Instituto Politécnico NacionalPractica 3

Conocimiento del el Equipo de Laboratorio: El Generador de Marx Pérez Barreto Fernando.

Ingeniería Eléctrica.Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Eléctrica Unidad Zacatenco.

fernandoperezbarreto@hotmail.com

Resumen- El presente documento tiene como objetivo , dar a conocer el funcionamiento de un Generador de Marx, tanto para una etapa y n etapas, haciendo énfasis en su funcionamiento y el análisis de las pruebas que se pueden llegar a realizar en el Laboratorio de Altas Tensiones en la ESIME Zacatenco.

I. OBJETIVOS

Conocer el funcionamiento del Generador de Marx Conocer los tipos de prueba que se pueden realizar

con el Generador de Marx

II. MARCO TEÓRICO

El Generador de Marx es el instrumento encargado de generar transitorios de altos voltajes para simular sobretensiones atmosféricas permitiendo realizar pruebas de aislamiento sin que ocurra ruptura dieléctrica

2.1 Principio de Generador

El circuito equivalente básico para generar las ondas de impulso de tensión se muestra en la figura 1. En el circuito mostrado se han despreciadola inductancia y resistencia del objeto bajo prueba. El principio de funcionamiento es simple: la capacitancia Cs, es cargada previamente a una tensión Vo; posteriormente, al accionar el GAP, ésta tranfiere su carga a la capacitancia Cb, a través de Rd, para ello se requiere que Rd<<Re. Esta parte determina el tiempo de frente o crecimiento de la señal; una vez Cb se ha cargado, las dos capacitancias se descargan a través de Re, generando la fase de descarga o cola de la onda de impulso.

Donde:

Cs : capacitancia equivalente del GIV Re : resistencia equivalente de colaGap: interruptor para el control de disparo Rd : resistencia equivalente de frenteCb : capacitancia del objeto bajo prueba OBP: objeto bajo prueba

Los dos procesos carga y descarga de Cb corresponden a dos señales de tipo exponencial superpuestas que dan origen a la onda de impulso (figura 1). Los tiempos de frente (1,2 ms ± 30%) y cola (50 ms ± 20%), de la onda de impulso de tensión tipo rayo, se logran mediante la manipulación de las constantes de tiempo de las señales exponenciales de carga y descarga, es decir, que una vez definidos Cs y Cb, los tiempos de la señal de impulso de tensión se obtienen mediante la correcta selección de las resistencias de frente y cola Rd y Re, respectivamente.

Se puede demostrar que la onda de impulso está determinada por la siguiente ecuación:

Donde:V´ es la tensión de carga del condensador y son las constantes de tiempo de las dos exponenciales que dan origen a la onda de impulso.Analizando el momento en que ocurre la descarga entre GAP, el condensador Cb se carga con una constante de tiempo T1

tenemos que:

el producto de la resistencia de frente Rd con la capacidad equivalente serie de los dos condensadores Cs y Cb. Generalmente, se asume que Cs>>Cb por lo que relación se puede simplificar:

Que indica que la duración del frente de la onda de la tensión en el condensador Cb es directamente proporcional a la resistencia de frente Rd y a la capacidad del objeto de prueba Cb, en el instante en el cual la transferencia de carga de Cs a Cb es cero. Debido a una redistribución de la carga entre ambos, los condensadores se descargan en la resistencia Re a una constante de tiempo T2 igual a:

2.2Generador de impulso de tensión multietapa o tipo MARX

A medida que se hizo necesario incrementar el valor de prueba de las ondas de impulso de tensión, se hizo más difícil generar este tipo de señales, ya que se requerían capacitancias que soportaran mayor tensión de carga y la fuente de DC que las alimenta también debería ser de mayor tensión, lo que tecnológicamente era complicado y costoso. Por tal Motivo E.Marx, en 1924, determinó que la forma más conveniente de incrementar las tensiones de prueba para impulso era emplear múltiples etapas de condensadores que se cargaban en paralelo a una fracción de voltaje V y posteriormente se reconfiguraban en serie para lograr el mismo efecto del circuito básico y generar el impulso a la tensión deseada. La figura 3 muestra los componentes activos durante la carga de los condensadores y los componentes activos durante la generación de la onda de impulso.

III. DESARROLLO

1.- Se probo el generador de Marx, obteniendo su curva característica, mediante el tablero (ver figura 4) se introdujeron 80kV

2.- Se creó la onda del lado positivo y esta alcanza una máxima de 16kV(ver figura 5). En el tablero se introdujeron 10kV, debido a que el generador cuenta con 8 etapas este valor se multiplica por 8, dando como resultado los 80kV para que el arqueo entre esferas y 16kV de valor pico de tensión en la gráfica.

3.- Para la generación de Impulso Negativo se des energizoel generador y con una pértiga conectada a tierra se descargó cada uno de los capacitores.

4.- Se cambio la polaridad del generador(ver figura 6)

5.-Se introdujo una tensión de 104kV para que las esferas arquearan dando como resultado una onda con valor pico negativo de 15.28kV (ver figura 7).

6.- Se des energizo el generador y se conectó el Vóltmetro de esferas al generador de Marx(ver figura 8)considerando una separación entre esferas de 5.5 cm.

7.- Se obtuvo la tensión de ruptura utilizando el método “up and down”. Método que permite obtener un promedio de

tensión donde hay ruptura y consiste en que cuando hay ruptura se pasa a un valor menor de tensión y cuando no la hay se pasa a un valor mayor de tensión. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1.

Prueba Up and Down14 Aqueo13 No 14 Arqueo13 Arqueo12 No 13 No 14 Arqueo13 Arqueo12 No 13 No 14 Arqueo13 No 14 Arqueo

Tabla 1. Para Vóltmetro de Esferas

8.- Se des energizo y se conectó el Vóltmetro de puntas(figura 9), teniendo una separación de 25 cm entre puntas.

9.- Se implemento el mismo método “up and down” para determinar el valor de ruptura, registrados en las tabla 2

Prueba Up and Down22kV

Aqueo21kV

No Arqueo22k

VAqueo

21kV

Aqueo20kV

No Arqueo21k

VNo

Arqueo22kV

Aqueo21kV

No Arqueo22k

VAqueo

21kV

No Arqueo22k

VAqueo

21k AqueoTabla 2. Para Vóltmetro de Puntas

IV.ANÁLISIS DE RESULTADOS

Vóltmetro de esferas:Con los resultados obtenidos de la tabla 1 se calcula un promedio de tensión de ruptura:

Considerando las 8 etapas del generador:

Corrigiendo este resultado debido a las condiciones atmosféricas en el Distrito Federal para poder compáralo con los valores de tablas:

Donde:V es tensión de ruptura lugar de trabajoV0 es tensión de ruptura a condiciones atmosféricas estándares δ es factor de corrección por densidad relativa del aireb es presión atmosférica Distrito Federal (585mmHg)b0 es presión atmosférica estándar (760mmHg) t es temperatura ambiente del lugar de trabajo t0 es temperatura ambiente estándar (20°C)

Calculo del Error:

Vóltmetro de puntas:Con los resultados obtenidos de la tabla 2 se calcula un promedio de tensión de ruptura

Considerando las 8 etapas del generador:

Corrigiendo este resultado debido a las condiciones atmosféricas en el Distrito Federal para poder compáralo con los valores de tablas:

Calculo del Error:

V. CUESTIONARIO

1.- Describa el método “up and down” para el cálculo de la tensión critica de flameo experimentalmente.

Se propone una tensión de ruptura, al tener certeza de ella se prosigue a disminuir el voltaje en una unidad establecida, si hay ruptura se baja el voltaje aplicado, si no hay ruptura se eleva el voltaje aplicado. Se continúa con el procedimiento hasta que haya habido 5 rupturas.

2.- Explique porque se tienen formas de onda estandarizadas para los impulsos de rayo y de maniobra y si dichas formas de onda garantizan un valor de ruptura mínimo en el aislador.Para la manipulación de las constantes de tiempo de las señales exponenciales de carga y descarga, es decir, que una vez definidos de capacitores, los tiempos de la señal de impulso de tensión se obtienen mediante la correcta selección de las resistencias de frente y cola.

3.- Describa los tipos de prueba que se pueden realizar con el generador de Marx.Verificar la capacidad que posee determinado dispositivo de soportar dicho impulso sin que ocurra una ruptura dieléctrica en su aislamiento.

VI. CONCLUSIONESEl generador de Marx es una herramienta que permite probar un equipo en cuanto a su capacidad de soportar impulsos de tensión muy elevados y sus efectos, sin dañarlo, otra aplicación muy importante es el hecho que permite estudia y simular transitorios atmosféricos de forma segura y eficiente para el equipo.

Referencias

[1]. Diseño de un generador de Pulsos de 10kv, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia.