostó por el
conocimiento y la industrialización en los años ochenta, sin tener la capacidad
tecnológica ni económica que tenían los países desarrollados como Estados Unidos
o Japón. [3]
Pero ellos optaron por ligar la educación con la industria. Crearon un parque
científico, un instituto de investigación de tecnología industrial, y un paquete de
incentivos financieros. El Ministerio de Economía se dedicó a coordinar esfuerzos
para ligar a las empresas, el parque científico, el instituto de investigación, las
universidades y los laboratorios nacionales para integrar los talentos, los
productos, el capital, la tecnología y el espíritu empresarial en una labor de
hormigas muy bien coordinadas y con alta eficiencia, que hicieron que un grupo de
18
pequeñas compañías haga crecer la economía de un país tan pequeño pero con
metas firmes, que en la actualidad sigue construyendo parques científicos, centros
de investigación y centros de incubación en las universidades. [3]
En el actual Laboratorio de Alto Voltaje llegan muchas veces zapatos de protección
personal para trabajos eléctricos, sus fabricantes, son en muchas ocasiones
artesanos, que quieren participar en contrataciones para proveer su calzado a las
empresas eléctricas y petroleras del país, pero que no cuentan con la formación ni
la información necesaria para hacer un producto de calidad que les permita
expandir sus negocios. Durante el breve tiempo que el autor de este proyecto
trabajó en el laboratorio tuvo la satisfacción personal de poder ayudar a más de uno
de los constructores de zapatos indicándoles sus observaciones mientras hacía los
ensayos y las conclusiones que sacó de tales pruebas para que ellos mejoren su
producto. Es interesante pensar en que si con el aporte en algo sencillo como las
pruebas en zapatos es posible ayudar a una parte productiva del sector eléctrico,
lo que se podría hacer con un laboratorio de envergadura y con personal altamente
calificado por nuestra industria sería muy valioso.
El deseo del Departamento de Energía Eléctrica es utilizar el nuevo laboratorio con
el fin de generar investigación, que pueda ser utilizada en la industria eléctrica y
afines. Se tiene clara la concepción de un trabajo multidisciplinario, que conjugue a
la universidad y la industria, y que aúne esfuerzos con los demás laboratorios de la
Escuela Politécnica Nacional para el desarrollo de tecnologías, por ejemplo: para
el desarrollo de nuevos materiales aislantes se debe trabajar en conjunto con
profesionales de la ingeniería química, mecánica y física.
De esta manera el proyecto de implementación del Nuevo Laboratorio de Extra Alto
Voltaje se alinea al Plan Nacional del Buen Vivir y permite promover la investigación
científica y técnica para el desarrollo de la industria nacional, así como la formación
de docentes investigadores y de mejores profesionales de la carrera.
Fomentar el trabajo interinstitucional siempre ha sido una política de la Escuela
Politécnica Nacional. La apuesta del actual gobierno por una sociedad del
19
conocimiento y que tiene un hito de referencia: la creación de Yachay, una ciudad
que conjugará la industria y la universidad, es una decisión que la universidad
aplaude y celebra pero debe manifestar que sólo con Yachay el cambio que se
espera no será posible. Se debe trabajar a nivel nacional involucrando a todas las
universidades del país, y dándoles los recursos necesarios para que todas ellas
puedan desarrollarse.
El nuevo laboratorio no estará destinado únicamente a los estudiantes de Ingeniería
Eléctrica de la EPN, sino que estará abierto a trabajar en conjunto con todas las
instituciones que lo requieran, pudiendo trabajar con investigadores de varias
universidades y de la misma Yachay.
La Escuela Politécnica Nacional tiene la experiencia acumulada de varias
generaciones de profesionales, el prestigio a nivel nacional de ser una institución
de alto nivel calificada en la categoría más alta de la evaluación de universidades
del Ecuador, que está abriendo programas de posgrado como el �Doctorado en
Ingeniería Eléctrica�. Pero para ello también requiere de inversión para renovar no
sólo el laboratorio de Alto Voltaje sino todos los laboratorios de las diferentes
facultades que vienen funcionando por décadas y que no permiten desarrollar
investigación adecuada.
En el Ecuador sólo existen tres instituciones de educación superior que cuentan
con un Laboratorio de Alto Voltaje, y sólo la Escuela Politécnica Nacional brinda
sus servicios al medio externo con este laboratorio.
El Laboratorio de Extra Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional va a ser
único en su tipo en el país, y a nivel de la región estará al nivel de sus símiles en
las más importantes universidades de países como Argentina, Chile o Venezuela.
20
CAPÍTULO 2
SITUACIÓN ACTUAL
Antes de proponer una alternativa que permita alcanzar los objetivos planteados en
el capítulo anterior. Es necesario hacer un análisis de la situación actual en la que
funciona cotidianamente el Laboratorio de Alto Voltaje. Este análisis se hace
teniendo en consideración los recursos físicos, académicos, de investigación y de
servicios al medio externo.
RECURSOS DEL LABORATORIO
El Laboratorio de Alto Voltaje perteneciente al Departamento de Energía Eléctrica
DEE de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica FIEE de la Escuela
Politécnica Nacional, viene funcionando desde el año de 1966 y sus servicios
principales son los académicos. Adicionalmente presta sus servicios al medio
externo mediante realización de ensayos a petición de las diversas empresas del
sector eléctrico, para ello cuenta con los recursos que se describen a continuación:
2.1.1 RECURSOS HUMANOS
En la actualidad se vive una época de transición y cambio generacional en la
universidad. Debido a la entrada de una nueva ley de educación y la salida masiva
de profesores que se acogieron a una jubilación complementaria que sólo les era
válida si se jubilaban antes de finalizar el año 2014.
Esto ha hecho que una enorme cantidad de profesores de todas las facultades
hayan salido de la institución sin poder transferir su conocimiento a los nuevos
profesionales. En especial porque muchos de los profesores eran quienes
manejaban el trabajo de los laboratorios, quienes tenían todo el conocimiento
adquirido a través de años de experiencia y que es muy difícil de adquirir en tan
poco tiempo para los nuevos profesionales que entran a formar parte del nuevo
cuerpo docente de la EPN.
21
En el caso del Laboratorio de Alto Voltaje se cuenta con un nuevo profesor,
graduado de Ingeniería Eléctrica y con nivel de Maestría en Ingeniería Eléctrica
obtenida en la Escuela Politécnica Nacional que es el jefe del laboratorio. Dos
Técnicos-docentes con formación de Ingeniería Eléctrica que dictan las clases del
Laboratorio de Alto Voltaje. Y un auxiliar de laboratorio que es un estudiante de la
carrera de ingeniería eléctrica que se encarga del mantenimiento del laboratorio y
de servicios auxiliares. Profesionales que son parte de la nueva generación de
docentes de la universidad, con mucha convicción y deseo de servicio. Es
importante mencionar que estas personas formarán parte de los programas de
investigación que está planificando la facultad. Por ello deberán capacitarse
continuamente, hacer estudios de postgrado, trabajar en el laboratorio tanto en los
programas de investigación como en los servicios al medio externo.
En la opinión del autor los nuevos docentes adscritos al Departamento de Energía
Eléctrica deben formar parte activa del trabajo de todos los laboratorios. Esto podría
ser mediante rotación de las áreas en las que se los ubique, debido a que si el
conocimiento se encapsula en una o dos personas, sin ellas el funcionamiento de
los laboratorios se vuelve caótico.
Si todos los nuevos técnicos-docentes rotan por cada área de especialización, en
un par de años cualquiera de ellos podría ejecutar sus acciones en cualquier
laboratorio del departamento, y así, no se tendría el problema de que debido a
alguna eventualidad como que un docente viaje por un largo tiempo fuera del país,
o renuncie a su puesto de trabajo, deje un vacío difícil de llenar para el resto del
cuerpo docente, cosa que sucede en la actualidad debido a la jubilación masiva de
profesores.
Por otra parte, una nueva generación de profesionales siempre trae consigo
grandes ideas y proyectos, que usualmente no solían ser escuchados por ser
propuestos por gente muy joven. A eso hay que añadir el entusiasmo de la juventud,
y la facilidad del manejo de nuevas tecnologías que hacen más fácil modernizar la
infraestructura de los laboratorios. El personal de la Escuela Politécnica Nacional
22
siempre se ha caracterizado por salir adelante con excelencia, sin importar los
recursos limitados.
2.1.2 RECURSOS FÍSICOS
El Laboratorio de Alto Voltaje funciona en el aula E-008 del edificio antiguo de
Ingeniería Eléctrica, en el subsuelo. Es un local de medio tamaño que mide 16
metros de largo por 12 metros de ancho y 3,85 metros de alto. Como se ve en la
Figura 2.1
Figura 2.1. Área del Laboratorio de Alto Voltaje
El laboratorio cuenta con una oficina para dos personas con sus respectivos
computadores y escritorios. Cuenta con pupitres unipersonales y una pizarra. El
laboratorio propiamente dicho está dentro de una Jaula de Seguridad, la cual es
una jaula de metal formada por una malla con dos puertas de acceso, y se completa
con la malla de tierra, malla en el techo y en las paredes.
23
El fin de esta jaula es albergar el equipo de generación de alto voltaje, de manera
que las personas que trabajan en el laboratorio operen los equipos desde fuera de
dicha jaula, y de esta manera están protegidos del alto voltaje debido al efecto de
la Jaula de Faraday que los aísla del alto campo eléctrico. En la Figura 2.2 se puede
observar una foto frontal de dicha jaula.
Figura 2.2. Foto frontal de la Jaula de Seguridad del laboratorio de Alto Voltaje
2.1.2.1 Kit de construcción de alto voltaje
El corazón del laboratorio es el �Kit de Construcción de Alto Voltaje�. Este es un
conjunto de elementos que nos permiten generar altos voltajes AC, DC y de
impulso. Este set fue proporcionado en 1965 por la empresa alemana
MESSWANDLER BAU-GMBH, empresa que en la actualidad no existe al haber
sido absorbida por una empresa más grande llamada Haefely Test A.G.
Este equipo ha durado décadas de uso continuo, y debe ser cambiado a la
brevedad posible. El mantenimiento, cuidado y uso responsable ha hecho que dure
muchos más años de los que debiese. Algunos componentes están dañados y son
irreparables e imposibles de conseguir por unidades. Si llegase a fallar una parte
vital del conjunto como el transformador elevador, todo el laboratorio quedaría sin
utilidad.
24
Este conjunto de construcción es muy útil, ya que permite armar diversos circuitos
que se ven en la teoría de Alto Voltaje y comprobar las leyes físicas tras cada
fenómeno. Y permiten que cada alumno este directamente vinculado, trabajando,
armando, midiendo y pensando lo que sucede con cada práctica que realiza.
A continuación se muestra una lista de los elementos que conforman el kit de Alto
Voltaje.
2.1.2.1.1 Transformador elevador de Alto Voltaje
El kit cuenta con un transformador elevador TGZ de 220 V / 100 kV. 60 Hz. De
aislamiento tipo seco de resina fundida. Puede tener dos salidas de 50 kV. La
potencia máxima de salida es de 5 kVA, con una cargabilidad de 50 mA durante 15
minutos. Se puede ver este transformador y sus datos en las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5.
Se alimenta con una fuente variable controlada desde una mesa de control fuera
de la jaula de seguridad que varía entre 0 y 250 V. El transformador cumple con la
norma IEC 60060-1 respecto a las características de su forma de onda para ser
considerada como voltaje de pruebas.
El trasformador es la única fuente de generación de alto voltaje del laboratorio.
Entrega un máximo de 100 kV de corriente alterna y a partir de ella obtener 130 kV
DC y 130 kV de impulso. Al ser único, su cuidado es altísimo porque está sometido
a esfuerzos que aparecen en los ensayos dieléctricos donde se producen
descargas a tierra que representan corto circuitos para el transformador.
Figura 2.3. Transformador elevador de 100 kV
25
Figura 2.4. Características del transformador elevador de 100 kV
Figura 2.5. Esquemas de conexión del transformador elevador.
2.1.2.1.2 Elementos pasivos de alto voltaje
A partir del alto voltaje alterno que se puede obtener del transformador, mediante
sencillos circuitos eléctricos se puede obtener alto voltaje DC y de impulso. Para
ello se cuenta con capacitores, diodos y resistencias de valores específicos y
aislados hasta 140 kV. A continuación se enlista estos elementos en la Tabla 2.1.
26
Tabla 2.1. Elementos pasivos del kit de Alto Voltaje
Cantidad Símbolo Denominación Características
4 GS Rectificadores de Selenio. 140 kV � 5 mA � 500 k!
3 CS Capacitor de choque. 140 kV � 6000 pF
3 CB Capacitor de carga y de
medida para voltajes de
impulso.
140 kV � 1200 pF
1 CM Capacitor de medida. 100 kV � 100 pF
2 RD Resistencia de
amortiguamiento.
140 kV � 4160 ! - 60 W
2 RE Resistencia de descarga. 140 kV � 9500 ! - 60 W
2 RL Resistencia de carga. 140 kV � 50 k! - 125 W
2 RM Resistencia de medida. 140 kV � 140 M! - 1 mA
i. Rectificadores de selenio sumergidos en aceite
Son diodos de selenio que tienen una resistencia de protección de 500 k! a 8 W,
resistencia que limita la corriente de cortocircuito a 25 mA durante 5 segundos. Se
utiliza para rectificar alto voltaje AC y obtener alto voltaje DC y de impulso. Como
se ve en la Figura 2.6.
Figura 2.6. Rectificador de alto voltaje
Existencia: 4 unidades.
Funcionales: 2 unidades.
27
ii. Capacitor de 6000 pF
Capacitores que se utilizan como aplanadores de onda rectificada. Tienen una
pequeña inductancia de unos 1.5 uH. Como los demás capacitores del kit tienen
aislamiento de papel impregnado en aceite.Se muestra en la Figura 2.7.
Figura 2.7. Capacitor de choque de 6000 pF
Existencia: 3 unidades.
Funcionales: 2 unidades.
iii. Capacitores de 1200 pF
Capacitores que se utilizan tanto como capacitores de carga o como divisores de
voltaje. Tienen una salida para conectar una capacitancia secundaria en caso de
usarse como divisores tal como se aprecia en la Figura 2.8.
Figura 2.8. Capacitor de 1200 pF
Existencia: 3 unidades.
Funcionales: 2 unidades.
28
iv. Resistencias
Las resistencias se utilizan para los circuitos generadores de impulsos, como
resistencias de carga y de medida. Hay resistencias de 416 !, 9500 !, 50 k!, 140
M!. Como se ven en la Figura 2.9.
Figura 2.9. Resistencias de alto voltaje
Existencia: 6 unidades.
Funcionales: 6 unidades.
v. Explosores
En el kit hay tres explosores de ignición o esferas de medida. Estas esferas se
utilizan para generación de altos voltajes de impulso y para medición de voltajes.
Tienen control mediante pequeños motores desde la mesa principal fuera de la
jaula. Uno de ellos se ve en la Figura 2.10.
Figura 2.10. Esferas de medida y de ignición.
29
Existencia: 4 unidades.
Funcionales. 4 unidades.
vi. Recipiente de Vessel
Este recipiente permite probar la característica dieléctrica de gases a diferentes
niveles de presión, con un máximo nivel de sobrepresión de 5 kg/cm2 como se
puede ver en la Figura 2.11.
Figura 2.11. Recipiente de Vessel
2.1.2.2 Sistema de medición y control
El Kit de Alto Voltaje se controla desde una mesa fuera de la jaula mostrada en la
Figura 2.12. En esta mesa están instalados dos contactores que conectan la
alimentación de bajo voltaje y alto voltaje. Tienen interruptores de encendido y
apagado, y un interruptor de desconexión de emergencia. Tiene un
autotransformador de 0 a 250 V que se controla con un volante en la mesa y que
permite variar la salida de voltaje del transformador hasta 100 kV.
30
La mesa tiene un amperímetro en el lado de bajo voltaje que cuenta con un relé de
sobre corriente, el que desconecta el contactor del lado de alto voltaje cuando hay
una descarga y la corriente excede el umbral de 25 A y así protege al transformador
de cortocircuitos sostenidos, controla también las luces indicadoras de la jaula:
verde para indicar que no hay alto voltaje conectado y rojo para indicar la presencia
de alto voltaje. La mesa además posee instrumentos de medición para los diversos
tipos de altos voltajes.
Figura 2.12. Mesa de control del equipo de Alto Voltaje
2.1.2.2.1 Sistemas de medición de altos voltajes
Para la medición de altos voltajes alternos se cuenta con un divisor capacitivo
marca Hipotronics y un medidor de la serie kVM 200 A. Es un dispositivo digital que
permite medir alto voltaje AC y DC hasta 200 kV. Se ve en la Figura 2.13.
Sus valores nominales son: 200 kV rms de AC. 200 kV DC. 283 kV pico.
31
Figura 2.13. Sistema de medición de alto voltaje AC / DC
Adicionalmente se cuenta con instrumentos analógicos de medición más antiguos
que se enlistan a continuación:
· Voltímetro electrostático YEW, con aislamiento propio, para valores
eficaces de 0 a 50 kV.
· Resistencia de 140 M! con un miliamperímetro de bobina móvil, graduado
en kV, conectado en serie.
· Punta de Alto Voltaje Fluke hasta 40 kV.
· Osciloscopio Tektronix TDS 1012B junto al capacitor de 1200 pF para
medición de alto voltaje de impulso.
2.1.2.3 Equipo complementario
Se cuenta con accesorios para pruebas dieléctricas de láminas, sólidos y aceites
según normas ASTM. El juego de electrodos para pruebas de aceite sólo permite
hacer la prueba según la norma ASTM D877 pero no se cuenta con los electrodos
para prueba de aceite según norma ASTM D1816, que es una norma más actual y
más realista.
32
El laboratorio cuenta con ciertos equipos que han sido adquiridos con los años y
que permiten realizar ciertas pruebas de aislamientos y resistividad de suelos, así
como instrumentos de medida como multímetros, vatímetros, entre otros. En la
Tabla 2.2 se describen estos elementos adicionales.
Tabla 2.2. Equipos de medición del laboratorio
Cantidad Descripción
1 Divisor capacitivo Hipotronics 200 kV
1 Kilovoltímetro digital KVM 200-A
1 Kilovoltímetro DC MWB
1 Kilovoltímetro Electrostático YEW 5194020
1 Osciloscopio Analógico GOULD OS4020
1 Osciloscopio Digital Tektronix TDS1012B
1 Analizador Industrial FLUKE 1735
3 Multímetros digitales Fluke 87-V
2 Probadores de aislamiento eléctrico MEGGER MIT410
2 Telurómetros MEGGER DET4TCR2
1 Ohmímetro MEGGER DLRO10HD
1 Megaóhmetro 5kV MEGGER MIT 525
1 Pinza amperimétrica digital Fluke 337
1 Pinza amperimétrica analógica Fluke 80i-600
1 Punta de medición de alto voltaje Fluke 80K-40HV
1 Amperímetro analógico AC YEW
1 Amperímetro analógico AC/DC AEG
1 Amperímetro analógico AC/DC GOSSEN
1 Voltímetro AC YEW
1 Voltímetro DC YEW
1 Wattímetro analógico monofásico AEG
3 Wattímetros analógicos monofásicos YEW
1 Multímetro Analógico SIEMENS
1 TTR (Transformer Turn Ratiometer) AEMC 8500
1 Megaóhmetro 5 kV AEMC 5060
33
1 Telurómetro AEMC 4630
1 Termómetro Fluke IR 63
1 Registrador de descargas parciales BIDDLE 855
1 Probador de aceites dieléctricos Hipotronics 100 kV
1 Microamperímetro MWB
1 Voltímetro AC MWB
Estos equipos se utilizan en diversas prácticas de laboratorio donde hay que
realizar mediciones de resistencia de aislamiento, relaciones de transformación,
mediciones de potencia, de voltaje, de corriente, de resistividad y de resistencia de
puesta a tierra, se usan también en los diversos ensayos que se hacen para el
medio externo. Aunque recientemente fueron donados equipos por parte de la
empresa MEGGER, la mayoría de instrumentos son antiguos, y con un estado de
calibración indefinido.
Por otra parte, de los instrumentos listados, la gran mayoría son instrumentos para
medición en bajo voltaje, salvo los medidores de aislamiento. El laboratorio no tiene
sistemas de prueba de aislamiento como por ejemplo Hi-POTs, o sistemas de
medición de descargas parciales, sistemas de medición de tangente de delta que
son básicos.
A estos equipos hay que sumarle otros elementos que existen en el laboratorio,
algunos que han sido realizados como proyectos de titulación de pregrado y otros
como es el caso de transformadores de distribución que se han ido almacenando y
usando gracias a donaciones. Estos se listan en la Tabla 2.3.
Tabla 2.3. Elementos adicionales del Laboratorio de Alto Voltaje
Cantidad Descripción
1 Cámara de niebla. Realizada como tesis de grado EPN
1 Transformador de alto voltaje 200 kV/240 V. Realizado como tesis
de grado EPN
34
1 Capacitor de medida 200 kV, 50 pF. Realizada como tesis de
grado EPN
1 Mufla para estudio de envejecimiento de materiales. 30 kV.
Realizada como tesis de grado EPN
1 Tanque de nitrógeno de 75 kg
2 Tanques de SF6 de 75 kg
2 Bombas de vacío de 2 HP
1 Transformador de distribución 7620V/220V 5 kVA
1 Transformador de distribución 7620V/220V 70 kVA
2 Transformadores de distribución 7620V/220V 3 kVA
1 Transformador de distribución 7620V/220V 10 kVA
1 Transformador trifásico 1200/220 V 15 kVA
1 Autotransformador 120/240 V
De estos últimos elementos hay que recalcar que muchos están sin ser utilizados,
por las siguientes las razones:
· La cámara de niebla no se utiliza porque se necesita un compresor de aire y
una bomba de agua, cuya compra no se ha gestionado.
· La mufla para estudio de materiales no se utiliza porque no se han llevado a
cabo estudios de materiales debido a la falta de programas de investigación
por parte del Departamento de Energía Eléctrica.
· El sistema de transformador y capacitor de 200 kV tiene roto un aislador, el
mismo que podría ser reparado, pero no se ha hecho este tipo de gestión
por parte del personal del laboratorio.
· Existen dos tanques de Hexafluoruro de Azufre SF6 que se pueden utilizar
para la práctica de descarga en gases del Laboratorio de Alto Voltaje, pero
no tienen una válvula de reducción de presión,la misma que rodea los 250
dólares norteamericanos, y que ha sido solicitada en muchas ocasiones, sin
respuesta hasta la actualidad.
35
De lo detallado anteriormente se puede observar que el laboratorio tiene
limitaciones como:
1.- Tiene elementos dañados en el equipo de generación de alto voltaje.
2.- No cuenta con los equipos de medida que debería tener un laboratorio que se
dedica a esta área.
3.- Muchos instrumentos son antiguos y requieren renovarse para garantizar las
mediciones, en especial cuando se brindan servicios al medio externo de
contrastación de equipos.
En resumen el laboratorio puede considerarse como un pequeño laboratorio
experimental de nivel educativo, con fines específicos académicos y de capacidad
muy limitada.
SERVICIO ACADÉMICO DEL LABORATORIO
El laboratorio se toma en la actualidad como co-requisito de la materia de Alto
Voltaje de la carrera de Ingeniería Eléctrica. En dicha materia se estudian las
propiedades de los elementos aislantes. Las prácticas de laboratorio están
orientadas a la generación y medición de altos voltajes, a la descarga eléctrica en
gases, líquidos y sólidos. Se complementan con ensayos de laboratorio bajo
normas a elementos de redes eléctricas y transformadores.
En los últimos años ha habido un incremento de alumnos en la carrera, siendo que
en ciertos períodos existan dos paralelos de la cátedra de Alto Voltaje. En promedio
se tienen cursos de unos 40 alumnos por semestre que usan este laboratorio.
Información más detallada se ve en la Figura 2.14.
En las prácticas de laboratorio no se puede tener a más de cuatro estudiantes por
sesión, esto es debido a normas de seguridad en el trabajo de Alto Voltaje y porque
36
no es posible tener una gran cantidad de alumnos trabajando en un mismo
experimento donde existe solamente un equipo con el que trabajar.
Figura 2.14. Cantidad de alumnos que utilizan el laboratorio de Alto voltaje por período
lectivo. Fuente: Coordinación de Carrera
Por otra parte el laboratorio trata de ir de la mano con la teoría que se está
estudiando en la asignatura, de modo que el estudiante tiene conocimiento de lo
que va a hacer en la práctica y se prepara de mejor manera.
Durante años las prácticas se han modificado muy poco, por un lado porque el
equipo del laboratorio no permite hacer otro tipo de ensayos, y por otra parte,
porque se han considerado suficientes principalmente por dificultad de incrementar
prácticas con recursos limitados y coordinar horarios.
De esta manera el laboratorio está satisfaciendo a una población muy pequeña de
la facultad, pero existe la posibilidad de incrementar su servicio académico al
utilizarlo como ayuda de la materia de Diseño en Alto Voltaje. Esta materia se puede
apoyar del laboratorio para trabajar sobre coordinación de aislamientos y puestas
a tierra.
2010 A 2011 A 2012 A 2013 A 2014 A 2014 B Esperanza
Alto Voltaje 38 44 48 33 46 33 40
0
10
20
30
40
50
60C
an
tid
ad
de
Alu
mn
os
37
También es posible usar el laboratorio como apoyo en ciertas prácticas del
laboratorio de Distribución de Energía Eléctrica, al poseer elementos que
conforman las redes de distribución como: seccionadores, apartarrayos, aisladores
y transformadores.
El principal trabajo que debe hacerse es coordinar entre los diferentes docentes
para usar y aprovechar al máximo las instalaciones y equipos del laboratorio.
SERVICIO PARA EL MEDIO EXTERNO
La Escuela Politécnica Nacional tiene como uno de sus objetivos brindar
asesoramiento y servicio técnico a la industria del país. De esa manera hay muchos
laboratorios de la universidad que brindan sus servicios al medio externo. En la
Facultad de Ingeniería Eléctrica actualmente es el único laboratorio que brinda
servicios a las personas naturales o jurídicas que así lo requieran.
Sin embargo, estos servicios también afrontan el problema del cambio
generacional, ya que eran los profesores que se jubilaron quienes se encargaban
de hacer estos trabajos. Con este cambio abrupto no hubo el tiempo suficiente para
capacitar a los nuevos profesionales con el fin de que sigan brindando tales
servicios. A eso hay que añadir que tales trabajos muchas veces requieren de
iniciativa y trabajo manual para resolver alguna problemática, cosa que no todos
los docentes están dispuestos a hacer.
Las exigencias del sector eléctrico crecen cada día al ritmo que el sistema eléctrico
nacional se expande, pero el laboratorio no ha crecido en todos esos años haciendo
que tenga una capacidad muy limitada para resolver los problemas de las personas
que trabajan en el área eléctrica.
La razón de la demanda de los servicios del Laboratorio de Alto Voltaje se debe a
que constantemente las empresas eléctricas del país requieren de insumos, entre
los que se hallan equipos de seguridad personal, equipos y elementos de
construcción de redes eléctricas. Cada vez que necesitan adquirir tales materiales,
38
exigen a sus proveedores el cumplimiento de estándares de calidad, que son
verificados por medio de pruebas de laboratorio, que no existen en el país. Es ahí
donde se busca el apoyo de la Escuela Politécnica Nacional para comprobar la
calidad de sus productos. Cuando los industriales no pueden obtener los ensayos
de sus equipos en la universidad y ante la inexistencia de laboratorios acreditados
en el país, deben realizar sus ensayos en el exterior lo que se refleja en costos más
altos en su producción.
La Escuela Politécnica Nacional mediante el servicio de pruebas de laboratorio
apoya al desarrollo del sector eléctrico manteniendo siempre su imparcialidad a la
hora de hacer sus juzgamientos sobre la calidad de los elementos bajo pruebas.
Aunque la capacidad de generación de alto voltaje es limitada, en el laboratorio se
pueden probar elementos de redes eléctricas de distribución de hasta un nivel de
22,8 kV. Aunque cada caso debe ser analizado antes de decidirse a realizar un
ensayo.
A pesar de que todas las pruebas se hacen mediante la guía de normas técnicas
nacionales e internacionales, es gracias a la iniciativa e imaginación del personal
del laboratorio, su capacidad de utilizar los conceptos y equipos existentes, lo que
ha permitido realizar pruebas de complejidad en las condiciones actuales del
laboratorio y que no pudieron ser hechas en otra institución.
En la actualidad en el laboratorio se realizan las pruebas que se describen a
continuación; sin que esto signifique que son las únicas que se pueden hacer:
· Pruebas eléctricas sobre calzado de seguridad: el calzado de seguridad de
los trabajadores eléctricos debe cumplir con normas internacionales y es de
gran importancia ya que cuida la vida de las personas. Esta prueba es una
de las más comunes que se realizan en el laboratorio. Se tiene la capacidad
de probar calzado dieléctrico, antiestático y conductivo. El ensayo se hace
bajo las normas ASTM F2412-11 y F 2413-11.
39
· Pruebas dieléctricas sobre guantes aislantes: los guantes aislantes son
utilizados por todos los trabajadores que laboran sobre líneas eléctricas
energizadas. No hace falta recalcar que un guante en mal estado significaría
la muerte de una persona. El ensayo se hace sobre la norma ASTM D120.
· Pruebas sobre transformadores de distribución: se pueden realizar ensayos
de rutina sobre transformadores de distribución. En la actualidad las
empresas distribuidoras de energía eléctrica poseen su propio laboratorio de
pruebas de transformadores por lo que no existe una gran demanda de estas
pruebas. Dichas pruebas se hacen bajo las normas IEC 76, ANSI C57.12 y
C57.12.90, ASTM D877.
· Pruebas dieléctricas de aceites: se pueden probar las características
dieléctricas de aceites usados como aislantes de transformadores,
disyuntores, reconectadores y otros. La mayoría de empresas realiza
pruebas sobre sus aceites cada año según sus programas de mantenimiento
preventivo. En el laboratorio se realizan bajo la normas ASTM D 877.
· Pruebas dieléctricas sobre cables: se realizan pruebas sobre diferentes tipos
de cables que se utilizan en ingeniería eléctrica y electrónica, pueden
probarse cables aislados de medio voltaje como cables de
telecomunicaciones. Dependiendo del caso y aplicación de cada cable se
considera si se puede o no realizar cada ensayo. Las normas que sirven de
guía son las normas ASTM, del INCONTEC, y normas nacionales INEN.
· Prueba dieléctrica de aisladores: se pueden probar aisladores de tipo
cerámico y polimérico, de tipo rollo, pin, suspensión, line-post. Las pruebas
que se hacen se basan en la familia de normas ANSI C29. Que cubre a todos
los aisladores eléctricos.
· Contrastación de equipos: es posible realizar contrastaciones de equipos
usados en ciertas áreas de la ingeniería eléctrica. Estos ensayos consisten
en la comparación de tales equipos con los del laboratorio, para determinar
40
si las mediciones que realiza el equipo están dentro del margen de error
especificado y para garantizar que tal equipo aún sea funcional. En el
laboratorio se han contrastado equipos de pruebas de aislamiento Hi-POT
que generan alto voltaje DC en el orden de los 200 kV, se han probado
medidores de resistividad y resistencia de puesta a tierra, medidores de
relación de transformación TTR y megaóhmetros.
Aunque las pruebas antes listadas son las más comunes, siempre se analiza en
cada caso la posibilidad de realizar un ensayo sobre otros elementos. Tal es el caso
de que se han probado aislamientos de contadores de energía, pinzas para medir
corriente, secuencímetros, transformadores de instrumentación y otros.
Por otra parte existe una limitación muy grande en cuanto a pruebas de alta
corriente que se requieren en el caso de apartarrayos y pararrayos, elementos muy
comunes en el sistema eléctrico. También no existe la capacidad para hacer
pruebas de conductividad eléctrica sobre cables especialmente debido al
requerimiento de alta corriente, y como se mencionó en el capítulo 1, no se posee
la capacidad de voltaje para probar elementos de sistemas superiores al de
distribución de energía eléctrica.
De esta manera el laboratorio cumple con su misión a cuestas, usando al máximo
sus recursos humanos y físicos para brindar un buen servicio a la colectividad. Sin
embargo, los servicios que brinda el laboratorio son insuficientes y dejan
desprovistos a los industriales nacionales de un medio para certificar sus productos
y poder competir en el mercado de insumos eléctricos con empresas extranjeras
incluso a nivel nacional.
En la Tabla 2.4 se muestran los ingresos anuales que genera el laboratorio.
Ingresos que si bien son modestos, se dan todos los años a la Escuela Politécnica
Nacional, pero no se ven reflejados en la remodelación o adquisición de equipos
que hace mucho tiempo se requieren.
41
Tabla 2.4. Ingresos del Laboratorio de Alto Voltaje por año. Fuente: Departamento
de Energía Eléctrica EPN
Año Ingresos (US$)
2012 6396,32
2013 21 480,48
2014 6068,16
INVESTIGACIÓN
Durante muchos años la investigación en el Laboratorio de Alto Voltaje, así como
los servicios al medio externo ha sido limitada. Muchas veces debido a que las
actividades de investigación de la institución son en su mayoría personales y no
cuentan con los recursos económicos suficientes.
En años pasados, se han realizado por medio de proyectos de titulación,
investigaciones sobre efecto corona, características dieléctricas de materiales,
diseño y construcción de equipo periférico como: aisladores, transformadores de
corriente, trasformadores de distribución.
Hay que mencionar que nunca ha habido programas de investigación, y el trabajo
que se ha realizado ha salido de la iniciativa de los profesores que pasaron por el
laboratorio y vieron necesario hacer algún proyecto con los recursos existentes.
En la actualidad, luego de la salida masiva de profesores y el cambio generacional,
hay que esperar un tiempo de adaptación para empezar con propuestas en el
campo investigativo, específicamente al área que concierne a este trabajo en altos
voltajes.
La Facultad de Ingeniería Eléctrica ha abierto los programas de doctorado, teniendo
a la investigación científica como base. Con esta nueva meta en mente, los futuros
doctorandos serán quienes junto a los profesores principales del Departamento de
Energía Eléctrica propongan y ejecuten programas de investigación, que esta vez
sean planificados y estructurados, con presupuestos y plazos de ejecución.
42
El éxito de la formación del personal investigador depende del apoyo económico
que pueda dar la institución, y de las herramientas que pueda tener a mano para
realizar tales proyectos. En él caso del laboratorio actual, no cuenta con las
facilidades para realizar investigación, hay carencia de equipos específicos, los
pocos equipos que existen están limitados y es difícil combinar las clases con la
investigación en el mismo espacio físico.
Existe el talento humano para llevar a cabo investigación en la EPN. Uno de los
problemas que existía era la falta de formación de investigadores, es decir, cada
profesor se dedicaba a investigar si quería, pero la mayoría no lo hacía ya que tenía
suficientes horas de trabajo con su carga académica. Por tal razón, sólo
investigaban quienes encontraban facilidades para hacerlo, como: tiempo, dinero,
laboratorios y ayudantes.
La nueva administración de la universidad está apuntando a la formación de
investigadores a tiempo completo, decisión que es muy acertada, pero no se debe
olvidar que sin las herramientas necesarias, llevar a cabo tales investigaciones
resulta muy difícil o incluso ilusorio.
En el campo de los Altos Voltajes existe una gran cantidad de camino por recorrer,
la altitud sobre el nivel del mar de Quito permite investigar sobre fenómenos de
degradación de aislamiento. Se puede desarrollar tecnología de materiales, mejorar
diseños de equipos y elementos para sistemas eléctricos y promover la industria
eléctrica nacional. Todo eso si se consigue modernizar el laboratorio, porque de
otro modo, es muy difícil.
PROBLEMAS DEL LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE
Con base en lo mostrado en los puntos anteriores, el actual Laboratorio de Alto
Voltaje tiene muchas deficiencias tanto técnicas como humanas, las cuales no
permiten un adecuado desarrollo pedagógico de los estudiantes, limitan la
capacidad de servicio al medio externo y no permiten desarrollar programas de
investigación en el área.
43
Por lo tanto es primordial resolver los problemas que tiene el laboratorio para poder
impulsar los cambios y el desarrollo de una mejor carrera en Ingeniería Eléctrica.
Problemas que se enumeran a continuación:
· El laboratorio cuenta con equipos muy antiguos (1966) que ya han cumplido
su vida útil.
· La capacidad de generación de voltaje del laboratorio es de 100 kV AC. La
cual es muy baja para realizar ensayos sobre equipos que trabajan en
sistemas de subtransmisión y transmisión de energía eléctrica, es decir 69,
138 y 230 kV respectivamente, y peor con el advenimiento del nuevos
sistema de transmisión de 500 kV. El límite de pruebas del laboratorio es
para elementos de 22,8 kV que corresponden al Sistema de Distribución de
Energía.
· Los componentes del Set de Construcción de Alto Voltaje (diodos y
capacitores) se hallan dañados por el paso de los años y no se pueden
reparar ni reemplazar debido a que la empresa proveedora de tales equipos
ya no existe y estos elementos no se venden por separado ni se hallan en el
país.
· Existe sólo un transformador de alto voltaje y pocos elementos pasivos, por
tanto existe una limitada cantidad de circuitos que se pueden armar. Además
de que ante un daño en el transformador el laboratorio quedaría fuera de
servicio.
· Ante la salida de los profesores por jubilaciones de la EPN, el laboratorio se
quedó sin la cantidad suficiente de personal especializado en Alto Voltaje
que se encargue de llevar a cabo el manejo del laboratorio, pruebas para el
medio externo y que impulse la investigación en el área.
· El equipo actual es de enfoque didáctico y pedagógico. Tiene una potencia
de 5 kVA lo que no permite simular condiciones de altas corrientes como
para probar apartarrayos o aplicaciones que requieran de alta potencia.
44
· El laboratorio no puede producir ondas de impuso especiales.
· No se posee equipo complementario necesario como probadores de
descargas parciales, medidores de tangente de delta, probadores de
aislamiento, cámara de lluvia, entre otros.
· El espacio actual del laboratorio no es el adecuado para uno de gran
capacidad. Tal laboratorio requeriría de un portón para ingreso de vehículos
y un puente grúa para carga de equipos pesados.
· La oferta de servicios es limitada debido a la capacidad del equipamiento,
del recurso humano, y de la falta de protocolos o normativas de pruebas y
servicios.
· El laboratorio produce ingresos a la Escuela Politécnica Nacional, pero estos
no se retribuyen en la adecuación y mantenimiento de la infraestructura del
mismo que está en mal estado.
La resolución de estos problemas será la base para la propuesta final que se
presenta en el capítulo 5 y que busca una manera de promover la docencia, los
servicios al medio externo y la investigación científica en el Departamento de
Energía Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional.
45
CAPÍTULO 3
PROYECCIÓN DEL NUEVO LABORATORIO
En este capítulo se propondrá el camino y las actividades que deberá seguir el
nuevo Laboratorio de Alto Voltaje, sobre la base de tres aspectos que son: el
académico, la investigación y los servicios al medio externo. Proyección que
pretende plantear una nueva orientación en el trabajo de laboratorio y también el
desarrollo de los recursos humanos y físicos con que cuenta el laboratorio.
EL PROBLEMA DE LA VISIÓN DEFORMADA DE LA CIENCIA Y
LA TECNOLOGÍA
Un problema que muchos estudiantes afrontan desde los niveles básicos de
educación es tener claro el concepto de la ciencia y de la actividad científica; en
parte, debido a que durante toda una vida estudiantil se tienen muchos profesores
de los cuales se heredan ciertas �imágenes� de lo que es la actividad científica, a
eso sumarle la modificación de los modelos educativos en los últimos años hacen
que tener una visión clara de la actividad científica sea todo un reto.
Este tópico toma relevancia debido a que la propuesta de la universidad, de este
trabajo de titulación y del gobierno actual es encaminarse a una sociedad que tenga
investigadores, que promueva el desarrollo de la ciencia y de la tecnología. Pero
llevar a cabo tal objetivo es bastante complicado en cuanto en principio la visión de
cada actor de este cambio sobre la actividad científica puede ser muy diferente.
Existen muchos investigadores sobre pedagogía y ciencias de la educación
aplicadas a todos los niveles que durante décadas han buscado llegar a descubrir
las causas de estas diferentes formas de ver la ciencia, y proponer métodos que
ayuden a tener una didáctica educativa que aclare la visión de lo que debería ser
un científico.
46
El Dr. Pablo Valdés Castro, profesor del Instituto de Tecnologías y Ciencias
Aplicadas de la Habana-Cuba, tiene una gran cantidad de artículos publicados
sobre temas afines a la temática de la ciencia en la educación, en sus trabajos
habla de una deformación criticada por todos los grupos de docentes sobre la
transmisión de una visión descontextualizada, socialmente neutra, que olvida
dimensiones esenciales de la actividad científica y tecnológica, como su impacto
en el medio natural y social o los intereses e influencias de la sociedad en su
desarrollo. [4]
Es habitual considerar a la tecnología como la aplicación de conocimientos
científicos, es más, muchas veces se ha visto a la tecnología como una actividad
menor a la ciencia pura. Eso en muchas ocasiones ha generado dos tipos de
estudiantes, por un lado quienes tenían los �peores rendimientos escolares� eran
orientados a estudios de tecnologías mientras que quienes tenían mejores
rendimientos se orientaban a estudios de ciencias. Formando así una separación
social de la primacía del trabajo �intelectual� sobre las actividades prácticas
�manuales� propias de la técnica.
Esta es una de las primeras visiones distorsionadas de la relación ciencia-
tecnología. Basta pensar en la historia y ver como la actividad técnica ha estado
milenios antes a la aparición de la ciencia, y que por esa parte no puede
considerarse una simple aplicación de conocimientos científicos. Así mismo, las
invenciones y desarrollos tecnológicos no pueden considerarse mera aplicación de
determinadas ideas científicas, porque muchas veces dichos desarrollos
tecnológicos tienen una prehistoria independiente de las ideas científicas, como en
casos muy particulares, provienen de las necesidades humanas que han ido
evolucionando, de otras invenciones que les precedieron, o de la práctica y
experiencia acumulada.
Por ejemplo, el caso del experimento de Oersted donde se dio cuenta que una
aguja magnética se mueve por la presencia de un conductor con corriente eléctrica,
por sí misma no sugería la idea se utilizarse para la invención del telégrafo. Sino
que fue producto de una necesidad creciente de la población, de la existencia de
47
una tecnología más antigua de telegrafía, de la existencia de baterías más potentes,
que ya se habían construido largos conductores y otros elementos necesarios para
tener tal invento. Esta forma de ver las cosas permite romper la primera idea que
se tiene sobre la tecnología, que es una mera aplicación del conocimiento científico
para la elaboración de artefactos. Y que hace que la educación científica de la gente
pierda por tener una infravaloración de la tecnología frente a la ciencia. [5]
Pero tampoco debe confundirse la idea, y tratar de separar la tecnología de la
ciencia. Desde la revolución industrial muchos tecnólogos han usado
crecientemente los conocimientos y estrategias de la investigación científica para
mejorar sus productos. La interrelación ciencia-tecnología ha crecido debido a su
incorporación en actividades industriales y productivas, lo que ha hecho que hoy en
día sea casi carente de interés hacer una diferenciación de un trabajo como
puramente tecnológico o puramente científico.
Lo que sí interesa destacar es algunos aspectos de las relaciones ciencia-
tecnología para evitar visiones deformadas que empobrecen la educación en estas
áreas. El objetivo de los tecnólogos1 fundamentalmente es producir y mejorar
artefactos, sistemas y procedimientos que sirvan a satisfacer necesidades
humanas, más que a contribuir a la comprensión de teorías. Eso no quiere decir
que no utilicen o construyan conocimientos sino que los construyen para
situaciones específicas y reales, por tanto muy complejas, en las que no se puede
dejar de lado aspectos que en una investigación científica pueden ser obviados,
pero que en el caso del diseño y manejo de productos tecnológicos es necesario
contemplar.
De este modo el trabajo tecnológico, en un estudio resulta ser más limitado porque
busca resolver un caso particular mas no generar un cuerpo de conocimientos, y
es más complejo ya que no considera trabajar en condiciones ideales. La idea que
predomina es el �cómo� sobre �el por qué�, ya que la pregunta de cómo hacer tal
1 En este texto, la referencia a tecnólogos no se debe confundir con un título de educación superior como el
que existe en Ecuador, sino a aquella persona que se dedica al trabajo tecnológico sin distinción de su nivel
de educación.
48
artefacto no puede responderse sólo por principios científicos; al pasar de un diseño
a la construcción de prototipos y luego a elaborarlos en un sistema óptimo para su
producción real se encuentra uno con una cantidad de problemas y muchos
insospechados que deben resolverse, para que al final se tenga el producto
deseado que funcione en las situaciones que se planificaron.
Es muy común en muchos textos de educación hallar simples enumeraciones de
algunas aplicaciones de los conocimientos científicos sobre la tecnología, cayendo
en una exaltación simplista de la ciencia como factor absoluto del progreso. Se
pierde de esta forma una oportunidad de conectar la vida diaria de los estudiantes
con lo que supone la realización y concepción práctica de artefactos y su manejo
real. Estos planteamientos positivistas se han centrado en promover la
absolutamente necesaria contextualización de la actividad científica, discutiendo
los problemas, sus aplicaciones y posibles resultados, pero dejan de lado otros
aspectos clave en lo que se refiere a tecnología como tomar en cuenta los medios
y los fines, el diseño de prototipos, la optimización de procesos de producción,
análisis de costos y riesgo-beneficio, la introducción de mejoras en un producto a
raíz de observar cómo funcionan en la vida real, en fin, todo lo que tiene que ver
con la realización práctica y el manejo real de los productos tecnológicos de los que
depende nuestra vida diaria. [5]
Por otra parte, también existe la visión de que la ciencia y la tecnología son las
culpables de la actual situación en el deterioro del planeta, lo que es fácil de creer
y que luego afecta otra vez nuestra visión de tales actividades. No se puede negar
que son científicos quienes estudian los problemas a los que se enfrenta hoy la
humanidad, nos dicen de los riesgos y proponen soluciones, tampoco se puede
omitir que son científicos y tecnólogos quienes han producido los compuestos que
han deteriorado la naturaleza. Pero es en conjunto con políticos, economistas,
empresarios y trabajadores que se ha devenido en tal situación, y por tanto las
llamadas de atención deben emitirse a todos, incluidos los simples consumidores
de tales productos.
49
Cuando la gente se olvida de la actividad tecnológica vinculada a la ciencia,
empieza a ver al científico como una persona al margen de la vida ordinaria, a verlos
como seres especiales, genios solitarios que manejan unos lenguajes abstractos,
aburridos e inaccesibles.
Esta visión del científico hace caer la percepción de la gente, y de muchos alumnos
en una creencia de elitismo e individualismo de la ciencia. Se cree que los
conocimientos científicos aparecen como obra de genios aislados y no se conoce
sobre el trabajo de colectivo, del intercambio entre equipos, en general se cree que
el trabajo de un solo científico o de un solo equipo puede bastar para validar una
hipótesis o incluso toda una teoría.
A menudo se insiste en creer que el trabajo científico es un área reservada para
minorías superdotadas, haciendo que la mayoría de alumnos se sientan incapaces
e incluso discriminados, cuando en muchas visiones la ciencia se ve como una
actividad puramente masculina.
Este elitismo se construye escondiendo los conocimientos tras presentaciones
puramente operativistas, no se hace un esfuerzo por hacer más accesible la
ciencia, ni por mostrar su carácter de construcción humana.
La falta de atención a la tecnología ayuda a construir esta visión elitista e
individualista, primero porque se obvia la complejidad del trabajo científico-
tecnológico que exige la conjugación de diferentes tipos de conocimientos que muy
difícilmente sean posibles de tener en una sola persona; y por otra, se minusvalora
la aportación de los técnicos, maestros de taller, quienes a menudo han tenido un
papel esencial en el desarrollo científico técnico. La Revolución Industrial tuvo como
punto de partida a la máquina de Newcomen, que era un fundidor y herrero. [5]
La visión elitista del científico lo hace ver como un hombre de bata blanca en un
laboratorio inaccesible, con instrumentos extraños. Esto nos lleva a una tercera
deformación: la idea de que el trabajo científico es exclusivo de laboratorio, donde
50
el científico experimenta y observa en busca de su descubrimiento, llevando a una
visión empiro-inductivista de la actividad científica.
Esta visión empiro-inductivista es la que quizá haya sido estudiada por todos, una
visión que defiende el papel de la observación y de la experimentación, olvidando
el papel esencial de las hipótesis como foco de la investigación y de las teorías
disponibles que orientan todo el proceso.
Se llega a pensar que la inferencia inductiva a partir de datos �puros� dará como
resultado la concepción de conocimientos, esta idea está distorsionada, ya que los
datos en sí mismos no tienen sentido, necesitan ser interpretados de acuerdo a un
sistema teórico. Es preciso también insistir que los problemas científicos nacen de
situaciones problemáticas confusas, no de un problema dado, y es necesario
plantear un problema preciso, modelizar una situación, hallando opciones para
simplificarlo más con el fin de poder abordarlo con un objetivo claro. Todo esto a
partir de un cuerpo de conocimiento que se posee en el campo específico en el que
se desarrolla una investigación. [5]
Estos métodos empiro-inductivista afectan incluso a los científicos quienes a veces
no son siempre explícitamente conscientes de los métodos que se usan en su
investigación [6] y con mucha más razón afectan a los estudiantes. Esta idea que
atribuye la esencia de la actividad científica como experimentación es igual a
aquella visión de un descubrimiento transmitida por cómics o la televisión, cine o
en general los medios de comunicación, es decir, parece que la visión de los
profesores o la de muchos libros de texto es igual a la que proporciona esta
�ingenua� imagen de la ciencia socialmente aceptada y difundida.
Al parecer esta deformación de la visión de la ciencia es una de las más estudiadas
y criticadas en la literatura y sin embargo es una de la cual los docentes se refieren
poco. Ello se puede entender como indicador del peso que aún tiene el concepto
empiro-inductivista en los profesores. En general la enseñanza es puramente a
base de libros, de transmisión de conocimientos, sin apenas trabajo experimental
real, de tener unas simples recetas de cocina en el laboratorio, pero que por otro
51
lado permite que la experimentación tenga una imagen revolucionaria que se puede
explotar, que se puede ver de una manera que no se ha hecho antes. [5]
Esta falta de trabajo experimental es a veces causada por la escasa familiarización
del docente con la dimensión tecnológica, que reviene a caer en las visiones
simplistas de la tecnología respecto a la ciencia que ya se ha mencionado. El
trabajo experimental puede ayudar a entender que, si bien la tecnología se ha
desarrollado por milenios sin la necesidad de la ciencia, la construcción del
conocimiento científico siempre ha estado en deuda con la tecnología, basta ver
que para comprobar una hipótesis se está obligado a hacer diseños experimentales
lo cual ya recae en la tecnología.
Desafortunadamente las prácticas de laboratorio echan al suelo esta forma no
simplista de ver la ciencia, quitan el trabajo experimental porque presentan
montajes ya elaborados para un manejo simple siguiendo guías del tipo receta. Se
cae en una forma de enseñanza centrada en la simple transferencia de
conocimientos ya elaborados, que no sólo impide conocer el papel que juega la
tecnología en el desarrollo científico sino que ayuda a mantener las concepciones
empiro-inductivista, y esto lleva a otra deformación, que es tener una visión de la
ciencia rígida, infalible y algorítmica.
Esta visión algorítmica es una concepción ampliamente difundida por los
profesores, la mayoría se refiere al método científico como una secuencia de etapas
definidas, en donde las observaciones y los experimentos rigurosos juegan un
papel destacado, contribuyendo a la exactitud y objetividad de los resultados
obtenidos. [4]
Frente a esta forma de ver el método científico aparece la idea de la investigación
por el pensamiento divergente, que se basa en términos de hipótesis que se
apoyan en conocimientos adquiridos, pero que se ven como �posibles respuestas�
que han de ser puestas a prueba muy rigurosamente, lo que genera un proceso
complejo, en el que no existen principios normativos de aplicación universal para la
aceptación o rechazo de una hipótesis. Este carácter de tentativas respuestas se
52
traduce en dudas sistemáticas, en replanteamientos, en buscar nuevas salidas, etc.
Lo que muestra el papel de la invención y la creatividad contra toda idea de un
proceso algorítmico. [5]
Si bien la obtención de datos juega un papel importante en el desarrollo de una
investigación, es importante recalcar que dichos datos solo toman importancia con
la hipótesis a contrastar y a los diseños construidos para tal efecto. �Al conocimiento
científico no se llega aplicando un procedimiento inductivo de inferencia a partir de
datos recogidos con anterioridad, sino más bien mediante el llamado método de las
hipótesis a título de intentos de respuesta a un problema en estudio y sometiendo
luego éstas a la contrastación empírica�. [7] Son las hipótesis quienes orientan la
búsqueda de datos.
Las visiones empiro-inductivistas así como la algorítmica puede transmitirse en la
medida en la que el conocimiento científico se transmite de forma acabada para
una simple recepción sin que los estudiantes o los profesores tengan ocasión de
contrastar prácticamente las limitaciones de aquel método científico. Por ello se cae
en una visión aproblemática y ahistórica de la actividad científica. [4]
Al presentar los conocimientos ya elaborados sin referirse a los problemas que los
originaron se pierde la noción de que el conocimiento es la respuesta a una
cuestión. Este olvido hace difícil entender que el proceso científico es racional y
hace ver como si los conocimientos científicos aparecieran como construcciones
arbitrarias. También se desconoce la historia tras esos conocimientos, cuáles
fueron las dificultades y obstáculos que se debieron superar y que es fundamental
para comprender las dificultades de los alumnos.
La visión empobrecida de la ciencia y la tecnología que muchas veces en la
educación se incurre por acción u omisión, tiene también otras dos visiones
deformadas, que tienen en común el olvidar que la construcción de la ciencia tiene
que ser una construcción de cuerpos coherentes de conocimientos.
53
Por un lado está una visión exclusivamente analítica. Muchas veces en una
investigación se recurre a la simplificación voluntaria de ciertas características de
un problema, así como también a tener un control riguroso y en condiciones
prestablecidas de dichas características, lo que hace que se incluyan elementos de
artificialidad que no deben ser ignorados ni ocultados. Los científicos deciden
ignorar voluntariamente muchas características de un problema lo que los aleja de
la realidad. [6]
El trabajo científico exige entonces tratamientos analíticos, simplificaciones, y la
presencia de objetos artificiales, pero eso no significa tener visiones parcializadas
que no planteen la posible vinculación del problema a diferentes campos de la
ciencia. En la medida que se tiene un análisis y simplificaciones conscientes, se
tiene presente la necesidad de síntesis y de estudios más complejos.
Por ejemplo en el desarrollo del conocimiento, los principios de conservación y
transformación de la materia y energía fueron establecidos en los siglos XVIII y XIX,
y a finales del siglo XIX se unió tres grandes dominios que se creían independientes
como la electricidad, la óptica y el magnetismo en una sola teoría electromagnética.
La historia del desarrollo científico es una confirmación de que los avances tienen
lugar profundizándose en el conocimiento de la realidad en campos definidos que
luego puedan establecer lazos entre campos que no parecen tener nada en común.
Otra deformación que faltaba por analizar es tener una visión acumulativa de
crecimiento lineal y consiste en mostrar el desarrollo científico como fruto de un
crecimiento lineal y acumulativo, ignorando las crisis y cambios abruptos que se
dan en la historia debido a eventualidades, necesidades, guerras y otros factores
que pueden hacer que la ciencia se estanque o se dispare en una época. [5]
Entender estas desviaciones y formas distorsionadas de ver el desarrollo de la
ciencia y la tecnología es importante en opinión del autor de este proyecto, ya que
siendo la Escuela Politécnica Nacional una institución orientada a la ciencia y la
tecnología y con miras a desarrollar programas de investigación es imperativo tener
claro ¿qué se debe evitar? porque este mal concepto de ciencia-tecnología se ha
54
transmitido por años en el modelo educativo del país y no llevará a aprovechar los
recursos tecnológicos que propone este proyecto.
Lograr una mejor comprensión de la actividad científica tiene gran interés en
quienes forman parte de los educadores de los futuros científicos, pero la
comprensión por parte de los docentes de los modos de construir el conocimiento
no es algo solamente teórico sino práctico. Se trata de comprender la importancia
práctica de la docencia, del trabajo realizado y poder entender cómo a partir de éste
sacar el mayor provecho posible preguntándose qué es lo que se quiere potenciar
en el trabajo de los alumnos y alumnas.
EL PROBLEMA DEL TRABAJO EXPERIMENTAL EN LA
EDUCACIÓN CIENTÍFICA
El trabajo docente en los laboratorios es muy importante debido a que es allí donde
se comprueban todos los principios teóricos que se ven en las diferentes cátedras
de la universidad. La utilidad de los laboratorios como herramienta de los docentes
para hacer que sus alumnos puedan desarrollar, discutir y aclarar las dificultades e
inquietudes que surgen durante sus clases es enorme.
El trabajo en el laboratorio permite controlar el grado de aprendizaje de los
estudiantes, ya que ahí se puede ver de manera más directa los problemas y
deficiencias que estarían generándose en la comprensión de conceptos de las
diferentes clases. En el trabajo de laboratorio también es posible tener un contacto
más cercano con los alumnos del que se obtiene en las clases magistrales, ya que
los trabajos son en grupos más pequeños, donde se puede discutir las ideas y
problemas con mayor confianza.
Las prácticas de laboratorio como parte de una materia permiten alcanzar diversos
objetivos como: ayudar a los estudiantes a tener un pensamiento más crítico y
lógico, hacer que los estudiantes apliquen los conocimientos teóricos para resolver
problemas, mejorar la defensa oral y escrita de informes técnicos, asegurar que se
han comprendido los conceptos y principios de una materia, extender algunos
55
estudios más allá de lo que se abarca en clases, conocer la bibliografía referente a
un tema, proporcionar al estudiante una visión sobre el progreso de los estudiantes
y de la efectividad de la enseñanza.
Sin duda, el trabajo práctico del laboratorio constituye un hecho propio en la
enseñanza de las ciencias. Hace casi trescientos años que John Locke proponía
que los estudiantes realicen trabajo práctico en su educación, a finales del siglo XIX
países como Inglaterra y Estados Unidos ya tenían el trabajo de laboratorio como
parte de sus currículos académicos. [8]
Desde hace mucho tiempo no se ha podido llegar a un consenso sobre qué se
espera del trabajo práctico en la enseñanza, existen muchas investigaciones como
los trabajos de J. F. Kerr [9] que dicen que los estudiantes toman como objetivo
principal el interés en el contacto con la realidad de los fenómenos naturales,
objetivos que los profesores ignoraban en las etapas secundarias y universitarias,
si bien las consideraban importantes en las etapas escolares.
Otra investigación de R. Tremlett [10] nota la disparidad entre los objetivos del
trabajo práctico por parte de profesores y alumnos. Mientras que los profesores e
investigadores proponen como objetivos principales el descubrir las leyes a través
de la experiencia, adiestrar a los estudiantes en la elaboración de informes
experimentales y en elaborar un diario de laboratorio, o servir de motivación para
los estudiantes en la ciencia; los estudiantes por su parte lo toman de otra forma,
ellos piensan que una de las mayores importancias del trabajo de laboratorio es
mejorar la iniciativa personal y la capacidad de juzgar la calidad de un diseño
experimental, así como poder mantener un contacto menos formal y más estrecho
con los docentes.
Por tanto uno de los primeros pasos es superar esa visión diferente entre docentes
y alumnos de lo que se espera del trabajo práctico en la enseñanza. Por medio de
una clarificación de los objetivos a alcanzar por parte de los docentes y su
comunicación clara y efectiva a los alumnos, para que se entiendan cuáles son las
experiencias a realizar y el propósito educativo de las mismas, también se requiere
56
estrechar la brecha entre lo que se realiza en el laboratorio y el contenido de las
clases teóricas.
Estudios como los de Friedler y Tamir [11], Gardner y Gauld [12], Kirschner,
Meester y Middlebeek [13] por ejemplo, muestran que las diferencias entre objetivos
de trabajo de laboratorio llevan a la desmotivación. En un estudio de Tremlett [10]
en un laboratorio de bioquímica, reveló que sólo el 50% de los estudiantes
mostraban un grado de entusiasmo por el trabajo, además se lamentaban de la
pobre recompensa intelectual que reciben tras tantas horas de dedicación
dedicadas. En otra investigación de K. Tobin [14] hecha en dos institutos
australianos, observó que sólo treinta de ochenta y seis alumnos consideraban el
trabajo de laboratorio como una de sus actividades que más les gustaba; además,
sólo quince de ellos declararon que habían aprendido más sobre las ciencias
participando en actividades prácticas, y veinte de ellos tenían la confianza de que
el currículo de ciencias mejoraría si se aumentaba el tiempo dedicado al trabajo
científico. No obstante a estas observaciones, el autor de ese trabajo concluye que
sus datos demuestran que el trabajo práctico es una actividad motivadora para los
estudiantes de ciencias.
Es interesante saber que existen estudios que demuestran que la mayoría de
alumnos disfrutan con las prácticas de laboratorio [15], hay otros estudios que
muestran que éste ánimo decae con la edad [16] e incluso hay una minoría
significativa que indica odio por el trabajo práctico [8].
Respecto a la capacidad de las prácticas de laboratorio para desarrollar actitudes
científicas, en primer lugar hay que preguntarse cuáles son las actitudes propias de
los científicos, y en caso de hallarlas, preguntarse si son deseables como objetivo
de la educación.
D. Hodson en su trabajo �Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio�
[17] mantiene que existe una imagen estereotipada del científico, como una
persona madura, imparcial, dispuesto siempre a considerar las ideas de los demás
y a compartir las propias, de manera que evita emitir juicios apresurados y cuya
57
objetividad está exenta de prejuicios. Hodson primero duda de la existencia real de
tal idiosincrasia en el colectivo científico y opina que sería más positivo en el plano
educativo presentar al científico como una persona normal, afectuosa, divertida,
diligente y sería más importante mostrar la idea de que cualquier persona con
cualidades normales puede convertirse en un científico.
Hodson también habla de la idea de que el trabajo práctico debe proporcionar
aprendizaje significativo. Sin embargo, al parecer los alumnos no consideran el
trabajo práctico como una estrategia de enseñanza especialmente valiosa para el
aprendizaje.
En lo que sí parecen estar de acuerdo tanto profesores como estudiantes es que el
auténtico valor de las prácticas está en el desarrollo de actitudes y destrezas de
alto nivel intelectual, más que en la adquisición de destreza manual y de técnicas
de manipulación; sin embargo, también están de acuerdo en que hay muy pocos
indicios de que el trabajo práctico que realmente se realiza en la enseñanza ayude
a la consecución de estos objetivos. [5]
El problema de las prácticas de laboratorio habituales es que se han concebido
como simples �recetas� que se deben seguir al pie de la letra, lo cual ha hecho que
se llegue a una deformación de la visión del trabajo científico. Se centran en hacer
mediciones y cálculos mientras que dejan en menor valor aspectos fundamentales
para la construcción de conocimientos científicos como por ejemplo: la discusión
de la relevancia del trabajo a realizar, la participación de los alumnos en la
formulación de hipótesis y en el diseño de los experimentos, el análisis de los
resultados obtenidos y las propuestas para ampliar la aplicación de tales
experimentos.
PROYECCIÓN ACADÉMICA E INVESTIGATIVA
Una nueva propuesta de trabajo en el laboratorio es importante en la medida en
que se desea implementar un nuevo sistema de investigación tanto en la Facultad
de Ingeniería Eléctrica como en toda la Escuela Politécnica Nacional. Pero este
58
nuevo sistema sólo podría arrancar con laboratorios bien equipados que sean
herramientas para docentes, investigadores y alumnos y por otra parte cambiando
la visión distorsionada sobre hacer ciencia y tecnología que durante años el sistema
educativo ha impuesto, entre otras cosas eliminar esa visión del científico solitario
y encerrado en su laboratorio, que de cierta manera ha sido la forma en la que se
mantenía el conocimiento de cada laboratorio en el Departamento de Energía
Eléctrica, centrado en una o pocas personas de manera que al no contar con ellos
se presenta el problema de que no hay otras personas que sepan cómo funciona
tal o cuál equipo o el laboratorio en sí.
Como ya se trató en los puntos anteriores, la visión distorsionada de la ciencia y
tecnología así como la falla de las prácticas experimentales en la educación
científica al hacerlas meras recetas donde el aporte del estudiante es mínimo han
hecho que más de un alumno y profesor lleguen a ver como inútiles las actividades
de laboratorio en la enseñanza.
Lo primero que hay que hacer es deshacerse de la idea del Método Científico como
un conjunto de reglas estrictamente definidas, infalibles y exhaustivas que se deben
aplicar mecánicamente. Hay que rechazar también el empirismo que concibe el
conocimiento como resultado de la inferencia inductiva que se obtiene a partir de
datos puros. Ya que los datos no tienen sentido en sí mismos, deben ser
interpretados en base a un sistema teórico existente. [5]
Hay que aplicar la investigación utilizando el pensamiento divergente, que se basa
en la creación de hipótesis y modelos e incluso el propio diseño de experimentos.
Así no se saca conclusiones de evidencias, sino en términos de la contrastación de
las hipótesis, que se consideran posibles respuestas a un problema dado y que se
someten a pruebas rigurosas. Si bien la obtención de evidencia mediante
experimentos en condiciones definidas y controladas toma un lugar importante en
la investigación, es preciso reiterar que su papel sólo cobra sentido con la hipótesis
a contrastar y los diseños realizados para tal efecto. [5]
59
Al trabajar con hipótesis también se debe tener en cuenta de las exigencias
suplementarias que aparecen. Es preciso por ejemplo, dudar de los resultados
obtenidos y de todo el proceso que se ha hecho para llegar a ellos, lo que nos lleva
a revisiones continuas e intentar obtener esos resultados por diversos caminos, y
en especial mostrar su coherencia con los resultados obtenidos en otras
situaciones, ya que no basta con un solo tratamiento experimental para validar o
anular una hipótesis.
Es preciso también comprender la relación social del desarrollo científico; tener en
consideración que la investigación corresponde cada vez más a estructuras
institucionalizadas donde la labor de los investigadores está orientada por líneas de
investigación establecidas, y por un trabajo de equipos, siendo inexistente la idea
de una investigación autónoma.
En el trabajo de los científicos no se puede vivir al margen de los sucesos de la
sociedad en que viven y que afectan su actividad dependiendo de los problemas y
circunstancias del momento histórico en el que viven (p. ej. El cambio de la matriz
productiva y energética del Ecuador) así como su accionar tiene repercusión en el
medio social en el que se inserta.
Señalar esto parecería ser superfluo y vano, pero la idea de que hacer ciencia es
tarea de un pequeño grupo de �genios solitarios� encerrados en su laboratorio
desconectado de la realidad es una imagen muy extendida y que en la enseñanza
limita a la transferencia de conocimientos y a lo mucho al entrenamiento en alguna
destreza y deja de lado los aspectos históricos y sociales que enmarcan el
desarrollo científico.
Lograr una mejor comprensión de la ciencia y tecnología tiene un gran interés en
especial en aquellos que son responsables en buena parte de la educación de
futuros ciudadanos que tendrán relación con un mundo lleno de tecnología y
ciencia.
60
El investigador Dr. Pablo Valdés en sus trabajos sobre Pedagogía de las Ciencias
naturales aborda el tema y ofrece una recopilación de aspectos que se deberían
incluir en los currículos educativos para favorecer la construcción de conocimientos
científicos gracias a la aportación de estudiantes, de los cuales se han tomado y
resumido a continuación algunos puntos importantes: [4]
- Se debe presentar situaciones problemáticas abiertas para que los alumnos
puedan pensar y tomar decisiones que precisen el problema, y que
presenten el nivel de dificultad adecuado en relación a su nivel de desarrollo
educativo.
- Prestar atención en potenciar las actitudes positivas y que el trabajo se
realice en un clima próximo a lo que es una investigación colectiva, donde
las opiniones e intereses de cada individuo cuentan y no en un clima de
sometimiento a tareas dirigidas por un profesor capataz, que evite toda forma
de discriminación y en particular de lenguaje sexista transmisor de
experiencias negativas hacia las mujeres.
- Plantear un análisis cualitativo y significativo que ayude a comprender las
situaciones planteadas y formular preguntas sobre lo que se busca.
Mostrando el papel que juegan las matemáticas como instrumento de
investigación sin caer en operativismos ciegos.
- Desarrollar la emisión de hipótesis que se fundamenten en los conocimientos
disponibles, que sean susceptibles de orientar el tratamiento de las
situaciones y hacer explícitas las preconcepciones que suelen considerarse
como hipótesis, siempre teniendo en cuenta la actualización de
conocimientos para el estudio emprendido.
- Elaborar estrategias para los experimentos, que incluyan diseños
experimentales, prestando atención a la actividad práctica en sí misma
dando la importancia a la tecnología utilizada con el objeto de favorecer la
visión más correcta de la actividad científico-técnica de la actualidad.
61
- Plantear el análisis detallado de resultados en base a los conocimientos
disponibles, a las hipótesis tratadas y a los resultados de otros equipos. De
manera que los estudiantes cotejen su evolución conceptual y metodológica
con la realizada históricamente en la comunidad científica.
- Considerar posibles perspectivas e implicaciones del estudio realizado, ya
sean positivas o negativas en la sociedad y el ambiente y fomentar la toma
de decisiones.
- Pedir la elaboración de prototipos de productos poniendo énfasis en la
estrecha relación de ciencia y tecnología.
- Pedir el esfuerzo de integrar lo que se considere una contribución del estudio
realizado a la construcción de un cuerpo coherente de conocimientos así
como su posible implicación en otros campos de conocimiento.
- Prestar atención a la comunicación como un aspecto importante de la
actividad científica, elaborando memorias científicas del trabajo realizado,
mediante lectura y comentarios críticos de textos científicos.
- Potenciar el trabajo colectivo organizado en grupos de trabajo y facilitando
la interacción entre estos equipos y la comunidad científica. Se hace ver que
los resultados de una sola persona o de un solo equipo no pueden bastar
para verificar o anular una hipótesis.
La inclusión de algunos de estos aspectos exige que el proceso de enseñanza y
aprendizaje de las ciencias deje de estar basado en la transferencia de
conocimientos por parte del profesor o libros de texto; sino, partir de situaciones
problemáticas abiertas, discutiendo su importancia e interés, proponiendo
soluciones tentativas hipotéticas que se pongan a prueba y que se integren al
cuerpo de conocimientos.
62
Ello exige también un ambiente adecuado donde el profesor impulse y oriente la
actividad de los estudiantes que pasen de ser simples receptores a jugar el papel
de investigadores noveles que cuentan con el apoyo del profesor como experto.
Esta forma de trabajo se puede aplicar de forma general a la actividad docente de
cualquier rama de la Escuela Politécnica Nacional ya que es una institución
meramente centrada en la ciencia y la tecnología.
En el caso del Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Facultad de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica además de proponer estos lineamientos básicos en la
enseñanza, es posible proponer algunas ideas que nacen de la experiencia del
autor de este proyecto en el paso por ese laboratorio y de la visión de otras
personas con las que compartó tiempo y trabajo.
El trabajo en el Laboratorio de Alto Voltaje no debe ser exclusivo de una o un
pequeño grupo de personas, así como el de los otros laboratorios con el que cuenta
el Departamento de Energía Eléctrica, ya que se genera una situación de
�encerramiento� del conocimiento en pocas personas, lo que puede llegar a afectar
el trabajo del cuerpo docente de la carrera en situaciones en las que predominan
las rencillas personales sobre el interés común de una institución educativa; o en
situaciones de abandono del trabajo de las personas que manejaban dichos
conocimientos por cualquier circunstancia sin que se haya podido transferir todo lo
que ellas sabían a la gente que llega a la facultad, generando huecos de
conocimiento y trabas en el proceso de transición.
En el Departamento de Energía Eléctrica son pocos los profesores con dedicación
a tiempo completo y con nombramiento fijo en la institución, siendo que el trabajo
de laboratorios en gran parte se realiza por docentes contratados por tiempos
establecidos de los cuales, algunos salen a estudiar al exterior esperando una gran
cantidad de tiempo hasta que vuelvan y cuando regresan no necesariamente
vuelven a educar ya sea en la misma institución o en el mismo laboratorio, o como
se daba en muchos casos, los docentes contratados después de un tiempo iban en
busca de un trabajo en la industria o en el estado, porque les presentaba mejores
63
ofertas económicas o estabilidad laboral, siendo la institución un sitio �de paso� para
muchos de ellos.
Por esta razón, el conocimiento específico de algunas actividades se enmarcaba a
veces en una sola persona. Esto debe corregirse, ya que el trabajo de los
laboratorios debe ser conocido por todos los integrantes del Departamento de
Energía Eléctrica, pudiendo rotar en sus actividades en lapsos de tiempo de manera
que en algunos años cualquiera sea capaz de manejar una actividad que cualquiera
de las áreas de dichos laboratorios sin tener que estar a disposición de una persona
que sepa cómo funcionan tales instrumentos o actividades.
Además de ofrecer capacitación continua a los docentes que laboran mediante
contratación temporal, para que ellos adquieran varios conocimientos y en especial
ofrecerles buenas opciones de desarrollo en su futuro de manera que no vean en
el trabajo en la institución en algo temporal y así no aporten en el desarrollo de la
misma.
Se debe considerar también que el trabajo en el Laboratorio de Alto Voltaje se ha
centrado sólo a los alumnos que toman esa cátedra. Por una parte debido a las
limitaciones de espacio físico, pero en la presente propuesta de implementación de
un laboratorio de dimensiones mayores, es indispensable también pensar que su
utilización no puede ser sólo para alumnos de dicha materia. Se debe expandir su
utilización a alumnos de otras cátedras que puedan tener relación, en un inicio
pueden ser los alumnos de: Diseño en Alto Voltaje, Distribución de Energía
Eléctrica, Diseño Electromecánico de Líneas de Transmisión. Así como estudiantes
de pregrado que quieran desarrollar proyectos de titulación y tesistas de postgrado.
Luego no habría que detenerse sólo en el área de ingeniería eléctrica, se puede
trabajar con estudiantes de electrónica por ejemplo en estudios de interferencias y
compatibilidad electromagnética entre líneas de alto voltaje y líneas de
comunicaciones e incluso ir más allá de la facultad, trabajando entre varias
disciplinas como por ejemplo con físicos, químicos y mecánicos se puede
incursionar en el desarrollo de materiales dieléctricos para una industria nacional.
64
Algunas líneas de investigación que podrían desarrollarse se listan a continuación,
aunque cabe recalcar que el trabajo multidisciplinario entre varios tipos de
profesionales ampliaría la lista, ya que las diferentes visiones de varias personas
siempre serán infinitamente superiores a las visiones de una persona o de un grupo
de personas de una sola rama del conocimiento.
Se puede trabajar en investigaciones en el área de Alto Voltaje como:
- Degradación del aislamiento con la altitud sobre el nivel del mar. Las normas
internacionales han establecido estándares científicos hasta una altitud de
2000 m.s.n.m. Más allá de ese nivel son aproximaciones empíricas, que
podían ser mejor especificadas aprovechando la ubicación y considerando
que el Ecuador tiene Líneas de Transmisión en altitudes que rodean los 3000
m.s.n.m.
- Desarrollo de materiales dieléctricos. En la construcción de líneas y redes
de electricidad en alto voltaje, los materiales juegan un papel muy
importante. Para este desarrollo se debe trabajar en conjunto con ingenieros
químicos, mecánicos y físicos. De manera que pueda desarrollarse
materiales y accesoriosen el país para fomentar una industria nacional y
reducir importaciones. Como dato adicional, en la EPN se han desarrollado
proyectos de titulación de este tipo, y en el Ecuador gracias a ellas se
fabrican aisladores de tipo rollo clase ANSI C53 para bajo voltaje. Pero
podrían elaborarse todas las clases de aisladores cerámicos, de vidrio y
poliméricos en el país, sólo basta ver que muchos de estos aisladores que
se instalan en el país son de producción colombiana.
- Estudios de compatibilidad electromagnética. Mucho se habla sobre las
diferentes interferencias causadas por equipos, torres de transmisión de
energía y de datos y de su impacto en la salud. Este trabajo también sería
interdisciplinario y es claramente un área de especialidad eléctrica ya que se
fundamenta en la teoría electromagnética, base de la ingeniería eléctrica.
65
- Sistemas de Puesta a Tierra. En cada país hay diferentes regímenes de
puesta a tierra, y siempre se discute cuál es mejor o si son iguales. También
hay muchas malas prácticas de puesta a tierra en especial en el área de
distribución de energía. Una propuesta que se hecho durante un tiempo ha
sido establecer una mapa de resistividad eléctrica de Quito por ejemplo,
estudio que se podría hacer de manera focalizada en grupos de trabajo y
proyectos de titulación, o se podría abarcar grandes extensiones de terreno
si se trabaja con el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional,
quienes poseen equipo y experiencia en el barrido de grandes áreas de
terreno en mediciones de resistividad pero con fines diferentes como la
prospección petrolera.
- Sistemas de Apantallamiento Eléctrico. Sin duda sería una de las
especialidades y razones de ser del Laboratorio de Alto Voltaje. Verificar,
analizar, diseñar e innovar estos sistemas, crear normativas nacionales al
respecto pueden ser algunas actividades a considerar.
- Diseño de transformadores y equipo periférico. En el país existen un par de
empresas que construyen transformadores eléctricos de pequeña potencia
al nivel de distribución de energía eléctrica. Pero no existen constructores de
transformadores de potencia, por falta de conocimientos, por falta de
laboratorios donde probar los prototipos, así mismo no hay producción
nacional de transformadores de instrumentación o de apartarrayos, siendo
que los grandes transformadores deben ser importados y valen millones de
dólares que podrían ganarse en industria nacional si con el apoyo de la
universidad y la industria se enfocasen en sacar adelante diseños propios y
usar las instalaciones del laboratorio para pruebas.
- Mejorar equipos de protección personal en el área eléctrica. De una manera
paradójica, sin ser la especialidad de la carrera, el Laboratorio de Alto Voltaje
durante muchos años ayuda al medio externo con ensayos sobre equipos
de protección personal como: guantes dieléctricos, zapatos de seguridad
eléctricos de diversas clases, mangas dieléctricas y otros. Y los cuales
constantemente llegan a ser probados y son incluso una fuente de ingresos
66
casi constante para el laboratorio. Muchos de los casos respecto a zapatos
de seguridad son del tipo de desconocimiento técnico. Lo usual es que un
grupo de artesanos del calzado quieran incursionar en el área de zapatos de
seguridad que tienen gran demanda, por lo que a tientas y pruebas
desarrollan un tipo de calzado que luego al llegar a la institución a ser
probado no cumple los requerimientos de las normas internacionales y por
tanto no pueden vender su producto, lo que afecta su economía, la actividad
industrial de un grupo de ecuatorianos y quizá lo más importante, el deseo
de algunas personas de poner una pequeña empresa y dar trabajo a
personas, ya que es más fácil importar calzado que cumple las normas y
venderlo. Siendo en parte culpable la institución ya que se ha limitado a ser
un ente de pruebas que emite un informe, pero que no ayuda a los implicados
a mejorar su producto, y muchas veces quienes han logrado sacar un
calzado que aprueba las normas lo hacen de manera empírica o a base de
suerte. El Laboratorio de Alto Voltaje podría dar un gran apoyo investigando
el comportamiento de estos equipos de protección y dando
recomendaciones técnicas y fiables a los industriales para que sus productos
sean de calidad y de origen nacional.
- Fortalecimiento de las normativas nacionales. El trabajo del Laboratorio de
Alto Voltaje exige la revisión de una gran variedad de normas
internacionales. En el caso del cuerpo normativo nacional INEN, hay una
gran cantidad de información que no poseen, que han sido traducidas de
normas internacionales y en referencia al cuerpo normativo de Colombia
INCONTEC. Es en parte admisible este problema, ya que no es lo mismo
adaptar una norma leyéndola que aplicándola en la realidad, además de la
constante actualización de los estándares que hacen que muchas normas
INEN estén caducas. El trabajo conjunto del INEN y la EPN podría fortalecer
el cuerpo normativo en el área eléctrica con el fin de tener normas que sean
comprensibles y aplicables a la realidad, en español y que sean de acceso
gratuito para los ciudadanos.
67
Éstas son algunas de las ideas que podrían desarrollarse con ayuda de un nuevo
laboratorio de Alto Voltaje en la EPN. Cada una de ellas puede tener muchas áreas
de trabajo para justificar la existencia de tal laboratorio, para generar tesis de grado
doctorales, generar patentes y fomentar la industria eléctrica nacional. Pero que de
seguro son pocas en referencia a las que aparecerían una vez que se ponga en
marcha el laboratorio y la gente empiece a trabajar y nazcan más ideas de muchas
más personas.
De manera resumida el nuevo Laboratorio de Alto Voltaje debe ser una herramienta
para que los docentes hagan que los alumnos se involucren en el desarrollo del
conocimiento científico-técnico sin llegar a odiar las prácticas de laboratorio por ser
unas recetas con pasos a seguir. Debe ser una herramienta para que estos mismos
estudiantes, en su faceta de graduación y postgrados realicen proyectos
investigativos que fomenten el desarrollo de nuestra sociedad y de nuestra
industria, y que por supuesto no se encierren en una burbuja aislada de las
exigencias del medio en el que viven, que trabajen con diferentes tipos de
profesionales de la universidad y de la sociedad en general, que puedan hacer un
trabajo multidisciplinario y trabajar en equipo. Porque al fin de cuentas un
laboratorio son sólo cuatro paredes llenas de equipos caros, si no existen las
personas con la capacidad y la visión de hacer algo en beneficio de los demás.
PROYECCIÓN DE SERVICIOS AL MEDIO EXTERNO
Uno de los Objetivos Institucionales de la Escuela Politécnica Nacional es:
Mantener un permanente compromiso con todos los sectores de la sociedad,
difundiendo la cultura, promoviendo la investigación, el desarrollo y la innovación
tecnológica, para mejorar su productividad y competitividad, calidad de vida y
recibiendo de ellos su aporte de conocimiento y valores.
La universidad cuenta con muchos laboratorios de diferentes facultades que
ofrecen sus servicios al medio externo. En la Facultad de Ingeniería Eléctrica y
68
Electrónica el Laboratorio de Alto Voltaje constantemente ofrece sus servicios a las
diferentes empresas que trabajan con el sector eléctrico.
Entre las principales actividades de servicios al medio externo están: contrastación
de equipos de prueba de aislamiento eléctrico como Hi-Pots y megaóhmetros,
equipos de medición de resistividad y resistencia de puesta a tierra. Pruebas
dieléctricas a aceites aislantes, a guantes de seguridad eléctrica, calzado de
seguridad eléctrica, pruebas sobre equipo eléctrico como transformadores,
aisladores, apartarrayos, entre otros.
La mayoría de los trabajos realizados bajo pedido expreso de empresas o
instituciones externas se llevan a cabo sin ninguna normativa interna de control, el
laboratorio no está acreditado bajo normas internacionales, ni siquiera bajo normas
INEN, que en su parte correspondiente son requisitos para emitir certificados de
funcionamiento de ciertos equipos, claro está, que por falta de un manual de
procedimiento, se debe recurrir a la inventiva de quienes realizan los ensayos,
siguiendo siempre normativas internacionales y adaptándolas a las necesidades
específicas de manera que se han satisfecho las necesidades de los requirentes
de servicios.
El equipo en muchas ocasiones es muy antiguo, semestralmente se realiza un
mantenimiento preventivo, pero en caso de realizarse correcciones los procesos
para realizar una reparación pueden ser muy largos, tampoco se tiene un control
de calibración de equipos, por lo que la garantía en las contrastaciones que se
realizan puede ser muy subjetiva.
A pesar de eso, frecuentemente llegan pedidos y llamadas al laboratorio
preguntando por la posibilidad de realizar tal o cual servicio, ya que la institución es
la cabeza de la formación en Ingeniería Eléctrica del país, y por tanto, esperan
siempre una respuesta y ayuda con las dudas del sector industrial, quienes en su
justo derecho esperan que la institución sea su soporte cuando quieren desarrollar
un nuevo producto, o realizar pruebas especializadas.
69
Esta es una de las razones por las que se plantea construir un nuevo laboratorio
con todos los equipos necesarios para cubrir las tan variadas necesidades de los
industriales y empresarios del sector eléctrico del país. Además de su actividad
docente e investigativa, el Departamento de Energía Eléctrica tiene experiencia
llevando a cabo estos servicios y cumpliendo el objetivo de vincular la universidad
a la sociedad revirtiendo su conocimiento en función del desarrollo del sector
productivo.
Con esto en mente, y basándose en la experiencia obtenida a través de los años,
la propuesta de servicios al medio externo del Laboratorio de Extra Alto Voltaje
espera abarcar lo siguiente:
- Pruebas de aislamiento eléctrico en diferentes componentes de construcción
de sistemas de transmisión de energía eléctrica hasta un nivel nominal de
500 kV.
- Ensayos de impulso atmosférico 1,2/50 µs e impulso de maniobra, de voltaje
aplicado de frecuencia industrial 60 Hz en seco y bajo lluvia a componentes
y equipos del sistema eléctrico hasta un nivel nominal de 500 kV.
- Ensayos sobre transformadores: voltaje aplicado, voltaje inducido, pérdidas
en vacío y a plena carga, relación de transformación, grupo de conexión,
calentamiento, resistencia de aislamiento, pruebas de impulso con ondas
completas y cortadas bajo normas IEC 60076 y ANSI C57.
- Medición de tangente de delta (tan d) a voltaje nominal en dieléctricos,
sólidos y líquidos.
- Medición de descargas parciales a componentes y equipos hasta el nivel de
500 kV.
- Ensayos de control de calidad dieléctrica sobre equipos de protección
personal bajo normas ASTM. (p. ej. Mangas dieléctricas, guantes, zapatos,
pértigas, escaleras cascos, componentes de grapería)
70
- Ensayo de envejecimiento de materiales.
- Auditorías técnicas en el área de aislamientos eléctricos, transformadores,
puestas a tierra, apantallamientos eléctricos, manejo de equipos,
construcción de redes y líneas de transmisión.
- Contrastación de equipos de prueba de aislamientos eléctricos.
- Pruebas dieléctricas de aceite aislante bajo normas ASTM.
- Pruebas de aislamiento a cables de alto voltaje.
- Pruebas de control de recepción de equipos.
En muchos casos se trata de pruebas nuevas que no se pueden ofrecer con el
actual laboratorio y en otros casos se trata de incrementar la capacidad de probar
componentes que se utilizan en construcción del sistema eléctrico hasta un nivel
nominal de 500 kV que es el nuevo voltaje en el que el Ecuador está incursionando.
Al tener esta capacidad, automáticamente se pueden realizar ensayos sobre todos
los componentes del sistema eléctrico abarcando la generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica, esto significa probar una gran cantidad de
aparatos y componentes, como: aisladores, seccionadores, disyuntores, celdas de
seccionamiento, transformadores de distribución, transformadores de potencia,
transformadores de instrumentación y de protección, cables, grapas y empalmes,
aceites, materiales utilizados para aislamientos como diferentes papeles, gases,
líquidos y demás materiales utilizados en la construcción eléctrica.
Para trabajar con transformadores se ha estimado tener la capacidad de prueba de
transformadores de potencia de hasta 100 MVA. Debido a las limitaciones
económicas, y de espacio para poder ensayar transformadores más grandes. Sin
embargo, con esta capacidad se pueden probar todos los transformadores que
estén bajo ese nivel de potencia, siendo los transformadores de distribución los que
tienen mayor demanda de prueba.
71
Otra opción muy buena a tener en cuenta es la capacidad de prueba de
aislamientos en equipos y transformadores en sitio. Es decir poder llevar nuestro
equipo a las diferentes subestaciones eléctricas del país y hacer análisis que sirvan
para un mantenimiento preventivo de transformadores que cuestan millones de
dólares. Esta opción se muestra en el capítulo 5 y 6.
Si bien las actividades mencionadas, serían la base de los servicios externos del
laboratorio, no significa que sean los únicos. Es el personal que trabaje en el
laboratorio que con su capacitación y poder de análisis decida que otros servicios
que por pedido de alguna empresa o institución se puedan realizar. Para ello es
muy importante que este nuevo laboratorio tenga personal suficiente y capacitado
para atender los requerimientos externos.
La finalidad del laboratorio no es principalmente la de servicios sino la docente-
investigativa, pero está claro que ante la imponente capacidad que tendría la
demanda de servicios aumentaría mucho si en las condiciones actuales con un
laboratorio pequeño y de muchos años siempre hay exigencias externas pidiendo
servicios.
Se necesitaría de un jefe o coordinador de laboratorio, que debería ser un profesor
principal de la facultad con un nivel de educación de cuarto nivel que sea el experto
a consultar y que tome las decisiones de mayor peso respecto a los servicios que
sean posibles de realizar. Luego debería contar con algunos ingenieros-docentes,
que sean quienes lleven a cabo los ensayos, informes, consultorías,
recomendaciones, etc. Alternando su trabajo con la docencia. También debería
haber personal técnico, ya sea por medio de pasantes como se ha realizado hasta
la fecha o mediante contratación de personal técnico con formación de tecnólogo
al menos, para que se encargue del mantenimiento preventivo y correctivo del
equipo, de solucionar problemas técnicos que aparecen en cada ensayo, de ayudar
a realizar los ensayos y demás trabajo técnico que se suscita en el laboratorio.
También debe incluirse un manual de procedimientos, para que cualquier personal
que llegue a trabajar al laboratorio sepa qué debe hacer, los procesos
72
administrativos que han de hacerse para la contratación del servicio de laboratorio,
los requerimientos mínimos que deben darse para realizar estos ensayos.
Debe realizarse un cuerpo normativo, ya sea mediante la recopilación de normas
internacionales que se usarán para cada ensayo, así como de ser posible trabajar
junto al INEN para tener un cuerpo normativo nacional que permita interpretar y
aplicar de mejor forma los estándares y asegurar la calidad de servicios y de los
productos ensayados.
El nuevo laboratorio también tiene que distinguirse ya que sería único en el país, y
debe acreditarse, por lo que debe cumplir normas de calidad, como la ISO IEC
17025:2005 �Requisitos generales para la competencia de laboratorios de
calibración y ensayo�. Norma que establece criterios generales, legales, de
imparcialidad, independencia e integridad, competencia técnica, cooperación con
otros laboratorios, obligaciones con sus usuarios, relación con otros organismos
para el intercambio de información y experiencia.
La norma abarca requisitos de gestión de calidad, control de documentación,
solicitudes, licitaciones, contratos, reclamos, etc. Requisitos técnicos como el
personal, instalaciones, condiciones ambientales, métodos, equipos, manejos de
muestras, informes, etc. Seguir esta norma permite realizar un manual de calidad,
de procedimientos e instrucciones de trabajo, con el fin de que el laboratorio sea
acreditado y considerado de calidad.
Este trabajo supone un cambio en la forma de ver a los laboratorios actuales de la
facultad, y sólo será posible en la medida del empeño que los miembros del
Departamento de Energía Eléctrica pongan sus fuerzas en el trabajo en conjunto
por satisfacer las necesidades del sector eléctrico en general, y que estén
constantemente recibiendo capacitación para poder realizar un mejor trabajo. Así
como que los ingresos obtenidos por dicho trabajo sean revertidos en el
mantenimiento del equipo, en el mejoramiento del laboratorio, en la capacitación de
la gente que labora en él y que hagan que el laboratorio no se desgaste inútilmente.
73
CAPÍTULO 4
ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS E INSTALACIONES
En éste capítulo se presentan los equipos que se consideran necesarios para la
implementación de un Laboratorio de Extra Alto Voltaje, basándose en normas IEC
y ANSI/IEEE. Tomando en cuenta experiencias de laboratorios de universidades
de otros países, y datos proporcionados por proveedores consultados durante la
elaboración del proyecto, sin que esto signifique ninguna obligación hacia tales
marcas y proveedores.
Las especificaciones de las instalaciones mínimas requeridas se basan en
recomendaciones de técnicos de las casas comerciales consultadas y de las hojas
de datos de los equipos ofertados así como estimaciones de demandas de energía
que se pueden inferir a partir de ellas, pero no se hace un diseño a detalle ni de
instalaciones eléctricas, puestas a tierra, apantallamientos, o implantaciones de
edificios ya que eso estaría fuera del alcance de este proyecto y constituye cada
uno por su cuenta un proyecto completo que se puede realizar por medio de otros
proyectos de titulación o como proyectos contratados en el caso de realizarse la
construcción del laboratorio.
TIPOS DE LABORATORIOS DE ALTO VOLTAJE
Los laboratorios de alto voltaje son un requerimiento esencial para la realización de
pruebas de aceptación para equipo que se ha de utilizar en la operación de
transmisión de energía en alto voltaje. Adicionalmente son muy utilizados en el
desarrollo investigativo de materiales y nuevos equipos a utilizarse, así como para
diseñar y planificar sistemas de transmisión en alto voltaje confiables y económicos.
Sólo las mejores universidades del mundo que ofrecen la especialidad de Ingeniería
Eléctrica tienen laboratorios de Alto Voltaje, difiriendo cada una debido a su
aplicación y a su capacidad de generación de voltaje.
74
Dependiendo de su propósito los laboratorios de alto voltaje pueden clasificarse en:
[18]
a. Laboratorios pequeños.- típicamente se trata de laboratorios que poseen
equipo de generación de alto voltaje D.C. y A.C. de baja potencia, menor a
10 kW/10 kVA y equipo generador de impulsos de alrededor de 10 kJ o
menos. Usualmente alcanzan voltajes A.C. de unos 300 kV en etapas
simples y hasta unos 600 kV en conexión en cascada. En voltaje D.C. suelen
tener hasta unos 400 kV y el voltaje de impulso suele ser menor a 100 kV.
Estos laboratorios entran en cuartos no muy grandes, con alturas de unos 5
metros. Son típicos de universidades que han decidido tener un laboratorio
con pocos recursos para hacer investigación, pruebas y enseñanza.
b. Laboratorios medianos- industriales.- este tipo de laboratorios suele
poder realizar pruebas de rutina a una gran cantidad de equipos. Suelen
ocupar espacios grandes donde se puede considerar sistemas de
transporte, manejos de equipos pesados como grúas. Estos laboratorios
pueden ser diseñados para incrementar su tamaño en el futuro. Suelen
iniciar con voltajes entre unos 200 a 600 kV A.C. dependiendo del tamaño
del equipo a probar como cables y transformadores, pero su nivel de
potencia es mucho mayor, por ejemplo entre 100 a 1000 kVA. Los
generadores de impulso suelen tener rangos de energía entre 20 a 100 kJ o
más. Adicionalmente pueden poseer fuentes de impulso de corriente,
fuentes de D.C. que permiten probar cables y capacitores.
c. Laboratorios de gran tamaño.- esta clase de laboratorios se dedican tanto
a la realización de pruebas sobre equipos industriales así como a desarrollar
investigación. Poseen todas las facilidades para pruebas en alto voltaje y
alta corriente como: pruebas de voltaje sostenido en seco y húmedo,
pruebas de impulsos, pruebas de voltaje sostenido D.C., pruebas bajo
condición de contaminación, pruebas de descargas parciales PD y radio
interferencia de voltaje RIV.
75
En el campo de la investigación permiten desarrollar actividades como:
estudiar fenómenos en medios aislantes como gases, líquidos, sólidos o
sistemas compuestos; estudios de voltajes sostenidos o disrupciones largas
en equipos, estudios de interferencia debido a las descargas producidas en
equipos operando en alto voltaje, estudios de coordinación de aislamiento
en alto voltaje y fenómenos de alta corriente como arcos eléctricos y
plasmas.
Suelen ser muy grandes y muy costosos, pueden tener más de una sala de
pruebas de alto voltaje, cámaras de prueba bajo contaminación, áreas al aire
libre con equipo de gran potencia, líneas de transmisión y torres, cuartos con
condiciones atmosféricas controladas, facilidades computacionales, salas de
conferencias, biblioteca, oficinas, provisiones para pruebas prolongadas y
nocturnas.
El edificio suele incluir un taller, facilidades de manejo de materiales como
grúas, escaleras, colchones de aire, etc. Control de las fuentes de energía,
desde unos pocos kVA a un par de MVA. El personal que trabaja en estos
laboratorios suele estar compuesto por un director, grupos de trabajo que se
encargan de la investigación, pruebas, mediciones, electrónica y
computación, etc. También un grupo de apoyo compuesto por ingenieros,
técnicos, bibliotecarios, personal de oficina.
El actual laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional se puede
considerar como uno muy pequeño. La propuesta del Nuevo Laboratorio de Alto
Voltaje puede considerarse como un laboratorio mediano-industrial con posibilidad
de incrementar su capacidad para ser uno de gran tamaño.
Respecto a la denominación por su capacidad de generación se ha tomado los
argumentos del Comité Electrotécnico Internacional IEC, que hablan sobre
diferentes formas de llamar a los rangos de alto voltaje; en sistemas de transmisión
de energía, los voltajes sobre los 345 kV se consideran Extra Alto Voltaje EHV,
76
mientras que sistemas con voltajes sobre los 1000 kV se han empezado a
denominar de Ultra Alto Voltaje UHV.
Debido a que la primera condición del nuevo laboratorio es que posea la capacidad
de pruebas sobre equipo del sistema de hasta 500 kV que va a entrar a funcionar
en Ecuador, se decidió escoger un voltaje estándar de 800 kV del equipo generador
de voltaje alterno, y por tal razón se ha llamado al proyecto como �Laboratorio de
Extra Alto Voltaje�, aunque esta denominación es más bien cualitativa para hacer
referencia al gran tamaño que va a tener en comparación al laboratorio existente.
En este trabajo se refiere indistintamente como �Laboratorio de Alto Voltaje� o
�Laboratorio de Extra Alto Voltaje� al proyecto ya que cualquiera de las dos
denominaciones es correcta dentro de las definiciones en normas internacionales.
Este nuevo laboratorio tendrá requerimientos de equipo, instrumentación y espacio
que se definirá a continuación como una base de referencia hacia un diseño final.
VOLTAJES DE PRUEBA
Los equipos del sistema de potencia no deben soportar únicamente su voltaje
nominal Um que corresponde al voltaje más alto de un sistema en particular, sino
también sobrevoltajes. Debido a ello, es necesario probar el equipo de alto voltaje
durante su desarrollo y posterior despacho e instalación. La magnitud y tipo de
voltaje de prueba varía dependiendo del voltaje nominal del equipo bajo prueba.
Pero se pueden separar de acuerdo a ensayos típicos que se detallan a
continuación:
4.2.1 VOLTAJES DE PRUEBA DE FRECUENCIA INDUSTRIAL
Este tipo de ensayos trata de asegurar la capacidad del aislamiento del equipo bajo
prueba de soportar un voltaje sostenido mucho mayor al nominal, de una frecuencia
de 50 0 60 Hz dependiendo de cada país, durante un tiempo de un minuto.
77
Normalmente el valor del voltaje de prueba se establece en un nivel mucho mayor
al que se espera que aparezca en la operación del sistema, para poder simular el
�estrés� que sufriría el aislamiento durante años de servicio.
Las pruebas se hacen en condiciones secas y húmedas, la segunda en caso de
equipos que se van a instalar al aire libre y sufrirán condiciones atmosféricas más
fuertes como la lluvia. Los niveles de voltaje en seco y húmedo son diferentes y
vienen especificados en normas específicas IEC o ANSI para cada clase de equipo.
4.2.2 VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO
Los impactos de los rayos atmosféricos en las líneas de transmisión o sus
proximidades inducen sobrevoltajes que viajan por las líneas en forma de ondas y
que pueden dañar el aislamiento del sistema. La magnitud de estos sobrevoltajes
puede alcanzar miles de kilovoltios.
La exhaustiva investigación y la experiencia han mostrado que los sobrevoltajes
que producen los rayos se caracterizan por un frente de onda de corta duración en
el orden de los microsegundos hasta unas cuantas decenas de microsegundos, y
que luego decrecen lentamente hasta cero.
La onda de impulso atmosférico estándar que se utiliza para simular un sobrevoltaje
de este tipo es una onda de impulso aperíodica que alcanza su valor pico en 1,2 µs
y decrece lentamente a la mitad de su valor de pico en aproximadamente 50 µs.
Estas ondas normalizadas están detalladas en la norma IEC 60060-1. �High-voltage
test techniques�, donde se especifica a detalle su forma y tolerancias. Como se ve
en la Figura 4.1 y 4.2.
En ciertas pruebas es necesario probar el aislamiento eléctrico ante ondas de
impulso recortadas o �chopped waves�, que son la misma onda estándar cortadas
por un par de esferas de descarga, en tiempos de 2 a 5 µs, pero este tiempo no
está normalizado debido a dificultades que pueden aparecer en las mediciones, y
que deben establecerse de acuerdo a las posibilidades de los laboratorios.
78
Figura 4.1. Onda normalizada de impulso atmosférico según IEC 60-1. T1= 1,2 µs, T2=
50 µs. [19]
Figura 4.2. Ondas de impulso atmosférico recortadas. (a) recortada en el frente. (b)
recortada en la cola. Fuente: Norma IEC 60-1. [19]
Adicionalmente estas ondas se utilizan en investigación en estudios fundamentales
de mecanismos de descarga, especialmente cuando el tiempo de disrupción es de
interés.
4.2.3 VOLTAJES DE PRUEBA DE IMPULSO DE MANIOBRA
Sobrevoltajes transitorios pueden aparecer debido a cambios súbitos en el estado
del sistema de potencia, por ejemplo apertura o cierre de interruptores o fallas
eléctricas, éstos sobrevoltajes son conocidos como voltajes de impulso de
79
maniobra y son un factor dominante que afecta el aislamiento de los equipos de
alto voltaje, en especial para sistemas de potencia con rangos de voltaje sobre los
300 kV.
Por tanto es una recomendación hecha por varias normas internacionales, que los
equipos que trabajan sobre un nivel de 300 kV sean probados con voltajes de
impulso de maniobra.
Las ondas de estos sobrevoltajes en el sistema pueden variar muy ampliamente.
La experiencia ha mostrado que para distancias de disrupción en el aire o para
condiciones prácticas los valores resistidos más bajos se obtienen con ondas de
frente entre 100 a 300 µs. La recomendación es utilizar una onda de frente de onda
de 250 µs y un tiempo de media onda de 2500 µs como la de la Figura 4.3. [20]
Figura 4.3. Onda de voltaje de impulso de maniobra según IEC 60-1. Típicamente Tp=
250 µs, T2= 2500 µs. [19]
4.2.4 VOLTAJES DE PRUEBA DE CORRIENTE DIRECTA D.C.
En el pasado los voltajes D.C. estaban destinados únicamente a la investigación
científica. En aplicaciones industriales se limitaban a pruebas en cables con una
capacitancia muy alta que toman mucha corriente cuando se prueban con corriente
80
alterna. También se usan para probar aislamientos en los que las descargas
internas pueden causar la degradación del aislamiento bajo prueba.
Pero en los recientes años ha aparecido un creciente interés en los sistemas de
transmisión de energía en alto voltaje de corriente directa HVDC, así que un gran
número de laboratorios están siendo equipados con fuentes que producen muy
altos voltajes en D.C.
Por tanto la aplicación de los voltajes D.C es la que impone el nivel de voltaje que
se desea. Partiendo desde investigaciones en campos de la física a aplicaciones
industriales. En el caso de Ecuador la incursión de los sistemas HVDC está aún
muy lejos de llevarse a cabo, sin embargo no deja de ser un campo de investigación
totalmente nuevo que la universidad debe aprovechar.
Los voltajes explicados en los puntos 4.2.1, 4.2.2, 4.2.3 y 4.2.4 vienen a conformar
los voltajes mínimos que debería tener un laboratorio de alto voltaje y con los que
se debe partir para especificar los equipos. Estas fuentes no son las únicas, pero
sí las mínimas que deberían adquirirse.
En los puntos que vienen a continuación se indican las características mínimas que
deberían tener estas fuentes, fuentes adicionales y equipos complementarios para
hacer al laboratorio de una gran capacidad de prueba e investigación.
GENERADOR DE VOLTAJE ALTERNO
El equipo de generación de voltaje alterno se utilizará para ensayos con voltajes de
frecuencia industrial sobre equipos de alto voltaje. Básicamente el modo más
sencillo de generación de alto voltaje alterno consiste en un transformador elevador
de gran relación de transformación, ya sea en una o varias etapas en cascada. Pero
en los últimos años, los sistemas resonantes han entrado con fuerza como
alternativa.
81
4.3.1 VOLTAJE REQUERIDO
El nivel de voltaje que se utiliza para estos ensayos depende del más alto voltaje
r.m.s. esperado entre fase y fase Um del sistema de transmisión. Este �voltaje
sostenido nominal de frecuencia industrial de corta duración� Ut es diferente para
cada clase de equipo utilizado en el sistema y depende también del método de
coordinación de aislamiento aplicado.
La norma internacional IEC 60071 �Insulation Co-ordination� parte 1 y 2, da las
guías para aplicación de un método de coordinación de aislamiento en sistemas de
potencia. En especial sobre la diferenciación en los ensayos a los equipos. La
norma indica que para sistemas con Um<245 kV, la relación Ut/Um es de
aproximadamente 1,9 y decrece con valores más altos de Um. La norma establece
a los voltajes que llegan hasta el nivel de 245 kV como de Rango I, y en la Tabla
4.1 tomada de esa norma, podemos ver los niveles de voltaje de prueba de
frecuencia industrial así como los voltajes de impulso atmosférico de prueba
recomendados.
La norma establece que para los sistemas en el Rango I, las pruebas que
caracterizan el aislamiento eléctrico son las de voltaje sostenido de frecuencia
industrial de corta duración, y la prueba de voltaje de impulso atmosférico. Esto en
relación a los métodos de coordinación de aislamiento, que para sistemas menores
a 245 kV es predominante la coordinación en base a impulsos atmosféricos y voltaje
aplicado de frecuencia industrial.
Así, según la Tabla 4.1, para nuestro sistema de 230 kV (245 kV el más alto cercano
en la norma) la prueba de voltaje aplicado a 60 Hz máxima sería a 460 kV entre
fases, y el voltaje de impulso que se debería aplicar debe tener un pico de 1050 kV.
82
Tabla 4.1. Valores de aislamiento estándar para Rango I (1 kV< Um "245 kV)
fuente: Norma IEC 60071-1. [21]
83
Cabe aclarar que estos voltajes están establecidos para condiciones atmosféricas
estándar de la norma que son: t0= temperatura de 20 °C, b0= presión atmosférica
de 101.3 kPa y una humedad absoluta h0 de 11 g/m3. La norma IEC 60-1 establece
un método de corrección cuando no se tiene estas condiciones en el laboratorio,
condiciones que consideran exponentes llamados m, k y w. Exponentes que
dependen de la humedad absoluta, la densidad del aire, y en especial de la altitud
sobre el nivel del mar, pero que aún están bajo consideración y sólo se han
estimado hasta una altitud de 2000 m.s.n.m. Por lo que se hacen inaplicables en la
condición de 2850 m.s.n.m. de Quito. Por ello se utiliza otro método basado en los
resultados de la ley de Paschen [20] y es el método usado durante años en el
actual laboratorio de la EPN. Se utiliza la expresión 4-1.
Vd=kd.Vd0 (4-1)
Siendo:
Vd = voltaje al que se produce una disrupción en condiciones diferentes a la
estándar.
Vd0 = voltaje que estable la norma para el tipo de aislamiento dado en la
Tabla 4.1.
kd = factor de corrección que depende de la densidad del aire d.
La densidad relativa del aire RAD (d) está dada en términos generales por:
(4-2)
Donde:
b0 = presión atmosférica a condición estándar.
b = presión atmosférica en condiciones de prueba.
t0 = temperatura estándar 20 °C.
t = temperatura en grados Celsius en condiciones de prueba.
Las condiciones de laboratorio permiten mantener una temperatura promedio igual
a la estándar, por lo que la variable que no se controla es la presión atmosférica,
84
considerando una presión promedio de 540 mmHg en Quito, la densidad relativa
del aire es aproximadamente d= 0.71 (RAD).
En la Tabla 4.2 se dan valores de kd como una función no lineal de la densidad del
aire.
Tabla 4.2. Factor de corrección kd debido a la densidad del aire [20]
Densidad relativa del
aire RAD
Factor de
corrección kd
0.70 0.72
0.75 0.77
0.80 0.82
0.85 0.86
0.90 0.91
0.95 0.95
1.00 1.00
1.05 1.05
1.10 1.09
1.15 1.13
Por tanto un factor de corrección kd =0.72 aproxima al voltaje que se esperaría
produzca disrupciones en las instalaciones del laboratorio en Quito, y que para el
caso del sistema de 230 kV, sería como máximo en la prueba de voltaje aplicado a
60 Hz de 331.2 kV entre fases, y el voltaje de impulso que se debería aplicar debe
tener un pico de 756 kV.
Para voltajes mayores a 245 kV, la norma IEC 60076-1 los ha clasificado como de
Rango II, donde la coordinación de aislamiento predomina en base a impulsos de
tipo de maniobra y atmosféricos sobre los voltajes de frecuencia industrial, se ha
establecido valores de prueba según la Tabla 4.3.
85
Tabla 4.3. Niveles de Aislamiento Estándar para voltajes de Rango II (Um > 245
kV). Fuente: Norma IEC 60071-1. [21]
Como el sistema de 500 kV cae dentro de los voltajes de Rango II, el voltaje de
prueba de frecuencia industrial queda establecido por el máximo voltaje nominal
del sistema que sería para el caso de Ecuador es de un 5 % sobre el valor nominal,
es decir un caso de 525 kV.
86
Sin embargo uno de los principales elementos a probar son transformadores de
potencia, en donde la norma IEC 60076-3 �Insulation levels, dielectric tests and
external clearances in air� nos da voltajes normalizados para prueba de aislamiento
en transformadores, como se ve en la Tabla 4.4.
Tabla 4.4. Voltajes de pruebas en transformadores con voltaje nominal
Um > 170 kV [22]
En este caso, para un sistema de 550 kV el voltaje más alto de frecuencia industrial
es de 630 kV. De acuerdo a la norma IEC 61869-1 �General Requirements for
Instrument Transformers� el factor de corrección de altitud k para pruebas de
disrupciones viene dada por la ecuación 4-3.
[23] (4-3)
87
Donde:
H= altitud sobre el nivel del mar en metros.
m= 1 para pruebas de impulso atmosférico y de frecuencia industrial.
m = 0.75 para pruebas de impulso de maniobra.
En el caso de Quito a 2850 m.s.n.m. el factor de corrección es k=1,2548. Por lo que
el voltaje que se requiere obtener del sistema de generación de A.C. para el nuevo
laboratorio es el producto de este factor k por los 630 kV requeridos, esto da un
requerimiento de al menos 790 kV.
En el mercado existen proveedores con sistemas de generación de voltaje alterno
con valores estándar de 800 kV. Que recomiendan tomar en cuenta una reducción
de 1% de su capacidad de generación por cada 100 metros de altitud sobre los
1000 metros sobre el nivel del mar, es decir en el caso de Quito una reducción del
19 % de capacidad, quedando un voltaje utilizable de 648 kV. Lo que cubre el
requerimiento de voltaje aplicado máximo esperado y todos los voltajes inferiores
de los demás sistemas existentes en el país.
De esta manera queda seleccionado el nivel de voltaje alterno nominal del sistema
de generación A.C. para el Laboratorio de Alto Voltaje en 800 kV eficaces.
4.3.2 POTENCIA REQUERIDA
Las pruebas en alto voltaje pueden resumirse de manera sencilla a la aplicación de
voltaje sobre cargas de tipo capacitivas con una disipación de potencia muy baja.
Si Ct es la capacitancia del equipo a probar, Vn es el voltaje nominal r.m.s. de la
fuente de alto voltaje, la potencia requerida para la prueba Pn se puede calcular en
base a la expresión 4-4.
(4-4)
Siendo w la frecuencia de la red eléctrica en términos angulares. Y k #1 como factor
de seguridad debido a capacitancias adicionales.
88
Ejemplos de capacitancias adicionales son: electrodos de alto voltaje, conexiones
entre la fuente y el objeto bajo prueba, dispositivos utilizados para medición como
capacitores o esferas de medida. Este factor de seguridad puede tomar valores
desde 2 para fuentes de muy alto voltaje, usualmente mayores a 1 MV, y puede
incrementarse a valores mayores para voltajes nominales menores, también se
debe considerar el sobredimensionamiento en función del factor económico. [20]
La capacitancia de los objetos de prueba puede ser muy diferente y varía
ampliamente. Algunos valores típicos se muestran en la Tabla 4.5.
Tabla 4.5. Valores típicos de capacitancia de objetos comunes de prueba en alto
voltaje. [20]
Objetos típicos de prueba Valor de Capacitancia
Aisladores de suspensión o tipo
�post�
Alrededor de 10 pF
Bushings 100 � 1000 pF
Transformadores de Potencial 200 � 500 pF
Transformadores de Potencia
<1000 kVA
Alrededor de 1000 pF
Transformadores de Potencia
>1000 kVA
1000 � 10000 pF
Cables con papel impregnados en
aceite
250 � 300 pF/m
Cables aislados en gases Alrededor de 60 pF/m
Celdas de tipo Metal Clad aisladas
en SF6
1000 a valores más allá de los
10000 pF
En base a la ecuación 4-4. Considerando el caso más extremo de generación de
Vn= 630 kV y una capacitancia de prueba grande como un transformador Ct= 10000
pF. Se puede calcular una potencia requerida de:
89
Se puede ver que la fuente debe tener una potencia considerable, se debe tomar
en cuenta las recomendaciones de dimensionar más la fuente debido a
capacitancias adicionales. Otro factor de importancia es la existencia de
generadores de alto voltaje comerciales con potencias de este tamaño, y también
de transformadores para la cámara de transformación. Debido a estos dos factores,
la potencia mínima a considerarse debería ser de al menos 2000 kVA.
Si bien se trata de una gran potencia, ésta sólo se usará en casos de máxima carga,
además hay que considerar el hecho de que la mayoría de pruebas en alto voltaje
son de corta duración. De esa manera, los sistemas comerciales de alto voltaje
alterno de prueba suelen venir especificados para trabajar por períodos de tiempo,
típicos 15, 30 o 60 minutos encendidos y los mismos períodos apagados. Además
suelen tener muy buenos materiales disipadores de calor, por lo que no suele
requerirse sistemas de refrigeración con este tipo de fuentes.
4.3.3 TIPOS DE GENERADORES DE ALTO VOLTAJE AC
Existe más de una manera de generar alto voltaje alterno, a continuación se ven
estas opciones y cuáles serían los equipos que cumplen la condición de voltaje para
el laboratorio.
4.3.3.1 Transformadores de prueba
El método más sencillo para generar alto voltaje alterno consiste en utilizar un
transformador monofásico diseñado para operar a la misma frecuencia de la red
donde se van a instalar los objetos bajo prueba. Pero también pueden usarse para
frecuencias más altas con voltaje nominal, o frecuencias más bajas si los voltajes
son reducidos de acuerdo a la frecuencia, para evitar saturaciones del núcleo.
Las principales diferencias con un transformador monofásico común y corriente
suelen estar relacionadas a tener una menor densidad de flujo en el núcleo, para
evitar tener corrientes de magnetización muy grandes que puedan causar grandes
90
contenidos armónicos en la fuente. Además de tener un sistema de aislamiento
muy bueno y compacto.
Usualmente el devanado de bajo voltaje suele tener valores nominales menores a
1 kV, que puede tener a veces devanados partidos para conectar en serie o paralelo
para mejorar la regulación de voltaje. Se pueden construir de varias maneras, ya
sea de tipo tanque metálico en cuyo caso posee un bushing para la terminal de
alto voltaje, o de tipo cilíndrico que evita el uso de bushings y reduce el tamaño del
equipo, y el medio de aislamiento suele ser con aceite de gran calidad, y devanados
aislados con papel. La Figura 4.4 muestra ejemplos de estos transformadores en
un corte.
Existe una dificultad en el diseño de transformadores de este tipo cuando los
voltajes deseados son mayores a 100 kV, siendo una opción de construcción la
conexión en cascada de varios transformadores. Como se ve en la Figura 4.5.
La conexión en cascada es una gran ventaja para voltajes entre unos 300 a 500
kV, ya que se puede tener además unidades de voltajes menores más fáciles de
transportar. Una desventaja de esta conexión es la gran carga que soporta los
bobinados primarios en las etapas más bajas. Además de que debido a la
característica capacitiva de la carga suelen requerir reactores de compensación
con el fin de tener la mayor cantidad de potencia en la salida de alto voltaje. Como
estos reactores suelen conectarse o desconectarse en función de la carga, no
resultan muy convenientes respecto a su costo.
Los transformadores en cascada dominan las pruebas en alto voltaje alterno HVAC
en una gran cantidad de laboratorios. El sistema de prueba más grande del mundo
está en WEI Istra cerca de Moscú, Rusia. Equipado con transformadores en
cascada con una capacidad de 3 MV, 12 MVA. Diseñado por TuR de Dresden
Alemania, que ahora forma parte de la empresa HIGH VOLT. En la Figura 4.6 se
puede ver este sistema.
91
Figura 4.4. Transformador de prueba de alto voltaje [20]
Figura 4.5. Unidad transformadora de alto voltaje que sirve para conexión en cascada
[20]
92
Figura 4.6. Sistema de transformadores en cascada. WEI Russian Electrical Engineering
Institute [24]
4.3.3.2 Sistemas resonantes
Otro método para obtener altos voltajes alternos consiste en la utilización de
circuitos resonantes en serie. Estos circuitos sintonizados de alto voltaje surgieron
como un medio para superar la resonancia accidental y no deseada a la que la
mayoría de los sistemas de prueba están propensos.
En los sistemas convencionales con transformadores de prueba, si se da el caso
de que la carga capacitiva causa resonancia con la frecuencia de la fuente su efecto
puede ser muy peligroso, se puede tener un incremento de voltaje instantáneo de
unas 20 veces el voltaje utilizado. Esto ha producido algunas veces explosiones
durante pruebas de cables. La mayor posibilidad de que esto ocurra se da cuando
se hace pruebas en los límites de máxima corriente y voltajes bajos que ocurren en
el caso de cargas altamente capacitivas. [20]
La resonancia también puede aparecer debido a algún armónico. En la actualidad
las fuentes de energía tienen un gran contenido armónico debido a la electrónica
de potencia. Si bien estas resonancias no son tan desastrosas, se han observado
grandes amplitudes del tercer armónico e incluso hasta el decimotercer armónico
puede dar un 5 por ciento de ondulación en la forma de onda de voltaje. [20]
93
En los sistemas de generación de alto voltaje resonantes en cambio, la resonancia
es controlada a la frecuencia fundamental y no aparecen formas de resonancia no
deseadas. En la Figura 4.7 se pueden ver algunos circuitos básicos de este tipo de
generadores.
Figura 4.7. Sistema HVAC Resonante en serie [20]
Estos sistemas tienen un reactor variable conectado al lado de bajo voltaje de un
transformador cuyo secundario está dimensionado para proveer el voltaje de
prueba. De este modo la impedancia del reactor se refleja al lado de alto voltaje, si
su inductancia se sintoniza para tener resonancia con la carga capacitiva, la energía
sobrante de la carga se compensa. El transformador sin embargo debe llevar la
totalidad de la corriente de la carga, lo que es una desventaja de estos circuitos.
Los reactores son diseñados con factores de calidad alto (Q=wL/R) dentro de los
límites de variación de la inductancia del reactor. Por su parte el transformador de
alimentación sólo inyecta las pérdidas del circuito.
94
El desarrollo tecnológico ha mejorado estos sistemas con núcleos de hierro
divididos para tener una variación continua de los valores de inductancia haciendo
posible tener hasta 300 kV por unidad. [20]
Algunas ventajas de estos sistemas son: [20]
- La forma de onda de voltaje se mejora por la eliminación de resonancias no
deseadas y por la atenuación de armónicos incluso en la fuente de energía.
- La potencia requerida de la fuente es menor que los kVA en el circuito
principal de prueba. En casos de factor de potencia unitario, representa sólo
el 5 % de kVA de la fuente principal.
- Si se produce una falla en el objeto de prueba, no se produce un arco de
gran potencia. Esto es importante en especial en pruebas de cables donde
arcos de potencia considerable pueden llevar a explosiones en las
terminales de los cables.
- La conexión en serie reactores es simple y no tiene los problemas de
acoplamiento de impedancias que tienen los transformadores en cascada.
Se pueden conectar también en paralelo para reforzar el sistema cuando se
requiere altas corrientes.
- Es fácil que tengan sistemas de auto sintonización para mantener la
resonancia si la frecuencia de la fuente o si la capacitancia de la carga varían
durante pruebas de larga duración.
- Se reduce el tamaño y el peso de las unidades en serie en comparación a
sistemas de transformadores en cascada. Un sistema de transformadores
puede pesar entre 10 a 20 kg/kVA mientras que un sistema resonante entre
3 a 6 kg/kVA.
Debido a que es imposible mantener la capacitancia de la carga dentro de límites
constantes, la frecuencia de la fuente debería ser modificada continuamente para
95
mantener la resonancia. Por ello, estos sistemas poseen un excitador conectado a
la fuente de bajo voltaje que alimenta al circuito resonante con frecuencia variable.
Este excitador provee solamente las pérdidas del circuito de prueba, que suelen ser
un 2 % de la potencia en la carga capacitiva. Como se ve en la Figura 4.8.
Figura 4.8. Circuito de prueba resonante con frecuencia variable [20]
4.3.3.3 Opción con sistema de transformadores de prueba.
Con lo indicado anteriormente y las condiciones de voltaje y potencia requeridas,
se ha buscado opciones comerciales de casas dedicadas a la elaboración de
sistemas de alto voltaje. Teniendo en consideración marcas reconocidas como
Haefely de Suecia y HIGH VOLT de Alemania.
En la Figura 4.9 se observa un transformador de prueba del tipo tanque, modelo
PSK de marca Haefely.
Si bien los catálogos ofrecen datos comerciales de valores comunes, lo cierto es
que los proveedores pueden ofrecer un sistema bajo pedido. Que en el caso de
este proyecto sería un sistema de 800 kV/2000 kVA.
96
Figura 4.9. Transformador Haefely tipo tanque. 750 kV/2100 kVA.
De los catálogos disponibles en la página oficial de la casa comercial. Se han
obtenido los componentes que regularmente vienen con el sistema que son:
- Transformador regulador de bajo voltaje
- Filtros armónicos de línea
- Reactores de compensación
- Transformador de prueba
- Capacitor de acoplamiento
- Sistemas de control, y medición.
- Sistemas de aterrizaje y sistemas de conexión entre elementos.
La empresa proveedora también ofrece al cliente adaptar los ciclos de trabajo del
equipo a sus necesidades. Por defecto los ciclos de trabajo de este sistema es de
1 hora encendido y 1 hora apagado, 2 veces al día. 1 h On, 1 h Off.
Es común que los datos técnicos estén especificados para altitudes menores a
1000 metros sobre el nivel del mar, por ello como se indicó en puntos anteriores,
se debe estar seguro con la casa comercial que su sistema pueda generar sin
problemas 630 kV al nivel de Quito.
97
Algunas características técnicas de este sistema son:
- Humedad de trabajo hasta el 90 %.
- Temperatura ambiente en 24 horas: desde 0 °C a máximo 30 °C.
- Temperatura ambiente para equipos de control: 0 °C a máximo 25 °C.
Un ejemplo de las dimensiones de un transformador de 750 kV/ 2100 kVA se ven
en la Figura 4.10. Un tamaño muy cercano al transformador necesitado.
Figura 4.10. Transformador tipo Tanque de 750 kV/2100 kVA. Haefely [25]
Por su parte la casa HIGH VOLT posee también transformadores de prueba de tipo
tanque, los llama tipo PEO. Que en sus datos técnicos comerciales el transformador
más cercano que ofrece es uno de 700 kV/1500 kVA. Sin embargo, también ofrecen
la posibilidad de adaptar sus diseños en función de la necesidad del cliente, sin
embargo estos modelos están diseñados para trabajo continuo.
Un transformador de este tipo mide aproximadamente 16 m x 6.20 m x 9.50 m,
largo, ancho y altura respectivamente, y puede pesar unos 64000 kg y se ve en la
Figura 4.11.
98
Figura 4.11. Transformador de prueba tipo PEO. HIGH VOLT
Cabe anotar que estos sistemas suelen ofrecer siempre de manera opcional
sistemas para medición de descargas parciales PD que deben considerarse ya que
en muchas pruebas de voltajes muy altos, por ejemplo sobre los 300 kV en
transformadores, siempre las pruebas exigen análisis de descargas parciales.
Si bien estos sistemas son los más sencillos de usar, tienen los problemas
indicados en el punto 4.3.3.1. Que básicamente son la imposibilidad de controlar
resonancias no deseadas produciendo distorsiones de ondas, y su gran tamaño y
por ende mayor costo.
4.3.3.4 Opción con sistema resonante.
Debido a las ventajas de los sistemas resonantes frente a los transformadores de
prueba, como relación tamaño/costo, ventajas eléctricas frente a posibles
resonancias no deseadas, mayor potencia en menos espacio, es que se ha
considerado como la mejor opción para el nuevo laboratorio la compra de este tipo
de sistemas.
En la realización de este proyecto, se hizo contactos con proveedores de varias
marcas, y la casa HIGH VOLT fue la que dio los datos técnicos y económicos más
precisos, por lo que algunas especificaciones están hechas en base a esa marca,
99
recalcando que no significa que sea la única casa comercial que tenga este tipo de
equipos ni que exista alguna obligación de compra hacia ellos.
El sistema resonante que cubre las necesidades del laboratorio es el sistema WRM
2000/800-400. Un sistema modular de 2000 kVA/800 kV con dos reactores en serie
de 400 kV. Claro está que debido a la degradación de aislamiento, en el nivel de
Quito un voltaje máximo de 640 kV, ideal para pruebas de voltaje sostenido a
cables, aisladores, GIS´s, CVT´s y transformadores, produce voltaje variable que
cumple las especificaciones de las normas IEC 60060-1,2. En un rango de 10 al
100 % del voltaje especificado. La Figura 4.12 muestra el esquema de este sistema.
Figura 4.12. Esquema del sistema HVAC resonante de 800 kV [26]
Algunas características de este sistema son:
100
- Baja demanda de potencia de menos del 5% de la potencia aparente en el
objeto de prueba.
- Onda de voltaje puramente sinusoidal de acuerdo a estándares IEC.
- Diseño robusto de los componentes para garantizar que no se produzcan
daños en ellos, cuando se produce una descarga que rompa el objeto bajo
prueba.
- Bajísimo daño en el objeto de prueba en caso de descarga debido al rápido
apagado del sistema de alto voltaje.
- Bajo nivel de descargas parciales si se instala dentro de una Jaula de
Faraday.
- Sistema de control basado en sistemas de control industrial modernos tipo
SIMATIC.
- Comunicaciones bajo fibra óptica que eliminan interferencias.
- Control de mediciones y manejo computarizados.
- Acceso remoto a los módulos desde la casa comercial HIGH VOLT vía
Internet en caso de soporte técnico o problemas con actualizaciones de
software.
Los parámetros del sistema se resumen a continuación:
Conexión de reactores de HV Un reactor En serie En paralelo.
Voltaje nominal 320 kV 640 kV 320 kV
Corriente nominal 2 2 A 2 A 4 A
Potencia nominal2 640 kVA 1280 kVA 1280 kVA
Frecuencia 60 Hz
2 La corriente y potencia disponible para el objeto a ser probado está reducida por el valor de
corriente/potencia capacitiva del divisor de voltaje y del capacitor de acoplamiento para PD.
101
Mínima carga3 0,83 nF 0,42 nF 1,66 nF
Máxima carga 16,6 nF 8,3 nF 33,2 nF
Nivel de PD a voltaje nominal4 2 pC 2 pC 2 pC
Rango de inductancia 1:20
Ciclo de trabajo 1 h ON � 1 h OFF. 6 ciclos por día.
Nivel de ruido según IEC 60551 <78 dB(A) a una distancia de 4 m.
Fuente de poder
Circuito de Potencia 2 fases + tierra
440 V
50 kVA
Circuito de Control 3 fases + neutro + tierra
440 V
6,5 kVA/ 60 Hz
Condiciones de operación:
Temperatura ambiente 5 � 40 °C
Temperatura promedio diaria " 25 °C
Máxima humedad relativa 90 %
Altitud sobre nivel del mar " 3000 m
Temperatura ambiente para
almacenamiento -10 a 50 °C
Tipo de instalación: puertas adentro, móvil.
Especificaciones más detalladas de cada componente se encuentran en el Anexo
1. La Figura 4.13 muestra la forma de los módulos resonantes de HVAC:
Las dimensiones de los módulos son: H2=8025 mm, D2= 2470 mm. Peso total:
16000 kg. Peso del aceite: 6400 kg.
3 Si el sistema operará sin un objeto de prueba, la capacitancia debe ser al menos la mínima carga capacitiva.
El divisor de voltaje sugerido y el capacitor de acoplamiento de PD cumplen con este requerimiento. 4 La medición está hecha en el punto de conexión del objeto de prueba con una carga básica, se asume un
nivel de PD externas suficientemente bajo. Medición de PD realizada bajo IEC 60270
102
El excitador que varía la frecuencia del sistema se muestra en la Figura 4.14. Sus
características son:
Potencia nominal: 50 kVA
Máximo voltaje de salida 30 kV
Dimensiones:
Largo (L) 1480 mm
Ancho (W) 1250 mm
Altura (H) 1680 mm
Peso total: 1200 kg
Peso del aceite: 370 kg
Figura 4.13. Sistema modular resonante 2 x DERI 1000/400. [26]
Figura 4.14. Excitador de frecuencia variable [26]
103
Se incluye un set de accesorios para la operación en paralelo de los reactores, el
set incluye:
- 1 elemento de conexión para operación en paralelo de los reactores de AV
- 1 elemento de conexión para operación en paralelo de los capacitores de AV
- 1 barra para cortocircuito para reactores
- 1 barra para cortocircuito de capacitores
El sistema cuenta con un medio de movilización a base de colchones de aire, por
ello se requiere que el piso del área de trabajo sea de cemento liso, pulido y sellado
o suelo recubierto de resina sintética suave, sin juntas, grietas o gradas. Se debe
adquirir un compresor con un tanque de al menos 5000 litros, filtro de aire y secador.
Se provee un armario de distribución y control como el de la Figura 4.15.
Figura 4.15 Armario de distribución y control [26]
El tablero de distribución tiene principalmente:
- Interruptor de energía
- Transductores para medición de voltaje y corriente de alimentación
- Relés de acoplamiento, fusibles para el sistema de control, contactos, etc.
104
- Controlador lógico programable PLC de tipo SIMATIC
- Protecciones de sobrevoltaje
- Módulos de control para la fuente de poder y para control de accionamientos
electrónicos.
- Conexión ETHERNET para el dispositivo de control del operador y el sistema
de medición.
- Terminales de conexión para sistemas de emergencia de energía, circuitos
de seguridad, lámparas de señalización y alarma.
- Regulador de resonancia para operación automática del sistema resonante
de alto voltaje.
Las características del tablero de distribución y control son:
Voltaje nominal: 440 V
Corriente nominal: 160 A
Ciclo de operación: continuo
Frecuencia 50/60 Hz
Dimensiones:
Largo 606 mm
Ancho (W) 1206 mm
Altura (H) 2258 mm
Peso total 420 kg
Tipo de instalación: bajo techo, estacionario.
El siguiente elemento del sistema consiste en un transformador de regulación, es
un transformador de tipo seco instalado en una cabina transportable, sus
características son:
Entrada de voltaje 440 V
105
Voltaje nominal de salida 0 � 400 V
Potencia nominal 60 kVA
Corriente nominal de salida 0 � 150 A
Frecuencia 50/60 Hz
Tiempo de regulación 50 � 250 segundos
Tipo de protección IP 20
Refrigeración AN
Dimensiones:
Largo: 1200 mm
Ancho: 600 mm
Altura: 2200 mm
Peso total: 750 kg
Se necesita también de una impedancia de choque o bloqueo que protege la fuente
de alto voltaje en caso de falla en el objeto de prueba. Sirve también como filtro
pasa bajos que bloquean ruidos de alta frecuencia que vienen del lado de alto
voltaje del objeto de prueba. Evita también el paso de señales de alta frecuencia de
PD. Sus parámetros son:
Voltaje nominal 800 kV
Corriente nominal 30 A
Inductancia nominal 24 mH
Máxima frecuencia de prueba 1000 Hz
Dimensiones
Diámetro (D) 400 mm
Longitud (L) 3060 mm
Peso total: 75 kg
Esta impedancia se observa en la Figura 4.16.
106
Figura 4.16. Impedancia de choque [26]
El sistema de medición consiste de un capacitor móvil de alto voltaje diseñado para
operar bajo techo, compuesto de dos etapas: un electrodo de alto voltaje y una
base. El capacitor está libre de PD, aislado con papel impregnado en líquido o papel
de aluminio dentro de un tubo.
Sus características son:
Voltaje nominal 800 kV
Capacitancia nominal 0.25 nF
Rango de frecuencia 20 � 300 Hz
Dimensiones:
Diámetro (D) 1600 mm
Altura (H) 5900 mm
Base (A x A) 2180 x 2180 mm
Peso total 295 kg
Se puede observar a este capacitor en la Figura 4.17.
Figura 4.17. Capacitor divisor de alto voltaje de 800 kV [26]
107
En conjunto con este capacitor de alto voltaje, hay que colocar un capacitor de bajo
voltaje para completar el divisor, este componente cuenta con protección de
sobrevoltaje. Su salida de voltaje tiene un conector tipo N de 50 Ohmios para
conectar al kilovoltímetro de AC/DC, como se ve en la Figura 4.18.
Figura 4.18. Capacitor de bajo voltaje del divisor capacitivo. [26]
Para el sistema de descargas parciales se requiere de otro capacitor de alto voltaje
de las mismas características que el de la Figura 4.17 y de una impedancia de
medición. Esta impedancia tiene protección de sobre voltaje, sincroniza las
mediciones de PD. Se la puede ver en la Figura 4.19.
Figura 4.19. Impedancia para medición de descargas parciales. [26]
Sus características son:
Máxima corriente 5 A
Máximo voltaje de señal 60 V pico.
Máximo voltaje de bajo voltaje del capacitor 150 V pico.
Capacitancia del divisor interno 89 nF
Salida de PD 25 � 18000 kHz
Conectores:
Entrada 2 x Banana
Salida 2 x BNC para PD y señal de voltaje
Material: aluminio
Dimensiones: 145 x 51 x 58 mm
108
El instrumento de medición de descargas parciales cumple con los requerimientos
de la norma IEC 60270, cuenta con pantalla LCD, conexión USB a una
computadora.
Sus principales parámetros son:
Mínima carga detectable 0.1 pC
Máxima carga detectable 1000 pC
Frecuencia 40 � 800 kHz
Impedancia de entrada 50 !
Parámetros de localización de PD:
Resolución de tiempo 10 ns
Incertidumbre de localización 1 m ± 0.1 % (relativo a la longitud del cable)
Máxima longitud del cable: 5 km
Dimensiones:
Longitud 483 mm
Anchura 295 mm
Altura 133 mm
Peso 3 kg
El sistema de medición de descargas parciales requiere también de un
preamplificador de la señal de PD que puede manejar un cable coaxial de 50 ! de
máximo 5 m de longitud. También se requiere de un calibrador de descargas
parciales diseñado de acuerdo a la norma IEC 60270 con pulsos de 1, 2, 5, 10, 20,
50 y 100 pC.
Dentro de este sistema de alto voltaje es posible también realizar mediciones de
calidad de aislamiento eléctrico por factor de disipación y medición de la Tangente
de delta. Se requiere de un puente de medición diseñado para su uso en alto voltaje,
que debe proveer una alta precisión en la medición de capacitancia, tangente de
delta y factor de disipación, medición de impedancia en 4 cuadrantes, balanceo
manual y automático. Los parámetros principales del sistema son:
109
Frecuencia del voltaje de prueba 50/60 Hz
Máxima corriente a través del objeto de prueba 5 A
Máxima corriente a través del capacitor estándar 30 mA
Rango capacitivo 0.1 x CN - 1000 x CN
Rango de factor de disipación 0.00001 � 1
Tolerancia de medición capacitiva ± 0.1 %
Tolerancia de medición de fase 0.02 mrad ± 2% del valor mostrado
Capacitor estándar CN 0.1 � 9999.99 pF
Dimensiones:
Anchura 500 mm
Profundidad 470 mm
Altura 192 mm
Peso 18 kg
Para complementar las mediciones de factor de disipación, tangente de delta, radio
de transformación y medición de voltaje se recomienda un capacitor estándar, este
capacitor está lleno de gas como el de la Figura 4.20. Sus características son:
Voltaje nominal 400 kV
Capacitancia nominal C1 100 pF
Capacitancia nominal C2 16 pF
Gas aislante SF6
Presión de operación 4 bares
Tangente de delta máxima 1E-5
Tolerancia de la capacitancia ± 5 %
Tolerancia de medida de C1 ± 0.05 %
Coeficiente de presión de la capacitancia 2.2E-3 bar-1
Coeficiente de temperatura máximo de capacitancia 3E-5 K-1
Coeficiente de voltaje de capacitancia 3E-5
Tipo de instalación bajo techo
Temperatura ambiente de operación 5 � 40 °C
Humedad relativa a +30 °C " 75 %
Temperatura ambiente para almacenaje -25 a 55 °C
110
Dimensiones:
Altura (H) 2600 mm
Base (A x A) 1200 x 1200 mm
Peso total 345 kg
Figura 4.20. Transformador estándar lleno de gas comprimido [26]
Se incluye en el sistema 5 kg de SF6 en tanques y el dispositivo para llenar el
capacitor.
Para el sistema de control del set resonante, se ofrece un sistema computarizado
con panel de control y operación de 19 pulgadas que viene a actuar como interface
humano-máquina HMI. La comunicación con el sistema se hace vía fibra óptica y
ETHERNET eliminando interferencias electromagnéticas.
Algunas características de este sistema son:
Fuente de voltaje 230 V a 50/60 Hz
Resolución de pantalla 800 x 480 píxeles
Dimensiones:
Ancho: 483 mm
Alto: 267 mm
Largo: 440 mm
Peso: 9 kg
Interfaces ETHERNET, fibra óptica
111
Sus principales funciones son la operación de encendido y apagado del sistema,
indicación del estado de operación, advertencias y mensajes de error en el sistema
de prueba, aumento y disminución de voltaje, selección del voltaje y tiempo de
prueba, selección de la velocidad de regulación, despliegue de límites de voltaje y
corriente para protección del sistema, operación de compensación, protección con
contraseña. En la Figura 4.21 se puede ver el equipo y una imagen de la pantalla
durante una prueba.
Figura 4.21. Unidad de control del sistema resonante [26]
El sistema de control se complementa con una computadora de características
industriales, que actualiza y guarda la información diariamente. Cuenta también con
el software necesario y las interfaces de comunicación entre la unidad de control y
la computadora.
Finalmente para el aterrizaje del sistema, se necesita de una pértiga descargadora,
como la de la Figura 4.22.
Figura 4.22. Pértiga para descargar a tierra el sistema de alto voltaje. [26]
Las dimensiones de esta pértiga son:
Longitud total lg 3125 mm
Longitud del mango lh 1000 mm
112
Longitud del aislante li 2000 mm
Peso 6 kg
Estos son los elementos básicos del sistema de generación de alto voltaje con
módulos resonantes, las casas comerciales proporcionan siempre los accesorios
necesarios, como cables, filtros y otros en base a las necesidades específicas que
se van dando en la erección de equipos. También proveen certificados de
calibración de todos los instrumentos.
Es importante considerar siempre en cualquier propuesta además de la supervisión
e instalación de equipos la correspondiente capacitación al personal.
La gran diferencia que marca este sistema es la reducción de potencia en
proporciones enormes, ya que con un sistema de transformadores se requiere unos
2000 kVA de la red sólo para este set de voltaje alterno, mientras que en un sistema
resonante como el mencionado se requiere de unos 50 kVA para la realización de
los mismos ensayos. Un ejemplo se ve en la Figura 4.23.
Figura 4.23. Sistema modular resonante de HVAC de HIGHVOLT
113
GENERACIÓN DE VOLTAJE CONTINUO
Durante mucho tiempo los altos voltajes DC se han usado principalmente para
investigación científica, para pruebas de equipo que trabaja en sistemas de
transmisión en alto voltaje continuo HVDC, también en la prueba de cables de
potencia muy largos que toman mucha corriente si se prueba con corriente alterna.
Hay dos formas de generación de alto voltaje continuo: por rectificación de alto
voltaje alterno, por generación electrostática. La generación electrostática no será
tomada en cuenta ya tiene aplicaciones muy cortas en el campo de ensayos
industriales de alto voltaje por su limitación de corriente, así que se considerará sólo
los sistemas rectificados que son los que se utilizan en todos los laboratorios y
centros de estudio de HVDC.
La obtención de alto voltaje directo se basa en la rectificación de voltaje alterno con
los mismos circuitos en base a diodos tan conocidos en electrónica. La principal
limitación es la producción económica de tales rectificadores capaces de trabajar
en alto voltaje. En el caso de los generadores de alto voltaje continuo, los circuitos
son los más sencillos, basados en rectificación de voltajes alternos monofásicos
para que provean un alto radio de salida de voltaje D.C.
Muchos sistemas de alto voltaje continuo se basan en simples rectificadores de
media onda como el de la Figura 4.24.
En los circuitos de prueba de alto voltaje, una falla repentina de la carga RL debe
preverse, estos generadores deben ser capaces de llevar esa corriente excesiva
por un momento, o de tener un sistema electrónico de control que apague
rápidamente el generador, o pueden ser protegidos por una resistencia insertada
en el circuito de alto voltaje.
114
Figura 4.24. Rectificador de media onda con capacitancia de aplanamiento. (a) circuito,
(b) Voltajes y corrientes en la carga RL [20]
Esta clase de rectificadores han sido construidos hasta el rango de los megavoltios,
por lo general extendiendo un transformador de alto voltaje alterno a ser una fuente
de D.C.
Algunas desventajas que presentan estos sistemas son que tienen tamaños muy
grandes para mantener fuentes de D.C. puras. Otra desventaja suele ser la posible
saturación del transformador de alto voltaje si la amplitud de la corriente directa es
comparable con la corriente nominal del transformador.
Los rectificadores de onda completa suelen reducir este inconveniente de la
saturación del transformador, pero no cambian la eficiencia fundamental del
sistema. Además se requiere de un transformador que tenga un devanado partido
cuyo punto medio pueda ser aterrizado, además existe la posibilidad de diferencias
entre los voltajes de cada devanado lo que produce que no se cargue el capacitor
de aplanamiento del circuito. Debido a estos problemas, los rectificadores de onda
completa no son muy utilizados, en lugar de ellos se utiliza multiplicadores de
voltaje o circuitos de D.C. en cascada. [20]
115
En los circuitos en cascada existen muchas variaciones de la circuitería, pero la
base consiste en que en cada multiplicador los transformadores, rectificadores y
capacitores deban soportar sólo una fracción del voltaje total de salida. En la Figura
4.25 se ve un ejemplo de una cascada de Cockcroft-Walton que es una mejora de
la cascada de Greinacher.
La adición de etapas permite tener voltajes mayores y resulta en una facilidad de
construcción ya que se puede tener módulos que se conectan en función de la
necesidad. Aunque suelen tener limitación en la capacidad de corriente que pueden
enviar a la carga.
Figura 4.25. Circuito de cascada de acuerdo a Cockroft-Walton o Greincaher [20]
Por ello existen también multiplicadores de voltaje con transformadores en cascada,
en donde cada transformador por etapa tiene un devanado de bajo voltaje, uno de
116
alto voltaje y un devanado terciario de bajo voltaje que sirve para excitar el
devanado de bajo voltaje del siguiente transformador. Como se ve en la Figura 4.26.
Este circuito tiene limitaciones de como el número de etapas que puede tener,
debido a que los transformadores de las etapas de abajo deben suministrar la
energía de los de arriba, pero es una fuente de D.C. de alto voltaje económica para
propósitos de prueba con factores de rizado moderados y una alta capacidad de
potencia. [20]
Figura 4.26. Circuito de DC con transformadores en cascada [20]
Existen además una gran variedad de circuitos y modificaciones que hacen los
fabricantes, estas opciones están relacionadas con la calidad de voltaje que se
requiere, la potencia que se necesita, la estabilidad de voltaje y el factor de rizado.
117
4.4.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO
En el Ecuador los sistemas de HVDC aún no han tomado fuerza y pasará un largo
tiempo hasta que exista una gran aplicación de ellos en el sistema eléctrico
nacional. A excepción de casos puntuales, sistemas de alto voltaje continuo en el
país manejan voltajes en el rango del �medio voltaje� es decir hasta unos 40 kV, en
algunos sistemas de transporte, y sistemas de energía alternativa.
Por otra parte en cuanto a estudios de aislamientos eléctricos de cables
industriales, es común en especial en empresas del ámbito petrolero realizar
ensayos a cables de poder, cables subterráneos probados con D.C. cosa que se
hace con equipos en sitio ya que no hay un laboratorio con una fuente de D.C.
medianamente potente, y consiste en un negocio de alquiler de equipos para estas
empresas. Este ámbito puede representar una oportunidad para el nuevo
laboratorio de alto voltaje, en adición con sistemas de prueba de aislamiento
móviles que se detallan más adelante para proveer un servicio de ensayos en D.C.
Por lo general los ensayos realizados usan fuentes que no llegan más allá de los
200 kV. Por otro lado, en el campo de la investigación esta fuente puede resultar
muy útil, también para el estudio prematuro de sistemas de HVDC que quizá algún
día en el país se desarrollen.
Tomando eso en consideración para determinar la capacidad requerida se recurrió
a catálogos de algunas casas comerciales, observando los rangos de valores
estándar de sus generadores, de sus tamaños y posibles costos, se llegó al acuerdo
de buscar un sistema de generación de 400 kV D.C. que puede proveer al menos
unos 20 mA a su salida, y que tenga la opción de repotenciarse y crecer en el futuro.
A continuación se muestra una oferta hecha por HIGH VOLT con un equipo que
tiene esas características. En la Figura 4.27 se puede ver los sistemas modulares
tipo GPM que ofrece esta casa comercial, uno de 40 mA/400 kV, y junto a ella uno
de 30 mA/800 kV.
118
Figura 4.27. Sistemas modulares de HVDC. 40mA/400 kV (izquierda) 30 mA/800 kV
(derecha)
El sistema GPM 40/400 es una opción sencilla que puede aumentar su capacidad
en el futuro con adición de más módulos. Genera alto voltaje D.C. de prueba de
acuerdo a la norma IEC 60060-1 y su sistema de medición cumple la norma IEC
60060-2.
Se puede utilizar para pruebas de rutina, de tipo y para desarrollo de equipos, tiene
también la opción de cambio de polaridad de voltaje para pruebas que lo requieren.
El esquema básico de este sistema se puede ver en la Figura 4.28.
Los parámetros de este sistema son:
Voltaje nominal 400 kV (320 kV reducidos por altura en Quito)
Corriente nominal 40 mA
Potencia nominal 16 kW
Tolerancia de voltaje < 3 %
Ciclo de trabajo Continuo
Fuente de poder:
Circuito de potencia 2 fases + tierra
Voltaje 440 V/ 60 Hz
Potencia 60 kVA
Circuito de control 3 fases + neutro + tierra
119
Voltaje 440 V/60 Hz
Potencia 3 kVA
Condiciones de operación:
Temperatura ambiente 10 � 40 °C
Máxima humedad relativa 40 � 90 %
Temperatura para almacenaje -10 a 50 °C
Tipo de instalación interna, estacionaria
Figura 4.28. Esquema del sistema HVDC [27]
El principal componente del sistema es el módulo GEM 40/400, que se ve en la
Figura 4.29.
120
Figura 4.29. Modulo generador de HVDC [27]
Sus características a detalle se encuentran en el Anexo 2. Sus parámetros
principales son:
Voltaje nominal 400 kV
Corriente nominal 40 mA
Corriente a corto tiempo (1h) 60 mA
Potencia nominal 16 kW
Frecuencia 50/60 Hz
Voltaje de entrada nominal 400 V
Dimensiones:
Altura (H) 2400 mm
Diámetro (D) 1700 mm
Peso total 3450 kg
Peso del aceite 1720 kg
El módulo cuenta con una base donde se encuentra un sistema motorizado para
cambio de polaridad, y contiene también la impedancia para formar el divisor de
voltaje que está dentro del módulo de HVDC.
Se añade una resistencia de amortiguamiento que va entre el generador y la
muestra bajo prueba, y sirve como protección del equipo de alto voltaje en casos
de disrupciones en el objeto de prueba.
121
Esta resistencia tiene los siguientes parámetros:
Voltaje nominal 400 kV
Resistencia nominal 3 k!
Energía nominal 18 kJ
Longitud 1000 mm
Diámetro 90 mm
Peso 8 kg
Para sostener a la resistencia de amortiguamiento se necesita un soporte aislante
como el de la Figura 4.30.
Figura 4.30. Soporte aislante [27]
Sus características son:
Voltaje nominal 400 kV
Longitud (L) 1300 mm
Ancho (W) 1300 mm
Altura (H) 2500 mm
Peso total 180 kg
Instalación Interna, móvil con ruedas
El sistema de alimentación cuenta con un tablero de distribución de las mismas
características al del sistema resonante del punto 4.3.3.2 y de la Figura 4.15.
122
Se requiere de un transformador de regulación 440V 60 kVA con salida variable
entre 0 y 400 V.
De la misma manera posee un sistema de control como el del sistema resonante
en el punto 4.3.3.2 Figura 4.21.
Se incluyen accesorios como cables, cubículos para el operador y la pértiga de
descarga.
GENERACIÓN DE VOLTAJES DE IMPULSO
Los generadores de voltajes de impulso se usan para simular los efectos de las
descargas atmosféricas sobre las líneas de alto voltaje, y también para simular los
efectos de sobrevoltaje producidos por maniobras en el sistema eléctrico como
apertura y cierre de disyuntores o fallas. Estos voltajes estandarizados se aplican
sobre los objetos de prueba que pueden ser transformadores, aisladores,
apartarrayos, entre otros. Con el fin de determinar la calidad de su aislamiento
eléctrico ante este tipo de voltajes.
La generación de voltajes de impulso se basa en la carga y descarga de circuitos
que puedan almacenar energía. La forma de onda se produce por la superposición
de dos funciones exponenciales. La carga de estos generadores también es
capacitiva, esta carga contribuye a la energía almacenada.
El circuito básico para un generador de impulso de etapa simple se muestra en la
Figura 4.31.
Este generador se basa en la carga y descarga del capacitor C1 a través de las
resistencias R1 y R2. Las esferas de descarga G, hacen el papel de un interruptor
sensitivo al voltaje. En función de los valores de las resistencias R1, R2 y el
capacitor C2 que es la carga total, se pueden obtener ondas con frentes de onda y
colas de diversos valores. Este tipo de generadores ronda los valores de
generación de unos 200 a 250 kV.
123
Figura 4.31. Circuitos generadores de una etapa (a) y (b). C1: capacitancia de descarga.
C2: capacitancia de carga. R1: resistencia de frente o amortiguamiento. R2: Resistencia de
descarga. (c) Circuito equivalente en el dominio de �s� [20]
Uno de los parámetros más importantes de los generadores de impulso es la
máxima energía que almacenan, dada por la expresión 4-5.
(4-5)
Donde:
C1: es la capacitancia del capacitor usado para la carga y descarga.
V0max: es el máximo voltaje o voltaje pico de la fuente del circuito.
Como C1 siempre es mucho más grande que C2, es éste el que impone por lo
general el costo del generador.
Los valores normalizados de tiempo de las ondas de impulso son en la práctica
difíciles de lograr con exactitud, porque la capacitancia de Carga C2 varía muy
ampliamente dependiendo de qué objeto de prueba sea. También los valores de
124
R1 y R2 no son siempre exactos. Estas resistencias deben ser dimensionadas para
el voltaje nominal del generador y por tanto son muy costosas.
Hay circunstancias donde la onda puede tener oscilaciones y sobreimpulsos en su
cresta. Si la frecuencia de esas oscilaciones no es menor de 0.5 MHz o la duración
del sobreimpulso no es mayor a 1 µs, se puede dibujar una curva promedio sobre
la curva original. El origen de esas oscilaciones y de sobreimpulsos puede deberse
a errores en la medición así como a las inductancias entre cada rama del circuito.
[20]
Cuando se quiere tener voltajes mayores, hay un problema en el incremento del
tamaño de las esferas necesarias, elementos más grandes, efectos no deseados
de corona que hacen que un circuito en una etapa no sea una buena opción para
voltajes muy altos.
Existe entonces un arreglo sugerido, llamado cascada de Marx, donde un arreglo
de condensadores se carga en paralelo a través de resistencias de alto valor
óhmico y luego se descargan en serie a través de esferas de descarga.
Existen muchas versiones similares de estos circuitos multietapa, la Figura 4.32
muestra un generador de Marx de 6 etapas. El voltaje directo carga a la vez el juego
de capacitores C�1 en paralelo a través de los altos valores de las resistencias R�
así como a través de las resistencias de descarga R�2, que son mucho más
pequeñas que R�. Al final de un período de carga, los puntos A, B,�, F estarán al
potencial de la fuente de D.C respecto a tierra. Y los puntos G, H,�, N se mantienen
con potencial cero. La descarga del generador inicia con la descarga de la esfera
más baja G1 a la cual le siguen simultáneamente las descargas de las siguientes
esferas. La descarga produce que el punto A se ponga a potencial de tierra,
previamente el capacitor C�1 se había cargado al potencial de la fuente �V, lo que
hace que el punto H se ponga ahora a un potencial +V, al producirse la descarga
de las esferas G2 el punto B se pone al potencial de H, es decir a +V, como el
capacitor entre los puntos B-I está a un potencial �V, resulta estar en serie con el
capacitor C�1 de la rama AH, por lo que el punto I pasa a tener un potencial +2V, el
125
proceso se repite de manera que los capacitores se conectan en serie y los puntos
que antes estaban a potencial cero van subiendo como en una escalera, es decir
el punto k sube a +3V, el punto L a +4V, el punto M a +5V y el punto N a +6V que
finalmente es la salida de voltaje del generador. Se puede observar también que
este generador invierte la polaridad con las que se alimenta.
Figura 4.32. Generador de impulsos de 6 etapas. [20]
El resistor R�1 de frente de onda está colocado entre el generador y la carga. Este
resistor debe soportar durante un corto tiempo todo el voltaje del generador por lo
que sería muy grande y ocuparía mucho espacio. Por lo que se suele distribuir esta
resistencia a través de las etapas del generador.
Los generadores del tipo Marx son muy buenos para generar ondas del tipo impulso
atmosférico con una buena eficiencia de voltaje. Pero existen otros métodos que
toman ventaja de la utilización de transformadores de prueba para incrementar las
amplitudes de los impulsos de voltaje. Uno de estos circuitos se ve en la Figura
4.33. Donde se tiene básicamente un generador de impulso simple que luego es
126
amplificado por un transformador elevador. Los tiempos de la onda dependerán de
los valores de C2 y R1 y de la inductancia del circuito equivalente del transformador.
[20]
Cuando hay que incluir formas de onda del tipo impulso de maniobra, se puede
incluir inductancias en los circuitos básicos de generación de impulsos. Como se
ve en la Figura 4.34, donde una de las resistencias ha sido remplazada por una
inductancia L1, el resultado es un circuito resonante en serie amortiguado con la
ventaja de que si C2 << C1 el voltaje de salida puede ser hasta el doble del de
entrada. Un amortiguamiento adecuado no disminuye mucho la amplitud de la
oscilación y por tanto el primer incremento de voltaje puede ser usado como frente
de onda del impulso de maniobra. Este circuito fundamental se puede usar para
multietapas generadoras donde las resistencias de frente de onda son remplazadas
por inductancias para alto voltaje.
Figura 4.33. Circuito para generar impulsos de maniobra usando transformadores [20]
Figura 4.34. Circuitos para generación de impulsos de maniobra oscilantes [20]
127
4.5.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO
Lo primero que hay que tomar en cuenta es el nivel de voltaje pico que se necesita
para las pruebas comunes y que abarque el rango de los elementos de la red de
500 kV.
En base a la norma IEC 60071-1, como se mostró en la Tabla 4.3, para voltajes de
Rango II mayores a 245 kV, el nivel de voltaje de prueba de impulso de maniobra
para un sistema con un voltaje máximo de 550 kV es de 1175 kV pico entre fase y
tierra y el voltaje de prueba de impulso atmosférico es de 1550 kV pico.
En la Tabla 4.4 se puede observar que para voltajes de prueba en transformadores
de valores nominales mayores a 170 kV según la norma IEC 60076-3, los voltajes
de prueba máximos para un transformador de 550 kV son de 1550 kV pico para
voltaje de impulso atmosférico y de 1175 kV pico para voltaje de impulso de
maniobra.
Entonces, en base al nivel de voltaje de impulso atmosférico de 1550 kV pico y con
el factor de corrección por altitud k=1.2548 calculado con la ecuación (4-3), el
voltaje necesario en Quito máximo sería de 1945 kV pico. En el mercado existen
generadores de voltajes de impulso con valor estándar de 2000 kV pico que pueden
dar tanto impulsos atmosféricos como de maniobra, este tipo de generador sería el
necesario para el laboratorio. A continuación se detalla uno de marca HIGH VOLT.
El sistema de generación se llama IP 200/2000 G, y es un generador de voltajes de
impulso completos y de onda cortada (LI, LIC) así como de voltajes de impuso de
maniobra (SI) de acuerdo a la norma IEC 60060-1. La Figura 4.35 muestra el
esquema de este sistema.
128
Figura 4.35. Esquema del sistema de generación de impulsos de voltaje [28]
A continuación se muestran algunas características importantes del sistema, más
detalles se tienen en el Anexo 3.
Voltaje acumulativo máximo 2000 kV
Eficiencia sin carga para LI 95 %
Eficiencia sin carga para SI 70 %
Energía total de carga 200 kJ ± 5 %
Capacitancia de impulso 100 nF ± 5 %
Número de etapas 10
Voltaje de carga por etapa 200 kV
Mínimo tiempo entre impulsos 40 segundos.
Fuente de energía:
Circuito de potencia : 2 fases + tierra
440 V / 40 kVA / 60 Hz
129
Circuito de control: 3 fases + neutro + tierra
440 V / 3 kVA / 60 Hz
Condiciones de operación:
Temperatura ambiente 5 a 40 °C
Máxima humedad relativa 95 %
Temperatura para almacenamiento -10 a 50 °C
Tipo de instalación: interna/ móvil con colchones
de aire.
Este circuito se basa en una cascada de Marx. Está armado en un soporte con
columnas de fibra de vidrio reforzadas con plástico. Cada 3 etapas hay una
plataforma que se puede usar para trabajar en cambios de las resistencias del
generador. Las esferas explosoras de todas las etapas están dentro de una
columna aislante con aire a ligera sobrepresión que garantiza aire limpio para una
adecuada ignición de los arcos en las esferas. Posee dos interruptores para
aterrizar el circuito con motores, para cortocircuitar todos los capacitores a tierra
una vez que se apaga el generador.
Las dimensiones de este generador son:
Longitud (L) 3200 mm
Ancho (B) 2650 mm
Altura (H) 7715 mm
Peso total 6350 kg
Diseño interno/estacionario.
Se puede apreciar en la Figura 4.36 a este generador.
130
Figura 4.36. Generador de impulsos de voltaje [28]
El generador necesita de una unidad para cargar los capacitores, mediante un
voltaje continuo rectificado. Se ve en la Figura 4.37. Sus características son:
Voltaje de entrada 400 V
Voltaje de salida nominal (2x) 100 kV
Corriente de salida 100 mA
Energía nominal de carga 400 kJ
Medio aislante Aceite
Dimensiones:
Longitud (L) 1530 mm
Ancho (W) 1770 mm
Alto (H) 1510 mm
Peso total 1300 kg
Cambio de polaridad por medio de motor
Diseño interno/ montado en una base
Figura 4.37. Unidad de carga de capacitores del generador de impulsos [28]
131
El sistema cuenta con una unidad de control para encender la unidad de carga, está
construido dentro de un cubículo de control que contiene reguladores de corriente
de carga a base de tiristores y un sistema de control con PLC y relés, y posee una
conexión para el monitoreo del operador vía fibra óptica.
El divisor de voltaje capacitivo, las esferas para obtener ondas recortadas
(choppeadas) y el compensador para evitar sobrepicos de voltaje pueden integrarse
en un solo elemento que lo han denominado �Punto de Conexión� que reduce el
número de elementos del sistema, reduce el número de conexiones y el espacio.
Se puede usar para:
- Medición de ondas de impulso de voltaje completas 1,2/50 µs.
- Medición de ondas de impulso de voltaje recortadas.
- Medición de ondas de impulso de maniobra 250/2500 µs.
- Medición de voltajes AC.
- Recortar ondas de impulso de voltaje.
- Compensación de sobreimpulsos.
El divisor de voltaje es de tipo capacitivo para enviar un bajo voltaje que se puede
registrar en un osciloscopio, sistema digital de grabación de transitorios o un
voltímetro que mida voltajes pico.
El divisor sirve también como carga base para el generador de impulso, consiste
de: un capacitor de alto voltaje, un capacitor de bajo voltaje, cable de medición,
conector para alto voltaje y conector de tierra. Se incluye una impedancia para el
cable de medición, el divisor tiene que ser conectado a una unidad de medición de
alta impedancia: R # 1 M!. C " 100 pF.
132
Las esferas de recorte (chopping gap) se usan para obtener ondas de voltaje
recortadas de impulsos atmosféricos tanto en el frente como en la cola de la onda.
El voltaje de corte de cada etapa es de 200 kV. La estructura consiste en
capacitores, columnas aislantes de fibra de vidrio, escaleras aislantes y electrodos.
La separación entre esferas se hace por medio de un motor que se controla desde
la mesa del operador.
El compensador de sobreimpulsos evita o reduce las posibles oscilaciones que se
pueden producir en las ondas de impulso debido a las inductancias en los objetos
bajo prueba. En la Figura 4.38 se puede ver este punto de conexión, sus
características principales son:
Voltaje nominal de impulso 1,2/50 µs 1800 kV
Voltaje nominal de impulso 250/2500 µs 1450 kV
Voltaje nominal AC (50/60 Hz) 450 kV
Máximo voltaje para recortar 1800 kV
Número de etapas de corte 9
Capacitancia de alto voltaje HV 1780 pF
Resistencia de amortiguamiento de HV 105 !
Voltaje nominal secundario 1000 V
Resistencia del terminal de bajo voltaje LV 50 !
Dimensiones:
Longitud (L) 5600 mm
Ancho (B) 3000 mm
Altura (H) 6700 mm
Peso total 2200 kg
Diseño: interno/ móvil.
133
Figura 4.38. Punto de conexión para el generador de impulsos [28]
El sistema de análisis de las ondas obtenidas consiste en un analizador de impulsos
MIAS 200-12/4 B. El analizador puede realizar diferentes mediciones en alto voltaje,
alta corriente y alta potencia. Este analizador se conecta a la salida de bajo voltaje
del divisor capacitivo de medida, y para visualizar las mediciones necesita de una
computadora. Las características de este analizador son:
Unidad de medición:
Resolución de datos de salida 12 Bits
Velocidad de muestreo 0.0032 � 200 MS/s
Máximo número de muestras 4 MS
Voltaje de entrada (pico) 0.1 a 10 V
Impedancia 1 M!, 45 pF
Tipo de conector BNC
Tolerancia de medida de LI, SI (pico) " ± 0.9 %
Tolerancia de medida de LIC (pico) " ± 1.5 %
Tolerancia de tiempos LI, SI " ± 2 %
Tolerancia de tiempos LIC " ± 2.5 %
Divisor de voltaje para la unidad de medición:
134
Voltaje pico 10 � 1000 V
Impedancia 1 M!, 45 pF
Ancho de banda análoga > 150 MHz
Tipo de conector N
También posee un sistema de control como el del sistema resonante en el punto
4.3.3.2 Figura 4.21. El sistema se conecta a una mesa de trabajo por medio de fibra
óptica para el control del sistema de impulsos.
GENERACIÓN DE CORRIENTES DE IMPULSO
Las descargas producidas por rayos atmosféricos envuelven tanto impulsos de
voltaje como los descritos en el punto 4.5, como impulsos de alta corriente en las
líneas de transmisión. Los sistemas de protección como los apartarrayos deben
descargar estas corrientes a tierra sin sufrir daños. Por lo que la generación de altas
corrientes (cerca de 100 kA pico) hallan aplicación en el trabajo de ensayos de
equipo tanto como en investigación de resistencias no lineales, estudios de arco
eléctrico, estudios relacionados a plasmas en descargas de altas corrientes.
Las formas de onda usadas en pruebas de apartarrayos son del tipo 4/10 y 8/20 µs,
como se ve en la Figura 4.39. Las tolerancias de estos tiempos son del 10%. [19]
Para producir impulsos de corriente de gran valor se utiliza un banco de capacitores
conectado en paralelo que se cargan a un valor específico y que luego se
descargan a través de un circuito R-L-C.
En la Figura 4.39 se ve un esquema de un banco de capacitores conectados en
paralelo que se cargan con una fuente de voltaje DC hasta 200 kV. R representa la
resistencia dinámica del objeto de prueba y del circuito, L es un inductor de alta
corriente con núcleo de aire, usualmente es un tubo espiral de pocas vueltas.
135
Figura 4.39. Generador de impulsos de corriente y sus formas de onda. (a) circuito
básico. (b) Tipos de ondas (c) Arreglo de capacitores [18]
Las partes esenciales de un generador de impulsos de corriente son:
- Una unidad de carga de voltaje DC para cargar el banco de capacitores.
- Capacitores de alto valor (0,5 a 5 µF) con una inductancia propia muy
pequeña, capaces de proporcionar altas corrientes de corto circuito.
- Un inductor de núcleo de aire de alta corriente.
- Resistencias shunts apropiadas y sistemas de medición con registradores
gráficos.
- Una unidad de disparo (trigger) y esferas de descarga para la iniciación de
las ondas de corriente.
De acuerdo al circuito básico, si el banco de capacitores C se carga a un voltaje V,
cuando las esferas tienen una descarga, la corriente im del circuito a través de la
resistencia R y el inductor de aire L está dada por la ecuación 4-5.
136
(4-5)
Los circuitos normalmente se diseñan para ser subamortiguados, es decir:
Por lo que la respuesta de corriente está dada por 4-6.
(4-6)
Donde:
(4-6.a)
Se puede ver que para tener una alta corriente del generador se necesita de una
baja inductancia L para un voltaje dado V.
En el mercado existen modelos para laboratorios con valores picos de unos 10 kA
hasta unos 200 kA, con voltajes de carga de entre 10 a 200 kV. Estos generadores
se construyen en módulos que tienen varios capacitores conectados en paralelo y
arreglados en formas circulas como se ve en la Figura 4.40.
Figura 4.40. Generador de impulso de corriente de 200 kA, 100 kV, 250 kJ. HIGH VOLT
137
4.6.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO
Para que el nuevo laboratorio de alto voltaje pueda realizar ensayos sobre
apartarrayos, necesita de un generador de impulsos de corriente. En la actualidad
la tecnología utilizada para elaborar los descargadores de sobrevoltaje se basan en
resistencias no lineales de óxidos metálicos. La Norma IEC 60099-4 �Metal-oxide
surge arresters without gaps for a.c. systems� nos da algunos lineamientos para
pruebas de apartarrayos.
La norma define cinco clases de apartarrayos según la capacidad de descarga (Line
Discharge Class) como la característica principal de un apartarrayos. Es la
capacidad de un apartarrayo de manejar la energía que se acumula en sí al drenar
una descarga eléctrica.
La definición de clases se basa en asumir que en una línea de transmisión larga,
cargada a un sobrevoltaje durante una maniobra de switcheo, descargará una onda
viajera al apartarrayo. Asumiendo un modelo �pi� de la línea de transmisión, la
corriente que fluirá depende del valor de voltaje y de la impedancia característica
de la línea, con una duración dada por la longitud de la línea y la velocidad de
propagación de la onda electromagnética. [18]
Idealmente se ajusta esta onda a una forma rectangular cortada, la cual puede ser
simulada en un laboratorio para una prueba de descarga. De este modo la norma
IEC establece 5 clases de descarga de línea, de manera que los apartarrayos de
mayor clase son los que tienen una mayor capacidad de manejo de energía, en la
Tabla 4.6 se muestra los parámetros del generador de impulsos asociados a la
clase de descargar de los apartarrayos.
Estos parámetros se derivan de valores característicos de las líneas de transmisión
de alto voltaje. Pero no se pueden tener conclusiones sobre el esfuerzo que la
energía impone al apartarrayo durante el ensayo. Por esa razón la norma provee
un diagrama adicional que representa la energía convertida en un objeto de prueba
138
con referencia a su voltaje nominal, que ocurre durante una descarga. Se puede
ver estas curvas en la Figura 4.41.
Tabla 4.6. Clases de apartarrayos según IEC 60099-4 [29]
Por otra parte la norma clasifica a los apartarrayos por su valor de descarga de
corriente nominal como se muestra en la Tabla 4.7.
Figura 4.41. Energía específica en kJ por kV dependiente del radio del voltaje residual de
impulso de maniobra Ua al valor r.m.s. del voltaje nominal Ur del apartarrayo [29]
139
Tabla 4.7. Clasificación de apartarrayos [29]
Para cada tipo de estos apartarrayos se definen pruebas estándares que deben
realizarse. Las pruebas que se resumen a continuación son las que tienen que ver
con pruebas de descarga de corriente, ya que también hay pruebas de aislamiento
de voltaje las cuales se suplen satisfactoriamente con las opciones nombradas en
los puntos anteriores con los generadores de voltaje alterno y de voltajes de
impulso.
- Prueba de voltaje residual: prueba con el propósito de establecer el
máximo voltaje que aparece entre los terminales del apartarrayo ante
determinadas corrientes y formas de onda.
- Prueba de voltaje residual ante onda de corriente escarpada �steep
current impulse�: mediante la aplicación de una onda de corriente con un
tiempo virtual de frente de onda de 1 µs y una cola de no más de 20 µs y con
un pico igual al nominal de la corriente de descarga del apartarrayo con una
tolerancia del 5% se mide el voltaje residual en el objeto de prueba.
- Prueba de voltaje residual con onda de impulso atmosférico: Se aplica
una onda de corriente del tipo 8/20 µs para medir los voltajes residuales en
el objeto de prueba.
- Prueba de voltaje residual con onda de impulso de maniobra: se aplica
una onda de corriente con un frente de onda mayor a 30 µs pero menor a
100 µs y un tiempo de media onda en la cola de al menos el doble del tiempo
de frente de onda para medir voltajes residuales.
140
- Pruebas de impulso de corriente de larga duración: prueba que consiste
en la aplicación de 18 impulsos de corriente de acuerdo a los parámetros
dados por la Tabla 4.6.
- Pruebas de ciclo de operación: prueba para simular las condiciones de
servicio del apartarrayo. Se aplica una determinada cantidad de impulsos en
combinación con energizaciones con una fuente de poder de voltaje y
frecuencia especificada.
- Prueba de impulso de alta corriente en operación: pruebas que aplican
sobre apartarrayos Clase I mediante aplicación de impulsos de corriente tipo
8/20 µs con un pico de corriente igual al valor de corriente nominal al del
apartarrayo. Los apartarrayos definidos en el Anexo C de la norma IEC
60099-4 se prueban con ondas del tipo 4/10 µs.
- Pruebas de operación de switcheo: aplica para apartarrayos clase 2, 3, 4
y 5. Aplicando 20 impulsos de corriente tipo 8/20 µs con un pico igual al valor
de corriente nominal del apartarrayo. Seguidos de la aplicación de dos
impulsos de alta corriente de 100 kA tipo 4/10 µs.
De este modo los generadores de impulso que se vayan a utilizar en el laboratorio,
no sólo deben generar un tipo de onda sino que también deben permitir la medición
de voltajes residuales. Una forma más fácil de especificar el generador de impulsos
es solicitar uno que cumpla con los puntos 8.3, 8.4, 8.5 al 8.5.6 de la norma IEC
60099-4. En su mayoría, ya que muchas pruebas se pueden hacer a secciones del
apartarrayo debido a las limitaciones de los generadores de impulso.
A continuación se muestra como ejemplo un generador de impulso de corrientes de
marca HIGH VOLT. IP 200/100 S de 200 kJ/100 kV. Este generador de se puede
usar para las 5 clases de apartarrayos, hasta voltajes de la red de 360 kV, corrientes
nominales hasta 20 kA. Más detalles se dan en el Anexo 4.
Algunas características principales del sistema son:
141
Voltaje de carga nominal 100 kV / 80 kV en Quito.
Energía nominal de impulso 80 kJ
Capacitancia de impulso 40 µF
Tiempo mínimo entre impulsos 60 segundos
Fuente de poder 440 V/ 60 Hz/ 30 kVA
Condiciones de operación:
Temperatura ambiente: 5 � 40 °C
Temperatura promedio diaria " 30 °C
Máxima humedad relativa 90 %
Temperatura de almacenaje -10 a 50 °C
Tipo de instalación interna / estacionaria
En la Figura 4.42 se ve la disposición física del generador, con un área básica de
4.5m x 7.2m.
Figura 4.42. Esquema del generador de impulso de corriente [30]
El sistema permite hacer los siguientes ensayos de acuerdo a la norma IEC 60099-
4 (2006) en sus numerales:
142
- 8.3 Voltajes residuales de acuerdo a IEC 60099-4 (2006).
- 8.3.1 Prueba de voltaje residual con onda de frente escarpado con onda de
corriente 1/<20 µs, 20 kA máximo, hasta un voltaje nominal de 12 kV.
- 8.3.2 Prueba de voltaje residual con impulso atmosférico, onda de corriente
tipo 8/20 µs, 40 kA máximo hasta un voltaje nominal de 12 kV.
- 8.3.3 Prueba de voltaje residual de impulso de maniobra, con impulsos de
corriente entre 30 a 200 µs, 2 kA máximo, hasta un voltaje nominal de 12 kV.
- 8.4 Prueba de impulso de corriente de larga duración, cláusula 8.4.1 para
clases de descarga 1, 2, 3, 4 y 5. Tiempos de duración de pico:
2000/2400/2800/3200 µs.
- 8.5 y 8.5.1 Pruebas de ciclos de operación de acuerdo a IEC 60099-4 (2006).
- 8.5.4 Pruebas de operación con impulsos de alta corriente de acuerdo a IEC
60099-4 (2006) para Clases de Descarga 1.
- 8.5.4.1 Acondicionamiento con ondas de impulso de corriente tipo 8/20 µs,
20 kA máximo hasta un voltaje nominal de 12 kV.
- 8.5.4.2 Pruebas de ciclo de trabajo con impulsos de corriente tipo 4/10 µs,
100 kA máximo, hasta un voltaje nominal de 12 kV; o con corrientes de
impulso tipo 30/80 µs, 40 kA máximo hasta un voltaje nominal de 12 kV.
- 8.5.5 Pruebas de operación de switcheo acorde a IEC 60099-4 (2006) para
Clases de Descarga de Línea 2, 3, 4 y 5.
- 8.5.5.1 Acondicionamiento con ondas de impulso 8/20 µs, 40 kA máximo
hasta 12 kV, y con ondas de impulso 4/10 µs, 100 kA máximo hasta 12 kV.
- 8.5.5.2 Pruebas de ciclo de trabajo con impulsos de corriente de larga
duración hasta un voltaje nominal de 12 kV.
143
El sistema contiene un juego de resistencias y capacitores para obtener diferentes
formas de onda. Necesita de una unidad de carga para los capacitores, contiene
un transformador de alto voltaje. Se observa en la Figura 4.43. Sus características
son:
Voltaje de entrada 400 V
Voltaje de salida 100 kV
Corriente de salida 150 mA
Energía de carga nominal 250 kJ
Medio aislante aire
Dimensiones:
Largo (L) 1370 mm
Ancho (W) 1145 mm
Altura (H) 1505 mm
Peso total 486 kg
Cambio de polaridad mediante motor
Instalación Interna/ móvil
Figura 4.43. Unidad de carga y control [30]
La unidad de carga cuenta con una cabina de control que contiene reguladores a
base de tiristores, interruptores de operación, relés auxiliares, PLC´s, medidores,
amplificadores y filtros, posee una conexión a la mesa del operador vía fibra óptica.
144
El sistema cuenta con un divisor capacitivo en paralelo con un divisor resistivo para
la medición del voltaje pico del objeto de prueba. También cuenta con un
transformador de corriente de 200 kA para la medición de impulsos de corriente.
Se tiene como opción la capacidad de añadir un transformador de alto voltaje que
se muestra en el punto 8 de la Figura 4.42 para pruebas de ciclo de trabajo bajo
energización de voltaje de frecuencia industrial.
Este es un transformador de 48 kVA/ 25 kV. Cuyas características a detalle se
hallan en el Anexo 4. Que se puede apreciar en la Figura 4.44. Sus características
básicas son:
Voltaje nominal 25 kV
Corriente nominal 1.9 A
Potencia nominal 48 kVA
Frecuencia 50/60 Hz
Ciclo de trabajo Continuo con 1,9 A. 10 A por un segundo.
Fuente de poder:
Circuito de fuerza 2 fases + tierra, 440 V/ 60 Hz/ 250 kVA
Circuito de control 2 fases + neutro+ tierra, 440 V/ 60 Hz/ 17 kVA
Dimensiones:
Largo (L) 1480 mm
Ancho (W) 1250 mm
Altura (H) 1680 mm
Peso total 1250 kg
Peso de aceite 370 kg
El sistema de análisis de datos consiste en un dispositivo digital que puede
conectarse a una PC o funcionar por medio de una pantalla externa conectada.
Incluye software de análisis para pruebas en apartarrayos.
145
Se incluye accesorios de conexión, pértiga para puesta a tierra, mesa de trabajo y
un sistema de control del mismo tipo que el mencionado en el punto 4.3.3.2 Figura
4.21.
Figura 4.44. Transformador de 25 kV/48 kVA [31]
EQUIPO DE PRUEBA DE TRANSFORMADORES
Los transformadores son una parte de vital importancia en todo el sistema eléctrico.
En el caso de la transmisión de energía, los transformadores de potencia son
prácticamente el corazón de las subestaciones eléctricas y son también los
componentes más caros de las mismas. Un transformador de potencia puede
costar varios millones de dólares y es por eso que se les da un tratamiento especial
y se toma todas las medidas necesarias para garantizar su correcto funcionamiento
debido al gran costo de inversión que representan. Con los transformadores no se
puede dejar lugar a dudas sobre su capacidad, robustez o vida útil.
Los fabricantes de transformadores invierten mucho tiempo y dinero para tener un
producto de gran calidad, muchos de ellos instalan laboratorios en sus plantas de
fabricación para probar sus transformadores y sus nuevos prototipos, y de esa
forma garantizan que el equipo suministrado cumple con todos los requerimientos
para funcionar en un sistema tan importante como es la transmisión de energía.
En el Ecuador no existen fabricantes de transformadores de potencia, pero sí
existen fabricantes de transformadores de distribución, que llegan hasta 500 kVA
aunque en casos excepcionales han fabricado transformadores más grandes de
146
unos 2000 kVA. Sin embargo no han fabricado transformadores de potencia de
algunas decenas de MVA, y no porque no exista la capacidad de elaboración en el
país, sino porque muchas veces el costo de inversión para una planta de ese tipo
no se justifica con el mercado nacional, mucho menos si se considera añadir un
laboratorio de pruebas para sus transformadores.
Debido a esa ausencia de equipo nacional, siempre se recurre a importaciones de
transformadores que provienen de Estados Unidos, Europa y China. Los
transformadores que salen de las plantas de fabricación deben viajar miles de
kilómetros en diversos medios de transporte hasta llegar a su punto de instalación
en el país. La única forma de garantizar que el transformador no haya sufrido daños
debido al viaje es realizar pruebas de aceptación sobre el transformador, estas
pruebas comprobarán que el transformador puede funcionar sin problemas en el
sistema eléctrico.
Lo más óptimo sería hacer las pruebas a los transformadores lo más cerca al sitio
de instalación, pero eso resulta muy difícil; es más, en el país se cae en una
paradoja de difícil solución, debido a que no existe un laboratorio o una entidad
certificada que haga este tipo de pruebas se recurre a laboratorios extranjeros, y
una vez que se han hecho los ensayos y el transformador ha pasado todas las
pruebas necesarias, el transformador viaja al fin a su punto de instalación y no se
tiene una total garantía de lo que pueda suceder en ese último viaje.
Una buena alternativa es tener la facilidad de pruebas a los transformadores en el
sitio de trabajo, y existen algunas empresas que proveen este tipo de servicios
limitados, ya que realizan pruebas de aislamientos con equipos portátiles de baja
potencia, y equipos de medición espectrométrica, que son en parte una ayuda para
tener confianza en el equipo instalado.
Está claro que allí es donde el Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica
Nacional tiene una oportunidad tanto de ingresos como la capacidad de impulsar y
ayudar a una industria nacional de transformadores hasta ahora muy limitada. Para
ello el laboratorio debería estar en la capacidad de probar transformadores de gran
147
potencia, un servicio que cuesta miles de dólares y que resulta en una ganancia
para ambos sectores, la universidad y el sector eléctrico. Para los proveedores se
reducen los costos de ensayos en otros países, los clientes tienen una mejor
garantía en su compra, y la universidad aparte de tener un ingreso importante,
puede aprender mucho de cada aplicación práctica que se lleva a cabo. Se puede
incluso tener un sistema de prueba de transformadores móvil, que se lleva sobre
camiones hasta la subestación eléctrica para pruebas en sitio, estas pruebas se
pueden hacer para determinar estados de transformadores que llevan años de
trabajo, para su mantenimiento preventivo. Considerando que en el país además
de las subestaciones del Sistema Nacional de Transmisión SNT, cada distribuidora
local en diferentes ciudades del país también posee transformadores de potencia,
y en mayor cantidad que el SNT, la cantidad de trabajo que se puede generar es
importante, y resulta beneficiosa para todos los involucrados en el área.
En muchos países existen universidades que brindan este servicio de pruebas en
sitio, si bien estos sistemas suelen ser muy costosos, los ensayos también tienen
un valor económico importante que se convierte en una fuente de ingreso para esos
laboratorios.
Desde el punto de vista de la investigación, tener un laboratorio con todas las
herramientas para probar un transformador de potencia, facilita enormemente el
desarrollo de prototipos, así se podría incursionar poco a poco en el desarrollo de
transformadores de mayor potencia a los que se construyen en la actualidad, el
sector de la distribución de energía eléctrica es el que mayor cantidad de
transformadores de media potencia tiene, y que podría ser un mercado inicial para
esta industria. Es necesario un trabajo conjunto con la industria para impulsar este
desarrollo de tecnología, de manera que la universidad gane experiencias,
desarrolle investigaciones, tesis de grado, patentes, e ingresos que sustenten al
laboratorio mientras que la industria gana calidad en su producto desde el punto de
vista técnico de la universidad, así como las certificaciones que el laboratorio
expediría a cada transformador. Este tipo de trabajo conjunto no es difícil de realizar
considerando que la universidad ya tiene una empresa pública que se encarga de
148
este tipo de convenios y servicios a la comunidad y que busca oportunidades de
negocio beneficiosas para la sociedad, la empresa pública EPN-TECH EP.
Las normas que se aplican son las publicaciones IEC 60076 con sus diversos
capítulos y las ANSI/IEEE C.57 también con sus diversos capítulos que abarcan
varios tipos de transformadores y pruebas que deben hacerse.
En general las normas establecen los tipos de pruebas como de rutina, pruebas
tipo y pruebas especiales. Las pruebas de rutina son aquellas que se hacen a todos
los transformadores sin excepción, las pruebas tipo son las efectuadas por el
fabricante a un transformador representativo de un grupo de similares
características, y las pruebas especiales son las diferentes a las de rutina
acordadas entre fabricante y comprador bajo contrato particular. Las pruebas de
manera resumida que se llevan a cabo en un transformador son:
Pruebas de rutina:
- Medición de la resistencia de los devanados. IEC 60076-1, punto 10.2.
- Medición de la relación de transformación y desplazamiento de fase. IEC
60076-1, punto 10.3.
- Medición de la impedancia de cortocircuito y pérdidas con carga. IEC 60076-
1, punto 10.4.
- Medición de pérdidas de vacío y corriente de magnetización. IEC 60076-1,
punto 10.5.
- Pruebas dieléctricas de rutina. IEC 60076-3.
- Pruebas en el cambiador de taps bajo carga, cuando corresponde. IEC
60076-1, punto 10.8.
149
Pruebas tipo:
- Prueba de elevación de temperatura. IEC 60076-2.
- Pruebas dieléctricas tipo. IEC 60076-3.
Pruebas Especiales:
- Pruebas dieléctricas especiales. IEC 60076-3.
- Determinación de capacitancias entre bobinados a tierra y entre bobinados.
- Determinación de las características de transferencia de voltaje transitorio.
- Medición de impedancias de secuencia cero en transformadores trifásicos.
IEC 60076-1, punto 10.7.
- Pruebas de cortocircuito sostenido. IEC 60076-5.
- Determinación de niveles de ruido. IEC 60551.
- Medición de los armónicos de la corriente de vacío. IEC 60076-1, punto 10.6.
- Medición de la potencia tomada por los ventiladores y motores de las
bombas de aceite del transformador.
- Medición de la resistencia de aislamiento de los bobinados a tierra y/o
medición del factor de disipación (tan d) de las capacitancias del sistema de
aislamiento.
En cuanto a las pruebas dieléctricas de rutina, tipo, y especiales, las mismas varían
de acuerdo al voltaje de servicio, de acuerdo a la Tabla 4.8.
Las pruebas dieléctricas pueden ser fácilmente llevadas a cabo mediante los
sistemas de generación de alto voltaje AC y de impulso especificados en los puntos
150
anteriores. Las pruebas restantes como pérdidas en vacío y con carga, elevación
de temperatura, voltaje inducido requieren de equipos adicionales.
Para las pruebas de voltaje inducido se requiere de un voltaje alterno que depende
del nivel de voltaje del transformador, pero con una frecuencia mayor a la de la red
para evitar problemas de saturación del núcleo, lo que obliga a tener una fuente de
voltaje alterno de frecuencia variable, de acuerdo a la norma IEC 60076-3 en su
punto 12.
Tabla 4.8. Tipos de pruebas en transformadores según su voltaje [32]
En la actualidad los sistemas de voltaje alterno pueden proveer frecuencia variable
mediante conversores estáticos de gran potencia y alto voltaje. Típicamente la
prueba de voltaje inducido se hace con 120 Hz.
Para las pruebas de pérdidas en vacío y en corto circuito es necesario alimentar al
transformador con una fuente de voltaje alterno de suficiente capacidad como para
manejar los valores de carga nominales del transformador, sus niveles de voltaje y
además tener la capacidad de medir los voltajes, corrientes y potencias absorbidas
por el transformador.
151
De manera similar para las pruebas de elevación de temperatura se requiere
mantener funcionando al transformador con una fuente de voltaje alterno que pueda
suministrar las pérdidas en vacío y con carga del transformador bajo prueba.
4.7.1 OPCIÓN PARA EL LABORATORIO
Para la realización de pruebas en transformadores se puede ir utilizando las
diferentes fuentes del laboratorio y se debería complementar con un sistema de
generación de voltaje alterno de frecuencia variable y una fuente de poder de buena
potencia dependiendo del tamaño de transformadores a probar. Además de los
equipos de instrumentación necesarios para realizar mediciones de potencia,
voltaje, corriente y descargas parciales.
Sin embargo, los fabricantes de sistemas ensayos de alto voltaje tienen soluciones
optimizadas y enfocadas a esta necesidad, muchos tienen sistemas completos y
listos para pruebas en transformadores tanto en laboratorio como en sitio, a
continuación se muestra un ejemplo de un sistema de marca HIGH VOLT.
En la Figura 4.45 se puede ver un sistema de prueba para transformadores de esta
empresa.
Figura 4.45. Sistema de pruebas de transformadores en sitio.
152
A continuación se muestran algunas características de este sistema, detalles
específicos se hallan en el Anexo 5.
El sistema de pruebas tiene por nombre WV 620-1000/80, es un sistema de
pruebas de transformadores que se puede usar en el laboratorio mismo, o por
medio de un tráiler transportarse a la subestación y hacer pruebas en sitio. Permite
hacer pruebas de en transformadores trifásicos de hasta 100 MVA, y en
transformadores monofásicos hasta 60 MVA. Las pruebas básicas que permite
realizar son:
- Prueba de voltaje inducido de acuerdo a IEC 60076-3.
- Prueba de pérdidas en vacío de acuerdo a IEC 60076-1.
- Pérdidas con carga y cortocircuitos, de acuerdo a IEC 60076-1.
- Prueba de elevación de temperatura de acuerdo a IEC 60076-1.
En la Figura 4.46 se ve el esquema básico de este sistema:
Figura 4.46. Esquema del sistema de prueba de transformadores [33]
153
El sistema consta de un convertidor estático de frecuencia, que es la fuente de
voltaje sinusoidal de amplitud y frecuencia variable, también es la fuente de
potencia activa y reactiva.
Hay un transformador elevador que aumenta el voltaje de salida del convertidor de
frecuencia, con varios taps para diferentes rangos de voltaje. Posee algunos filtros
alto y medio voltaje para la medición de descargas parciales.
La medición de pérdidas se realiza con una unidad de análisis de energía integrada
a los sensores de voltaje y corriente de alto voltaje. Las señales para medición de
descargas parciales se toman de los bushings de alto voltaje del transformador bajo
prueba. El sistema de descargas parciales PD consiste de un canal de medida en
cada terminal de alto voltaje y un canal para el neutro.
El control se realiza por medio de un PLC en un gabinete de mando que cuenta con
un panel para el operador. Las mediciones se pueden enviar a una computadora
para el análisis de todas las señales obtenidas.
Los equipos vienen en contenedores de carga de 6 metros de longitud:
- El contenedor 1 para el convertidor de frecuencia incluyendo el filtro de onda
sinusoidal.
- El contenedor 2 para el transformador elevador de alto voltaje, filtro de alto
voltaje y transformadores de corriente y de potencial para medición.
- El contenedor 3 para cabina de control y almacén de cables.
- Un contenedor 4, como alternativa del contenedor 2 para pruebas en
transformadores de distribución. Con transformador, filtros y
transformadores de medición de medio voltaje.
Para la realización de pruebas de pérdidas con carga y elevación de temperatura
se requiere de mucha potencia reactiva, por lo que se requiere de capacitores de
154
compensación los cuales vienen en otro contenedor. En la Figura 4.47 se ve una
forma de configuración de estos contenedores.
Los parámetros de este sistema son:
Conexión trifásica:
Voltaje nominal 7,8 � 70 kV (a 3000 m.s.n.m.)
Potencia nominal:
En trabajo continuo 720 kVA
15 min. ON/ 120 min OFF 840 kVA (3 ciclos por día)
Potencia activa nominal con
Funcionamiento continuo 370 kW (cos j=1)
Conexión monofásica:
Tipo de conexión Simpe Paralela 2 fases
Voltaje nominal 7,8 � 40 kV 7,8 � 40 kV ±7,8 - ± 40 kV
Potencia nominal:
En trabajo continuo 240 kVA 480 kVA 480 kVA
15 min ON/ 120 min OFF 280 kVA 560 kVA 560 kVA
Potencia activa nominal con
Funcionamiento continuo 240 kW 370 kW 370 kW
155
Figura 4.47. Disposición de contenedores sugerida [33]
La fuente de energía es el convertidor de frecuencia, el cual tiene los siguientes
parámetros:
Voltaje de salida: 2 fases/ 3 fases
70 � 690 V @1000 m.s.n.m.
70 � 590 V @3000 m.s.n.m.
Corriente nominal 1000 A @1000 m.s.n.m.
750 A @3000 m.s.n.m.
Frecuencia 40 � 200 Hz
Factor de potencia 0.2cap�.1�.0.2ind
Fuente de energía: 3 fases + tierra
156
380 V ± 10 %
50/60 Hz
750 kVA desde la red
1200 kVA desde un generador diésel.
THD de voltaje " 5 %
Dimensiones:
Longitud (L) 4615 mm
Ancho (W) 2000 mm
Altura (H) 2516 mm
Peso total 6600 kg
El transformador elevador de HVAC es de tipo tanque, tiene las siguientes
características:
Conexión trifásica:
Voltaje de salida 7.8 � 70 kV (12 taps)
Corriente de salida 64.9 � 7.1 A
Potencia nominal 720 kVA
Potencia en corto tiempo 1000 kVA
Ciclo de trabajo en corto tiempo 15 min ON/ 120 min OFF. 3 ciclos/día.
Voltaje de entrada 590 V
Rango de frecuencia 40 � 200 Hz
Impedancia de corto circuito 5 - 7 %
Dimensiones:
Longitud 1850 mm
Ancho 2250 mm
Altitud 2150 mm
Peso total 8200 kg
Peso del aceite 2430 kg
157
El sistema de medición consiste en tres unidades analizadoras con sensores de
voltaje y corriente integrados. Las unidades ofrecen puertos de comunicación para
guardar datos y generar reportes. Sus características son:
Voltaje primario 0.1 � 70 kV (a 3000 m.s.n.m.)
Corriente primaria 10 � 20 � 40 � 80 A
Precisión de medición de potencia:
Cos j = 1 0.3 %
Cos j = 0.1 1 %
Temperatura ambiente 10 � 40 °C (componentes de alto voltaje)
15 � 30 °C (cabina de control)
Humedad relativa máx. 80 %
Hay una cabina de control y una cabina auxiliar montadas en un contenedor, que
consisten de:
- Fusibles e interruptores para el control
- Breakers para las conexiones de energía del transformador de alto voltaje.
- Relés de acoplamiento y contactos para dispositivos.
- Sistema PLC para control.
- Circuito de control para los ventiladores del contenedor.
- Protecciones de sobrevoltaje
- Puertos de conexión ETHERNET y PROFIBUS
- Botones de emergencia, luces indicadoras.
El sistema de control consiste en un panel de 19� de marca SIEMENS que hace la
función de HMI para controlar los sistemas y las pruebas a realizar.
158
Para el análisis de descargas parciales cuenta con un sistema de adquisición de
datos modular que detecta, graba y analiza eventos de descargas parciales. Las
comunicaciones se hacen vía fibra óptica, el proceso de datos se hace de forma
digital con una alta precisión. El sistema consiste de una unidad de medición, un
controlador USB, y comunicaciones vía fibra óptica, que puede ser extendida hasta
2 km de distancia entre el objeto de prueba y el analizador.
El sistema de compensación capacitiva para suplir de potencia reactiva en las
pruebas de corto circuito y de elevación de la temperatura viene en otro contenedor,
sus detalles están en el Anexo 5. Sus datos principales a 3000 m.s.n.m. son:
Voltaje nominal (rms) 30 kV (6 pasos)
Corriente nominal (rms) 750 A
Frecuencia de operación 50/60 Hz
Potencia 20138 kVar a 60 Hz
Temperatura ambiente -15 a 40 °C
Operación manual
Para el caso de pruebas en sitio y poder realizar pruebas de voltaje aplicado se
necesita de un transformador de alto voltaje adicional, una opción recomendada
por los fabricantes de este equipo es un sistema resonante WRV 5/360 M que se
especifica a detalle en el Anexo 5. Sus principales características son.
Voltaje nominal 360 kV/ 288 kV a 3000 m.s.n.m.
Mínimo voltaje 36 kV
Corriente nominal 4,86 A
Rango de frecuencia 40 a 300 Hz
Ciclo de trabajo 15 min ON � 1 h OFF, 4 ciclos por día
Mínima carga 2,7 nF
Máxima carga 42.9 (67.2 a 3000 m.s.n.m.) nF
Fuente de energía: 3 fases + neutro + tierra
230/400 V ± 10 %
60 Hz/ 50 kVA
159
Instalación a la intemperie, móvil.
Las medidas de los contenedores 1, 2 y 3 son de 6058 mm de largo, 2438 mm de
ancho y 2896 mm de altura. El contenedor 5 que lleva el compensador capacitivo
mide 12192 mm de longitud, 2438 mm de ancho y 2896 mm de altura. Para el
sistema resonante de alto voltaje se incluye un tráiler que en su totalidad mide
13600 mm de largo, 2550 mm de ancho, 4000 mm de altura con una carga máxima
en el eje trasero de 24000 kg. Que se muestra en la Figura 4.48.
Figura 4.48. Tráiler para movilización de los sistemas para prueba de transformadores
[34]
El sistema puede usarse tanto en el laboratorio como en sitio. Una alternativa es
tener todo el sistema para pruebas en el laboratorio que incluye al banco de
capacitores para pruebas de corto circuito y elevación de temperatura, y hacer móvil
al sistema resonante y al sistema de voltaje inducido para pruebas en sitio.
Las ilustraciones de las Figuras 4.49, 4.50 y 4.51 muestran mejor la forma de
instalación de estos sistemas. [35]
Figura 4.49. Contenedores 1, 2 y 3 en laboratorio, para prueba de voltaje inducido y
pérdidas en vacío (sin compensación capacitiva)
160
Figura 4.50. Sistema resonante móvil para prueba de voltaje aplicado en sitio.
Figura 4.51. Contenedores 1,2, y 3 en tráileres para pruebas en sitio.
Este sistema adicional tiene un costo importante que se verá en el capítulo 5. La
configuración básica del laboratorio no se afecta con la adición de este sistema,
prescindir de él puede ser una opción si la inversión representa un costo que no se
pueda afrontar. Sin embargo, al no tener un sistema de este tipo, el laboratorio no
estaría en la capacidad de prueba de transformadores de forma completa, podría
hacer pruebas de voltaje aplicado y de impulsos en el laboratorio, no podría hacer
pruebas de pérdidas, de temperatura y de voltaje inducido. El laboratorio podría
trabajar con transformadores de distribución de niveles de 22,8 kV y 500 kVA
mediante algunas fuentes y equipo de medición que se detalla en los siguientes
puntos, pero no podría hacer pruebas de voltajes inducidos al no tener una fuente
de frecuencia variable y no podría trabajar con transformadores de potencia, que
161
son los que representarían un ingreso para el laboratorio que justifique el servicio
que ofrecería la universidad.
Por tal razón se deja como alternativa este sistema con sus costos en el capítulo 5
para mostrar cuanto incide en el presupuesto estimado, y para que sea una base
de decisiones sobre el mismo.
EQUIPOS E INSTRUMENTOS COMPLEMENTARIOS
El laboratorio necesita de algunos equipos adicionales para poder realizar
mediciones sobre materiales de algunas magnitudes eléctricas, para manejar
aceites, puestas a tierra y actividades adicionales que requieren de instrumentos
de medida especiales y que son portátiles y de tamaños reducidos.
En el tratamiento de materiales dieléctricos se analiza su calidad como aislantes
eléctricos, se puede saber cómo están envejeciendo y dar un criterio sobre mejores
o peores materiales. Para hacer estos análisis se recurre a ensayos no destructivos.
Estos ensayos típicamente están basados en mediciones de resistencia de
aislamiento, medición de capacitancias y factores de pérdida en los materiales que
dependen de la frecuencia del voltaje aplicado al material.
Otro grupo de ensayos se basan en la detección y cuantificación de las descargas
parciales PDs, una técnica aplicada ya por cinco décadas que aún sigue siendo
tema de desarrollo e investigación.
Una forma de caracterizar a los aislantes es por medio de una capacitancia C y una
magnitud de disipación de potencia o pérdidas dieléctricas que se cuantifican por
un factor de disipación o factor de pérdidas conocido como �tangente de delta� tan
d. Las mediciones de estas propiedades dieléctricas con frecuencia industrial
pertenecen a los procedimientos estándar de ensayos. Muchos equipos actuales
se basan en los principios de medición clásicos que pueden hallarse en la
referencia [20], pero suplementados con controles a base de microprocesadores y
software de soporte y análisis de datos.
162
Las descargas parciales por su parte son descargas eléctricas localizadas dentro
de un material que por lo general suele ser el aislante de un aparato eléctrico, y que
parcialmente puentean el aislante entre los conductores o electrodos donde se
aplica el voltaje. El término descarga parcial cubre un rango amplio de fenómenos
de descarga como: descargas internas que ocurren en intersticios o cavidades
dentro de los materiales sólidos o líquidos, descargas superficiales que aparecen
en los límites de diferentes materiales, descargas de corona que aparecen en
diferentes gases en presencia de campos eléctricos homogéneos o un continuo
impacto de descargas en un sólido formando un camino o canal de descarga. [20]
Las descargas parciales son causantes del deterioro de los materiales aislantes. La
detección y medición de PD�s se basa en el intercambio de energía durante la
descarga. Este intercambio se manifiesta como: pulsos de corriente eléctrica,
pérdidas dieléctricas, emisión de radiación y luz, ruido, incremento de presión de
gases y reacciones químicas. Las técnicas de medición entonces se enfocan en
métodos de observación de algunos de éstos fenómenos.
Existen muchas investigaciones y métodos para detectar las PDs, sin embargo los
métodos más frecuentes y exitosos son los eléctricos; métodos que se basan en
separar los impulsos de corriente causados por fenómenos de descargas.
Usualmente las mediciones de descargas parciales se hacen en conjunto con
pruebas de voltaje aplicado a los diferentes equipos eléctricos bajo prueba. Los
métodos de medición y análisis de PDs son tan variados que abarcarían un tema
entero de investigación, se pueden hallar de manera más detallada en la referencia
[20] y en el estándar IEC 60270 �Partial Discharge Measurements�.
Para este tipo de instrumentos existe una mayor cantidad de proveedores, algunas
marcas son: MEGGER, HIPOTRONICS, HIGH VOLT, AEMC. Y en la actualidad
todos estos equipos son de tipo digital, muchos con software de apoyo para el
proceso de datos.
163
4.8.1 SISTEMA DE MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES
A continuación se muestra un sistema de medición de PDs, capacitancia y tan d de
marca HIGH VOLT.
Consta de un detector de PD, un analizador de espectros y radio-influencia de
voltaje RIV en un solo instrumento. El instrumento puede ser utilizado para pruebas
tanto en laboratorio como para pruebas en sitio, de acuerdo a los requerimientos
de la norma IEC 60270. Se puede tener más detalles del sistema en el Anexo 6.
Algunas características del sistema son:
- 4 canales de entrada para mediciones de PD y voltaje de sincronización.
- Varios despliegues de mediciones de PD.
- Reducción de ruido por varios métodos como medición selectiva de la
frecuencia de PD, discriminación ajustable para la supresión de señales
periódicas pequeñas.
- Conexión a computadoras industriales vía USB para control y tratamiento de
datos,
Sus parámetros principales son:
Carga mínima detectable 0.1 pC
Frecuencia 10 � 10000 kHz
Ancho de banda 9 o 270 kHz
Impedancia de entrada 50 !
Temperatura ambiente 10 � 40 °C
Dimensiones:
Ancho 236 mm
Profundidad 320 mm
164
Altura 133 mm
Peso 4 kg
Se complementa con una impedancia de medición que se conecta al capacitor de
medida, esta impedancia sincroniza el sistema de medición de PD con el alto
voltaje. También incluye un calibrador de PD que genera pulsos de 1, 2, 5, 10, 20,
50 y 100 pC.
El instrumento de medición de capacitancia y factor de disipación es un puente de
medición universal que se ve en la Figura 4.52, cuyas características principales
son:
Frecuencia del voltaje de prueba 50/60 Hz
Máxima corriente a través del objeto de prueba 5 A
Máxima corriente a través del capacitor estándar CN 30 mA
Rango capacitivo 0.1xCN�. 1000xCN
Rango de factor de disipación 0.00001 � 1
Tolerancia de medición capacitiva ±0.01 %
Tolerancia de medición de fase 0.02 ± 2% mrad
Capacitor estándar CN 0.1 � 9999.99 pF
Dimensiones:
Ancho 500 mm
Profundidad 470 mm
Altura 192 mm
Peso 18 kg
Figura 4.52. Módulo para medición de factor de disipación y capacitancia [36]
165
El capacitor estándar es del tipo aislado con SF6 mostrado en la Figura 4.53. Sus
características son:
Voltaje nominal 100 kV
Capacitancia nominal C1 100 pF
Aislante SF6
Presión de operación 4 bares
Tan d (máximo) 1 E-5
Tolerancia de la capacitancia ± 5 %
Instalación interna
Temperatura ambiente de operación 5 � 40 °C
Humedad relativa a 30 °C " 75 %
Dimensiones:
Altura (H) 950 mm
Base (AxA) 420 x 420 mm
Peso total 46 kg
Figura 4.53. Capacitor de acoplamiento [36]
4.8.2 INSTRUMENTOS ADICIONALES
Se requiere de equipos de pruebas de aislamiento con voltaje DC como
megaóhmetros, Hi-POTs y equipos de prueba de cables portátiles, equipos para
166
medición de resistividad de puesta a tierra, equipos para medir relación de
transformación de transformadores, TC´s y TP´s, equipo para prueba de rigidez
dieléctrica de aceites, entre otros. En la Tabla 4.9 se muestra un resumen de
algunos equipos que deberían adquirirse.
Tabla 4.9. Equipos adicionales para el Laboratorio de Alto Voltaje
EQUIPO (Nombre
genérico)
Resumen de utilización CANTIDAD
Probador de aceites
dieléctricos
Equipo que permite hacer prueba dieléctrica
de aceites de acuerdo a las normas:
EE. UU.-ASTM D877, ASTM D1816
1
TTR trifásico Equipo para determinar la relación de
transformación en transformadores. Que
permite medir transformadores monofásicos y
trifásicos, TC´s y TP´s.
1
Analizador dieléctrico
de sólidos y líquidos
Equipo que permite probar características de
materiales aislantes sólidos y líquidos como:
capacitancia, tangente delta, resistencia DC y
permitividad relativa. Para aplicaciones de
pruebas en aceites de transformadores, papel
aislante de transformadores, y otros
materiales sólidos. (Caucho, teflón, etc.)
1
Sistema de
diagnóstico de
aislamiento
Equipo para prueba de factor de potencia de
aislamiento/ factor de disipación (tangente de
delta) diseñado para evaluar el estado del
aislamiento eléctrico en aparatos de alto
voltaje como transformadores, aisladores
(bushings), disyuntores, cables, pararrayos y
máquinas eléctricas rotativas
Nivel de voltaje 15 kV
1
Juego de resistencias
y capacitores
decádicos
Resistencias y capacitores decádicos de
precisión para calibraciones y mediciones.
Valores de resistencias desde 1ohmio a 10
megaohmios.
Capacitor decádico en rangos de 0.1 nF a 10
uF.
1
167
Osciloscopio Osciloscopio digital, cuatro canales, al menos
100 MHZ, con 4 pinzas de voltaje y 4 pinzas de
corriente. Que permita almacenar información
en USB y preferible conexión con PC.
1
Compresor Compresor de aire para inyectar aire a sobre
presión. 220V. 60 Hz. 2 Hp.
1
REQUERIMIENTOS DE ESPACIO FÍSICO
En este punto no se va a tratar un diseño de obras civiles ya que va más allá del
alcance de este proyecto, simplemente se sugerirá una distribución de equipos de
acuerdo a las recomendaciones de fabricantes y de la bibliografía especializada
consultada, de manera que el local cumpla con las distancias de seguridad entre
equipos, paredes, pisos y techos con el fin de evitar descargas eléctricas contra la
estructura del laboratorio, estas sugerencias pueden ser la base de un diseño civil
final en la que el laboratorio tenga todas las comodidades para el trabajo del
personal como oficinas, taller, sala de conferencias, etc.
El laboratorio debería emplazarse en un galpón de cemento, donde el área de
trabajo sea lo suficientemente amplia como para ingresar y sacar los objetos de
prueba que en su mayor tamaño serían los transformadores, debería contar con un
puente grúa para mover equipo pesado y otros pequeños sistemas de
levantamiento de cargas para transporte. Debería contar con escaleras y
estructuras para subir a etapas de altitud en los equipos de generación de voltajes,
muchos laboratorios cuentan con pequeños elevadores mecánicos y con sistemas
de plataformas móviles para hacer trabajo en altura.
Para los generadores de altos voltajes, de acuerdo a las recomendaciones dadas
por los fabricantes, para el caso del generador de impulsos, y en base a distancias
mínimas de seguridad de acuerdo a las recomendaciones de la norma IEC 60060-
1 en la Figura 4.54, se han establecido las distancias que deben respetarse entre
los �puntos vivos� de los generadores y tierra, ya sea el suelo, el techo, paredes o
estructuras metálicas aterrizadas.
168
Para el sistema de HVAC de 800 kV, su voltaje pico es 1131,37 kV, según la gráfica
la distancia mínima recomendada sería de 5,44 metros. Aplicando el factor de
corrección por altitud k=1,2548 dada por (4-3). Así la distancia mínima entre puntos
energizados y tierra es de 6,82 metros. Se muestra esta distancia en la Figura 4.55.
Figura 4.54. Distancias de seguridad recomendadas entre el objeto de prueba y objetos
extraños energizados o aterrizados. [19]
Para el generador de impulsos, se considera la distancia mínima de 4,20 metros de
acuerdo a la Tabla 4.10. Incluyendo el factor de corrección k, la distancia mínima a
tierra es de 5,25 metros. En el Anexo 3 sin embargo HIGH VOLT recomienda una
distancia mínima de 6 metros entre puntos vivos y tierra, y es el valor que se tomará
en cuenta. El detalle se muestra en la Figura 4.57.
Para el sistema de HVDC la norma IEC 60076-5 aún está en desarrollo y no tiene
niveles de aislamiento especificados. En base a la referencia [18] se recomienda
una distancia de 275 kV/m. Siendo el sistema de 400 kV nos da una distancia de
1,45 metros, con el factor de corrección por altitud se necesita de una distancia
mínima de 1,82 metros entre puntos vivos y tierra. Se muestra en la Figura 4.56.
El sistema de impulsos de corriente ya está aislado para los 100 kV que genera y
cubre toda la superficie mostrada en la Figura 4.42 y 4.59.
169
Tabla 4.10. Correlación entre voltaje sostenido de impulso atmosférico nominal y
las distancias de separación mínimas [21]
El laboratorio existente en la EPN se puede ampliar a una capacidad de 300 kV en
voltaje alterno, y se necesita de una superficie de 3x4 metros según
especificaciones del Anexo 5, y una distancia entre los puntos vivos y la malla de
protección es de 50 cm por cada 100 kV. Se muestra esta disposición en la Figura
4.58.
170
En las figuras 4.55, 4.56, 4.57, 4.58 y 4.59 se muestran disposiciones de los equipos
como ejemplo, para dos casos: con y sin el sistema de pruebas de transformadores.
Figura 4.55. Distancias mínimas en aire para el generador resonante de 800 kV.
Figura 4.56. Distancias mínimas en aire para el generador de 400 kV DC.
171
Figura 4.57. Distancias mínimas en aire para el generador de impulsos de voltaje de 2000
kV.
Figura 4.58. Área para el Laboratorio de Alto Voltaje existente en la EPN, que se puede
expandir a 300 kV A.C.
172
Figura 4.59. Área total de ocupación del Sistema de Generación de Impulsos de
Corriente. 100 kV/200 kJ.
Se ha tratado de distribuir los equipos de manera que se pueda circular por el
laboratorio con equipos de gran tamaño, y a partir de esta disposición se ha
determinado el tamaño del local, como se ve en las Figuras 4.60 y 4.61.
173
Figura 4.60. Disposición sugerida de equipos para el Laboratorio de Extra Alto Voltaje, sin
considerar un sistema de pruebas de transformadores de potencia.
174
Figura 4.61. Disposición sugerida de equipos para el Laboratorio de Extra Alto Voltaje,
con un sistema de pruebas de transformadores de potencia hasta 100 MVA.
175
Para las Figuras 4.60 y 4.61, los componentes mostrados con números son:
1. Generador HVAC resonante de 800 kV.
2. Generador de impulsos de voltaje. 2000 kV /200 kJ.
3. Generador de HVDC de 400 kV.
4. Generador de impulsos de corriente. 100 kV /200 kJ.
5. Kit de construcción de alto voltaje. (Laboratorio existente en la Escuela
Politécnica Nacional)
6. Área libre para zona de trabajo, oficinas, taller, etc.
7. Tablero de distribución de energía para el sistema resonante HVAC.
8. Tablero de distribución de energía para el sistema HVDC.
9. Área de transformación a 400 V trifásicos para el los sistemas de control y
de fuerza de los generadores de alto voltaje.
10. Área para construcción de aulas, sala de conferencia, recepción, taller,
laboratorios anexos, bodegas, etc.
11. Convertidor de frecuencia para el sistema de pruebas de transformadores
de potencia.
12. Transformadores de alto voltaje HV para el sistema de pruebas de
transformadores de potencia.
13. Convertidor de frecuencia para el sistema de pruebas de transformadores
de potencia.
14. Cámara de control para el sistema de pruebas de transformadores de
potencia.
15. Cámara de Transformación.
16. Capacitores de compensación para el sistema de pruebas de
transformadores de potencia.
17. Sistema resonante móvil. 360 kV.
Op. Mesas de control y operación de cada sistema de alto voltaje.
176
Figura 4.62. Altura mínima para el generador resonante de HVAC.
Figura 4.63. Altura mínima para el sistema de generación de impulsos de 2000 kV.
177
Las distancias de seguridad también determinan la altura del laboratorio como se
ve en las Figuras 4.62 y 4.63. La altura mínima la impone el generador resonante
de HVAC, con 14,86 metros, es decir al menos 15 metros de altura de la nave
industrial donde se debe emplazar el laboratorio. Sin embargo esta es la altura
mínima a cualquier punto de la estructura, por lo general las naves o galpones
tienen techos inclinados y a esta altura hay que sumarle una altura adicional en el
caso de instalar un puente grúa. Por lo regular una altura adicional de 2 metros
dejaría libre esta alternativa. En la Figura 4.64 se tiene una vista tentativa de la
nave industrial.
Figura 4.64. Altura mínima del Laboratorio de EHV.
Existen muchas alternativas para la disposición del edificio. Por ejemplo se puede
utilizar el techo del laboratorio para instalación de paneles solares en un futuro, de
esta manera se puede aprovechar la instalación para estudiar sobre esta tecnología
178
de energías alternativas y de paso usarla como fuente de energía para cargas
pequeñas.
También se puede aprovechar el edificio para construir un área de aulas, oficinas,
bodegas, sala de recepción y conferencias, entre otras posibilidades. Sólo como
ejemplo en la Figura 4.64 se muestra dos plantas junto al galpón de 6 metros de
ancho. En esta área se pueden construir unas 6 plantas si se desease, sin embargo
esa decisión debería considerarse en función de las necesidades de toda la
universidad ya que puede representar una gran inversión.
De no construirse esta extensión del edifico, pues se necesitaría adaptar un par de
oficinas en el área 6 de las Figuras 4.60 y 4.61, dentro del galpón para la ubicación
del personal que trabaje en el laboratorio.
Las opciones mostradas anteriormente son bosquejos de la distribución de equipos
para saber el espacio requerido, no son diseños finales mucho menos a detalle, ya
que este trabajo debe ser realizado por un ingeniero civil y un ingeniero mecánico
en conjunto con los ingenieros eléctricos que llevasen a cabo los diseños finales.
Se puede resumir que el área que requiere el laboratorio es de 31,22 m x 44,20 m
si se toma la opción de descartar el sistema de prueba de transformadores; y un
área de 40 m x 44,20 m de requerir el sistema de prueba de transformadores de
potencia. La altura mínima libre que debe tener la nave industrial es de 15 metros.
Este es el espacio mínimo que ocuparía el laboratorio, sin contar la posibilidad de
construir aulas y oficinas junto al edificio. En el caso en el que se tiene el equipo de
pruebas de transformadores se puede aprovechar el espacio para construir la
cámara de transformación del edificio dentro del galpón, en el caso de no usar este
sistema el edifico es más pequeño y la cámara de transformación debería estar
afuera, dependiendo del mejor lugar de acometida de la red de distribución de
energía.
179
También hay que considerar la cimentación del edificio, los pisos del laboratorio
deben soportar el peso de los sistemas de alto voltaje, y de un transformador de
hasta 100 MVA en el peor de los casos.
Debido al manejo de objetos grandes y pesados se puede considerar la alternativa
de instalar un puente grúa, sin embargo debido a la gran luz que deben cubrir,
puede ser una mejor opción tener dos puentes grúa, considerando que sus costos
rondan los US $10 000 por puente. Sin embargo, este análisis se debería hacer
una vez que se haya decidido los equipos definitivos a adquirir, es decir, sin el
sistema de prueba de transformadores de potencia tal vez no sea necesario instalar
éstos puente, además el mejor análisis se debe hacer con ayuda de un ingeniero
mecánico.
También se puede tener el edificio sin sistema de puente grúa, en ese caso hay
algunas opciones, por ejemplo: se puede comprar puentes grúa más pequeños
para mover pesos del orden de los 1000 kg, como transformadores de distribución.
Éstos puentes son pequeños y móviles, pueden ser desde unos 3 metros de luz y
unos 3 metros de altura. Por otro lado los vehículos montacargas pueden elevar
desde 1 a 15 toneladas, algunos son eléctricos en la actualidad Escoger cuáles
serían útiles dependería de la opción final que se elija y los presupuestos que se
obtengan. Sin embargo, los puentes grúas instalados en el edificio hacen fácil la
instalación de los equipos en la etapa final de construcción cuando se deben erigir
y armar los sistemas de generación de altos voltajes, si no se cuenta con estos
puentes, se debe prever los medios para levantar los equipos con seguridad, por
ejemplo mediante el alquiler de camiones grúas.
En el centro del laboratorio hay un corredor de 5 metros de ancho para el paso de
equipos muy grandes y vehículos, en el peor de los casos para ingresar un
transformador de 100 MVA (sus dimensiones aproximadas incluido los bushings
son: 6,60 m x 8,50 m, y una altura de 7,50 m). Esto considerando al transformador
armado, sin embargo se puede tenerlo que armar en el laboratorio, en cuyo caso
las dimensiones de las piezas son menores, teniendo como dimensiones máximas:
2,60 m x 7,50 m y una altura de 3,50 m. Un portón de 6 metros de ancho por 5
180
metros de altura garantizaría la entrada de camiones con los equipos cuando se
deba armar el laboratorio, y para posteriores entradas y salidas de equipos grandes
a probar. Dependiendo de la disposición del terreno sería preferible tener dos
portones, uno a cada lado del laboratorio para ingresar equipos por el lado más
conveniente.
Si bien las dimensiones del edificio pueden parecer demasiado grandes, éste es el
orden del tamaño de los laboratorios de esta capacidad, la mayor ocupación del
espacio se debe a las distancias mínimas entre los puntos con voltaje y tierra que
son muy grandes, más aún cuando en Quito se debe añadir un 20% al aislamiento
eléctrico debido a la altitud sobre el nivel del mar.
REQUERIMIENTOS ELÉCTRICOS
A continuación se realiza una breve estimación de los requerimientos eléctricos del
nuevo laboratorio. No se realiza un diseño eléctrico a detalle, ni de sistemas de
puesta a tierra y de apantallamiento, porque cada uno de esos diseños representa
un proyecto completo más allá del alcance de este trabajo. Además de que se
necesita saber con exactitud cuál opción se escogería, es decir, con o sin sistema
de prueba de transformadores, se necesitaría saber la disposición del terreno y de
la obra civil para el diseño de instalaciones finales.
Sin embargo, se muestra en esta sección una estimación de la demanda del
laboratorio para poder definir el tamaño del transformador de distribución y la
cámara de transformación del edificio. Para ello se asumen muchos factores como
distancias, cargas típicas y el diseño de iluminación en sí, tratando de ser lo más
fiel a la realidad posible con el fin de que los valores obtenidos no difieran mucho
de los que se tengan en un diseño definitivo.
Por otra parte se dan algunos criterios a tener en cuenta para las instalaciones de
puesta a tierra, cableados, y sistemas de apantallamiento.
181
4.10.1 SISTEMA DE ILUMINACIÓN
Una buena cantidad de carga eléctrica se deberá a la iluminación de la nave
industrial. Resulta difícil optimizar este sistema porque los laboratorios de este tipo
suelen requerir de oscuridad completa para observar fenómenos de efecto corona
y descargas que con la luz no se observan. Pero que para el trabajo rutinario
necesitan de iluminación adecuada. Por tal razón estos galpones no suelen tener
ventanas para acceso de luz, o se puede tener ventanas con persianas o algún
medio óptimo de bloqueo de luz. En un diseño definitivo del laboratorio se puede
tratar de hacer más eficiente el sistema de iluminación que se describe a
continuación, que se basa en criterios básicos de niveles de iluminación, y realizado
con ayuda del Software Dialux para realización de cálculos y disposiciones.
En el peor de los casos, el local mediría 40 x 44 metros, y la altura mínima debe ser
15 metros. Adicionando 2 metros ya sea para el puente grúa, o para suspender las
luminarias, la altura del local media sería de 17 metros. Para el diseño se han
considerado los siguientes datos:
Dimensiones del local:
Longituda (a): 44 m
Anchura (b): 40 m
Altura (H): 17 m
Altura del plano trabajo: 0.85 m
Nivel de iluminación escogido: 300 lux.
Factores de reflexión:
Paredes: 86 % (blanco puro)
Techo: 80 % (techo de metal)
Suelo: 61 % (blanco)
Coeficiente de conservación: 0.80 (local muy limpio)
Luminaria escogida:
182
Debido a la gran altitud del local, la opción más sencilla consiste en usar luminarias
tipo �high bay� que se usan para naves industriales de gran altura, que pueden ir
colgadas de la estructura. A un voltaje de 220 volts. Con un tipo de iluminación
directo general. Clásicamente se usan lámparas de descarga de alta intensidad, sin
embargo en la actualidad hay luminarias fluorescentes tipo �high bay� para alturas
de alrededor de 15 metros con tubos fluorescentes T5 que representan una opción
más eficiente que las luminarias HID.
Las características de esta luminaria son:
- Denominación: TPS350 4xTL5 80W HFP WB
o Luminaria fluorescente con 4 tubos T5 de 80 W, alto desempeño d
frecuencia HPF, 2 reflectores de aluminio de haz ancho WB. Se
observa en la Figura 4.66.
- Marca: Philips
- Alimentación: 220 V/ 344 W.
- Grado de protección: IP20
- Flujo luminoso: 23056 lm
El resultado del diseño da un total de 24 luminarias, con una potencia total de 8256
W, y un nivel de iluminación promedio al plano de trabajo de 371 lux. La distribución
de luminarias y los resultados de iluminación se muestran en la Tabla 4.11 y las
Figura 4.65 y 4.67.
La estimación de carga total de la iluminación dependerá de la disposición final
oficinas, ya sea por medio de la construcción de un área junto al laboratorio, o
dentro del mismo en forma de cubículos. Además del personal que se vaya a tener
trabajando en el lugar.
183
Tabla 4.11. Resultados del diseño de iluminación
Figura 4.65. Distribución de luminarias. Calculadas con DIALux
184
Figura 4.66. Luminaria Philips TPS350 4xTL5 80W HFP WB
Figura 4.67. Vista de la iluminación del laboratorio.
Asumiendo que existirá un director del laboratorio, al menos 2 ingenieros eléctricos,
2 tecnólogos o técnicos eléctricos, y un pasante o ayudante del laboratorio, se
considera algunas áreas externas que podrían construirse y se estima la carga de
iluminación en base a densidades de carga típicas dadas por algunas referencias
de diseño de instalaciones eléctricas. [37]
Con 4 oficinas se puede ubicar a las personas mencionadas, un aula de 40 alumnos
para clases, charlas, conferencias también se considera; un área para una pequeña
biblioteca técnica, un lugar como bodega y una sala de recepción. Las estimaciones
se observan en la Tabla 4.12.
185
Tabla 4.12. Carga de alumbrado estimada
Lugar Área
promedio
(m2)
Densidad
de carga
(W/m2)
Potencia
instalada
(W)
Aula de 40
alumnos
40 20 800
Oficinas 20 20 (400x4)
1600
Biblioteca 30 20 600
Taller 40 20 800
Bodega 20 5 100
Sala de
recepción y
pasillos
60 15 900
TOTAL alumbrado adicional 4800
Alumbrado del laboratorio 8256
Total 13056
La carga de iluminación estimada sería de 13,056 kW. Se considera un factor de
carga de 1 para este tipo de instalaciones. [37]
4.10.2 CARGA DE LOS SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE
La mayor cantidad de demanda de energía se requiere para el funcionamiento de
los sistemas de generación de alto voltaje. En la Tabla 4.13 se recogen los valores
de consumo de cada sistema tomados de sus hojas de datos.
Para reducir la necesidad de demanda se debe considerar que los valores de
potencias mostrados en las tablas anteriores se dan bajo máxima carga de cada
sistema, por lo general su consumo es menor. También hay que considerar que no
se encienden todos los sistemas al mismo tiempo, ni siquiera cuando se prueba un
mismo elemento ante diferentes fuentes de voltaje. Es evidente que de adquirir el
186
sistema de prueba de transformadores la demanda de potencia prácticamente está
impuesta por sus 750 kVA de consumo. De esta forma en la Tabla 4.14 se
consideran estos criterios con factores de simultaneidad para estos sistemas, y
considerando dos opciones; con y sin sistema de prueba de transformadores.
Tabla 4.13. Demanda eléctrica de los sistemas de alto voltaje
Sistema Componentes Potencia
nominal
[kVA]
Total
[kW]
Sistema resonante de generación de
HVAC
Excitador 50 53,675
Sistema de
Control
6,5
Sistema de generación de HVDC Regulador 60 59,85
Circuito de
control
3
Sistema de generación de impulsos
de voltaje
Circuito de
potencia
40 40,85
Sistema de
control
3
Sistema de impulso de corriente Unidad de
carga
30 282,15
Transformador
de 25 kV para
prueba de
ciclo de trabajo
250
Sistema
de
control:
17
Sistema de prueba de
transformadores de potencia
Alimentación
de control,
convertidor de
750 650
187
frecuencia,
transformador
es elevadores.
Sistema
resonante
móvil 360 kV
50
Kit de alto voltaje ampliado a 300 kV Conexión en
tres etapas
con reactores
de
compensación
25 22,5
Potencia instalada [kW] 1109,025
Tabla 4.14. Determinación de demanda para los sistemas de alto voltaje
OPCIÓN 1. Sin sistema de pruebas de transformadores
Sistema Carga
Instalada
[kW]
Factor de
utilización
Fu
Carga
instalada
representa
tiva
Cir
[kW]
Factor de
simultanei
dad
Fs
Demanda
Máxima
Unitaria
DMU
[kW]
Sistema resonante de generación de
HVAC
53,675 0,8 42,94 0,4 17,17
Sistema de generación de HVDC 59,85 0,8 47,88 0,4 19,15
Sistema de generación de impulsos
de voltaje
40,85 0,8 32,68 0,4 13,07
Sistema de impulso de corriente 282,15 0,9 253,94 0,9 228,54
188
Kit de alto voltaje ampliado a 300 kV 22,5 0,6 13,5 0,6 8,1
Totales 459,025 390,935 286,04
OPCIÓN 2. Con sistema de pruebas de transformadores
Sistema resonante de generación de
HVAC
53,675 0,8 42,94 0,4 17,17
Sistema de generación de HVDC 59,85 0,8 47,88 0,4 19,15
Sistema de generación de impulsos
de voltaje
40,85 0,8 32,68 0,4 13,07
Sistema de impulso de corriente 282,15
0,9 253,935 0,6 152,36
Kit de alto voltaje ampliado a 300 kV 22,5 0,6 13,5 0,6 8,1
Sistema de prueba de
transformadores de potencia
650 0,8 520 0,9 468
Totales 1109,025 910,935 677,86
Se toma como valores de demanda Dso1=286,04 kW y Dso2=677,86 kW para las dos
opciones descritas.
4.10.3 CARGAS ADICIONALES
Los sistemas de generación de alto voltaje son los que requieren de la mayor
cantidad de potencia de la red eléctrica. Las cargas que se conecten a
tomacorrientes convencionales no van a influir prácticamente en la demanda ya que
el tamaño del transformador de distribución va a ser muy grande en comparación a
estas cargas. Para realizar la estimación se ha considerado una instalación clásica
de tomacorrientes en oficinas, corredores, y mesas de operación en el laboratorio,
con una salida típica de 2 A.
En el caso de los puentes grúa pequeños para elevación de materiales, sus motores
tienen valores nominales entre unos 5 a 15 kW. Se considera la posibilidad de
189
cargas adicionales como bombas de agua para pruebas con lluvia, y otras
herramientas que puedan consumir una potencia importante. Se resume en la Tabla
4.15 esta estimación.
Tabla 4.15. Cargas adicionales del laboratorio de alto voltaje
Sistema Carga
Instalada
[kW]
Factor de
utilización
Fu
Carga
instalada
representa
tiva
Cir
[kW]
Factor de
simultanei
dad
Fs
Demanda
Máxima
Unitaria
DMU
[kW]
50 Tomacorrientes 120 V/ 2A 11,4 0,9 10,26 0,2 2,05
Motor de puente grúa 10 ton 10 0,9 9 1 9
Otros 5 1 5 1 5
Totales 26,4 24,26 16,05
Demandas adicionales Da=16,05 kW.
4.10.4 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN
El transformador de suministro para el edificio deberá suministrar las siguientes
demandas:
- Demanda de alumbrado: Dal= 13,056 kW
- Demanda adicional: Da= 16,05 kW
- Demanda de los sistemas de alto voltaje sin sistema de prueba de
transformadores: Dso1= 286,04 kW
190
- Demanda de los sistemas de alto voltaje con sistema de prueba de
transformadores: Dso2= 677,86 kW
La suma de estas demandas y con un factor de potencia fp=0,9 no da los siguientes
resultados:
- Opción 1: sin sistema de prueba de transformadores de potencia.
o Demanda de diseño: 350,16 kVA. Transformador de distribución de
400 kVA
- Opción 2: con sistema de prueba de transformadores de potencia.
o Demanda de diseño: 785,51 kVA. Transformador de distribución de
800 kVA
Las alternativas tienen una diferencia de potencia que puede parecer grande, pero
económicamente la diferencia en costos de los dos tipos de transformadores no
representa un impacto económico mayor si se compara con el costo de inversión
del sistema de prueba de transformadores que se detalla en el capítulo 5.
Básicamente el criterio para elegir el sistema de prueba de transformadores debería
ser la disponibilidad de presupuesto para adquirirlo. La adquisición del sistema lleva
a algunas situaciones que se deben tomar en cuenta como: personal para
conducción de los transportes para pruebas en sitio, mayor espacio en el
laboratorio, técnicamente sería lo mejor que el sistema esté trabajando
continuamente porque de otro modo el transformador de 800 kVA va a estar
subcargado y desde el punto de vista técnico-económico no es eficiente. Sin
embargo el sistema de prueba de transformadores tiene las ventajas de poder
transportarse a todo el país, y que sus ingresos son mucho mayores a los que
genera el laboratorio sólo por pruebas dieléctricas.
191
Otra característica importante de este transformador es que debería ser de diseño
especial. Los sistemas que se han mostrado en los puntos anteriores funcionan con
un voltaje de 400 V y algunos sistemas de control con 230 V, trifásicos. En sus
hojas de datos se pide instalar transformadores para pasar de 220 V a 400 V para
cada sistema debido a la diferencia entre voltajes. Por lo que debería haber uno o
varios transformadores adicionales sólo para hacer este cambio de voltaje.
En vista de que se construiría un edificio desde cero, se puede aprovechar para
construir una red de bajo voltaje con tres voltajes: 120/230/400 V. Para ello habría
que hacer un pedido especial del transformador de distribución con tres devanados,
las empresas ecuatorianas INATRA y ECUATRAN fabrican este tipo de
transformadores también bajo pedido. De esta manera sólo bastaría tener el
transformador principal que abastezca los diferentes voltajes que se requieren. Un
ejemplo de este transformador se muestra en la Figura 4.68.
Figura 4.68. Transformador de distribución con doble devanado en bajo voltaje. Tomado
de catálogos de INATRA
Esta decisión ahorraría trabajo y equipos de transformación. También se pueden
tomar otra decisión interesante para este caso, se podría consultar la posibilidad de
construir este transformador en tipo Pad Mounted o Metal Enclosed de manera que
se ahorre la construcción de la cámara de transformación tradicional.
192
4.10.5 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
El sistema de puesta a tierra sirve como nivel de referencia y como vía de fuga ante
los cortocircuitos a tierra que se van a producir en algunas descargas. Hay dos
formas de hacer la puesta a tierra: tierra en un solo punto, y tierra en varios puntos
o bus. Como se aprecia en la Figura 4.69.
En el caso de tierra en un solo punto, hay una malla de puesta a tierra bajo el piso
del laboratorio y la conexión a la malla se tiene por medio de un conductor de cobre
muy largo en un punto identificado como: punto común de tierra. Varios equipos y
los generadores de voltaje se conectan a este punto común. Las pruebas de
impulso de alto voltaje dan lugar a corrientes grandes de varios kiloamperios, con
una tasa de cambio promedio de 107 a 109 A/s. Si no se toman las medidas
adecuadas, se puede causar daño a los sistemas de control y poner en riesgo la
vida de las personas. Para evitar algunos inconvenientes, se utilizan barras de
cobre en lugar de conductores circulares para minimizar la inductancia del circuito
de tierra. [18]
El sistema de tierra debe asegurar las siguientes condiciones:
- Evitar imperfecciones en el aterrizaje que pueda generar voltajes de paso
peligrosos.
- Evitar imperfecciones que causen corrientes excesivas en los arreglos de
cables de medición que pueden introducir errores en las medidas.
- El sistema de tierra debe estar hecho de manera que la caída de voltaje a lo
largo de todo el sistema de puesta a tierra, el voltaje en un lazo, y las
corrientes circulantes en un lazo sean evitadas o minimizadas.
- Conductos metálicos deben ser utilizados para los cables de medición y
control para evitar el efecto de inductancia entre la malla de tierra y los
cables.
193
Figura 4.69. Formas de conectar a tierra los equipos de alto voltaje
En un sistema de tierra tipo bus, hay varias tomas de tierra para los equipos,
normalmente se distribuyen cada 16 m2 aproximadamente. Típicamente un buen
sistema de tierra consiste de una malla de cobre con divisiones de 1 metro, que se
extiende sobre toda el área donde se hallan los equipos. La malla debe ser
conectada eléctricamente a todas las partes metálicas de la estructura, es decir
columnas y paredes, desde su parte inferior. [18]
Donde se vaya a realizar mediciones de ionización, el sistema de tierra debe
reducir las interferencias de voltaje RIV lo máximo posible. Además, la energía de
alta frecuencia producida durante las pruebas de impulso no debe causar
problemas en el área de pruebas. Para esto, el laboratorio debe actuar como una
Jaula de Faraday.
194
También es importante evitar cruces o lazos en los cableados de control y medición
de los sistemas de impulso, de manera que no se induzcan voltajes y corrientes en
los mismos.
Como referencia del valor de puesta a tierra según las hojas de datos
proporcionadas, el sistema de generación de alto voltaje necesita de una
resistencia de puesta a tierra de máximo 2!.
4.10.6 SISTEMA DE APANTALLAMIENTO
Los laboratorios de altos voltajes tienen algunos tipos de apantallamientos contra
interferencias electromagnéticas. En especial cuando se realizan mediciones de
descargas parciales. Una atenuación de al menos 40 dB se necesita para señales
de frecuencias de alrededor de 1 MHz. [18]
Las fuentes de perturbación electromagnética dentro del laboratorio son: los
transitorios de energización y desenergización de transformadores, motores, grúas,
etc. Los circuitos rectificadores, los cables que actúan como antenas para señales
externas.
El mejor apantallamiento se obtiene si el techo, paredes y piso se apantallan por
medio de una malla metálica totalmente unida. Adicionalmente, todos los
conductores eléctricos deben estar dentro de conductos de metal.
Por lo general en los laboratorios grandes, hay problemas de acústica que deben
ser reducidos para tener una buena comunicación entre las personas en diferentes
puntos de la instalación. Una forma de reducir el efecto de la reverberación del
sonido es colocando paneles perforados de fibra de vidrio en la paredes. Una
opción que cumple dos objetivos es usar paneles de metal perforados con agujeros
de 3 mm espaciados cada 8 mm, de manera que estos paneles en las paredes
ayudan al apantallamiento electromagnético y a la vez a la acústica como se
muestra en la Figura 4.70. [38]
195
Figura 4.70. Paneles de metal perforados para apantallamiento electromagnético y
acústico del laboratorio.
Externamente el laboratorio debe estar protegido ante descargas atmosféricas
como un edificio común y corriente.
196
CAPÍTULO 5
PROPUESTA
El proyecto de un nuevo Laboratorio de Alto Voltaje representa una inversión
importante para la Escuela Politécnica Nacional. Es por eso que se presenta a
continuación un perfil de proyecto, es decir una descripción simplificada del mismo,
un primer estimado de las actividades requeridas y de la inversión total que se
necesitará. Al ser una versión preliminar del proyecto algunos costos aún no
pueden estar exactamente definidos, existen ítems menores que pueden haberse
excluido así como algunos supuestos en cuanto a la oferta y demanda que influyen
en el resultado de la inversión.
Este perfil de proyecto pretende la comprensión de los implicados sobre términos
de la inversión y costos de operaciones, requerimientos y otros factores que pueden
ponerse a debate. Esta propuesta puede tomarse como primer paso en el desarrollo
detallado de un proyecto final. Pero también sirve como base para la presentación
del proyecto y posterior consecución de recursos económicos. Se ha elaborado en
base al formato de la Secretaria Nacional de Planificación y Desarrollo
SENPLADES, con el fin de que sea este medio el primer camino para buscar el
financiamiento del proyecto.
DATOS GENERALES DEL PROYECTO
5.1.1 Nombre del Proyecto
IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO DE EXTRA ALTO VOLTAJE EN LA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
5.1.2 Unidad Ejecutora
· Entidad Nacional Responsable:
Escuela Politécnica Nacional (EPN)
197
· Unidad Técnica Administrativa:
Departamento de Energía Eléctrica (DEE) � Facultad de Ingeniería Eléctrica
y Electrónica (FIEE)
5.1.3 Cobertura y Localización
El Proyecto será implementado en el Campus Politécnico �José Rubén Orellana
Ricaurte� ubicado en la ciudad de Quito y dado que su servicio se vincula con la
formación de profesionales a nivel nacional, su alcance se define a nivel nacional.
Provincia: Pichincha
Ciudad: Quito
Dirección: Av. Isabel La Católica y Av. Alfredo Mena Caamaño.
5.1.4 Monto
Se presentan dos opciones para la implementación del proyecto.
Opción 1: sin un sistema de prueba de transformadores de potencia.
Monto de inversión estimada: US$ 4 003 888,01
Opción 2: con un sistema de prueba de transformadores de potencia, móvil
para pruebas en laboratorio y en sitio.
Monto de inversión estimada: US$ 6 690 548,07
5.1.5 Plazo de Ejecución
El plazo de ejecución se estima en 3 años y medio.
198
5.1.6 Sector y tipo del proyecto
De acuerdo a la clasificación del Sistema de Inversión Pública del Ecuador,
corresponde al Sector 1 �EDUCACIÓN�, Subsector 1.1 �INFRAESTRUCTURA�
DIAGNÓSTICO Y PROBLEMA
5.2.1 Descripción de la situación actual del área de intervención del Proyecto
El Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional empezó a
funcionar en el año de 1966, y ha trabajado sin descanso hasta la fecha brindando
sus servicios académicos a los estudiantes de Ingeniería Eléctrica de la institución.
También brinda servicios al medio externo relacionado con la ingeniería eléctrica
en general, mediante la realización de pruebas de equipos y materiales utilizados
en sistemas de alto voltaje, por lo que el laboratorio genera ingresos a la universidad
cada año.
Desde su instalación el laboratorio trabaja sin cesar todos los años, y el equipo
disponible ya ha cumplido su vida útil. Algunos elementos de laboratorio se han
dañado con el paso de los años y resulta imposible repararlos o comprarlos por
separado. Es hora de cambiar de equipos debido a que con alguna falla que pueda
darse en los años venideros, el laboratorio quedaría inutilizado.
Es necesario reemplazar completamente el equipo de laboratorio de alto voltaje
mediante empresas especializadas extranjeras ya que estos equipos no existen en
el país.
5.2.2 Identificación, descripción y diagnóstico del problema
El Laboratorio de Alto Voltaje atiende a los alumnos de la Facultad de Ingeniería
Eléctrica cada semestre y brinda servicios a personas naturales y jurídicas que
requieren certificaciones de materiales y equipos de alto voltaje usados en
construcciones eléctricas. Con el paso de los años se han dañado algunos
199
elementos como diodos, resistencias y capacitores de alto voltaje que forman parte
del set con el que se arman diversos circuitos del laboratorio.
Estos elementos han sido reparados durante muchos años hasta el punto en que
ya no se pueden arreglar. Los equipos del laboratorio fueron instalados en 1966 y
provienen de la empresa alemana Messwandler Bau � Bamberg la cual ya no
existe.
Adicionalmente el laboratorio puede generar un máximo de 100 kilovoltios de
corriente alterna AC, 130 kV en voltaje de impulsos, y 260 kV en voltaje de corriente
directa DC. El Sistema Eléctrico Ecuatoriano cuenta con un Sistema de Transmisión
de Energía con voltajes de 138 y 230 kV, actualmente está empezando a
implementar un nuevo sistema de transmisión con un nivel de voltaje de 500
kilovoltios debido a la construcción de la nueva Central Hidroeléctrica Coca-Codo
Sinclair. Tiene niveles de Subtransmisión de Energía de 69 y 46 kV, y voltajes de
Distribución de Energía de 6,3; 13,2 y 22,8 kV.
El nivel de pruebas del laboratorio actual sólo cubre los niveles de distribución de
energía eléctrica hasta 22,8 kV y solamente en ciertos equipos y componentes que
no requieren de niveles de corriente altas como los apartarrayos.
La capacidad de generación del laboratorio es tan limitada que no se pueden
realizar ensayos de corriente a apartarrayos. No se pueden probar transformadores
de un valor más alto de 500 kVA. Tampoco es posible probar aisladores poliméricos
del nivel de transmisión de energía. No se tiene generación de ondas de impulso
de voltaje recortadas para pruebas especiales de aislamiento eléctrico. No se
pueden realizar pruebas en cables aislados de alto voltaje de gran longitud. Los
instrumentos de medición son muy antiguos, algunos son de tecnología analógica
y no se tiene equipos de pruebas de aislamiento en materiales ni de descargas
parciales.
El laboratorio está emplazado en un local de 16x14 metros con una altura de 4
metros. Como se ve en la Figura 2.1. Que adicionalmente sirve como área de
200
almacenaje de materiales necesarios, y aula didáctica. Por lo que la ocupación del
espacio es alta. Para la ampliación del laboratorio se necesita de un nuevo local
que brinde las necesidades básicas para la operación de sistemas de prueba en
alto voltaje para un nivel de 500 kV.
Como parte de la estructura de producción y consumo de energía eléctrica en alto
voltaje, el país necesita de un laboratorio de pruebas en altos voltajes para equipos,
componentes, materiales, diseños, prototipos, etc., el cual no existe en el país; por
lo que las empresas y proveedores del sector eléctrico deben realizar sus ensayos
en el extranjero o confiar en las pruebas de los fabricantes, las cuales no garantizan
la completa funcionalidad de sus productos en las condiciones de instalación y de
transporte, repercutiendo en el nivel de calidad de esos productos y su costo.
Los servicios que brinda al medio externo son limitados, tanto por la disponibilidad
de equipo como la disponibilidad de personal que ejecute todos los requerimientos
de las pruebas a equipos, así como por la carencia de un protocolo o normativa de
pruebas para el laboratorio, y la disponibilidad de Normas Técnicas Internacionales
ANSI/IEEE, IEC, ASTM (entre otras) desactualizadas y que tienen costo de
adquisición.
Respecto al campo de la docencia superior este laboratorio se utiliza sólo para
formación de pregrado, debido a su limitado tamaño, no puede usarse para otras
actividades mientras se usa para la enseñanza a los estudiantes. Debido a la falta
de equipos especiales no se pueden realizar estudio de materiales, ni de
fenómenos electromagnéticos importantes para el desarrollo de una industria
eléctrica nacional. Se han realizado proyectos de titulación de ingeniería como parte
de la investigación desarrollada en el laboratorio, con todas las limitaciones de
equipo y financiamiento.
La salida de profesores debido a las jubilaciones masivas en la universidad han
dejado sin la cantidad suficiente de personal especializado en Alto Voltaje que lleve
a cabo las funciones de manejo, docencia e impulso de la investigación en el
laboratorio.
201
Se debe formar al personal que opere permanentemente el laboratorio con un nivel
de postgrado así como con capacitaciones y cursos dedicados a los trabajos en
Alto Voltaje.
En la Figura 5.1 se muestra el Árbol de Causas y efectos de los problemas del
laboratorio. En la Figura 5.2 se muestra el Árbol de Medios y Fines para resolver
los problemas del laboratorio.
5.2.3 Línea base del proyecto
La línea de base del proyecto tomará en cuenta la situación actual en cuanto a la
cantidad de alumnos que se benefician del laboratorio, la cantidad de servicios de
extensión al medio externo, la cantidad de proyectos de investigación que se
realizan, la capacidad y disposición de espacio.
En relación a la cantidad de alumnos que utilizan el laboratorio, debido a sus
limitaciones solamente se utiliza como complemento a la Cátedra de Alto Voltaje,
que en promedio son 40 alumnos por semestre. Este será un primer indicador que
debe incrementarse ampliando la cantidad de alumnos que utilicen las instalaciones
del laboratorio una vez finalizado el proyecto, haciendo que alumnos de otros
cursos relacionados como: Diseño en Alto Voltaje, Distribución de Energía
Eléctrica, Diseño Electromecánico de Líneas de Transmisión, por ejemplo, utilicen
el laboratorio para complementar su formación.
Los servicios que brinda en la actualidad el laboratorio están básicamente limitados
a pruebas sobre calzado de seguridad dieléctrico, pruebas que en el peor de los
casos se realizan una vez por semana con un costo de $200 por prueba. Pruebas
sobre aceites dieléctricos, guantes de seguridad, aisladores, apartarrayos,
transformadores, y otros equipos son muy esporádicas. Este indicador servirá para
evaluar el crecimiento de la oferta de servicios al medio externo con la ejecución
del proyecto.
202
Figura 5.1. Árbol de causas y efectos del actual Laboratorio de Alto Voltaje de la EPN
203
Figura 5.2. Árbol de medios y fines para resolución de los problemas del actual
Laboratorio de Alto Voltaje de la EPN
204
Los proyectos de investigación que utilizan al laboratorio de Alto Voltaje son casi
nulos en la actualidad debido a las pocas facilidades que brinda la instalación
existente. Este indicador puede evaluarse por la cantidad de proyectos de titulación
que se ejecuten usando el nuevo laboratorio, así como las posibles tesis de
maestría y doctorado que se realicen usando los equipos del laboratorio,
publicaciones y patentes que puedan desarrollarse.
En lo que se refiere a la capacidad y condiciones de espacio del laboratorio, la línea
de base considerará la situación actual como indicador de comparación sobre el
resultado final. Esta situación se resume a continuación:
· Capacidad de generación de voltaje: 100 kV AC, 130 kV DC, 130 kVp/ 60 J
en impulso. Potencia de salida máxima: 5 kVA.
· Inexistencia de equipo de medición de propiedades de materiales
dieléctricos como Capacitancia, Factor de disipación, Descargas parciales.
· El espacio con el que cuenta el laboratorio consiste de una jaula es de 12m
x 4m y 4 m de altura. Dentro de un aula de 12m x 16 m.
5.2.4 Análisis de Oferta y Demanda
Oferta:
En la actualidad hay tres Instituciones que cuentan con un Laboratorio de Alto
Voltaje y son: Universidad Politécnica Salesiana, Universidad de Cuenca y Escuela
Politécnica Nacional. De los cuáles sólo el laboratorio de la Escuela Politécnica
Nacional ofrece sus servicios continuamente a la comunidad.
Los servicios que el laboratorio puede brindar son:
· Pruebas eléctricas sobre calzado de seguridad bajo las normas ASTM
F2412-11 y F 2413-11.
205
· Pruebas dieléctricas sobre guantes aislantes sobre la norma ASTM D120.
· Pruebas sobre transformadores de distribución: se pueden realizar ensayos
de rutina sobre transformadores de distribución bajo las normas IEC 76,
ANSI C57.12 y C57.12.90, ASTM D877.
· Pruebas dieléctricas de aceites bajo la norma ASTM D 877.
· Pruebas dieléctricas sobre cables de comunicaciones y de fuerza. Según
normas ASTM, del INCONTEC, y normas nacionales INEN según el
requerimiento.
· Prueba dieléctrica de aisladores de tipo rollo, pin, suspensión, line-post. Se
realizan los ensayos siguiendo la familia de normas ANSI C29. Que cubre a
todos los aisladores eléctricos.
· Contrastación de equipos como: medidores de resistividad y resistencia de
puesta a tierra. Medidores de relación de transformación TTR y
megaóhmetros.
Las pruebas antes listadas son las más comunes, pero siempre que se analice la
posibilidad de un ensayo pueden hacerse pruebas sobre otros elementos. Tal es el
caso de que se han probado aislamientos de contadores de energía, pinzas para
medir corriente, secuencímetros, transformadores de instrumentación.
Respecto a la docencia, las normas de seguridad y la disponibilidad de sólo un
equipo de pruebas de alto voltaje, hacen que como máximo 4 alumnos puedan usar
el laboratorio para una clase práctica. Por lo que por lo general suele haber 6 o 7
sesiones por semana, dividiendo al curso de alto voltaje en dos grupos, por lo que
cada práctica se cubre en dos semanas. Lo cual da una oferta muy baja para los
alumnos de la facultad sobre la utilización del laboratorio, haciendo sólo 7 prácticas
al semestre, de las cuáles 5 involucran directamente al equipo de alto voltaje.
206
Demanda:
En lo que tiene que ver con la docencia, se puede incrementar la cantidad de
usuarios del laboratorio al incluir a alumnos de materias como Diseño en Alto
Voltaje y Distribución de Energía Eléctrica y algunas aplicaciones en Diseño
Electromecánico de Líneas de Transmisión que es una materia optativa.
En la Figura 5.3 se puede ver la tendencia de alumnos inscritos en tales materias
por semestre.
Figura 5.3. Alumnos que pueden usar el Laboratorio de Alto Voltaje de la EPN por
semestre (Datos de la Coordinación de Carrera)
En cuanto a los servicios que se brindarían al medio externo, se propone como
parte de este proyecto brindar servicios de pruebas en sitio, a las diferentes
subestaciones eléctricas del país. El Sistema Eléctrico de Distribución del país es
enorme, y es uno de los focos económicos en los que el nuevo laboratorio debería
2010 A 2011 A 2012 A 2013 A 2014 A 2014 BEsperan
za
Alto Voltaje 38 44 48 33 46 33 40
Distribución de Energía Eléctrica 47 35 39 38 63 45 45
Diseño Electromecánico de líneas
de transmisión41 22 38 30 25 18 29
Diseño en Alto Voltaje 32 33 39 42 37 65 41
0
10
20
30
40
50
60
70
Ca
nti
da
d d
e A
lum
no
s
Alumnos de la carrera de Ingeniería Eléctrica EPN
207
fijarse. La cantidad de materiales para construcción de redes y transformadores de
distribución siempre está cambiando así como las redes mismas. Adicionalmente
las Empresas Distribuidoras de Energía tienen muchas subestaciones con
transformadores de potencia a los cuales se puede realizar ensayos en sitio.
Adicionalmente el Sistema Nacional de Transmisión manejado por
TRANSELECTRIC se sumaría a los posibles clientes de servicios, ya que posee
las subestaciones más grandes de todo el sistema, cuyas inversiones han costado
millones de dólares y requieren un cuidado permanente.
A continuación se muestran algunos datos de relevancia.
Según datos del último Boletín Estadístico del CONELEC 2013. El Ecuador
continental cuenta con 18 Empresas o Unidades de Negocio dedicas a la
distribución de energía eléctrica, son:
1. CNEL EP Unidad de Negocio Esmeraldas
2. CNEL EP Unidad de Negocio Manabí
3. CNEL EP Unidad de Negocio Santo Domingo
4. CNEL EP Unidad de Negocio Guayas Los Ríos
5. CNEL EP Unidad de Negocio Los Ríos
6. CNEL EP Unidad de Negocio Milagro
7. CNEL EP Unidad de Negocio Santa Elena
8. CNEL EP Unidad de Negocio El Oro
9. CNEL EP Unidad de Negocio Bolívar
10. CNEL EP Unidad de Negocio Sucumbíos
11. Empresa Eléctrica Regional Norte S.A. (E.E. Norte)
12. Empresa Eléctrica Quito S.A. (E.E. Quito)
13. Empresa Eléctrica Ambato Regional Centro Norte S.A ( E.E. Ambato)
14. Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi S.A. (E.E. Cotopaxi)
15. Empresa Eléctrica Riobamba S.A. (E.E. Riobamba)
16. Empresa Eléctrica Azogues C.A. (E.E. Azogues)
17. Empresa Eléctrica Regional Centro Sur C.A. (E.E. Centro Sur)
18. Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A. (E.E. Sur)
208
En la Tabla 5.1 se muestras algunas características técnicas de las Empresas
Distribuidoras. Se puede ver que en el país hay 350 subestaciones de distribución
de energía que tienen transformadores de potencia a los que se les debe dar un
mantenimiento y control anual para garantizar su funcionamiento y prevenir salidas
del sistema. Hay 219672 transformadores de distribución monofásicos y 32112
trifásicos. En los que anualmente debería hacerse pruebas de la calidad del aceite
dieléctrico. Hay más de 75 mil kilómetros de redes de medio voltaje, y 90 mil
kilómetros de redes de bajo voltaje, que nos dan una idea de la cantidad de
extensión de la red de distribución y materiales que continuamente estarían siendo
cambiados e instalados.
Tabla 5.1 Características técnicas de las Empresas Distribuidoras. Tomado de
Estadísticas del Sector Eléctrico Ecuatoriano 2013 de CONELEC [39]
Subestaciones
de Distribución
(#)
Subestaciones de
Distribución
(MVA)
Líneas de
subtransmisión
(km)
Redes de
medio
voltaje (km)
Redes de
Bajo voltaje
(km)
Transformadores
monofásicos (#)
Transformadores
Trifásicos (#)
CNEL BOLIVAR 8 38,13 132,59 907,47 1341,54 2499 195
CNEL EL ORO 17 249 261,57 3546,85 4817,2 8039 1245
CNEL ESMERALDAS 17 234,95 336,16 3018,23 1696,3 5771 657
CNEL GUAYAS LOS RÍOS 28 399,5 364,62 2313,49 5719,73 19352 1216
CNEL LOS RÍOS 12 117,5 115,67 1860,86 2080,87 5154 234
CNEL MANABÍ 23 340 549,55 7983,41 18122,6 24443 632
CNEL MILAGRO 12 161 216,9 3741,2 1755,26 9591 816
CNEL SANTA ELENA 16 132 183,74 1484,72 1367,5 6644 168
CNEL SANTO DOMINGO 18 171,5 160,37 5581,58 3471,51 14495 717
CNEL SUCUMBIOS 6 138,96 190,1 4080,82 3905,31 5940 565
E.E. AMBATO 17 208,7 123,97 4529,31 6383,86 10353 1970
E.E. AZOGUES 1 12,5 26,88 691,75 1127,06 1307 177
E.E. CENTRO SUR 18 296,25 291,5 7969,02 10621,52 13966 3488
E.E. COTOPAXI 16 119,95 123,56 3060,48 4953,89 5018 763
E.E. NORTE 20 189,2 306,86 5336,82 5707,93 12150 2165
E.E. QUITO 47 1489,35 267,63 7459,43 6774,37 21393 14268
E.E. RIOBAMBA 13 127,1 154 3675,42 3941,28 10315 648
E.E. SUR 24 109,65 554,08 6143,9 4053,49 12673 581
ELÉCTRICA DE GUAYAQUIL 37 1122 235,77 2234,3 2786,22 30569 1607
Totales 350 5657,24 4595,52 75619,06 90627,44 219672 32112
209
Por su parte el Sistema Nacional de Transmisión SNT está administrado por la
Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP a través de su unidad de negocios
Transelectric. Con datos a finales de 2013 tenía 47 subestaciones eléctricas, de las
cuales: 17 operan a 230 kV (12 con una relación 130/138/69 kV, 4 con una relación
de 230/69 kV, y una de seccionamiento Zhoray); 27 a 138 kV (22 de 138/69 kV. 2
de 138/13,8 kV, 1 de 138/46 kV y 2 de seccionamiento: Pucará y San Idelfonso); y
3 subestaciones móviles.
De acuerdo al sistema de enfriamiento de los transformadores, la capacidad de las
subestaciones del S.N.T., incluida la capacidad de reserva, es la siguiente:
Enfriamiento natural de aire (OA): 5.098,00 MVA
Enfriamiento por aire forzado (FA): 7.528,98 MVA
Enfriamiento por aire y aceite forzado (FOA): 8.474,81 MVA [39]
En el caso de la empresa que maneja el SNT, los servicios que prestaría la
universidad son los de prueba de transformadores de potencia en sitio, pruebas de
aislamiento y pruebas de voltajes aplicados, inducidos y de descargas parciales,
para el mantenimiento preventivo de los elementos con mayor costo que son los
transformadores, así como ante la entrada de un nuevo transformador de potencia,
el laboratorio podría realizar todas las pruebas de rutina que se requieren para
aceptar un nuevo equipo y que no se realizan en el país hasta ahora.
Cada una de las empresas mencionadas tiene también sus proveedores de
insumos de seguridad. El calzado y los guantes de seguridad conciernen también
a la línea de acción del laboratorio para asegurar la calidad de tales productos
mediante ensayos. Existen muchas empresas grandes, medianas y pequeñas que
hallan en este nicho de mercado una oportunidad de negocios. Así como también
hay importadores de calzado que sólo los venden. En el caso de los pequeños
productores, muchos realizan su trabajo en base a la experiencia y con métodos
artesanales, debido al desconocimiento y falta de personal con conocimiento
específico al área de normalización y seguridad eléctrica.
210
Las redes de distribución cambian y crecen constantemente. En el caso de los
transformadores de distribución, siempre están renovándose o instalándose nuevos
y antes de instalarlos hay que realizar pruebas bajo normas estrictas para asegurar
la calidad de cada transformador, en el caso de las distribuidoras más grandes del
país, cuentan con un laboratorio de pruebas de transformadores donde realizan los
ensayos pertinentes, pero en algunas distribuidoras no existen esos laboratorios,
por lo que piden como certificación para ingresar el equipo a la red las pruebas que
hizo el fabricante. La EPN estaría en la capacidad de llevar a cabo estos ensayos
garantizando la seguridad y calidad para el sistema eléctrico del país.
También estaría en la capacidad de mejorar diseños de transformadores, probarlos
y patentarlos, así como podría trabajar en conjunto con las empresas fabricantes
de transformadores nacionales para mejorar su sistema de fabricación, de pruebas
y en conjunto lograr un mejor producto y fomentar la industria. En el Ecuador las
empresas fabricantes de transformadores de distribución más importantes son
ECUATRAN S.A, INATRA, MAGNETRAN S.A, INELMO S.A, RVR
TRANSFORMADORES entre otras.
A ello hay que añadir la gran cantidad de proveedores que tienen tantos las
empresas eléctricas como las petroleras y de comunicaciones, quienes a menudo
necesitan cables, aisladores, apartarrayos, interruptores, seccionadores,
aisladores, herrajes, medidores, tableros de distribución, protecciones eléctricas, y
varios accesorios adicionales en la construcción, los cuales siempre deben ser
probados y certificados para garantizar su funcionamiento y seguridad.
De esta manera la cantidad de trabajo que se demanda por parte del sector eléctrico
es muy diversa y grande, con un nuevo laboratorio se podría ofertar todos estos
servicios haciendo al laboratorio una fuente importante de ingresos para la
universidad de manera que se auto sustente y pueda actualizarse y readecuarse
con el paso de los años. Considerando que sería el único laboratorio de este tipo
en el país generaría una cantidad de trabajo importante y continuo.
211
5.2.5 Identificación y caracterización de la población objetivo
Con este proyecto se beneficiarían directamente a través de la utilización de los
equipos y proyectos conjuntos de investigación:
· Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica:
o Departamento de Automatización y Control Industrial (Sistemas de
excitación, control y medición de alto voltaje, Electrónica de Potencia
en Fuentes de Alto Voltaje)
o Departamento de Telecomunicaciones y Redes de Información
(Interferencias y Compatibilidad Electromagnética)
o Departamento de Energía Eléctrica (Alto Voltaje, Líneas de
Transmisión, Distribución de Energía Eléctrica, Sistemas Eléctricos
de Potencia)
· Facultad de Ingeniería Química
o Departamento de Ingeniería Química (Colaboración para el desarrollo
de materiales con el Centro de Investigación Aplicado a Polímeros)
· Instituciones de Educación Superior (IES) que forman parte de la Red
Temática de Energía, ya que por el acuerdo de la REDU podrán realizar
trabajos científicos en forma conjunta:
o Escuela Politécnica del Litoral � ESPOL
o Escuela Politécnica Nacional � EPN
o Universidad Técnica Particular de Loja � UTPL
212
· Institutos Públicos de Investigación (IPIs):
o Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables �
INER
· Gobierno central y gobiernos seccionales.
o Empresas Distribuidoras de Energía Eléctrica
o Empresa Administradora del Sistema Nacional de Transmisión de
Energía
Como beneficiarios indirectos:
· Pequeñas y medianas empresas dedicadas a la elaboración de calzado de
seguridad eléctrica.
· Proveedores de insumos para la construcción de redes eléctricas.
· Fábricas de transformadores, cables, aisladores nacionales.
En la Figura 5.4. Se observa la población estudiantil de la Facultad de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica FIEE de la Escuela Politécnica Nacional, que sería la
beneficiaria inmediata del proyecto.
Figura 5.4. Población de la FIEE en los últimos años. Fuente Informe de Gestión EPN
2012
2008-1 2009-1 2010-1 2011-1 2011-2 2012-1 2012-1A 2012-2A
Cantidad de alumnos FIEE 2614 2515 2443 2386 2364 2245 2082 2038
0
1000
2000
3000
Cantidad de alumnos FIEE
213
A finales del año 2012 la distribución de género era del 79% masculino y 21 %
femenino en la FIEE.
OBJETIVOS DEL PROYECTO
5.3.1 Objetivo General y Objetivos Específicos
Objetivo General o Propósito:
Implementar un Laboratorio de Extra Alto Voltaje que permita realizar investigación
científica, docencia, y brindar servicios al sector eléctrico ecuatoriano en el control
de calidad de equipamiento de sistemas eléctricos de hasta 500 kV.
Objetivos Específicos o Componentes:
· Elaborar la Planificación Técnica para el Diseño y Construcción del
Laboratorio de Alto Voltaje
· Formar al Recurso Humano especializado en Técnicas de Alto Voltaje.
· Elaborar un Cuerpo Normativo para el funcionamiento del Laboratorio de Alto
Voltaje
· Contar con asistencia y transferencia de tecnología en la operación del
primer año del nuevo laboratorio.
5.3.2 Indicadores de Resultados
- Un laboratorio de Extra Alto Voltaje construido, que debe contar con:
o 1 generador de alto voltaje alterno de 800 kV
o 1 generador de alto voltaje directo de 400 kV
214
o 1 generador de impulso de voltaje de 2000 kV
o 1 generador de impulsos de corriente
o 1 sistema de construcción de alto voltaje similar al actual Laboratorio
de Alto Voltaje de la EPN repotenciado a un nivel de 300 kV
o Equipos de prueba para transformadores de potencia
o Equipos de prueba de aislamiento, medición de capacitancia y factor
de pérdidas y descargas parciales.
- 3 profesionales formados por medio de posgrados en técnicas de alto voltaje,
que ejecuten al menos 1 tesis de doctorado, 10 proyectos de titulación de
ingeniería en los primeros 5 años de funcionamiento del laboratorio, y al
menos 1 proyecto de investigación por año.
- 1 marco normativo elaborado para ensayos de alto voltaje basado en normas
técnicas internacionales y nacionales.
- Incremento del número de alumnos que usan el laboratorio del Alto Voltaje
de un promedio de 40 a 150.
215
5.3.
3 M
atri
z d
e m
arco
lógi
co
Tab
la 5
.2.
Ma
triz
de
Ma
rco L
ógi
co d
e la
pro
pue
sta
PR
OY
EC
TO
: IM
PL
EM
EN
TA
CIÓ
N D
E
UN
LA
BO
RA
TO
RIO
DE
EX
TR
A A
LT
O V
OL
TA
JE
EN
LA
ES
CU
EL
A
PO
LIT
ÉC
NIC
A N
AC
ION
AL
Des
cri
pci
ón
In
dic
ado
res
V
erif
icad
ore
s
Su
pu
esto
s
1 F
IN
IMP
UL
SA
R
LA
IN
VE
ST
IGA
CIÓ
N
CIE
NT
ÍFIC
A Y
EL
CA
MB
IO D
E L
A M
AT
RIZ
PR
OD
UC
TIV
A E
CU
AT
OR
IAN
A
· S
e el
abo
rará
al
m
eno
s 1
proy
ecto
de
inve
stig
ació
n ca
da a
ño d
esde
la p
uest
a en
mar
cha
del l
abo
rato
rio.
· S
e br
inda
rá s
ervi
cio c
ontin
uo e
n en
sayo
s a
equi
pos
us
ados
en
la
co
nstr
ucci
ón
de
sist
emas
elé
ctric
os.
· S
e tr
abaj
ará
co
n in
dust
rias
del
sect
or
eléct
rico
para
m
ejo
rar
sus
prod
ucto
s y
prom
over
dis
eño
de t
ecno
logí
a ec
uato
riana
en
al
men
os
5 añ
os
desd
e la
pue
sta
en
mar
cha
del l
abo
rato
rio.
· R
evis
tas
cient
ífica
s in
dexa
das.
· I
nstit
uto
de P
ropi
edad
Int
elect
ual.
· T
esi
s de
G
rado
, y
Pro
yect
os
de
Titu
laci
ón.
· C
onve
nios
con
indu
stria
s na
ciona
les.
· R
epor
te
de
Ser
vici
os
real
izad
os
al
med
io e
xter
no.
·
Pro
gram
as d
e do
ctor
ado
debe
n te
ner
alum
nos
disp
uest
os
a re
aliz
ar
inve
stig
ació
n en
el
cam
po d
e al
tos
volta
jes.
·
El
Est
ado
Ecu
ator
iano
mot
ive
a lo
s
indu
stria
les
naci
ona
les
a de
sarr
olla
r
tecn
ologí
a na
ciona
l en
con
junt
o co
n
la u
nive
rsid
ad.
·
Asi
gna
ción
de
pres
upue
stos
pa
ra
real
izar
in
vest
igac
ión
cient
ífica
y
técn
ica.
2 P
RO
PÓ
SIT
O
Imp
lem
enta
r u
n L
abo
rato
rio
de
Ext
ra A
lto
Vo
ltaj
e q
ue
per
mit
a re
aliz
ar i
nve
stig
ació
n
cien
tífi
ca,
do
cen
cia,
y b
rin
dar
ser
vici
os
al
sect
or
eléc
tric
o e
cuat
ori
ano
en
el
con
tro
l
de
calid
ad d
e eq
uip
amie
nto
de
sist
emas
eléc
tric
os
de
has
ta 5
00 k
V.
- U
n la
bora
torio
de
E
xtra
A
lto
Vol
taje
cons
trui
do,
que
deb
e co
ntar
con
:
o
1 ge
nera
dor
de a
lto v
olta
je a
ltern
o de
800
kV
o
1 ge
nera
dor
de a
lto v
olta
je d
irec
to d
e 40
0
kV
o
1 ge
nera
dor
de
impu
lso
de
volta
je
de
2000
kV
o
1 ge
nera
dor
de im
puls
os d
e co
rrie
nte
·
Rep
orte
s de
l D
epar
tam
ento
de
Inge
nierí
a E
léct
rica
·
Pre
supu
esto
dis
poni
ble
par
a ej
ecu
ción
del p
roye
cto.
·
Ade
cuad
a ca
paci
taci
ón
de p
erso
nal.
216
o
1 si
stem
a de
con
stru
cció
n de
alto
vol
taje
sim
ilar
al
actu
al
Labo
rato
rio
de
Alto
Vol
taje
de
la E
PN
rep
oten
ciado
a u
n ni
vel
de 3
00 k
V
o
Equ
ipos
de
prue
ba p
ara
tran
sfor
mado
res
de p
oten
cia
o
Equ
ipos
de
pr
ueba
de
ai
slam
ient
o,
med
ició
n de
ca
paci
tanc
ia
y fa
ctor
de
pérd
idas
y d
esca
rgas
par
ciale
s.
- 3
prof
esio
nale
s fo
rmad
os
por
med
io
de
posg
rado
s en
téc
nica
s de
alto
vol
taje
, qu
e
ejecu
ten
al m
eno
s 1
tesi
s de
doc
tora
do,
10
proy
ecto
s de
titu
laci
ón
de in
geni
erí
a en
los
prim
eros
5
años
de
fu
ncio
nam
ient
o de
l
labo
rato
rio,
y al
m
enos
1
proy
ecto
de
inve
stig
ació
n po
r añ
o.
- 1
mar
co n
orm
ativ
o el
abo
rado
par
a en
sayo
s
de a
lto v
olta
je b
asad
o en
nor
mas
téc
nica
s
inte
rnac
iona
les
y na
ciona
les.
- In
crem
ento
de
l nú
mer
o de
al
umnos
qu
e
usan
el
labo
rato
rio d
el A
lto V
olta
je d
e un
prom
edio
de
40 a
150
.
3 C
OM
PO
NE
NT
ES
6
217
Com
pone
nte
1:
Pla
nif
icac
ión
téc
nic
a d
esar
rolla
da
par
a el
dis
eño
y c
on
stru
cció
n d
el L
abo
rato
rio
de
Alt
o V
olt
aje
· 1
Est
udio
de
dim
ens
iona
mie
nto
y ut
iliza
ción
del l
abo
rato
rio.
· 1
Dis
eño
de o
bras
civ
iles
del e
dific
io p
ara
el
labo
rato
rio
· 1
Dis
eño
de
inst
alac
ione
s el
éct
ricas
· 1
Dis
eño
de s
ervi
cios
gene
rale
s
· B
ases
pa
ra
adqu
isic
ión
de
equi
pos
elabo
rada
s.
· B
ases
par
a la
con
stru
cció
n de
l la
bora
torio
elabo
rada
s.
· P
liego
s pa
ra
la
eval
uac
ión
de
ofer
tas
elabo
rado
s.
·
Dep
arta
men
to d
e E
nerg
ía E
léct
rica.
·
Com
isió
n té
cnic
a de
l pro
yect
o.
·
Cro
nogr
ama
en c
ontr
atos
.
·
Esp
ecifi
caci
one
s de
equ
ipos
y d
iseñ
os.
·
Asi
gna
ción
de
pres
upue
sto
para
inic
iar
las
etap
as d
e di
seño
.
·
Faci
lidad
de
impor
taci
ón
de e
quip
os.
Com
pone
nte
2:
Rec
urs
os
Hu
man
os
form
ado
s en
can
tid
ad
sufi
cien
tes
y es
pec
iali
zad
os
en T
écn
icas
de
Alt
o V
olt
aje
·
Can
tidad
de
pr
ofes
iona
les
real
izan
do
posg
rado
s en
C
ienc
ias
de
Inge
nierí
a
Elé
ctric
a qu
e fo
rmen
part
e de
l
Dep
arta
men
to d
e E
nerg
ía E
léct
rica.
·
Facu
ltad
de
Inge
nierí
a E
léct
rica
y
Ele
ctró
nica
·
Form
ació
n de
pr
ogra
mas
de
post
grad
o de
Inge
nierí
a E
léct
rica.
·
Aus
pici
o p
or p
arte
de
la E
PN
par
a
beca
r a
doce
ntes
pa
ra
estu
dios
en
extr
anje
ro.
Com
pone
nte
3:
Cu
erp
o
no
rmat
ivo
es
tab
leci
do
p
ara
las
op
erac
ion
es
y en
sayo
s a
real
izar
en
el
lab
ora
tori
o
·
Can
tidad
de
no
rmas
ad
apta
das
a
la
real
idad
ec
uato
riana
en
el
ár
ea
de
alto
volta
je.
·
Can
tidad
de
no
rmas
m
odifi
cada
s y
mej
ora
das
de c
arác
ter
naci
ona
l.
·
Un
Man
ual
de O
pera
cione
s y
Ser
vici
os
del
labo
rato
rio
·
Dep
arta
men
to d
e E
nerg
ía E
léct
rica
·
Jefa
tura
del
Lab
orat
orio
·
Inst
ituto
Ecu
ator
iano
de
Nor
ma
lizac
ión
INE
N
·
Exi
gen
cia d
e pa
rte
de e
mpr
esas
del
sect
or e
léct
rico
esta
tal
de c
ertif
icar
la
calid
ad
de
los
sum
inis
tros
de
su
s
prov
eedo
res.
·
Ape
rtur
a po
r pa
rte
de
INE
N
para
mej
ora
r la
s fa
lenc
ias
de s
us n
orm
as
técn
icas
rel
acio
nada
s al
áre
a de
alto
volta
je.
·
Pre
supu
esto
pa
ra
adqu
isic
ión
de
norm
as in
tern
acio
nale
s.
218
Com
pone
nte
4:
Op
erac
ión
del
lab
ora
tori
o a
sist
ida
en e
l
pri
mer
añ
o d
e fu
nci
on
amie
nto
po
r p
arte
del
pro
veed
or
adju
dic
ado
·
Can
tidad
de
serv
icio
s pr
esta
dos
al m
edio
exte
rno.
·
Can
tidad
de
sem
inar
ios
y fo
rmac
ión
en e
l
uso
de e
quip
os e
spec
ífico
s de
alto
vol
taje
por
part
e de
l pro
veed
or a
djudi
cado
.
·
Dep
arta
men
to d
e E
nerg
ía E
léct
rica
·
Jefa
tura
del
labo
rato
rio
· A
cogi
da
de l
as e
mpr
esas
del
sec
tor
eléct
rico
ante
la o
fert
a de
ser
vici
os d
el
labo
rato
rio.
4 A
CT
IVID
AD
ES
P
RE
SU
PU
ES
TO
(U
S$)
M
ED
IOS
DE
VE
RIF
ICA
CIÓ
N
SU
PU
ES
TO
S
1.1
Dim
ensi
on
amie
nto
y d
eter
min
ació
n
de
los
uso
s d
el L
abo
rato
rio
1200
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.2
Dis
eño
de
las
ob
ras
civi
les
12
00
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.3
Dis
eño
s d
e In
stal
acio
nes
elé
ctri
cas
12
00
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.4
Dis
eño
de
serv
icio
s g
ener
ales
12
00
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.5
Ela
bo
raci
ón
de
bas
es p
ara
adq
uis
ició
n d
e eq
uip
os
1500
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.6
Ela
bo
raci
ón
bas
es p
ara
la
con
stru
cció
n d
el e
dif
icio
par
a el
lab
ora
tori
o
1500
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.7
Ela
bo
raci
ón
de
plie
go
s y
asis
ten
cia
en l
a ev
alu
ació
n d
e o
fert
as
3000
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
para
act
ivid
ades
inic
iale
s
1.8
Ad
qu
isic
ión
de
equ
ipo
s y
con
stru
cció
n d
e in
stal
acio
nes
Opc
ión
1 (s
in s
iste
ma
de p
rueb
as d
e
tran
sfor
mad
ores
y g
ener
ador
de
impu
lsos
de
200
kJ):
3 9
77 8
88,0
1
Opc
ión
2 (c
on s
iste
ma d
e pr
ueba
s de
tran
sfor
mad
ores
): 6
664
548
,07
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
Pre
supu
esto
adj
udi
cado
. C
oncu
rsos
de
prov
eedo
res
de
equi
pos
y
serv
icio
s
exito
sos.
2.1
Fo
rmac
ión
de
per
son
al a
cad
émic
o
con
pro
gra
mas
de
form
ació
n o
mae
strí
as
N.A
. S
EN
ES
CY
T, F
acu
ltad
de I
ngen
ierí
a
Elé
ctric
a y
Ele
ctró
nica
EP
N
Mot
ivac
ión
por
part
e de
la
E
PN
pa
ra
form
ar
prof
esio
nale
s qu
e tr
abaj
en
en
este
labo
rato
rio.
Aus
pici
o
de
la
EP
N
para
be
cas
inte
rnac
iona
les.
219
2.2
Cap
acit
ació
n d
e p
erso
nal
en
sit
io d
el
fab
rica
nte
de
equ
ipo
s
3000
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
Faci
lidad
de
viaje
par
a el
per
sona
l
2.3
Cap
acit
ació
n d
el p
erso
nal
en
el
lab
ora
tori
o p
or
par
te d
el p
rove
edo
r
Deb
e es
tar
incl
uid
o en
el c
onve
nio
de c
ompra
de e
quip
os.
Con
trat
o de
adq
uisi
cion
es
3.1
Rec
op
ilac
ión
de
No
rmas
Nac
ion
ales
12
00
Reg
istr
o co
ntab
le d
e la
uni
dad
eje
cuto
ra
3.2
Rec
op
ilac
ión
de
No
rmas
Inte
rnac
ion
ales
6000
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
Fin
anci
amie
nto
o co
nven
ios
entr
e la
univ
ersi
dad
y
orga
niza
cione
s de
norm
aliz
ació
n pa
ra c
ompr
a de
nor
mas
.
3.3
Cre
ació
n d
e m
arco
no
rmat
ivo
par
a
ensa
yos
del
Lab
ora
tori
o
2500
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
3.4
Ela
bo
raci
ón
de
un
man
ual
de
pro
ceso
s p
ara
el L
abo
rato
rio
2500
R
egis
tro
cont
able
de
la u
nidad
eje
cuto
ra
4.1
Sem
inar
ios
esp
ecia
les
en t
écn
icas
de
alto
vo
ltaj
e al
per
son
al d
e la
EP
N
Deb
e es
tar
incl
uid
o en
el c
onve
nio
de c
ompra
de e
quip
os.
Con
trat
os
de a
dqui
sici
one
s
4.2
Aco
mp
añam
ien
to e
n e
l per
íod
o in
icia
l
de
fun
cio
nam
ien
to d
el l
abo
rato
rio
de
un
año
Deb
e es
tar
incl
uid
o en
el c
onve
nio
de c
ompra
de e
quip
os.
Con
trat
os
de a
dqui
sici
one
s
TO
TA
L P
RE
SU
PU
ES
TO
O
pció
n 1
(sin
sis
tem
a de
pru
ebas
de
tran
sfor
mad
ores
y g
ener
ador
de
impu
lsos
de
200
kJ):
4 0
03 8
88.0
1
Opc
ión
2 (c
on s
iste
ma d
e pr
ueba
s de
tran
sfor
mad
ores
): 6
690
548
,07
220
VIABILIDAD Y PLAN DE SOSTENIBILIDAD
5.4.1 Viabilidad técnica
El proyecto es técnicamente viable. Se han realizado dos proyectos de titulación
que hace algunos años ya mostraban la viabilidad de construcción de un laboratorio
alto voltaje de gran capacidad, son:
- Diseño del Apantallamiento y Puesta a Tierra del Nuevo Laboratorio de Alta
Tensión de la E.P.N. Por Jorge Efraín Páez Valencia en 1976.
- Diseño del Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje para la Escuela Politécnica
Nacional. Por Alonso Rafael Vicuña Arellano en 1977.
El Departamento de Energía Eléctrica posee también dos anteproyectos
presentados en los últimos años que retoman esta iniciativa.
Existen pocos proveedores en el mundo de equipamiento específico para ensayos
en alto voltaje, en base a sus catálogos, sugerencias y ofertas presentadas se ha
realizado una especificación inicial de equipos y requerimientos para el laboratorio
actualizando de esa manera los proyectos que no se han logrado llevar a cabo en
las últimas décadas con el afán de construir un nuevo laboratorio.
Se muestra a continuación la Descripción de la Ingeniería del Proyecto y las
Especificaciones Técnicas de componentes.
5.4.1.1 Descripción de la Ingeniería del Proyecto
Para tener la capacidad de pruebas sobre equipos y componentes del sistema
eléctrico de hasta un voltaje de 500 kV se requiere:
· Un sistema de generación de voltaje alterno de que cubra al menos 630 kV
en Quito. Debido a la degradación de aislamiento eléctrico por la presión y
221
altura de la ciudad, se requiere de un sistema con voltaje nominal de al
menos 790 kV, en el mercado existen generadores de voltaje alterno con
voltajes nominales de 800 kV. Se recomienda un sistema de generación de
tipo resonante en lugar de los transformadores elevadores tradicionales, ya
que requieren un consumo de potencia mucho menor para una misma
capacidad de carga eléctrica. Se estima la carga máxima del sistema en
1496 kVA.
· Un sistema de generación de voltajes de impulso atmosférico y de maniobra
con ondas del tipo 1,2/50 µs, 250/2500 µs y ondas recortadas con un nivel
de voltaje de al menos 1945 kV pico en impulso atmosférico y 1475 kV pico
en impulso de maniobra. Existen modelos comerciales en el mercado de
valores nominales de 2000 kV pico con capacidades de energía entre 100 y
200 kJ.
· Un sistema de generación de alto voltaje continuo HVDC de 400 kV con una
corriente de salida de al menos 20 mA que se pueda expandir en el futuro a
voltajes mayores.
· Un sistema de generación de impulsos de corriente para pruebas en
apartarrayos bajo norma IEC 60099-4 que pueda probar las 5 clases de
dispositivos descritos por la norma con ondas estandarizas 8/20 µs, 4/10 µs
con corrientes nominales de hasta 20 kA. En el mercado existen muchos de
estos generadores con voltajes nominales de 100 kV.
· La repotenciación del kit de alto voltaje existente en el actual laboratorio de
la EPN, el cual tiene 50 años de vida. Con un kit de construcción didáctico
de 300 kV AC, 420 kV DC y 420 kV DC. Existen pocas empresas que ofrecen
el kit como �HIGH VOLTAGE CONSTRUCTION KIT� y que suelen ser de
tipo didáctico para un nivel de pregrado y ocupan espacios relativamente
pequeños con una gran diversidad de circuitos que se logran armar para
comprensión de las técnicas de alto voltaje.
222
· Un sistema de prueba de transformadores de potencia. En el Ecuador no
existe ninguna empresa o laboratorio capaz de probar transformadores del
sistema de potencia. Una de las características más interesantes de estos
sistemas es que pueden usarse tanto en el laboratorio como para pruebas
en sitio, por medio de camiones y tráileres para llevar el equipo por todo el
país. Estos sistemas vienen en varios contenedores, un sistema totalmente
completo requiere de 5 contenedores que viajan en 3 remolques de 12
metros más un tráiler adicional para un sistema resonante de voltaje. En el
mercado existen sistemas con capacidad de prueba de transformadores
hasta un nivel de 100 MVA bajo normas IEC 60076.
· Equipos de medición complementarios que sirven para determinar calidad
de materiales dieléctricos útiles en la investigación y desarrollo de nuevos
materiales así como para ensayos de equipamiento, tanto en laboratorio
como en sitio. Se requiere de equipo de pruebas de capacitancia, factor de
pérdidas dieléctricas, descargas parciales, pruebas de aceite, resistencias
de aislamiento con fuentes DC, e instrumentos de medición eléctrica de bajo
voltaje.
· Para la instalación del laboratorio de acuerdo a los requerimientos de
espacio y de seguridad de los generadores de alto voltaje, se necesita de un
local de 31x44 metros en el caso de no adquirir un sistema de prueba de
transformadores móvil, y de 40 x 44 metros en el caso de adquirir ese
sistema. La altura libre de la nave industrial donde debe emplazarse las
instalaciones debe ser de 15 metros. Como se muestra en las Figuras 4.60,
4.61 y 4.64, a esta área se le puede incluir un área para aulas, oficinas de
personal, sala de conferencias, taller, bodega entre otros usos. La instalación
puede ser construida en los terrenos que están en la calle Isabel la Católica
y Mena Caamaño junto a la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Escuela
Politécnica Nacional que recientemente fueron cedidos a la institución y que
tienen un área de 5000 m2 donde se pueden construir además del laboratorio
aulas y otras edificaciones de beneficio para la universidad. El área que se
requeriría para este laboratorio incluyendo espacios para vehículos de carga
y servicios generales es de 2000 m2.
223
· Se requiere de equipo para movilización de cargas como vehículos
montacargas y elevadores hidráulicos que se hallan fácilmente en el
mercado nacional.
En lo que respecta a la disponibilidad de todos estos elementos para la construcción
del laboratorio se han tenido conversaciones con diversos proveedores y
representantes de casas comerciales internacionales. Existiendo toda la
disponibilidad de equipos, de transporte y facilidades de importación para las
compras de tales dispositivitos. Se brinda asesoría por parte del proveedor y
acompañamiento en el desarrollo de las actividades del naciente laboratorio,
capacitaciones y garantías técnicas.
La construcción del edificio no demanda mayores consideraciones que las de naves
industriales que se construyen en Ecuador, por lo que la construcción de los
edificios sería con mano de obra nacional.
Técnicamente el proyecto es viable porque existen los equipos necesarios y los
representantes de venta en el país, existen los proveedores de equipos
complementarios nacionales y la capacidad de construcción ecuatoriana.
5.4.1.2 Especificaciones Técnicas
En base a los requerimientos de equipos y catálogos comerciales de diferentes
proveedores se realiza la especificación técnica de equipos en la Tabla 5.3. Así
como características a detalle profundo se hallan en los Anexos.
224
Tab
la 5
.3. E
spe
cific
aci
on
es
técn
icas
de
equ
ipo
s p
ara
el l
abo
rato
rio d
e E
xtra
Alto
Vo
ltaje
ÍTE
M
DE
NO
MIN
AC
IÓN
C
AR
AC
TE
RÍS
TIC
AS
C
AN
TID
AD
1
Sis
tem
a d
e g
ene
raci
ón
de
alto
volta
je
alte
rno
- G
ene
rad
or
de
alto
volta
je a
ltern
o H
VA
C d
e tip
o r
eso
na
nte
- V
olta
je d
e s
alid
a n
om
ina
l r.m
.s:
800
kV
- P
ote
nci
a n
omin
al e
n la
carg
a: 2
000
kV
A
- R
ang
o d
e c
arg
a:
0.8
3 �
33.
2 n
F
- N
ivel d
e des
carg
as
parc
iale
s P
D:
2 p
C
- C
iclo
de
traba
jo:
1h
ON
� 1
h O
FF
, 6
cicl
os/
día
.
- A
liment
aci
ón:
400
V t
rifási
cos/
60 H
z /
56,
5 k
VA
.
- D
imens
ione
s: a
ltura
: 8 m
etr
os.
Diá
metr
o 2
,47 m
. P
eso
: 160
00
kg
- In
clu
ye c
ircu
itos
de c
ont
rol y
medi
ción
.
1
2
Sis
tem
a d
e g
ene
raci
ón
de
alto
volta
je
dire
cto H
VD
C
- V
olta
je n
om
inal
: 4
00
kV
- C
orr
ient
e n
om
inal
: 4
0 m
A
- P
ola
rid
ad:
pos
itiva
y n
ega
tiva
- F
uen
te d
e en
erg
ía:
400
V t
rifási
co /
60
Hz/
63
kV
A
- C
iclo
de
traba
jo: c
ontin
uo
- D
imens
ione
s: a
ltura
: 2,4
m, d
iám
etr
o:
1,70
m.
Peso
: 3
450
kg
- In
clu
ye c
ircu
itos
de c
ont
rol y
medi
ción
.
1
225
3
Sis
tem
a d
e im
pul
sos
de
volta
je
- G
ene
rad
or
de
impul
sos
de
volta
je d
e o
nda
s 1
,2/5
0 µ
s, 2
50/2
500 µ
s y
ond
as
reco
rtadas
de a
cuer
do
a I
EC
600
60
-1.
- V
olta
je m
áxi
mo: 2
000
kV
- E
ner
gía
de c
arg
a:
200 k
J
- N
úm
ero
de
eta
pas
:10
- T
iem
po
ent
re im
pul
sos:
40 s
eg.
- A
liment
aci
ón:
400
V t
rifási
co/ 6
0 H
z/ 4
3 k
VA
- D
imens
ione
s: L
ong
itud:
8,8
m,
anch
o: 2
,65
m,
altu
ra 7
,72
m.
- P
eso
: 635
0 k
g e
l gene
rado
r, 2
200
kg s
iste
ma d
e m
edi
da.
- In
clu
ye c
ircu
itos
de c
ont
rol y
medi
ción
.
1
4
Sis
tem
a d
e im
pul
sos
de
corr
ient
e
- V
olta
je n
om
inal
de c
arg
a:
100
kV
- E
ner
gía
de im
pul
so:
80
kJ
- C
apac
itanc
ia d
e im
pul
so:
40 µ
F
- T
iem
po
ent
re im
pul
sos:
60 s
eg.
- F
uen
te d
e po
der
: 4
00
V/
60
Hz/
30
kVA
.
- D
imens
ione
s: L
arg
o:
7.2
m, a
ncho:
4.5
m,
altu
ra:
2.6
5 m
.
- N
orm
a d
e a
plic
aci
ón: I
EC
6009
9-4
. Num
era
les.
8.3
al 8
.5.5
.2.
- In
clu
ye c
ircu
itos
de c
ont
rol y
medi
ción
.
- T
ipos
de
on
das
: 8/2
0 µ
s, 4
/10
µs,
1/2
0 µ
s.
- P
ara
apa
rtarr
ayo
s de
clase
s 1 a
5 y
una
corr
ient
e n
om
ina
l de h
ast
a 2
0 k
A
1
5
Kit
de
const
rucc
ión
de
alto
vo
ltaje
- K
it par
a a
rmar
circ
uito
s de
gen
eraci
ón
y m
edi
ción
de a
ltos
volta
jes.
- V
alo
res
nom
ina
les:
300
kV A
C,
420
kV D
C,
420
kV
impuls
o.
- F
uen
te d
e po
der
: 2
20
V t
rifá
sico
/ 60 H
z/ 1
0-1
5 kV
A.
- Á
rea
nec
esa
ria: 6
m x
7m
y a
ltura
de
4m
.
- In
clu
ye ja
ula
de
Fara
da
y, s
iste
ma d
e c
ont
rol,
medi
ción
y acc
eso
rios.
1
226
6
Sis
tem
a d
e p
rueb
a d
e t
ran
sform
ado
res
de
pote
nci
a
- S
iste
ma d
e p
rueb
a d
e t
ran
sform
ado
res
en
lab
ora
tori
o y
en s
itio.
- C
apac
idad
de
pru
eba:
has
ta tr
ans
form
ado
res
de
100
MV
A
- V
olta
je n
om
inal
de s
alid
a: 8
0 k
V p
ara v
olta
je in
duci
do
.
- C
onsu
mo d
e p
ote
ncia
: 720
kVA
en
máxi
ma c
arg
a y
en
traba
jo c
ont
inuo.
- T
rans
por
te:
4 c
ont
en
edo
res
de:
4,6
m x
2m
x 2
,5m
. P
eso
de
cad
a c
ont
ened
or:
6 to
nela
das.
Para
movi
lizaci
ón
requ
iere
dos
trá
ilere
s d
e 1
2 m
de
long
itud.
- C
apac
itore
s de
com
pen
saci
ón
par
a p
rueba
s de
pérd
idas
y c
ort
oci
rcu
itos:
30
kV/7
50 A
.
- P
ote
nci
a 2
0138
kV
ar
a 6
0 H
z
- V
iene
en
un
con
ten
edo
r pa
ra u
n tr
áile
r de
12
m d
e la
rgo.
- S
iste
ma r
eso
nante
WR
V 3
60 k
V/5
A p
ara p
rueb
a d
e vo
ltaje
ap
licado
. Fu
ent
e d
e
ene
rgía
: 230/
400
V,
60
Hz,
50
kVA
. V
iene
en
un
trá
iler
de
12 m
de
lon
gitu
d
- S
e in
clu
ye t
odos
los
sist
em
as
de
medi
ció
n y
cont
rol
1
7
Sis
tem
a d
e m
edi
ció
n d
e d
esc
arg
as
par
cia
les,
Ca
pac
itanc
ia y
Fact
or
de
dis
ipaci
ón
- S
iste
ma d
e m
edi
ció
n d
e P
D:
Carg
a m
ínim
a d
ete
ctab
le:
0.1
pC
Fre
cuen
cia:1
0 �
10
00
0 k
Hz
Anch
o de
ban
da
: 9 o
270
kH
z
Imped
anci
a d
e e
ntr
ad
a:
50 !
Tem
per
atu
ra a
mbie
nte
:10 �
40
°C
Dim
ens
ione
s: A
nch
o 2
36 m
m,
prof
und
idad
320
mm
, altu
ra 1
33 m
m.
Peso
: 4 k
g
Calib
rad
or
de P
D d
e: 1
,2,5
,10,
20,5
0,1
00 p
C
- S
iste
ma d
e m
edi
ció
n d
e C
, ta
n d
elta
:
Fre
cuen
cia d
el v
olta
je d
e p
rueb
a: 5
0/60
Hz
Máx
ima c
orr
ient
e a
tra
vés
del
obj
eto
de
pru
eba
: 5 A
1
227
Máx
ima c
orr
ient
e a
tra
vés
del
ca
pac
itor
est
ánda
r C
N:
30
mA
Rang
o c
apa
citiv
o:
0.1
xC
N�
. 10
00xC
N
Rang
o d
e f
act
or
de d
isip
aci
ón
: 0
.00
001
� 1
Tole
ranci
a d
e m
edi
ció
n c
ap
aci
tiva
: ±0.0
1 %
Tole
ranci
a d
e m
edi
ció
n d
e f
ase
: 0.0
2 ±
2%
mra
d
Capac
itor
est
ánda
r C
N:
0.1
� 9
999.
99
pF
Dim
ens
ione
s: A
nch
o 5
00 m
m,
prof
und
idad
470
mm
, altu
ra 1
92 m
m,
peso
18
kg.
- C
apac
itor
de m
edi
da:
Volta
je n
om
inal
: 1
00
kV
Capac
itanc
ia: 1
00
pF
Altu
ra:
950
mm
Base
: 420
x420
mm
Peso
: 46
kg
8
Trá
iler
de c
arg
a
Trá
iler
para
carg
a d
e s
iste
ma d
e p
rueb
a de
trans
form
ad
ore
s
Dim
ens
ione
s:
Lon
gitu
d: 1
3.6
m
Anch
o: 2
.55 m
Altu
ra:
4 m
Tam
año d
el K
ing P
in: 2�
Máx
ima c
arg
a d
e e
je tr
ase
ro: 2
4000
kg
4
9
Pro
bador
de a
ceite
s d
ielé
ctric
os
- E
qu
ipo q
ue s
irve
par
a p
rueba
die
léct
rica d
e ace
ite d
e t
rans
form
ado
res,
dis
yunto
res,
regu
lador
es
de v
olta
je.
- N
orm
as
de
apl
icaci
ón
en
medi
das
: EE
. UU
.-A
ST
M D
877
, AS
TM
D181
6, I
EC
156
- V
olta
je d
e s
alid
a:
75 k
V
Fuen
te d
e alim
ent
aci
ón
: 12
0V
/60 H
z, c
on
bat
erí
a d
e 1
2 V
1
228
10
T
TR
trif
ási
co
- E
qu
ipo q
ue p
erm
ite m
edi
r la
rela
ción
e tr
ansf
orm
aci
ón y
gru
po
de
conex
ión d
e:
Tra
nsfo
rmado
res
de
dis
trib
uci
ón:
mono
fási
cos
y tr
ifási
cos,
Tra
nsfo
rmado
res
de
Corr
ient
e T
C,
Tra
nsfo
rmado
res
de
pote
nci
al T
P.
- N
orm
as
de
medi
ción:
IE
C 6
007
6-1
,2.
AN
SI
C57.
12.9
0
- R
ang
o d
e m
edi
ción:
0.6
a 2
500
0
- P
reci
sió
n: 0
.5%
máxi
mo.
- V
olta
je d
e p
rueba
: m
áxi
mo 3
00
V
- F
uen
te d
e alim
ent
aci
ón
: 12
0 V
/60
Hz
1
11
A
na
liza
dor
die
léct
rico d
e só
lidos
y
líqu
idos
- E
qu
ipo q
ue p
erm
ite p
robar
cara
cterí
stic
as
de
mate
riale
s ais
lante
s só
lidos
y
líqu
idos
com
o: c
apa
cita
ncia
, ta
nge
nte
del
ta, r
esi
stenc
ia D
C y
perm
itivi
dad
rela
tiva.
Para
apl
icaci
ones
de
pru
eba
s en
ace
ites
de
trans
form
ado
res,
pap
el
ais
lante
de
trans
form
ado
res,
y o
tros
mate
riale
s só
lido
s. (
Cauc
ho,
tefló
n, e
tc.)
- R
ang
o d
e m
edi
ción
tan
del
ta: 0
-10
0
- R
ang
o d
e m
edi
ción
C:
# 1
0 p
F
- R
ang
o d
e p
erm
itivi
dad
rela
tiva: 1
a 3
0
- R
ang
o d
e m
edic
ión d
e R
esis
tencia
DC
: 100
k!
a 5
T!
- R
ang
o d
e m
edi
ción
de
resi
stiv
ida
d d
e lí
qui
dos
: 9
00 k
!m
a 2
7 T
!m
- R
ang
o d
e m
edic
ión d
e r
esis
tivid
ad d
e s
ólid
os:
2 M
!m
a 8
0 T
!m
- F
recu
enci
as
de p
rueba
: 10
a 1
00 M
Hz
- V
olta
je d
e p
rueba
de
salid
a A
C:
has
ta 2
500 V
- S
alid
a D
C:
has
ta 2
500
V/
5 m
A
- In
terf
az
US
B/R
S 2
32
- A
liment
aci
ón
120
V/6
0 H
z
1
229
12
E
qu
ipo d
e p
rue
ba
s d
e d
esc
arg
as
par
cia
les
por
tátil
- R
egis
tra
dor
:
Debe
per
miti
r ca
libra
ció
n a
uto
mátic
a
Rang
o d
e m
edi
ción
de
PD
de
0 a
9999
9 p
C.
Rang
o d
e f
recu
enci
as
del a
mplif
icado
r de 2
0 k
Hz
a 5
00 k
Hz.
Rang
o d
e m
edi
ción
de
volta
je: h
asta
20
0 k
V.
Inte
rface
s de
com
uni
caci
ón
US
B/
RS
23
2/
Eth
ern
et.
Obse
rvaci
ón
de P
D e
n f
orm
a d
e e
lipse
, onda
s si
nus
oid
ale
s, lí
ne
as.
Com
pat
ible
con
Win
dow
s
Alim
ent
aci
ón
120
V/6
0 H
z.
- C
alib
rad
or:
Rang
o d
e d
esca
rgas
de
10
0 f
C a
50 n
C.
Pola
rid
ad
pos
itiva
y n
ega
tiva
- C
apac
itor
de A
copla
mie
nto
Capac
itor
par
a
medi
ció
n
de
des
carg
as
parc
iale
s co
n im
ped
anci
a
de
aco
plam
ient
o.
Máx
imo n
ivel d
e vo
ltaje
: 20
0 k
V r
ms.
1
13
M
edid
or d
e ta
ngent
e d
e d
elta
- E
qu
ipos
par
a m
edi
ció
n d
e p
érdid
as e
imped
anci
as
(Fa
ctor
de d
isip
ació
n y
fact
or
de p
otenc
ia)
de a
para
tos
de
alto
vo
ltaje
com
o:
Tra
nsfo
rmado
res
de
pot
enci
a y
de d
istr
ibuci
ón
, tr
ans
form
ado
res
de
inst
rum
ent
aci
ón,
ais
lant
es
líqu
idos
y só
lidos
, m
áqu
ina
s ro
tativ
as,
gene
rado
res,
cabl
es,
capa
cito
res,
apa
rtarr
ayo
s, a
isla
dore
s y
otr
os.
- R
ang
o d
e m
edi
ción
tan
del
ta: 0
-10
0
- R
ang
o d
e m
edi
ción
de
fact
or
de p
ote
nci
a:
0-1
- R
ang
o d
e m
edi
ción
de
cap
aci
tanc
ia:
> 1
pF
- R
ang
o d
e m
edi
ción
de
ind
uct
anc
ia:
has
ta 1
000 k
H
1
230
- F
recu
enci
a d
e pru
eb
as:
15
a 1
000
Hz
- In
terf
ace
s: U
SB
/Eth
ern
et
- A
liment
aci
ón
120
V/6
0 H
z
14
S
iste
ma d
e D
iag
nós
tico d
e A
isla
mie
nto
Elé
ctri
co
- E
qu
ipo p
ara p
rue
ba
de
fact
or
de
pot
enci
a d
e a
isla
mie
nto/
fact
or
de
dis
ipac
ión
(tang
ente
de
delta
) d
iseña
do p
ara
eva
luar
el e
stad
o d
el a
isla
mie
nto
elé
ctric
o e
n
apa
rato
s de
alta
te
nsió
n
com
o
trans
form
ado
res,
ais
lador
es
(bus
hin
gs)
,
dis
yunto
res,
cabl
es,
para
rra
yos
y m
áqu
inas
elé
ctric
as
rota
tivas
- V
olta
je d
e p
rueba
: 15
kV
- R
ang
os:
- T
an
del
ta:
0-1
00
- F
act
or
de p
ote
nci
a:
0-1
- F
act
or
de c
alid
ad:
0.0
1-1
00
00
- C
apac
itanc
ia: 5
pF
a 5
0 nF
- In
duct
anci
a:
10
0 H
a 1
300
kH
- C
orr
ient
e d
e p
rueba
: 30
µA
a 1
5 A
- F
recu
enci
a d
e pru
eb
a: 1
0 �
100
0 H
z
- M
edic
ión d
e p
otenc
ia: h
ast
a 1
MV
A
- S
alid
a d
e p
ote
ncia
: 1500
VA
- A
liment
aci
ón:
120
/22
0 V
60
Hz
1
15
O
scilo
scopi
o d
igita
l
- O
scilo
scopi
o d
igita
l ais
lad
o d
e 4
cana
les
- A
nch
o de
Ba
nda
: 10
0 M
Hz
- D
ispla
y: L
CD
co
lor
- P
reci
sió
n: 0
.1 %
- M
áxim
o v
olta
je d
e m
edi
ció
n: 6
00 V
DC
, 6
00
Vrm
s
- R
ang
os
de
lect
ura
: 2.
5 m
V/d
ivis
ión
a 2
00 V
/div
isió
n
1
231
- R
ang
os
de
tiem
po:
1 n
s/div
isió
n a
200
s/d
ivis
ión
- A
lmace
nam
ient
o d
e d
ato
s: m
emor
ia in
tern
a,
mem
oria
US
B
- A
liment
aci
ón:
120
V/
60
Hz
con
ba
terí
a r
eca
rgab
le
- In
terf
ace
s: E
thern
et/
RS
23
2
- 4 p
inza
s de
volta
je y
4 p
inza
s de
corr
iente
16
C
om
pre
sor
de A
ire
- C
om
pre
sor
de a
ire p
ara in
flar
colc
ho
nes
de
air
e q
ue s
irve
n par
a m
ove
r d
e lu
gar
los
sist
em
as
de
alto
vo
ltaje
.
- P
ote
nci
a:
ent
re 2
a 5
hp.
Depe
ndie
ndo d
e la
nece
sida
d d
el t
anqu
e d
e a
ire d
e
500
0 L
.
1
17
V
ehí
culo
Mo
nta
carg
as
- V
ehí
culo
Mo
nta
carg
as
de
6000
lbs
- C
om
bus
tible
: gas
o e
léct
rico
- Lla
nta
s: n
eum
átic
as
- A
ltura
de e
leva
ció
n: 4
m
1
18
M
onta
carg
as
manu
al
- M
onta
carg
as
manu
al d
e 3 t
one
lad
as
- A
ltura
reg
ula
ble
1
19
Pue
nte
grú
a
- P
ue
nte
grú
a t
ipo p
órt
ico d
e 5
tonel
ada
s
- A
ltura
: 4
m
1
232
20
E
leva
dor
tip
o t
ijera
- A
ltura
máxi
ma: 8
+2 m
etr
os
- O
cupa
ntes:
Hast
a 6
- U
so: P
ers
onas
y/o
mate
riale
s que
no
exc
eda
n 15
00
libra
s
- M
ecan
ism
o: E
léct
rico,
hid
rául
ico d
e ti
jera
- P
eso
máxi
mo: 1
500 li
bra
s
- O
per
ado
r dis
po
nib
le: S
í
- T
ransp
orta
ble:
Rem
olq
ue o
grú
a,
pes
o:
800
0 li
bra
s.
- C
ontr
ole
s par
a s
ubir
/baj
ar
en
bas
e y
en
cana
sta.
Mo
vilid
ad
aut
óno
ma, a
vance
,
retr
o y
giro
s. F
unc
iona
con b
aterí
as
reca
rgab
les.
Lla
nta
s só
lidas
, to
do
terr
eno
.
1
21
T
rans
form
ado
r de d
istr
ibuc
ión
- T
rans
form
ado
r de d
istr
ibuc
ión
de d
oble
de
vana
do
en
bajo
vo
ltaje
.
- A
liment
aci
ón
de
medi
o v
olta
je: d
epen
de
del l
ugar
de in
stala
ción
de
l labo
rato
rio.
- V
olta
je d
e s
alid
a e
n b
ajo v
olta
je:
120
/210
/40
0 V
.
- P
ote
nci
a:
40
0 k
VA
si n
o se
inst
ala
sis
tem
a d
e p
rue
ba d
e tr
ans
form
ado
res
de
pot
enci
a.
800
kV
A s
i se in
stala
ese
sis
tem
a.
- O
pci
one
s: c
onst
ruirl
o d
el t
ipo
padm
oun
ted o
meta
l en
close
d.
1
1
Galp
ón m
etá
lico
- G
alp
ón o
na
ve in
dust
rial d
onde
se e
mpla
zará
el l
ab
ora
torio
. D
e e
stru
ctura
metá
lica r
eve
stid
a d
e c
em
ento
o m
eta
l. D
e u
na a
ltura
libre
de
15
metr
os.
De u
n
áre
a d
e 3
0 m
x 4
5 m
si n
o se
inst
ala
el s
iste
ma d
e p
rueba
de
tra
nsf
orm
ado
res
de
pote
nci
a. O
de
40 m
x 4
5 m
si s
e in
stala
el s
iste
ma.
1
233
5.4.2 Viabilidad financiera y/o económica.
Una de las preguntas más estudiadas dentro de la economía moderna es saber
¿Por qué un país es más rico que otro? ¿Cuáles son los factores que ayudan a
acelerar el crecimiento económico de la nación? Muchas han sido las tesis
sostenidas por varios economistas y no existe un acuerdo en ellas, pero en algo
que parece haber un consenso es en que las variables más relevantes son la
tecnología y la inversión. [40]
Durante muchos años se consideró a la inversión como el capital que podría
producir crecimiento, pero en las últimas décadas se ha desarrollado una corriente
mundial que considera el rol del capital humano y muchas de estas investigaciones
se han centrado en la educación como inversión.
Una nación puede existir sin un territorio, como ha sido el caso de los pueblos
nómades o los pueblos en las diásporas, el pueblo hebreo, armenio, gitano, vasco,
palestino, entre otros, pero la cultura es la que estructura a los humanos como
naciones, sus valores, tradiciones e idiosincrasia, sus anhelos, su historia, su
pasado vivido y su futuro soñado, ese futuro y sueño que une a la nación y que se
siembra en los hijos a través de sus padres; ese sueño cambia con el tiempo, y en
medida de cómo se van proyectando las posibilidades de un pueblo, un sueño que
puede cambiar en pocas generaciones si se encamina correctamente, por ejemplo
la idea de que nuestro país no puede desarrollar tecnología, ciencia, industria y que
debe basar su economía en extracción de recursos naturales ha cambiado en
pocas décadas y vislumbra pero aun tenuemente la idea de una revolución
científica en el país.
La educación es un derecho, un bien público que trae consigo beneficios
económicos a largo plazo. El capital humano formado, que con una formación
superior sabe hacer cosas complejas resulta imprescindible para mejorar la
economía y la rentabilidad de las arcas públicas, que en un futuro no deberán gastar
tanto en un individuo formado que tendrá mejor salud e ingresos y que aportará con
más contribuciones al estado en sus impuestos.
234
La educación científica-técnica tiene además un gran potencial, porque puede llevar
a desarrollar productos de un gran valor agregado, los cuales para ser
comercializados necesitan de cadenas de producción que generan empleos
directos e indirectos a muchas personas, y que cuando se venden generan un gran
aporte tributario al estado que luego se reparte en inversión social.
Para lograr un desarrollo científico y tecnológico de impacto se deben hacer
inversiones muy grandes, pero que en el largo plazo resultan ser menos costosas
que no invertir en ellas, es por esa razón que resulta muy complejo describir los
beneficios de un proyecto educativo solamente con una visión clásica de inversión
y rentabilidad, ya que los beneficios sociales que genera la educación bien
encaminados pueden ser incalculables.
Sin embargo con el fin de justificar la inversión en el Proyecto del Laboratorio de
Extra Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional se realiza una evaluación
económica del proyecto como se detalla a continuación.
5.4.2.1 Metodología utilizada para el cálculo de la inversión total, costos de operación
y mantenimiento, ingresos y beneficios.
El cálculo de la inversión se ha realizado en base a precios de mercado de los
equipos y espacios requeridos. Mientras que los costos de mantenimiento se han
estimado como un 1% del costo de inversión del equipamiento. Los costos de
operación se calculan en base a las horas de trabajo de los profesionales de la
institución en el laboratorio y el consumo de energía media de los equipos. Se
considera depreciaciones lineales de los equipos de movimiento de carga en 10
años, los generadores de alto voltaje por ser especiales para 20 años, de igual
manera para el edificio, para vehículos se considera 5 años.
Para la estimación de beneficios se va a valorar a cada estudiante formado por
semestre en base a costo promedio que tiene su educación para el Estado
Ecuatoriano y considerando este valor monetario como el ingreso económico para
235
el laboratorio, incluyendo una inflación del 4% promedio según datos del Banco
Central del Ecuador.
En vista de que hay dos opciones de compra de equipos: con un sistema de
pruebas de transformadores de potencia y sin este sistema, se va a valorar las dos
opciones. En la opción que incluye el sistema de pruebas, se considerará ingresos
adicionales más altos estimados de las pruebas que se pueden realizar tanto en
laboratorio como en sitio más las pruebas típicas de alto voltaje, mientras que la
opción sin sistema de pruebas de transformadores considerará sólo los ingresos
que podría percibir por pruebas típicas de un laboratorio de alto voltaje.
5.4.2.2 Identificación y valoración de la inversión total, costos de operación y
mantenimiento, ingresos y beneficios.
Inversiones:
En la Tabla 5.4 se resume las inversiones requeridas para las dos opciones del
proyecto.
Tabla 5.4 Inversión inicial para el proyecto del Nuevo Laboratorio de Extra Alto
Voltaje EPN
Rubro
Presupuesto año cero US$
Equipos de generación y medición de alto voltaje
2 698 962,17
Kit de construcción de Alto Voltaje 300 kV 330 254,05
Instrumentos de prueba de aislamiento eléctrico
363 764,80
Equipo de movimiento de cargas mecánicas (elevación y transporte)
64 907,00
Subtotal equipamiento: 3 457 888,01 Construcción de Edificio 220 000,00 Terreno (2000 m2) 300 000,00 Ingeniería del proyecto 26 000,00
PRESUPUESTO OPCIÓN 1: SIN SISTEMA DE PRUEBA DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
4 003 888,01
236
Sistema de prueba de transformadores de potencia
2 500 029,64
Tráileres de carga 186 630,42
PRESUPUESTO OPCIÓN 2: CON SISTEMA DE PRUEBA DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
6 690 548,07
Costos de operación y mantenimiento:
En la Tabla 5.5 se considera el costo de mantenimiento del laboratorio como un 1%
de la inversión en equipamiento. El costo de operación se estima en base a las
horas de dedicación de trabajo de los docentes y técnicos que laborarían en las
instalaciones en base a las remuneraciones del Reglamento de Carrera y Escalafón
del Docente e Investigador del Sistema de Educación Superior y las
remuneraciones del sector público, para el costo de energía eléctrica se calculó la
demanda media de energía del laboratorio funcionando de lunes a viernes en turnos
de 7 am a 6 pm, y sábados de 7 am a 1 pm. Considerando una tarifa eléctrica del
grupo General (e) del pliego tarifario del CONELEC con un valor de 0,062 US$/kWh.
Tabla 5.5.a Costos de operación y Mantenimiento del Nuevo Laboratorio de Extra
Alto Voltaje EPN sin contar el sistema de Prueba de Transformadores de Potencia
Descripción Costo
Unitario
Cantidad Costo Total
US$
Mantenimiento de equipos y
laboratorio
1% de
3 457 888,01
- 34 578,88
US$/año
Remuneración Director de
Laboratorio
18,54
US$/hora
Dedicación:
20 horas por
semana
1 1483,50
US$/mes
17 802,00
US$/año
Remuneración Ingeniero
Eléctrico
10,48
US$/hora
2 838,00
US$/mes
10 056,00
237
Dedicación:
20 horas por
semana
US$/año
Remuneración Tecnólogo
Eléctrico
6,79
US$/hora
Dedicación:
40 horas por
semana
2 1086,00
US$/mes
13 032,00
US$/año
Remuneración Pasante o
ayudante
6,81
US$/hora
Dedicación:
30 horas por
semana
1 817,00
US$/mes
9.04,00
US$/año
Consumo de Energía
Eléctrica
0,062
US$/kWh
212 734,37
kWh/año
13 189,54
US$/año
TOTAL OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO OPCIÓN 1 98 462,41
US$/año
Tabla 5.5.b Costos de operación y Mantenimiento del Nuevo Laboratorio de Extra
Alto Voltaje EPN con el sistema de Prueba de Transformadores de Potencia
Descripción Costo Unitario Cantidad Costo Total
US$
Mantenimiento de equipos y
laboratorio
1% de
6 144 548,07
- 61 445,48
US$/año
Remuneración Director de
Laboratorio
18,54 US$/hora
Dedicación: 20
horas por
semana
1 1483,50
US$/mes
17 802,00
US$/año
Remuneración Ingeniero
Eléctrico
10,48 US$/hora 2 838,00
US$/mes
10,056
238
Dedicación: 20
horas por
semana
US$/año
Remuneración Tecnólogo
Eléctrico
6,79 US$/hora
Dedicación: 40
horas por
semana
2 1086,00
USD/mes
13 032,00
US$/año
Remuneración Pasante o
ayudante
6,81 US$/hora
Dedicación: 30
horas por
semana
1 817,00
USD/mes
9804,00
US$/año
Consumo de Energía Eléctrica 0,062 US$/kWh 437 374,37
kWh/año
27 117,21
US$/año
TOTAL OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO OPCIÓN 2 139 256,69
US$/año
Ingresos:
Se considerará un ingreso de US$ 1500 por estudiante5 considerando esa cantidad
como valor medio que cubre el estado por estudiante en la Escuela Politécnica
Nacional, y haciendo que el beneficio del estudiante sea un ingreso en el flujo de
caja del estudio económico para el laboratorio. Se considera también un promedio
de 150 alumnos por semestre, es decir 300 estudiantes por año como promedio.
Se han estimado también los ingresos por prestación de servicios en las dos
opciones. En la Tabla 5.7 se resumen los ingresos del laboratorio.
Tabla 5.6 Ingresos del Laboratorio de Alto Voltaje por año
INGRESOS CANTIDAD VALOR
US$
Ingreso
US$/año
ALUMNOS 300 1500 450 000,00
EQUIPOS DE SEGURIDAD
5 Fuentes de datos: Departamento de Energía Eléctrica EPN.
239
Pruebas dieléctrica de zapatos de seguridad 40 200 8000,00
Pruebas dieléctrica en guantes: 00,0,1,2,3,4 20 100 2000,00
Cascos A-D-B. aislamiento eléctrico 20 100 2000,00
Cobertores de línea. Ensayo dieléctrico clases:
0,1,2,3,4 12 100
1200,00
Detector de voltaje 5 100 500,00
Mangas aislantes:0,1,2,3,4 20 100 2000,00
Pértigas y varas 12 100 1200,00
ACEITES
Medición de rigidez dieléctrica de aceite 20 77 1540,00
Tensión de ruptura dieléctrica de aceite bajo
impulso 12 180
2160,00
AISLADORES
Ensayo de impulso. Flameo de impulso crítico
hasta clase 34,5 kV (3 muestras) 15 800
12 000,00
Ensayo de impulso. Voltaje sostenido al
impulso hasta 24 kV. (3 muestras) 15 320
4800,00
Ensayo de impulso. Voltaje sostenido al
impulso 34 kV o más. (3 muestras) 15 450
6750,00
Flameo en baja frecuencia seco 15 150 2250,00
Voltaje aplicado en seco a frecuencia
industrial. Aisladores poliméricos 15 200
3000,00
Flameo en húmedo a baja frecuencia.
Aisladores convencionales y tipo soporte. 15 150
2250,00
Ensayo de perforación a baja frecuencia 15 160 2400,00
Voltaje sostenido al 80% de voltaje de flameo 15 150 2250,00
Descargas parciales 15 500 7500,00
Resistencia de aislamiento 15 70 1050,00
BATERÍAS
Pruebas de rigidez dieléctrica 20 150 3000,00
ARRANCADORES DE LÁMPARAS
Ensayo de arranque 15 60 900,00
Ensayo de determinación del pulso (altura,
amplitud, posición, tiempo de subida,
frecuencia) 15
75
1125,00
Resistencia de contactos en los terminales 15 70 1050,00
Verificación de condiciones de falla 15 75 1125,00
Ensayo de vida útil 15 420 6300,00
240
Ensayo de no re operación 15 80 1200,00
Temperatura 15 75 1125,00
BUSHINGS Y BUJES
Resistencia eléctrica 20 70 1400,00
Impulso hasta 15 kV 20 460 9200,00
Impulso mayor a 15 kV 20 700 14 000,00
Voltaje sostenido o flameo en seco - baja
frecuencia 20 150
3000,00
Voltaje sostenido o flameo en húmedo-baja
frecuencia 20 220
4400,00
CABLES
Diámetro y sección transversal. Cables
conformados hasta 7 hilos. 20 50
1000,00
Diámetro y sección transversal. Cables
conformados hasta 26 hilos. 20 200
4000,00
Determinación del espesor del aislamiento.
Cables conformados hasta 7 hilos. 20 50
1000,00
Determinación del espesor del aislamiento.
Cables conformados hasta 26 hilos. 20 200
4000,00
Determinación del cableado 20 60 1200,00
Resistencia de aislamiento, 1 conductor 20 70 1400,00
Resistencia de aislamiento hasta 4
conductores 20 120
2400,00
Resistencia del conductor en DC 20 70 1400,00
Ensayo de voltaje aplicado hasta 2
conductores 20 150
3000,00
Ensayo de voltaje aplicado hasta 4
conductores 20 200
4000,00
Ensayo de impulso 20 220 4400,00
CAMBIADORES DE TAPS
Calentamiento. Monofásico hasta 100A 12 250 3000,00
Calentamiento. Trifásico hasta 100A 12 400 4800,00
Impulso hasta 15 kV. Monofásico 12 220 2640,00
Impulso mayor a 15 kV. Monofásico 12 300 3600,00
Impulso hasta 15 kV. Trifásico 12 460 5520,00
Impulso mayor a 15 kV. Trifásico 12 700 8400,00
Voltaje aplicado. En Monofásicos 12 150 1800,00
Voltaje aplicado. En trifásicos 12 220 2640,00
241
Resistencia de aislamiento. Monofásico 12 100 1200,00
Sobrecarga y cortocircuito. Monofásico 12 350 4200,00
Resistencia de aislamiento. Trifásico 12 150 1800,00
Sobrecarga y cortocircuito. Trifásico 12 420 5040,00
CINTAS AISLANTES
Rigidez dieléctrica 20 180 3600,00
Adhesión a un recubrimiento 20 60 1200,00
Ensayo dimensional 20 60 1200,00
CONECTORES
Medición de rigidez dieléctrica en agua. Para
empalme de conductores 15 100
1500,00
Prueba de resistencia eléctrica de conexión.
Para empalme de conductores 15 70
1050,00
Corona 15 150 2250,00
Ensayo dimensional 15 60 900,00
Inspección visual 15 50 750,00
Ensayo de caída de voltaje 15 250 3750,00
Ensayo de calentamiento 15 220 3300,00
Ensayo de corriente a conector flexible 15 360 5400,00
Ensayo de voltaje sostenido en húmedo 15 150 2250,00
Ensayo de voltaje aplicado en conector tipo
pozuelo 15 150
2250,00
Ensayo de impulso en conector tipo pozuelo 15 300 4500,00
Ensayo de corriente para terminal de conexión
de puesta a tierra hasta AWG 4 15 130
1950,00
SECCIONADORES
Aumento de temperatura hasta 100 A.
Monopolar 15 180
2700,00
Aumento de temperatura a 630 A Monopolar.
100 A Tripolar 15 260
3900,00
Aumento de temperatura hasta 630 A. Tripolar 15 350 5250,00
Ensayo de impulso tipo rayo. Monopolar clase
hasta 38 kV 15 220
3300,00
Ensayo de impulso tipo rayo. Tripolar 15 a 24
kV 15 320
4800,00
Ensayo de impulso tipo rayo. Tripolar clase
34,5 kV 15 450
6750,00
242
Ensayo de voltaje en húmedo a frecuencia
industrial, monopolar hasta 38 kV 15 150
2250,00
Ensayo de voltaje en húmedo a frecuencia
industrial, tripolar hasta 38 kV 15 220
3300,00
Ensayo de voltaje en seco a frecuencia
industrial, monopolar hasta 38 kV 15 150
2250,00
Ensayo de voltaje en seco a frecuencia
industrial, tripolar hasta 38 kV 15 250
3750,00
GRÚAS
Prueba de rigidez dieléctrica 4 400 1600,00
INTERRUPTORES
Resistencia de aislamiento 15 70 1050,00
Ensayo de operación mecánica 15 100 1500,00
Prueba de impulso tipo rayo. Trifásico 15 800 12 000,00
Ensayo de voltaje aplicado, rigidez dieléctrica.
Trifásico. 15 150
2250,00
MANGUERAS
Prueba de voltaje aplicado 20 150 3000,00
CONTADOR DE ENERGÍA
Prueba de impulso de bajo voltaje. 1F o 3 F 10 220 2200,00
FOTOCELDAS
Prueba de impulso de bajo voltaje. 20 220 4400,00
APARTARRAYOS
Ensayo de voltaje de cebado a frecuencia
industrial. 20 150
3000,00
Ensayo de voltaje de cebado tipo rayo hasta 15
kV 20 220
4400,00
Ensayo de voltaje de cebado tipo rayo mayor a
15 kV 20 450
9000,00
Medición de descargas parciales 20 150 3000,00
Ensayo de voltaje aplicado en húmedo 20 150 3000,00
Ensayo de voltaje aplicado en seco 20 150 3000,00
Ensayo de impulso tipo rayo 20 320 6400,00
Inspección visual y dimensional 20 60 1200,00
PORTAFUSIBLES
Ensayo de calentamiento 15 200 3000,00
Voltaje aplicado en húmedo 15 100 1500,00
Voltaje aplicado en seco 15 100 1500,00
243
RECONECTADORES
Aplicación de corriente 5 250 1250,00
Corriente de fuga 5 250 1250,00
Ensayo de voltaje aplicado 5 150 750,00
SECCIONALIZADORES
Operación mecánica 5 220 1100,00
Corriente de corta duración 5 600 3000,00
Aumento de temperatura 5 250 1250,00
Ensayo de impulso 5 220 1100,00
Ensayo de voltaje aplicado en seco 5 150 750,00
TOMACORRIENTES Y CLAVIJAS
Rigidez dieléctrica 12 120 1440,00
Resistencia de aislamiento 12 70 840,00
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
Descargas parciales 12 200 2400,00
Elevación de temperatura 12 250 3000,00
Ensayo de corriente de corta duración 12 260 3120,00
Ensayo de impulso tipo rayo hasta 15 kV 12 170 2040,00
Ensayo de impulso tipo rayo más de 15 kV 12 220 2640,00
Ensayo de sobrevoltaje entre espiras 12 110 1320,00
Ensayo de voltaje aplicado seco 12 150 1800,00
Ensayo de voltaje aplicado en húmedo 12 150 1800,00
Prueba de tan delta 12 320 3840,00
Verificación de terminales y marcas 12 60 720,00
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN
Ensayo de rutina. Monofásico hasta 150 kVA,
15 kV, tap nominal 12 120
1440,00
Ensayo de rutina. Trifásico hasta 500 kVA,
34,5 kV, tap nominal 12 180
2160,00
Ensayo de rutina. Trifásico hasta 150 kVA, 15
kV, tap nominal 12 160
1920,00
Medición de voltaje de cortocircuito. 1F 150
kVA, 3F 500 kVA 5 100
500,00
Medición de pérdidas en carga (tap inferior,
superior, nominal) 1F 150 kVA, 3F 500 kVA 3 200
600,00
Medición de pérdidas y corriente de vacío con
curva de magnetización. 1F 150 kVA, 3F 500
kVA 3
200
600,00
244
Medición de resistencia de los devanados (tap
inferior, superior y nominal) 3 70
210,00
Medición de relación de transformación 3 70 210,00
Medición de resistencia de aislamiento 3 70 210,00
Ensayo de calentamiento. 1F 150 kVA, 3F 500
kVA 2 800
1600,00
Verificación de coordinación de
transformadores autoprotegidos 1 2000
2000,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 1F 150 kVA 15
kV 2 250
500,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 1F 150 kVA hasta
34,5 kV 2 340
680,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 3F 500 kVA 15
kV 2 400
800,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 3F 500 kVA hasta
34,5 kV 2 550
1100,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 3F mayor a 1000
kVA 15 kV 2 1600
3200,00
Ensayo de impulso tipo rayo. 3F mayor a 1000
kVA mayor 15 kV 2 1800
3600,00
Ensayo de voltaje aplicado. 1 F 150 kVA 15 kV 2 150 300,00
Ensayo de voltaje aplicado. 1 F 150 kVA 34,5
kV 2 150
300,00
Ensayo de voltaje aplicado. 3 F 500 kVA 15 kV 2 150 300,00
Ensayo de voltaje aplicado. 3 F 500 kVA 34,5
kV 2 150
300,00
Ensayo de voltaje aplicado. 3 F mayor de 1000
kVA 1 150
150,00
Impedancia de secuencia cero 2 150 300,00
Descargas parciales 12 500 6000,00
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL
Ensayo de impulso hasta 34,5 kV 12 170 2040,00
Ensayo de impulso mayor a 34,5 kV 12 220 2640,00
Voltaje aplicado en seco 12 150 1800,00
Voltaje aplicado en húmedo 12 150 1800,00
Resistencia de devanados 12 70 840,00
Medición de corriente y tensión nominal 12 70 840,00
Medición de relación de transformación 12 70 840,00
245
Medición de resistencia de aislamiento 12 70 840,00
Verificación de terminales y marcas 12 70 840,00
Capacidad de cortocircuito 1 1500 1500,00
Descargas parciales 12 200 2400,00
Prueba Insrush 12 170 2040,00
CELDAS DE SECCIONAMIENTO
Aumento de temperatura hasta 100 A tripolar 5 500 2500,00
Ensayo de voltaje aplicado en seco o húmedo 5 900 4500,00
Ensayo de impulso de voltaje 5 900 4500,00
OTRAS PRUEBAS
Conductividad en varillas o cables 2 70 140,00
Medición de resistencia de contactos 2 70 140,00
Pruebas en breakers hasta 100 A 2 100 200,00
Mediciones de resistencia de aislamiento 2 70 140,00
Voltaje aplicado en bajo voltaje 2 150 300,00
Contrastación de equipos 5 150 750,00
Voltaje de ruptura en bajo voltaje 2 150 300,00
ASESORÍAS Y CONSULTORÍAS
Seminario teórico y práctico de ensayos sobre
transformadores. 1 700
700,00
Asesoría/hora ingeniero 10 75 750,00
Medición de puestas a tierra hasta 6 puntos 1 250 250,00
Medición de voltajes y frecuencia 1 150 150,00
Cálculo de perfiles de campo eléctrico y
magnético 1 850
850,00
Cálculo de voltajes de puesta a tierra 1 350 350,00
Medición de distorsión armónica 1 300 300,00
Medición de resistividad del terreno 1 500 500,00
Total ingresos opción 1 876 345,00
TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Prueba de cortocircuito 1 4000 4000,00
Pérdidas en vacío 1 4000 4000,00
Perdidas con carga 1 4000 4000,00
Elevación de temperatura 1 4000 4000,00
Voltaje aplicado 1 2000 2000,00
Voltaje inducido 1 2000 2000,00
Resistencias de aislamiento 1 500 500,00
Total ingresos opción 2 896 845,00
246
Tabla 5.7. Resumen de Ingresos
Concepto Cantidad US$
Alumnos 450 000,00
Servicios de laboratorio 426 345,00
Total Ingresos opción 1 876 345,00
Servicios de pruebas de
transformadores de potencia
20 500,00
Total Ingresos opción 2 896 845,00
Beneficios adicionales:
A pesar de que se ha tratado de valorar los beneficios educativos de los estudiantes
de pregrado, no se ha calculado ni valorado los beneficios de los estudiantes de
posgrado porque la utilización del laboratorio y desarrollo de tesis de grado
depende en gran parte de la orientación de investigación que cada alumno tome,
también no se ha valorado los beneficios económicos que representa la
investigación científica que se llevará a cabo en el laboratorio y las posibles
patentes e innovaciones que se puedan producir, que tienen un valor agregado muy
alto pero una dinámica de generación muy compleja para estimarlos en este
estudio.
5.4.2.3 Flujos Financieros y/o Económicos
A continuación se muestran los flujos económicos del proyecto para un período de
20 años de vida del proyecto.
Tasa de descuento constante: 10%
Inflación anual: 4%
Tasa de descuento corriente (con inflación): 14,4%
Los resultados se muestran en las Tablas 5.8 y 5.9.
247
5.4.2.4 Indicadores financieros y/o económicos (TIR, VAN y otros)
Los indicadores económicos de las dos opciones del proyecto son:
Opción 1: Sin sistema de prueba de transformadores de potencia
VAN: US$ 2 365 443,86
TIR: 22,72 %
Tiempo de Retorno de la inversión: 9 años.
Opción 2: Con sistema de prueba de transformadores de potencia
VAN: US$ 58 652,40
TIR: 14,55 %
Tiempo de Retorno de la inversión: 20 años.
248
Tab
la 5
.8.
Flu
jo d
e c
aja
pa
ra la
op
ción
1.
AÑ
O
CO
NC
EP
TO
0
1 2
3 4
5 6
7 8
Ing
reso
s
876
345
911
398,
8
947
854,
752
985
768,
942
102
5199
,7
106
6207
,69
110
8856
115
3210
,24
(-)
ope
raci
ón
y
mant
eni
mie
nto
984
62,4
109
5
102
400,
907
4
106
496,
943
7
110
756,
821
115
187,
094
3
119
794,
578
124
586,
361
129
569,
816
(-)
Depr
eci
aci
ón
185
964,
409
7
185
964,
409
7
185
964,
409
7
185
964,
41
185
964,
409
7
185
964,
41
185
964,
41
185
964,
41
(+)
Va
lor
en li
bro
s dep
reci
aci
ón
0
0
0
0
0
0
0
0
ING
RE
SO
BR
UT
O
591
918,
179
4
623
033,
482
9
655
393,
398
6
689
047,
711
724
048,
195
8
760
448,
7
798
305,
224
837
676,
01
ING
RE
SO
NE
TO
591
918,
179
4
623
033,
482
9
655
393,
398
6
689
047,
711
724
048,
195
8
760
448,
7
798
305,
224
837
676,
01
(+)D
epre
ciaci
ón
777
882,
589
808
997,
892
6
841
357,
808
3
875
012,
121
910
012,
605
5
946
413,
11
984
269,
634
102
3640
,42
(-)
inve
rsió
n in
icia
l 4 0
03 8
88,0
1
FL
UJO
DE
CA
JA
-4
003
88
8,01
77
7882
,589
80
8997
,892
6
8413
57,8
083
87
5012
,121
91
0012
,605
5
9464
13,1
1
9842
69,6
34
1023
640
,42
9 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
119
9338
,64
124
7312
,19
129
7204
,68
134
9092
,86
140
3056
,58
145
9178
,84
151
7546
157
8247
,84
164
1377
,75
170
7032
,86
177
5314
,17
184
6326
,74
134
752,
608
140
142,
713
145
748,
421
151
578,
358
157
641,
492
163
947,
152
170
505,
038
177
325,
24
184
418,
249
191
794,
979
199
466,
778
207
445,
449
185
964,
41
185
964,
41
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
220
00
878
621,
627
921
205,
068
971
982,
547
101
8040
,8
106
5941
,38
111
5757
,98
116
7567
,25
122
1448
,89
127
7485
,79
133
5764
,17
139
6373
,69
148
1407
,58
878
621,
627
921
205,
068
971
982,
547
101
8040
,8
106
5941
,38
111
5757
,98
116
7567
,25
122
1448
,89
127
7485
,79
133
5764
,17
139
6373
,69
148
1407
,58
106
4586
,04
110
7169
,48
115
1456
,26
119
7514
,51
124
5415
,09
129
5231
,69
134
7040
,96
140
0922
,6
145
6959
,5
151
5237
,88
157
5847
,4
166
0881
,29
1064
586
,04
11
0716
9,4
8
1151
456
,26
11
9751
4,5
1
1245
415
,09
12
9523
1,6
9
1347
040
,96
14
0092
2,6
14
5695
9,5
15
1523
7,8
8
1575
847
,4
1660
881
,29
249
Ta
bla
5.9
. Flu
jo d
e c
aja
pa
ra la
op
ción
2.
AÑ
O
CO
NC
EP
TO
0
1 2
3 4
5 6
7 8
Ingr
eso
s
896
845
932
718,
8
970
027,
552
100
8828
,65
104
9181
,8
109
1149
,07
113
4795
,04
118
0186
,84
(-)
ope
raci
ón
y
mant
eni
mie
nto
139
256,
691
6
144
826,
959
2
150
620,
037
6
156
644,
839
162
910,
632
6
169
427,
058
176
204,
14
183
252,
306
(-)
Depr
eci
aci
ón
473
293,
457
7
473
293,
457
7
473
293,
457
7
473
293,
458
473
293,
457
7
435
967,
374
435
967,
374
435
967,
374
(+)
Va
lor
en li
bro
s dep
reci
aci
ón
0
0
0
0
0
0
0
0
ING
RE
SO
BR
UT
O
284
294,
850
8
314
598,
383
1
346
114,
056
7
378
890,
357
412
977,
709
9
485
754,
641
522
623,
521
560
967,
157
ING
RE
SO
NE
TO
284
294,
850
8
314
598,
383
1
346
114,
056
7
378
890,
357
412
977,
709
9
485
754,
641
522
623,
521
560
967,
157
(+)D
epre
ciaci
ón
757
588,
308
4
787
891,
840
8
819
407,
514
4
852
183,
815
886
271,
167
6
921
722,
014
958
590,
895
996
934,
531
(-)
inve
rsió
n in
icia
l 6 1
44 5
48,0
7
FL
UJO
DE
CA
JA
-6
144
54
8,07
75
7588
,308
4
7878
91,8
408
81
9407
,514
4
8521
83,8
15
8862
71,1
676
92
1722
,014
95
8590
,895
99
6934
,531
9 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
122
7394
,31
127
6490
,08
132
7549
,69
138
0651
,67
143
5877
,74
149
3312
,85
155
3045
,36
161
5167
,18
167
9773
,87
174
6964
,82
181
6843
,41
188
9517
,15
190
582,
398
198
205,
694
206
133,
922
214
379,
279
222
954,
45
231
872,
628
241
147,
533
250
793,
434
260
825,
172
271
258,
178
282
108,
506
293
392,
846
435
967,
374
435
967,
374
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
179
473,
71
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
220
00
600
844,
538
642
317,
015
941
942,
054
986
798,
685
103
3449
,58
108
1966
,51
113
2424
,12
118
4900
,03
123
9474
,98
129
6232
,93
135
5261
,2
143
8650
,59
600
844,
538
642
317,
015
941
942,
054
986
798,
685
103
3449
,58
108
1966
,51
113
2424
,12
118
4900
,03
123
9474
,98
129
6232
,93
135
5261
,2
143
8650
,59
103
6811
,91
107
8284
,39
112
1415
,76
116
6272
,39
121
2923
,29
126
1440
,22
131
1897
,83
136
4373
,74
141
8948
,69
147
5706
,64
153
4734
,91
161
8124
,3
1036
811
,91
10
7828
4,3
9
1121
415
,76
11
6627
2,3
9
1212
923
,29
12
6144
0,2
2
1311
897
,83
13
6437
3,7
4
1418
948
,69
14
7570
6,6
4
1534
734
,91
16
1812
4,3
250
5.4.2.5 Evaluación Económica
Como resultado de la evaluación económica, podemos concluir que el proyecto es
viable con una vida útil de 20 años mediante la valoración del costo que el estado
asume por cada estudiante como un ingreso del laboratorio adicional. La valoración
de este parámetro puede ser un poco subjetiva ya que la inversión en el capital
humano y el beneficio social de la educación técnica superior así como la
investigación en el Ecuador no se han desarrollado ni actualizado en los últimos
años.
No se pretende en ningún momento considerar a un estudiante como un mero
producto que pasa por las aulas y gana un valor agregado, pero es la única forma
tangible de cuantificar y justificar económicamente la inversión en un proyecto de
este tipo y nivel de inversión.
Con base de ese supuesto, los indicadores del numeral anterior muestran la
viabilidad del proyecto al tener un Valor Actual Neto VAN mayor que cero, y una
TIR de 22,72% para la primera opción y de 14,55 % para la segunda, siendo
mayores que la tasa de descuento que se estima para la realización del proyecto
que es del 14,4 %. Este proyecto no se trata de un negocio con fines de lucro, sino
una inversión social en la que todos sus beneficios no se han podido cuantificar
económicamente para la evaluación económica, y que por tanto puede producir
más de lo que se ha asumido para los cálculos.
El proyecto devuelve la inversión en 9 años y 20 años para la primera y segunda
opción respectivamente. Pero podría reducir ese tiempo de acuerdo a como se
desarrollen las actividades de investigación y prestación de servicios al medio
externo.
Algunos beneficios adicionales que no se han valorado son el ahorro que los
proveedores de equipos y elementos del sector eléctrico ganan al poder probar sus
productos a nivel nacional, la ganancia en calidad de equipamiento y por tanto de
251
las redes eléctricas del país que a la vez dan mejor garantía en su servicio a la
población.
5.4.3 Análisis de Sostenibilidad
5.4.3.1 Análisis de Impacto Ambiental y de riesgos
El manejo de ensayos en un laboratorio de alto voltaje no produce ni afecta el medio
ambiente, ya que se realizan ensayos de evaluación sobre diferentes equipos. La
generación de desechos consiste en basura común y corriente producto de
embalaje y transporte de los elementos a probarse. Por otro lado, el
apantallamiento eléctrico que debe tener del laboratorio evita la contaminación
electromagnética que se pudiese producir hacia fuera de las instalaciones, por lo
que no tiene conflictos con los demás edificios ni ambientes.
Éste tipo de laboratorio puede promover la conservación ambiental, como sucedió
hace unas décadas por ejemplo cuando en laboratorios se detectó que el líquido
dieléctrico que usaban los transformadores conocido como Askarel era
contaminante y cancerígeno, del mismo modo la investigación de nuevos
materiales se debe hacer con visión de sostenibilidad ambiental, por ejemplo
mediante reciclaje de polímeros para desarrollar aisladores.
Por lo expuesto anteriormente el proyecto se considera de Categoría 2: Proyecto
que no afectar al medio ambiente, ni directa o indirectamente, y por tanto, no
requiere un estudio de impacto ambiental.
5.4.3.2 Sostenibilidad Social
Este proyecto es de carácter educativo, por tanto se rige a las Normas y Códigos
de la Escuela Politécnica Nacional que garantizan el acceso equitativo de mujeres
y hombres a la educación, a la utilización de sus instalaciones e impulsa su
desarrollo humano, promueve la superación de los roles productivos tradicionales
de género. En los últimos años el número de mujeres en ingeniería ha aumentado,
promoviendo la posición de la mujer en la sociedad y garantizando su autonomía al
252
formarlas como profesionales que pueden trabajar y tomar decisiones sin ninguna
discriminación de género; cuando el proyecto esté funcionando generará
capacidades, destrezas y conocimiento para que las personas involucradas puedan
continuar acciones relacionadas al área de la ingeniería eléctrica.
La Escuela Politécnica Nacional también garantiza la equidad étnica y cultural de
sus estudiantes, respeta la diversidad de pueblos y características económicas y
sociales.
En lo que concierne a la equidad intergeneracional el proyecto requiere la
intervención de personas de varios grupos de edad, requiere de expertos con años
de trabajo en el área de Alto Voltaje e Ingeniería Eléctrica, requiere de profesionales
jóvenes que se encarguen de aprender y sacar adelante proyectos de investigación,
docencia y servicios externos, y necesita de su mayor capital: los estudiantes que
son el grupo de edad más joven al que le daría servicio, en todo aspecto, evita la
discriminación por edad.
PRESUPUESTO
El presente proyecto debe ser financiado por fuentes internas de tipo fiscal.En las
Tablas 5.10 y 5.11, 5.12 y 5.13 se muestran los presupuestos necesarios para las
dos opciones del proyecto.
Tabla 5.10. Presupuesto del proyecto sin incluir el sistema de pruebas en
transformadores. En base a los componentes de la MML
Componentes/
Rubros
Fuente de Financiamiento (US$) TOTAL
Internas
Crédito Fiscales Autogestión A.
Comunidad
Componente 1:
Planificación técnica desarrollada para el diseño y construcción del Laboratorio de Alto Voltaje 1.1 Dimensionamiento y
determinación de los
usos del Laboratorio
1200 1200
253
1.2 Diseño de las obras
civiles 1200 1200
1.3 Diseños de
Instalaciones eléctricas 1200 1200
1.4 Diseño de servicios
generales 1200 1200
1.5 Elaboración de bases
para adquisición de
equipos
1500 1500
1.6 Elaboración bases
para la construcción del
edificio para el laboratorio
1500 1500
1.7 Elaboración de
pliegos y asistencia en la
evaluación de ofertas
3000 3000
1.8 Adquisición de
equipos y construcción
de instalaciones
3 976 381,19 3 977 888,01
Componente 2:
Recursos Humanos formados en cantidad suficientes y especializados en Técnicas de Alto Voltaje
2.2 Capacitación de
personal en sitio del
fabricante de equipos
3000 3000
Componente 3:
Cuerpo normativo establecido para las operaciones y ensayos a realizar en el laboratorio
3.1 Recopilación de
Normas Nacionales
1200 1200
3.2 Recopilación de
Normas Internacionales
6000 6000
3.3 Creación de marco
normativo para ensayos
del Laboratorio
2500 2500
3.4 Elaboración de un
manual de procesos para
el Laboratorio
2500 2500
TOTAL PRESUPUESTO 4 003 888,01
254
Tabla 5.11. Presupuesto del proyecto con el sistema de pruebas en
transformadores. En base a los componentes de la MML
Componentes/
Rubros
Fuente de Financiamiento (US$) TOTAL
Internas
Crédito Fiscales Autogestión A.
Comunidad
Componente 1:
Planificación técnica desarrollada para el diseño y construcción del Laboratorio de Alto Voltaje 1.1 Dimensionamiento y
determinación de los
usos del Laboratorio
1200 1200
1.2 Diseño de las obras
civiles 1200 1200
1.3 Diseños de
Instalaciones eléctricas 1200 1200
1.4 Diseño de servicios
generales 1200 1200
1.5 Elaboración de bases
para adquisición de
equipos
1500 1500
1.6 Elaboración bases
para la construcción del
edificio para el laboratorio
1500 1500
1.7 Elaboración de
pliegos y asistencia en la
evaluación de ofertas
3000 3000
1.8 Adquisición de
equipos y construcción
de instalaciones
6 664 548,07 6 664 548,07
Componente 2:
Recursos Humanos formados en cantidad suficientes y especializados en Técnicas de Alto Voltaje
2.2 Capacitación de
personal en sitio del
fabricante de equipos
3000 3000
Componente 3:
Cuerpo normativo establecido para las operaciones y ensayos a realizar en el laboratorio
3.1 Recopilación de
Normas Nacionales
1200 1200
3.2 Recopilación de
Normas Internacionales
6000 6000
3.3 Creación de marco
normativo para ensayos
del Laboratorio
2500 2500
255
3.4 Elaboración de un
manual de procesos para
el Laboratorio
2500 2500
TOTAL PRESUPUESTO 6 690 548,07
Tabla 5.12. Presupuesto del proyecto sin incluir el sistema de pruebas en
transformadores. En base al tipo de gasto
Rubro Monto (US$)
Equipos de generación de altos
voltajes
2 698 962,17
Kit de construcción de Alto Voltaje 300
kV AC, 420 kV DC, 420 kV impulso
330 254,05
Instrumentos de medición y pruebas
de aislamiento eléctrico
363 764,80
Equipo de movimiento y elevación de
cargas
64 907,00
Edificación (terreno de 2000 m2,
Galpón de 40x45x17 m)
520 000,00
Ingeniería del proyecto 26 000,00
TOTAL 4 003 888,01
Tabla 5.13. Presupuesto del proyecto con el sistema de pruebas en
transformadores. En base al tipo de gasto
Rubro Monto (US$)
Equipos de generación de altos
voltajes
2 698 962,17
Kit de construcción de Alto Voltaje 300
kV AC, 420 kV DC, 420 kV impulso
330 254,05
Instrumentos de medición y pruebas
de aislamiento eléctrico
363 764,80
Equipo de movimiento y elevación de
cargas
64 907,00
256
Equipo de prueba de transformadores
de potencia
2 686 660,06
Edificación (terreno de 2000 m2,
Galpón de 40x45x17 m)
520 000,00
Ingeniería del proyecto 26 000,00
TOTAL 6 690 548,07
ESTRATEGIA DE EJECUCIÓN
5.6.1 ESTRUCTURA OPERATIVA
En conjunto con la Dirección de Planificación de la Escuela Politécnica Nacional, el
Departamento de Energía Eléctrica será el responsable de llevar adelante los
procesos y/o actividades para la ejecución del proyecto.
5.6.2 ARREGLOS INSTITUCIONALES Y MODALIDAD DE EJECUCIÓN
La Escuela Politécnica Nacional realizará el proyecto mediante ejecución directa.
5.6.3 CRONOGRAMA VALORADO POR COMPONENTES Y ACTIVIDADES
Se muestra en las Tablas 5.13 y 5.14 el cronograma valorado del proyecto para las
dos opciones que tenemos, en función de las actividades de la matriz de marco
lógico.
257
Tab
la 5
.14.
Cro
no
gram
a v
alo
rado
de
l pro
yect
o s
in e
l sis
tem
a d
e p
rue
bas
en
tran
sfo
rma
dore
s. E
n b
ase
a lo
s co
mp
onen
tes
de
la
MM
L
CR
ON
OG
RA
MA
VA
LO
RA
DO
PO
R C
OM
PO
NE
NT
ES
(d
óla
res
)C
OM
PO
NE
NT
E /
RU
BR
OF
ue
nte
de
Fin
an
cia
mie
nto
: In
tern
a/ F
isc
al
Tri
me
stre
1T
rim
est
re 2
Tri
me
stre
3T
rim
est
re 4
Tri
me
stre
5T
rim
est
re 6
Tri
me
stre
7T
rim
est
re 8
Tri
me
stre
9T
rim
est
re 1
0T
rim
est
re 1
1T
rim
est
re 1
2T
rim
est
re 1
3T
rim
est
re 1
4C
om
po
ne
nte
1:
Pla
nif
ica
ció
n t
écn
ica
d
esa
rro
lla
da
pa
ra e
l d
ise
ño
y c
on
stru
cció
n d
el
La
bo
rato
rio
de
Alt
o V
olt
aje
1.1
Dim
ensi
onam
ient
o y
dete
rmin
ació
n de
los
usos
del
Lab
orat
orio
1.20
0,00
1.2
Dis
eño
de la
s ob
ras
civi
les
1.20
0,00
1.3
Dis
eños
de
Inst
alac
ione
s el
éctr
icas
1.20
0,00
1.4
Dis
eño
de s
ervi
cios
gen
eral
es1.
200,
00
1.5
Ela
bora
ción
de
base
s pa
ra a
dqui
sici
ón d
e
equi
pos
1.50
0,00
1.6
Ela
bora
ción
bas
es p
ara
la c
onst
rucc
ión
del
edifi
cio
para
el l
abor
ator
io1.
500,
00
1.7
Ela
bora
ción
de
plie
gos
y as
iste
ncia
en
la
eval
uaci
ón d
e of
erta
s3.
000,
00
1.8
Adq
uisi
ción
de
equi
pos
y co
nstr
ucci
ón d
e
inst
alac
ione
s3.
977.
888,
01
Co
mp
on
en
te 2
: R
ecu
rso
s H
um
an
os
form
ad
os
en
ca
nti
da
d s
ufi
cie
nte
s y
esp
eci
ali
zad
os
en
T
écn
ica
s d
e A
lto
Vo
lta
je2.
1 F
orm
ació
n de
per
sona
l aca
dém
ico
con
prog
ram
as d
e fo
rmac
ión
o m
aest
rías
XX
XX
XX
XX
2.2
Cap
acita
ción
de
pers
onal
en
sitio
del
fabr
ican
te
de e
quip
os3.
000,
00
2.3
Cap
acita
ción
del
per
sona
l en
el la
bora
torio
por
part
e de
l pro
veed
orX
Co
mp
on
en
te 3
: C
ue
rpo
no
rma
tivo
est
ab
leci
do
p
ara
la
s o
pe
raci
on
es
y e
nsa
yos
a r
ea
liza
r e
n
el
lab
ora
tori
o
3.1
Rec
opila
ción
de
Nor
mas
Nac
iona
les
1.20
0,00
3.2
Rec
opila
ción
de
Nor
mas
Inte
rnac
iona
les
6.00
0,00
3.3
Cre
ació
n de
mar
co n
orm
ativ
o pa
ra e
nsay
os d
el
Labo
rato
rio2.
500,
00
3.4
Ela
bora
ción
de
un m
anua
l de
proc
esos
par
a el
Labo
rato
rio2.
500,
00
Co
mp
on
en
te 4
: O
pe
raci
ón
de
l la
bo
rato
rio
a
sist
ida
en
el
pri
me
r a
ño
de
fu
nci
on
am
ien
to
po
r p
art
e d
el
pro
vee
do
r a
dju
dic
ad
o4.
1 S
emin
ario
s es
peci
ales
en
técn
icas
de
alto
volta
je a
l per
sona
l de
la E
PN
X
4.2
Aco
mpa
ñam
ient
o en
el p
erío
do in
icia
l de
func
iona
mie
nto
del l
abor
ator
io d
e un
año
XX
XX
No
tas:
* C
asill
as s
ombr
eada
s m
uest
ran
la d
urac
ión
de
toda
la a
ctiv
idad
. *
Cas
illas
mar
cada
s co
n X
no t
iene
n as
igna
ción
de
valo
r. E
n el
cas
o de
la c
apac
itaci
ón m
edia
nte
mae
stría
s la
fina
ncia
ción
no
form
a pa
rte
de e
ste
proy
ecto
.
* E
n l
os
otr
os
ca
so
s,
las
ac
tiv
ida
de
s f
orm
an
pa
rte
de
lo
s c
on
ve
nio
s q
ue
se
de
be
n l
og
rar
co
n l
os
pro
ve
ed
ore
s c
om
o p
art
e d
e l
a a
dq
uis
ició
n d
e e
qu
ipo
s
258
Tab
la 5
.15.
Cro
no
gram
a v
alo
rado
de
l pro
yect
o s
in e
l sis
tem
a d
e p
rue
bas
en
tran
sfo
rma
dore
s. E
n b
ase
a lo
s co
mp
onen
tes
de
la
MM
L
CR
ON
OG
RA
MA
VA
LO
RA
DO
PO
R C
OM
PO
NE
NT
ES
(d
óla
res
)C
OM
PO
NE
NT
E /
RU
BR
OF
ue
nte
de
Fin
an
cia
mie
nto
: In
tern
a/ F
isc
al
Tri
me
stre
1T
rim
est
re 2
Tri
me
stre
3T
rim
est
re 4
Tri
me
stre
5T
rim
est
re 6
Tri
me
stre
7T
rim
est
re 8
Tri
me
stre
9T
rim
est
re 1
0T
rim
est
re 1
1T
rim
est
re 1
2T
rim
est
re 1
3T
rim
est
re 1
4C
om
po
ne
nte
1:
Pla
nif
ica
ció
n t
écn
ica
d
esa
rro
lla
da
pa
ra e
l d
ise
ño
y c
on
stru
cció
n d
el
La
bo
rato
rio
de
Alt
o V
olt
aje
1.1
Dim
ensi
onam
ient
o y
dete
rmin
ació
n de
los
usos
del
Lab
orat
orio
1.20
0,00
1.2
Dis
eño
de la
s ob
ras
civi
les
1.20
0,00
1.3
Dis
eños
de
Inst
alac
ione
s el
éctr
icas
1.20
0,00
1.4
Dis
eño
de s
ervi
cios
gen
eral
es1.
200,
00
1.5
Ela
bora
ción
de
base
s pa
ra a
dqui
sici
ón d
e
equi
pos
1.50
0,00
1.6
Ela
bora
ción
bas
es p
ara
la c
onst
rucc
ión
del
edifi
cio
para
el l
abor
ator
io1.
500,
00
1.7
Ela
bora
ción
de
plie
gos
y as
iste
ncia
en
la
eval
uaci
ón d
e of
erta
s3.
000,
00
1.8
Adq
uisi
ción
de
equi
pos
y co
nstr
ucci
ón d
e
inst
alac
ione
s6.
664.
584,
07
Co
mp
on
en
te 2
: R
ecu
rso
s H
um
an
os
form
ad
os
en
ca
nti
da
d s
ufi
cie
nte
s y
esp
eci
ali
zad
os
en
T
écn
ica
s d
e A
lto
Vo
lta
je2.
1 F
orm
ació
n de
per
sona
l aca
dém
ico
con
prog
ram
as d
e fo
rmac
ión
o m
aest
rías
XX
XX
XX
XX
2.2
Cap
acita
ción
de
pers
onal
en
sitio
del
fabr
ican
te
de e
quip
os3.
000,
00
2.3
Cap
acita
ción
del
per
sona
l en
el la
bora
torio
por
part
e de
l pro
veed
orX
Co
mp
on
en
te 3
: C
ue
rpo
no
rma
tivo
est
ab
leci
do
p
ara
la
s o
pe
raci
on
es
y e
nsa
yos
a r
ea
liza
r e
n
el
lab
ora
tori
o
3.1
Rec
opila
ción
de
Nor
mas
Nac
iona
les
1.20
0,00
3.2
Rec
opila
ción
de
Nor
mas
Inte
rnac
iona
les
6.00
0,00
3.3
Cre
ació
n de
mar
co n
orm
ativ
o pa
ra e
nsay
os d
el
Labo
rato
rio2.
500,
00
3.4
Ela
bora
ción
de
un m
anua
l de
proc
esos
par
a el
Labo
rato
rio2.
500,
00
Co
mp
on
en
te 4
: O
pe
raci
ón
de
l la
bo
rato
rio
a
sist
ida
en
el
pri
me
r a
ño
de
fu
nci
on
am
ien
to
po
r p
art
e d
el
pro
vee
do
r a
dju
dic
ad
o4.
1 S
emin
ario
s es
peci
ales
en
técn
icas
de
alto
volta
je a
l per
sona
l de
la E
PN
X
4.2
Aco
mpa
ñam
ient
o en
el p
erío
do in
icia
l de
func
iona
mie
nto
del l
abor
ator
io d
e un
año
XX
XX
No
tas:
* C
asill
as s
ombr
eada
s m
uest
ran
la d
urac
ión
de
toda
la a
ctiv
idad
. *
Cas
illas
mar
cada
s co
n X
no t
iene
n as
igna
ción
de
valo
r. E
n el
cas
o de
la c
apac
itaci
ón m
edia
nte
mae
stría
s la
fina
ncia
ción
no
form
a pa
rte
de e
ste
proy
ecto
.
* E
n l
os
otr
os
ca
so
s,
las
ac
tiv
ida
de
s f
orm
an
pa
rte
de
lo
s c
on
ve
nio
s q
ue
se
de
be
n l
og
rar
co
n l
os
pro
ve
ed
ore
s c
om
o p
art
e d
e l
a a
dq
uis
ició
n d
e e
qu
ipo
s
259
5.6.4 ORIGEN DE LOS INSUMOS
Los equipos de generación de alto voltaje no existen en el país, es más, hay muy
pocos países en Europa que se dedican a su fabricación. El componente nacional
está en la mano de obra de la construcción del laboratorio, y en la ingeniería del
proyecto. En las Tablas 5.16 y 5.17 se detallan los orígenes de insumos en base a
la Matriz de Marco Lógico.
Tabla 5.16. Origen de Insumos del proyecto sin incluir el sistema de pruebas en
transformadores. En base a los componentes de la MML
Componentes/
Rubros
ORIGEN DE INSUMOS TOTAL
Nacional Importado
(US$) % (US$) %
Componente 1:
Planificación técnica desarrollada para el diseño y construcción del Laboratorio de Alto Voltaje 1.1 Dimensionamiento
y determinación de los
usos del Laboratorio
1200 0,03 1200
1.2 Diseño de las obras
civiles 1200 0,03 1200
1.3 Diseños de
Instalaciones eléctricas 1200 0,03 1200
1.4 Diseño de servicios
generales 1200 0,03 1200
1.5 Elaboración de
bases para adquisición
de equipos
1500 0,04 1500
1.6 Elaboración bases
para la construcción del
edificio para el
laboratorio
1500 0,04 1500
1.7 Elaboración de
pliegos y asistencia en
la evaluación de ofertas
3000 0,07 3000
1.8 Adquisición de
equipos y construcción
de instalaciones
64 907,00 1,62 3 912 981,00 97,73 3 977 888,01
Componente 2:
Recursos Humanos formados en cantidad suficientes y especializados en Técnicas de Alto Voltaje
260
2.2 Capacitación de
personal en sitio del
fabricante de equipos
3 000 0,07 3000
Componente 3:
Cuerpo normativo establecido para las operaciones y ensayos a realizar en el laboratorio
3.1 Recopilación de
Normas Nacionales
1200 0,03 1200
3.2 Recopilación de
Normas
Internacionales
6000 0,15 6000
3.3 Creación de marco
normativo para
ensayos del
Laboratorio
2500 0,06 2500
3.4 Elaboración de un
manual de procesos
para el Laboratorio
2500 0,06 2500
TOTAL
PRESUPUESTO
87 907,00 2,2 3 915 981,00 97,8 4 003 888,01
Tabla 5.17. Origen de Insumos del proyecto con el sistema de pruebas en
transformadores. En base a los componentes de la MML
Componentes/
Rubros
ORIGEN DE INSUMOS TOTAL
Nacional Importado
(US$) % (US$) %
Componente 1:
Planificación técnica desarrollada para el diseño y construcción del Laboratorio de Alto Voltaje 1.1 Dimensionamiento
y determinación de los
usos del Laboratorio
1200 0,018 1200
1.2 Diseño de las obras
civiles 1200 0,018 1200
1.3 Diseños de
Instalaciones eléctricas 1200 0,018 1200
1.4 Diseño de servicios
generales 1200 0,018 1200
1.5 Elaboración de
bases para adquisición
de equipos
1500 0,022 1500
1.6 Elaboración bases
para la construcción del
edificio para el
laboratorio
1500 0,022 1500
261
1.7 Elaboración de
pliegos y asistencia en
la evaluación de ofertas
3000 0,045 3000
1.8 Adquisición de
equipos y construcción
de instalaciones
64 907,00 0,97 3 912.981,00 98,64 6 664 548,07
Componente 2:
Recursos Humanos formados en cantidad suficientes y especializados en Técnicas de Alto Voltaje
2.2 Capacitación de
personal en sitio del
fabricante de equipos
3000 0,045 3000
Componente 3:
Cuerpo normativo establecido para las operaciones y ensayos a realizar en el laboratorio
3.1 Recopilación de
Normas Nacionales
1200 0,018 1200
3.2 Recopilación de
Normas
Internacionales
6000 0,19 6000
3.3 Creación de marco
normativo para
ensayos del
Laboratorio
2500 0,037 2500
3.4 Elaboración de un
manual de procesos
para el Laboratorio
2500 0,037 2500
TOTAL
PRESUPUESTO
87 907,00 1,31 6 602 641,07 98,69 6 690 548,07
ESTRATEGIA DE SEGUIMIENTO Y EVALUACIÓN
5.7.1 MONITOREO DE LA EJECUCIÓN
El Departamento de Energía Eléctrica de la EPN, mediante comisiones que
conformará, realizará el seguimiento diario de la ejecución de las obras civiles. Se
reportará el avance semanalmente y tomará decisiones con el fin de cumplir el
cronograma propuesto.
262
5.7.2 EVALUACIÓN DE RESULTADOS E IMPACTOS
Una vez finalizado el proyecto se evaluará los resultados en base a los indicadores
de la Matriz de Marco Lógico.
En el período inicial se evaluará:
- Que las instalaciones y equipos cubren las necesidades planteadas.
- El incremento de alumnos que utilizan el laboratorio.
- El marco normativo elaborado para las funciones del laboratorio.
En el mediano plazo de 5 años se evaluará:
- La cantidad de proyectos de titulación y tesis de posgrado realizadas usando
los recursos del laboratorio.
- Los proyectos de investigación realizados por medio del laboratorio.
- La cantidad de servicios prestados al medio externo.
- La cantidad de profesionales formados con posgrado en técnicas de alto
voltaje que trabajen directa o indirectamente en el laboratorio.
5.7.3 ACTUALIZACIÓN DE LA LÍNEA DE BASE
Una vez que se obtenga el financiamiento y se vaya a ejecutar el proyecto, de ser
necesario, la EPN actualizará la línea base.
263
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
· El actual laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional con casi
5 décadas de funcionamiento resulta insuficiente para llevar a cabo actividades
docentes, de investigación y de servicios de extensión al medio externo. Su
tamaño y capacidad no permiten que más de 4 alumnos usen el laboratorio por
sesión, y que sólo se pueda probar ciertos equipos del nivel de voltaje de
distribución de energía.
· En el país no existe un laboratorio de ensayos en equipo de alto voltaje que
pueda cubrir los requerimientos internacionales de pruebas según estándares
IEC, ANSI/IEEE, ASTM u otros. Sólo hay 3 instituciones a nivel nacional con un
laboratorio de características similares al de la Escuela Politécnica Nacional,
que son kits de ensamblaje de circuitos típicos, que se utilizan a nivel de
pregrado e institutos técnicos en otros lugares del mundo. No tienen la
capacidad ni felxibilidad de un Laboratorio de Alto Voltaje de tipo industrial.
· El advenimiento del Sistema de Transmisión de Energía de 500 kV en el
Ecuador trae consigo nuevos equipos y materiales que se usan en su
construcción y que deben cumplir con ensayos dieléctricos. Los que por la
inexistencia de un laboratorio de esa capacidad de prueba a nivel nacional se
encarecen debido a la realización de ensayos en el exterior.
· La limitada capacidad de trabajo del laboratorio de alto voltaje existente, no
permite realizar proyectos de investigación que proyecten el nacimiento o
desarrollo de una industria eléctrica nacional. La falta de investigación se debe
a la limitada cantidad de equipos requeridos así como al financiamiento casi
inexistente, que como se puede observar en este proyecto, los recursos que ha
generado el laboratorio durante años no han renovado el equipo ni el local del
laboratorio.
264
· La proyección de un Nuevo Laboratorio de Alto Voltaje debe empezar por el
cambio de la visión deformada de la ciencia y la tecnología que se tiene como
resultado de la educación recibida desde la infancia. La ciencia y la tecnología
son dos actividades que por lo general se abarcan separadamente, sin
entender sus implicaciones sociales, que hacen ver y creer a la gente en una
figura de un científico encerrado y aislado del mundo exterior que por arte de
magia o se su mente superior hace descubrimientos; cuando la realidad es
totalmente diferente, no se puede realizar ciencia sin tecnología, cuando el
trabajo de investigación nace del trabajo colectivo, del intercambio entre
equipos y del planteamiento de hipótesis a comprobar en lugar de
observaciones empírico-inductivistas que es el marco en el que se ha
desarrollado la educación del Ecuador durante años.
· Las prácticas de laboratorio son el primer lugar donde la visión clásica de hacer
ciencia se han aferrado durante generaciones a limitarse a seguir una �receta�
que poco o nada aporta al desarrollo de una visión de la ciencia y de cómo
realizar investigaciones. Las prácticas en el laboratorio deben cambiar, y
encaminarse a desarrollar la capacidad de creación, de diseño, de resolución
de problemas usando los datos obtenidos en los experimentos como una
herramienta y no como el fin de la práctica.
· Las prácticas de laboratorio deben aprovecharse como una actividad que relaje
al estudiante en lugar de convertirse en una experiencia contraproducente,
sujeta a �coloquios� o lecciones, hojas de datos estándares, y miedo a ser
sacado de la clase. Muchas investigaciones de pedagogos de renombre
muestran que los alumnos llegaron a odiar las prácticas de laboratorio, y que lo
único bueno que les veían es que de cierta forma podían relacionarse de mejor
manera con sus profesores debido a la cercanía de trabajo que hay en estas
situaciones.
· Las prácticas de laboratorio deben presentar situaciones problemáticas
abiertas para que los alumnos puedan pensar en alternativas de solución, que
promueva un clima de trabajo colectivo, elaborando prácticas que incluyan el
265
diseño de los experimentos por parte de los alumnos, enfocando el análisis de
resultados en base a las hipótesis planteadas en cada práctica y a los
resultados obtenidos por otros equipos de trabajo, y en especial, a encaminar
el pensamiento innovador para que los estudiantes imaginen cómo aplicar los
resultados de un experimento en la vida real, planificando posibles prototipos
de productos tecnológicos que se puedan elaborar y el impacto social y
ambiental que tendrían tales creaciones o acciones.
· En el área de alto voltaje existen muchas alternativas para realizar proyectos
de investigación como: degradaciones del aislamiento eléctrico por la altitud
sobre el nivel del mar, estando Quito a un nivel de 2850 m.s.n.m. Desarrollar
materiales dieléctricos, elementos eléctricos nacionales como aisladores,
seccionadores, disyuntores, apartarrayos, etc., actividad que se puede realizar
en conjunto con la Facultad de Ingeniería Química, y la Facultad de Ingeniería
Mecánica. Realizar estudios de compatibilidad electromagnética. Estudiar
sistemas de puesta a tierra, de apantallamientos eléctricos y coordinación de
aislamientos que serían la especialidad de este laboratorio.
· El diseño de equipos eléctricos, en especial de transformadores sería esencial
para impulsar la industria nacional que ya cuenta con un par de fábricas de
transformadores de distribución, también está el área de protección y seguridad
personal en el trabajo de alto voltaje, son ejemplos de las oportunidades que
se han podido visualizar en base a la experiencia y la investigación realizada
para este proyecto.
· El Laboratorio de Alto Voltaje también es un ente que puede y debe ayudar a
la industria eléctrica ecuatoriana. Durante años ha prestado sus servicios de
ensayos a las empresas del sector eléctrico, pero debe dar un paso más allá,
para convertirse en un consultor o aliado que haga propuestas para mejorar
productos, para impulsar a los empresarios a crear industrias nacionales
ofreciendo el apoyo de la universidad por medio de sus profesionales, con
convenios de ganancia mutua.
266
· Los ensayos en alto voltaje requieren del apoyo de una gran cantidad de
normas técnicas, por lo general del tipo internacionales, que tienen un costo de
adquisición y no se han actualizado en décadas, haciendo que se recurra
muchas veces a descargar copias no autorizadas para realizar una prueba. Es
necesario tener un marco normativo actualizado y adaptado a la realidad
ecuatoriana, por lo que se debería realizar un trabajo en conjunto con el Instituto
Ecuatoriano de Normalización INEN; ya que ese instituto brinda sus normas
gratuitamente, pero no tiene todas las requeridas, muchas están
desactualizadas, y no están bien adaptadas a nuestra realidad.
· El laboratorio que se propone en este proyecto es del tipo mediano-industrial,
que sirve para realizar pruebas de rutina a una gran cantidad de equipos, ocupa
un espacio considerable para manejo y transporte de equipos pesados, que
tenga capacidad de crecer en el futuro. Se especifica para cubrir pruebas de
equipos de voltaje alterno del nivel de transmisión de 500 kV, y con la capacidad
de prueba de transformadores de potencia de hasta 100 MVA.
· Luego de considerar la reducción del aislamiento en Quito por su altitud, el nivel
de prueba deseado, la disponibilidad de espacio, la existencia de equipos en el
mercado y disponibilidad de proveedores, se determinó que los equipos
requeridos básicamente deben ser: un sistema de generación de alto voltaje
alterno de 800 kV nominales, un sistema de generación de voltajes de impulso
de 2000 kVp con un nivel de energía de al menos 100 kJ que cuente con
generación de ondas de impulso atmosférico, de impulso de maniobra y ondas
recortadas, un sistema de generación de alto voltaje directo de 400 kV y al
menos 20 mA, un sistema de impulsos de corriente con capacidad de prueba
en apartarrayos de clases 1 a 5 y hasta 20 kA nominales.
· El laboratorio que existe actualmente en la institución no se va a desechar en
caso de construir un nuevo laboratorio, a pesar de tantos años de servicio con
el cuidado que ha tenido, aún puede trabajar como apoyo a los primeros
conceptos de la materia de alto voltaje, por lo que se puede ubicar en las
instalaciones del nuevo laboratorio sin problema alguno y seguirse utilizando.
267
· Existen sistemas de prueba de transformadores de potencia, que tienen todas
las facilidades para probar estos equipos tanto en el laboratorio como en el sitio
donde funcionan. En el mercado hay sistema de prueba en transformadores de
hasta una potencia de 100 MVA. Si bien la inversión que representan estos
sistemas es grande, la utilidad que se le puede sacar también es importante.
Los transformadores de potencia del sistema eléctrico cuestan mucho dinero,
y en el país no existe una empresa dedicada al ensayo de estos equipos como
medida de evaluación y mantenimiento preventivo. Este servicio puede ser
brindado por la universidad a todas las empresas de distribución de energía
eléctrica del país ya que cuentan con más de trescientas subestaciones de
potencia, así como a la empresa transmisora de energía. Los costos de estos
ensayos son mucho mayores a los que se cobran por pruebas tradicionales en
el laboratorio y pueden ser una fuente muy importante para mantener al
laboratorio.
· Los equipos de alto voltaje para este proyecto son muy grandes, y por el gran
voltaje que producen necesitan de espacio físico para tener distancias de
seguridad y evitar descargas eléctricas hacia la estructura del laboratorio u
otras partes de diferente potencial. Por ello el requerimiento de espacio es muy
grande para su ubicación en un laboratorio. Se consideró dos alternativas para
este proyecto: con y sin un sistema de prueba de transformadores de potencia,
principalmente porque este sistema representa una inversión muy importante.
En base a estos criterios de distancias recomendadas, se estableció que el
espacio mínimo para el laboratorio es un galpón o nave industrial con un área
de 30m x 44m si no se instala el sistema de prueba de transformadores, o de
40m x 44m si se toma la opción de instalar ese sistema, y en ambos casos con
una altura libre al techo de la estructura de 15 metros. Resulta una edificación
bastante grande, que debe aprovecharse para aledañamente construir aulas,
oficinas, talleres, bodegas, salas de conferencia y otras construcciones que
sean útiles a la universidad, todo eso en función de la disponibilidad de espacio
físico.
268
· El proyecto es ambicioso y presenta costos de inversión muy grandes. Por lo
que debe buscar financiamiento externo, la principal vía de financiamiento sería
por inversión de ingresos fiscales del estado. Por lo que se debe tratar de
ingresar el proyecto al Plan Anual de Inversión Pública del Ecuador. Por lo que
se ha siguió los lineamientos de la Secretaría Nacional de Planificación y
Desarrollo para redactar un documento que sirva como presentación del
proyecto y pueda empezar a proponerse su financiamiento.
· Este proyecto es del tipo de Infraestructura del Sector Educativo, sus objetivos
principales son la investigación científica y el servicio académico, por lo que en
términos financieros no produce ingresos o ganancias que justifiquen su
inversión. Para realizar una evaluación de la viabilidad económica se planteó
considerar el costo que el estado cubre por cada estudiante politécnico como
un ingreso económico al laboratorio, para de cierta manera estimar los
indicadores económicos como VAN y TIR del proyecto, pero esta forma de
valorar a un estudiante resulta insuficiente, ya que el capital humano es
prácticamente infinito y por tanto cualquier forma de estimación económica
resulta subjetiva, considerando que los beneficios de este proyecto son sociales
al buscar desarrollar tecnología e innovación mediante la investigación y
educación, por lo que el proyecto no se puede juzgar solamente por un
indicador económico.
· El capital humano es lo más valioso para este proyecto. Una nueva generación
de docentes jóvenes y con ganas de trabajar están formándose en el exterior y
en la misma universidad. Ellos son los responsables de llevar a cabo todas las
propuestas investigativas en el futuro, no sólo de este proyecto, sino de la
universidad en general, para que este proyecto funcione, se necesita del
recurso humano formado y especializado en técnicas de alto voltaje, ya que a
pesar de cierta experiencia ganada en el laboratorio existente, muchas de las
actividades que se pueden realizar en el nuevo laboratorio nunca se han
realizado en el país, y sacar adelante este proyecto requiere de gente con gusto
por este tipo de trabajo y con visión de investigación, que debe ser apoyado por
269
la universidad para formarse con posgrados en el exterior a fin de poder
manejar un laboratorio y la teoría atrás de esta iniciativa.
· El nuevo laboratorio de Alto Voltaje debe enfocarse en tres ejes: ser un
verdadero apoyo al docente y al alumno que lo usa, para desarrollar en él las
destrezas de un futuro investigador y de criterios de buena ingeniería; el
segundo eje es que debe ser una herramienta importante a la hora de
desarrollar investigación científico-técnica con el fin de generar bienes de gran
valor agregado y tecnología nacional, y su tercer eje debe ser un eje de apoyo
a la industria eléctrica existente y ayudarla a mejorar en la calidad de sus
productos y en su competitividad.
· El Ecuador es un país que produce muy poca tecnología, que durante años se
ha dedicado a extraer recursos naturales para su mantenimiento, y que en la
actualidad observa como esas políticas nos afectan con eventos como la caída
del precio del petróleo. Es por eso que cambiar de enfoque, o lo que el gobierno
llama el Cambio de la Matriz Productiva es una propuesta muy importante, ya
que la tecnología y el conocimiento producen bienes de valor económico muy
alto. Este cambio toma muchos años, y depende de más factores como la
disponibilidad de energía y la inversión en educación. Realizar investigación
que luego produzca bienes comerciales de gran valor requiere de inversiones
muy grandes, y tiempos de recuperación largos, sus objetivos pueden
recogerse en otras generaciones incluso, basta ver la historia de los países
conocidos como los Tigres Asiáticos que se dedicaron a la inversión en
educación y tecnología y esperaron años hasta ver su crecimiento y convertirse
en potencias mundiales, sin los recursos naturales o tamaño del Ecuador. Con
ese cambio de visión debe verse la inversión en este proyecto no como un
gasto desorbitante, sino como una opción para cambiar la historia de la Carrera
de Ingeniería Eléctrica de la universidad, como una oportunidad para
desarrollar y ayudar al nacimiento de un país menos extractivista y enfocado al
desarrollo del conocimiento como su base de sustento.
270
RECOMENDACIONES
· El actual laboratorio de alto voltaje de la E.P.N seguiría funcionando en caso
de que se construya un nuevo laboratorio. Sin embargo, si no se construye este
proyecto, es imposible seguir manteniendo sólo el laboratorio actual que puede
fallar en cualquier momento. Se recomienda, que se repotencie ese pequeño
laboratorio, con un kit de 300 kV AC, 420 kV DC y 420 kV de impulso. El kit es
del tipo del laboratorio actual, fácil de instalar en el mismo local, sin cambios
mayores a las instalaciones. Cuyo precio rodea el valor de $ 300.000 y que
incluso tiene una propuesta presentada al Departamento de Energía Eléctrica
para su gestión. Si no se realiza al menos esta adquisición, el laboratorio de
alto voltaje servirá cada vez menos o nada en los procesos de investigación
que se plantea la carrera. Incluso en el futuro, de implementarse este proyecto
de un laboratorio mucho más potente y grande, se puede mover el pequeño
laboratorio que se haya mejorado al nuevo lugar sin mayores inconvenientes.
· El galpón del laboratorio debe ser de estructura metálica, puede tener paredes
metálicas únicamente si eso reduce su costo de inversión, pero por lo general
se realiza con paredes de cemento recubiertas por dentro con placas de metal
para formar el apantallamiento eléctrico o Jaula de Faraday que es muy
importante para la realización de pruebas de descargas parciales con el fin de
reducir interferencias eléctricas. La estructura debe estar aterrizada con la
malla de puesta a tierra que debe cubrir todo el piso del laboratorio. Para
mejorar la acústica del laboratorio típicamente se perforan las placas metálicas
que cubren las paredes con agujeros de 3 mm espaciados cada 8 mm.
· El sistema de generación de alto voltaje alterno puede ser de tipo transformador
de prueba, o del tipo resonante. Se recomienda utilizar un sistema resonante
ya que para la misma potencia necesaria en este proyecto de cerca de 1500
kVA, el sistema de transformador requiere de toda esa potencia desde el
suministro de la red, mientras que el sistema resonante requiere sólo 50 kVA,
lo cual representa un ahorro de energía y de la infraestructura eléctrica de bajo
voltaje enorme.
271
· En el diseño definitivo del laboratorio debe buscarse reducir el consumo de
energía mediante iluminación eficiente del laboratorio, ya que por su tamaño
representa alrededor de 8 kW de potencia instalada si se diseña con criterios
tradicionales.
· El techo del galpón debe aprovecharse diseñándolo con la suficiente capacidad
para soportar paneles solares sobre él, de ese modo en algún momento se
puede realizar una pequeña instalación fotovoltaica en ese mismo edificio y
aprovechar tanto la energía como los conocimientos que se ganen en la
construcción de un sistema de este tipo. En el área del techo de este galpón
pueden entrar alrededor de 1000 paneles solares.
· El laboratorio debe considerar espacio para transportes pesados que traigan
transformadores por ejemplo. Se plantea que el laboratorio se construya en los
terrenos donados a la Escuela Politécnica Nacional junto a la Facultad de
Ingeniería Eléctrica y Electrónica, pero si por alguna razón no se pudiese
construir ahí, hay que considerar un terreno de 2000 metros cuadrados para el
emplazamiento del laboratorio, con suministro de energía con capacidad de 800
kVA en el caso más demandante.
· Un laboratorio como el que se ha descrito en este trabajo, en el caso de
construirse debería certificarse para ofrecer servicios de calidad comprobada.
La Norma ISO IEC 17025:2005 �Requisitos generales para la competencia de
laboratorios de calibración y ensayo� establece criterios generales, legales, de
imparcialidad, independencia e integridad, competencia técnica, cooperación
con otros laboratorios, obligaciones con sus usuarios, relación con otros
organismos para el intercambio de información y experiencia y debe ser una
base en la consideración de la acreditación del laboratorio.
· El presente proyecto de titulación se realizó durante meses de trabajo junto a
profesores del Departamento de Energía Eléctrica, buscando proveedores que
suministren la información necesaria sin la cual hubiese sido muy difícil estimar
costos, tamaños y requerimientos para el laboratorio. Se deja también perfiles
272
de proyecto en Formato SENPLADES para gestionar su financiamiento. Pero
los valores de inversión, la proformas obtenidas y los mismos equipos suben
de precio con el tiempo, en el caso de la tecnología se incrementan mucho más
rápido. Este proyecto puede servir de base para la presentación de un proyecto
definitivo al estado. Pero resultaría muy frustrante e inútil todo el trabajo
realizado si no se realizan las gestiones necesarias para financiarlo,
históricamente es la cuarta propuesta que se maneja ya en 50 años de
funcionamiento del Laboratorio de Alto Voltaje, y sin el apoyo y movimiento del
Departamento de Energía Eléctrica se convertiría en un manuscrito más en un
rincón de la biblioteca, así que a pesar de sonar simplista, es recomendable
ejecutar el proyecto, no necesariamente igual a como se ha descrito en este
trabajo, pero sí un Laboratorio de capacidad mediana-industrial.
273
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] L. Naranjo, "Nuevo Laboratorio de Circuitos Eléctricos", Tesis de Ingeniería,
Escuela Politécnica Nacional, Quito, 2002.
[2] Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo SENPLADES. "Plan
Nacional del Buen Vivir 2013-2017", citado en: http://www.buenvivir.gob.ec/,
enero de 2015.
[3] Y. T. Liu, "El desarrollo económico y tecnológico de Taiwán", Revista
Perspectiva, Citado en:
http://www.revistaperspectiva.com/archivos/revista/No%2016/tzo.pdf, enero
de 2015.
[4] P. Valdés, D. Gil Pérez, J. Martínez, and C. Sifredo, "¿Cómo promover el
interés por la cultura científica?", Oficina Regional de Educación de la
UNESCO para América Latina y el Caribe OREALC/UNESCO, Santiago,
2005.
[5] O. Barberá and P. Valdés, "El trabajo práctico en la enseñanza de las
ciencias: una revisión", Revista Enseñanza de las Ciencias, 1996, pp. 365-
379.
[6] A. Estany and J. Mosterín, "Modelos de cambio científico", Barcelona, 1990.
[7] C. G. Hempel, "Filosofía de la ciencia natural vol. 125", St. Martin's Press,
2006.
[8] D. Hodson, "Re-thinking old ways: Towards a more critical approach to
practical work in school science", 1993.
[9] J. F. Kerr and H. F. Boulind, "Practical work in school science", Leicester
University Press, 1964.
274
[10] R. Tremlett, "An investigation into the development of practical work for
undergraduates in chemistry," Tesis Doctoral, University of East Anglia,
Norwich, U.K., 1972.
[11] Y. Friedler and P. Tamir, "Teaching basic concepts of scientific research to
high school students", Journal of Biological Education, vol. 20, pp. 263-269,
1986.
[12] P. Gardner and C. Gauld, "Labwork and students' attitudes", The Studdent
Laboratory and the Science Curriculum, Londres, 1990 1990.
[13] P. Kirschner, M. Meester, E. Middelbeek, and H. Hermans, "Agreement
between student expectations, experiences and actual objectives of
practicals in the natural sciences at the Open University of The Netherlands",
International Journal of Science Education, vol. 15, pp. 175-197, 1993.
[14] K. Tobin, "Secondary science laboratory activities", European Journal of
Science Education, vol. 8, pp. 199-211, 1986.
[15] D. L. Gabel, "Handbook of Research on Science Teaching and Learning
Project", Editorial ERIC, 1993.
[16] J. Wilkinson and M. Ward, "A comparative study of students' and their
teacher's perceptions of laboratory work in secondary schools", Research in
Science Education, vol. 27, pp. 599-610, 1997.
[17] D. Hodson, "Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio",
Enseñanza de las Ciencias, vol. 12, pp. 299-313, 1994.
[18] M. S. Naidu and V. Kamaraju, "High voltage engineering", Tata McGraw-Hill
Education, 2009.
275
[19] "High-voltage test techniques Part 1: General definitions and test
requirements", IEC Std. 60060-1, 1989.
[20] J. Kuffel, E. Kuffel, and W. S. Zaengl, "High voltage engineering
fundamentals", Newnes, 2000.
[21] "Insulation co-ordination Part 1: Definitions, principales and rules ", IEC Std.
60071-1, 2006.
[22] "Power transformers Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external
clearances in air", IEC Std. 60076-3, 2013.
[23] "Instrument transformers Part 1: General requirements ", IEC Std. 61869-1
2007.
[24] http://www.thecollectiveint.com/2014/07/electrifying-giant-futuristic-
tesla.html, "Electrifying: Giant futuristic 'Tesla Tower' in abandoned woods
near Moscow," citado en enero de 2015.
[25] "AC TEST SYSTEM. Tank Type Transformers", Haefely High Voltage Test,
http://www.haefely.com/pdf/LL_PSK.pdf, 2015.
[26] "AC resonant test system WRM 2000/800-400", Especificaciones Técnicas
proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[27] "DC test system GPM 40/400", Especificaciones Técnicas proprocionadas
por HIGH VOLT, 2015.
[28] "Impulse voltage test system IP 200/2000 G", Especificaciones Técnicas
proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[29] "Surge arresters Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c.
systems", IEC Std. 60099-4, 2014.
276
[30] "Impulse Current Test System 200 kJ, 100 kV IP 200/100 S",
Especificaciones Técnicas proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[31] "AC Test System 48 kVA, 25 kV WP 48/25 sp", Especificaciones Técnicas
proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[32] "Power transformers Part 1: General", IEC Std. 60076-1, 2011.
[33] "Test System for Transformer Testing WV 620-1000/80", Especificaciones
Técnicas proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[34] "AC resonant test system WRV 5/360 M", Especificaciones Técnicas
proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[35] "Mobile HV capacitive compensation unit HVCC 24000/36", Especificaciones
Técnicas proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[36] "PD measurement + C-tan delta measuring system", Especificaciones
Técnicas proprocionadas por HIGH VOLT, 2015.
[37] N. Bratu, "Instalaciones Eléctricas. Conceptos Básicos y Diseño", 2da ed.
Mexico, 1992.
[38] V. Hermosillo, "Design of The Ohio State University High Voltage
Laboratory", Tesis de Masterado, The Ohio State University 1987.
[39] CONELEC, "Estadísticas del Sector Eléctrico Ecuatoriano," edición 2013.
[40] E. Machasilla, D. Sánchez, and O. Urgilés, "ANÁLISIS DEL IMPACTO DE
LA EDUCACIÓN GRATUITA EN LAS UNIVERSIDADES ESTATALES DE
LA CIUDAD DE GUAYAQUIL", Tesis de grado previa la obtención del título
de Economista con Mención en Gestión Empresarial, especialización
Finanzas y Gestión Política, Escuela Politécnica del Litoral, 2009.
277
[41] D. Kind and K. Feser, "High voltage test techniques" Newnes, 2001.
[42] C. Wadhwa, "High voltage engineering", New Age International, 2007.
[43] L. T. Blank, A. J. Tarquin, and C. F. M. B., "Ingeniería económica", McGraw-
Hill, 1991.
[44] SENPLADES, "NORMAS PARA LA INCLUSIÓN DE PROGRAMAS Y
PROYECTOS EN LOS PLANES DE INVERSIÓN PÚBLICA", edición 2015.
[45] E. Ortegón, A. Prieto, "Metodología del marco lógico para la planificación, el
seguimiento y la evaluación de proyectos y programas", United Nations
Publications, 2005.
![[Jaaa] 51704027-LAIVE-SA.pdf](https://static.fdocuments.mx/doc/165x107/55cf94eb550346f57ba54e92/jaaa-51704027-laive-sapdf.jpg)
