elementos de proteccion para maquinas dielectricas, Monografías, Ensayos de Electrónica Básica

¡Descarga elementos de proteccion para maquinas dielectricas y más Monografías, Ensayos en PDF de Electrónica Básica solo en Docsity! MES revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo, Vol. 17 (2), Julio-Diciembre 2017, pp. 83-92, Sogamoso-Boyacá, Colombia ISSN: 1900-771X, ISSN: 2422-4324 (En Línea) Dielectric strength test to protection elements for live lines works Carlos Eduardo Pinto-Salamanca”, Juan Carlos Castro-Galeano? ng., Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (Duitama, Boyacá, Colombia). carlos.pintoSuptc.edu.co 2MSc., Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (Duitama-Boyacá, Colombia). juan.castrogaleano Quptc.edu.co (Recibido noviembre 23 de 2016 y Aprobado junio 5 de 2017) Resumen Este artículo presenta el diseño y montaje de un sistema de pruebas de voltaje sostenido a elementos y equipos emplea- dos en maniobras de línea viva, a través de ensayos a guantes y pértigas, pues son los primeros puntos de contacto que garantizan operaciones seguras. Esto significa un avance para la creación de un laboratorio certificado en pruebas de este tipo en la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia UPTC, Facultad Seccional Duitama, si se considera que actualmente no se cuenta con laboratorios que presten el servicio en la región de Boyacá y Casanare. Se establecieron los ensayos de rigidez dieléctrica a los elementos y equipos de protección personal bajo los parámetros de las normas ASTM D120, ASTM F496, ISO 60903, ASTM-F711 y la IEEE 978, desarrollando un montaje para la realización de pruebas a guan- tes y pértigas con niveles de tensión de hasta 15 kV. Los resultados validan el sistema propuesto desde el punto de vista del diseño y la implementación del circuito, donde se hicieron pruebas para establecer capacidades dieléctricas, cuando funcionaban en condiciones de circuito abierto, con carga resistiva o en corto circuito. Se verificó el cumplimiento de la normatividad establecida bajo las secuencias de prueba de parámetros de seguridad para el sistema y el seguimiento a los ensayos hechos, mediante el uso de un sistema de gestión para la generación de conceptos de aprobación o rechazo de los elementos probados. Abstract This paper presents the design and assembly of a system of tests of sustained voltage to elements and equipment used in live line maneuvers through tests on gloves and dielectric rods, as these are the first points of contact to ensure safe operations. lt means an advance for the creation of a laboratory certified in this type of tests at Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC) Faculty of Duitama, considering that currently there are not laboratories that provide this service in Boyacá and Casanare. Dielectric strength tests were performed on personal protection elements and equi- ¡pment under the parameters of ASTM D120, ASTM F496, ISO 60903, ASTM-F711 and IEEE 978, developing an assembly for testing gloves and dielectric rods with voltage levels up to 15 kV. The results validate the proposed system to outlook of circuit design and implementation, where tests were performed to establish dielectric capacities, in operating under open circuit conditions, with resistive load or short circuit. The compliance with the regulations established under the test sequences of safety parameters for the system and the follow-up to the tests was verified through the use of a ma- nagement system for the generation of concepts of approval or rejection of the tested elements. Keywords: dielectric strength; works with voltage (JWV); sustained voltage. Cómo citar este artículo: CE. Pinto-Salamanca y J.C. Castro-Galeano, “Prueba de rigidez dieléctrica a elementos de protección para trabajos con tensión TCT%; Revista Ingeniería Investigación y Desarrollo, vol. 17 N*2, pp. 83-92, Julio, 2017. 83 Prueba de rigidez dieléctrica a elementos de protección para trabajos con tensión TCT redes energizadas, también denominada de “línea viva” o trabajos con tensión TCT, los cuales se desarrollan con el objetivo de no sacar de servicio los circuitos para no afectar la continuidad, eficiencia y confiabilidad de sistema. Existen distintas forma de denominar los trabajos en redes energizadas, las más usadas son TCT trabajos con tensión y línea viva, que consiste en la ejecución de trabajos de mantenimiento en redes energizadas con niveles de tensión hasta 800 kV (500 kV máximos para Colombia actualmente), sin suspender el suministro de energía. Según el Reglamento Técnico para Instalaciones de Redes Eléctricas —RETIE- [1], línea viva es un término aplicado a una línea con tensión o una línea energizada para arreglar fallas, ampliar la red, cambiar postes, entre otros. Las operaciones en TCT implican altos estándares de seguridad para la protección de la vida de los operarios y de los mismos componentes del sistema, ya que los riesgos a los que se somete un operador de línea viva son considerables, debido a que está expuesto a descargas de alta tensión y elevados niveles de corriente, que pueden generar daños tan graves como lesiones, quemaduras, caídas de altura o incluso la muerte. En Colombia, la Comisión de Regulación de Energía y Gas —CREG- [2] establece la responsabilidad del operador de red (OR) regional en la operación, mantenimiento y expansión del sistema de distribución local de energía eléctrica, definiendo sanciones y multas como el “cargo por confiabilidad”, a las empresas del sector eléctrico que dejen sin servicio a los usuarios que dependen del mismo. Por su parte, el Ministerio de la Protección Social define, mediante la Resolución 1348 de 2009 [3], el reglamento de salud ocupacional para procesos de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica en las empresas del sector eléctrico, estableciendo que los procedimientos, equipos y materiales utilizados en el método de trabajo para que el trabajador no entre en contacto accidentalmente con cualquier otro elemento o potencial distinto al suyo Los operarios que ejecutan el trabajo en línea viva necesitan un equipo especial de protección personal. Estos elementos deben fabricarse con materiales sintéticos de alta resistencia al efecto corona, en colores establecidos según normatividad. Lo anterior requiere del desarrollo de procesos de certificación posteriores a la fabricación de los elementos de protección y, porende, establece una demanda de laboratorios que realicen ensayos dieléctricos, que deben estar acreditados por el ONAC [4] bajo el estándar NTC ISO-17025 [5]. Se indica que se deben certificar los laboratorios, el laboratorista y la prueba por realizar. 2. PRUEBAS DIELÉCTRICAS PARA GUANTES Y PÉRTIGAS Gran parte de los trabajos de mantenimiento de redes eléctricas aéreas de distribución de línea viva emplean técnicas de trabajo a contacto, mediante el uso de equipo de protección flexible, fabricado con materiales de tipo caucho natural, compuestos elastómeros o, recientemente, por fibras sintéticas con diferentes grados de flexibilidad y resistencia al envejecimiento, a la alteración de sus características por fenómenos atmosféricos y a la resistencia al efecto corona. Los guantes dieléctricos son designados como Tipo Lo Tipo Il y en cada caso subdivididos como clase 00, 0, 1, 2, 3 y 4. La designación de tipo se determina por las normas ASTM D 120[6] y UNE-EN 60903 de 2005[7]: Tipo | (no resisten al ozono, fabricados con un alto grado compuesto CIS-1,4-poliisopreno de origen natural o sintético, vulcanizado adecuadamente); Tipo Il (resistente al ozono, hecho de cualquier elastómero o combinación de compuestos de elastómero). Las pértigas dieléctricas son fabricadas en resina epóxica y se usan en TCT bajo la técnica a distancia, para múltiples tareas a la hora de hacer trabajos de mantenimiento y ampliación del sistema, como los siguientes: apertura o cierre de seccionadores, instalación de equipos de puesta a tierra, verificación de existencia de tensión por acople de detectores, tijeras de corte, perfiladores, entre otros. También pueden usarse en combinación con las demás técnicas de trabajos en línea viva y no son aptas para permanecer bajo tensión durante períodos de tiempo prolongados [17,18]. Las pértigas aislantes están constituidas por tubos de resina epóxica, reforzados con fibra de vidrio y rellenos de espuma de poliuretano. Las pértigas se clasifican en tres, telescópicas, rígidas o acoplables y tipo escopeta o de gancho retráctil. Las dimensiones de las pértigas comerciales se prueban hasta 75 kV y tienen una longitud máxima de 12,2 m que es la pértiga telescópica de 8 secciones. Revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo (P+D) Vol.17 (2), pp. 83-92. Julio-Diciembre, 2017. Sogamoso-Boyacá, Colombia. e. Resistencia limitadora para manejar las sobretensiones o sobrecorrientes generadas si el guante es perforado. La resistividad depende del agua que se Use, se encuentra en un rango de 500kQ a 1 MA, debido a que el valor total de la resistencia limitadora se calculó considerando las máximas corrientes en el lado de alta tensión del transformador de 30mA y en caso de ser la única carga significativa en el circuito manifestaría una disipación de potencia de 450VA f. Bobina de inducción para regular y disminuir armónicos, transitorios y agentes eléctricos que alteren la red que suministra la energía eléctrica. Debido a los cambios bruscos de corriente que se presentan en una falla del elemento de pruebas, se decidió colocar una impedancia que amortigúe este fenómeno y que, de esta manera, proteja los elementos del sistema y no afecte los aparatos que están conectados a la red. La bobina fue construida con alambre de cobre calibre 24 AWG, con una impedancia de 11,3445 Mh. g. Soporte para elementos por ensayar, cerrando el circuito mediante los terminales 1 y 2, como electrodos que permiten el paso de corriente a los elementos por probar. h. Para el caso de ensayos a guantes, el soporte está compuesto por una cubeta de pruebas que permite sumergir en agua el elemento de prueba (ver Figura 2). Para las pruebas en pértigas, los electrodos difieren en la conexión de las terminales 1 y 2 que van a los tubos conductores que se encuentran anclados a los soportes y conexión por resorte construidos según la normatividad (ver Figura 3). i. Adicionalmente, en el sistema de pruebas se establecen unas consideraciones técnicas con el fin de garantizar un ensayo seguro. Lo cual se contempló en el tablero de control que energiza o desenergiza el circuito de pruebas, teniendo en cuenta los niveles de corriente que pueden presentarse en condiciones normales o de falla. Carlos Eduardo Pinto-Salamanca Juan Carlos Castro-Galeano Figura 2. Cubeta de pruebas 60cm _ Tubo conductor Terminal | S0cm re 1 Pértigo 60m - Tubo conductor — Terminal 2 50cm 80cm 30cm Soporte Figura 3. Soporte para pértigas Además del equipamiento de pruebas, se elaboró un sistema de gestión de resultados para documentar los ensayos, fijando los niveles de tensión que se usan, dependiendo del objeto que vaya a ser sometido a pruebas y que permita generar un reporte. Para la seguridad de los operarios del sistema de prueba, se implementó una señalización visible de la zona de trabajo (ver Figura 4), así como implementos utilizados para realizar los ensayos, lo que implica la capacitación adecuada para el uso de los elementos requeridos. En el tablero de control, una señal luminosa indica cuando el sistema está energizado y otra cuando se inicia la aplicación de tensión. Revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo (17D) Vol.17 (2), pp. 83-92. Julio-Diciembre, 2017. Sogamoso-Boyacá, Colombia! 87 Prueba de rigidez dieléctrica a elementos de protección para trabajos con tensión TCT Figura 4. Señalización de área de trabajo e implementos para usar. Tanto para las pruebas a guantes como a pértigas, el circuito de pruebas de alta tensión requiere de los siguientes elementos: tablero de control, variac, transformador elevador, resistencias limitadoras, reactancia inductiva y soportes, tal como se muestra en la Figura 5. - | . Figura 5. Esquema de pruebas. Guantes y pértigas. 4. VERIFICACIÓN Y APLICACIÓN DE LA SECUENCIA DE PRUEBA Las pruebas disponibles en el sistema propuesto en este proyecto fueron diseñadas con fines académicos e industriales, mediante la técnica de tensión sostenida a guantes y pértigas hasta 15 kV en (AC), considerando a estos como los principales elementos que están en contacto con las líneas de transmisión y redes de distribución en su correspondiente técnica de trabajo. La prueba de voltaje sostenido consiste en alimentar con una tensión variable los implementos de protección personal indicados, según las normas ASTM D-120, IEEE 978 de 1984 [14] y otras afines, además de documentación científica [15] y de soporte académico [6]. 4.1 Aplicación del sistema de pruebas en guantes El sistema se probó en tres tipos de guantes: guantes de cocina, guantes de nitrilo para manejo de desechos tóxicos y guantes dieléctricos clase 00, obteniendo los siguientes resultados: Prueba de voltaje sostenido a guantes de caucho para cocina: la prueba se desarrolló como ensayo piloto, indicando un incremento en la corriente del lado de baja de hasta 980 mA (rms) con una tensión en el primario de 30V (rms), lo que significó una potencia máxima de 29.4VA, que no implicó ningún riesgo para el transformador elevador. El valor de impedancia del guante se obtuvo por la división entre la tensión medida y la corriente calculada en el lado de alta, encontrando una resistencia promedio de 12.60. No se llevó el guante a la zona de ruptura, por lo que su resistencia permaneció constante (cercana a 12,61). Lo cual se evidenció con el incremento de tensión y corriente, a medida que aumentaba el nivel de tensión de alimentación y la ausencia de fisuras o agujeros que permitieran que el agua pasara de un lado al otro. El guante de cocina no es elemento dieléctrico que permita su aplicación en TCT, ya que a pesar de soportar 92Vrms permitió la circulación de 7.316mA eficaces, lo que implica riesgos para el trabajador. El concepto final de la prueba dieléctrica es de rechazo, debido a que la estructura del caucho en este implemento no es pertinente en TCT y sus propiedades no permiten que la persona se aisle de manera segura. Prueba de voltaje sostenido a guantes de nitrilo: con el fin de determinar la impedancia equivalente de otro tipo de guante no comercializado para TCT y establecer el funcionamiento del sistema con otros materiales, se hizo un ensayo con un guante de nitrilo conectado entre los terminales 1 y 2. A partir de la medición de tensión y corriente en el lado de baja del transformador, se desarrolló la prueba hasta 60V, 1,10A lo cual implicó un nivel de potencia máximo de 66,1VA como parámetro seguro para la operación de dicho elemento. Con las mediciones directas de tensión y corriente en el guante se obtuvo un valor de aislamiento promedio de 29,6 kQ. Revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo (P+D) Vol.17 (2), pp. 83-92. Julio-Diciembre, 2017. Sogamoso-Boyacá, Colombia. Este ensayo permitió concluir que no se llevó el guante a la zona de ruptura, por lo que su resistencia de aislamiento permaneció constante (cercana a 29.6 kQ). Lo cual se evidenció con el incremento de tensión y corriente a medida que aumentaba el nivel de tensión de alimentación y la ausencia de fisuras o agujeros que permitieran que el agua pasara de un lado al otro. El guante de nitrilo no es elemento dieléctrico que permita su aplicación en TCT, ya que a pesar de demostrar un nivel de impedancia alta, permitió la circulación de 14,09mA con un nivel de tensión de 412Vrms. El concepto final de la prueba dieléctrica es de rechazo para TCT, puesto que sus propiedades de aislamiento no son seguras. Prueba de voltaje sostenido a guantes dieléctricos clase 00: para este proyecto se contó con un par de guantes clase 00, lo que permitió hacer un ensayo con el sistema de pruebas sobre un elemento real usado en TCT. Los guantes clase 00 son empleados para TCT a 500V y deben someterse a pruebas de rigidez dieléctrica de 2500V y de ruptura de 4000V Se efectuó una prueba de tensión sostenida durante un minuto a un par de guantes clase OO marca REGELTEX. En la Figura 6 se presenta la conexión de los elementos. Figura 6. Prueba a guantes dieléctricos clase 00. A partir de los valores medidos se estableció un flujo de corriente constante en baja tensión, con un valor cercano a las pruebas realizadas al transformador en vacío. De la medición directa de la corriente y la tensión en el guante se obtuvo una relación de la impedancia equivalente de dicho elemento con un valor cercano a 570kQ. Del ensayo se pudo concluir que el sistema de pruebas funcionó correctamente, al evidenciar la circulación de un nivel corriente en el lado de alta tensión cuando se cierra el circuito ente los terminales 1 y 2 con un elemento aislante cuyo equivalente resistivo fue de 570kQ. La tensión aplicada al guante se incrementó hasta la tensión Carlos Eduardo Pinto-Salamanca Juan Carlos Castro-Galeano de prueba, permitiendo la circulación de 4,05mA con un voltaje de entrada de 12,2V. El aumento en la tensión, medido en el guante en función de la variación del voltaje de entrada, evidenció que el elemento se encontraba en condiciones tolerables de aislamiento. El guante clase 00 probado sí es un elemento dieléctrico que permite su aplicación en TCT, demuestra un nivel de impedancia alta y permite la circulación de 4.05mA con un nivel de tensión de 2480Vrms. Por tanto, el concepto final de la prueba dieléctrica es de aceptación para TCT, ya que sus propiedades de aislamiento son seguras. Tabla 4. Tabla resumen de la prueba a los tres tipos de guantes Tipode Tensión Tensión Corriente Corriente guante enalta enbaja enalta enbaja Guante para 92v 30v 7mA 1A cocina Guante ay 60 V 14,09mA 1A de nitrilo Guante asoy 122V 405mA 08A clase 00 Los valores de tensión y corriente en los guantes de cocina y los de nitrilo no coinciden, porque existe un corto, debido a que ambos permiten el paso de corriente de su interior al exterior. Mientras que el guante dieléctrico clase 00 permitió tomar valores reales y datos acordes a lo que se exige en la norma. Otra forma de verificar que se encontraba en corto la prueba, fue determinando la resistencia del guante, que para cada ensayo fue de 12, 6 Q, 29,6 kQ y 570 kQ, respectivamente. Se concluyó que el primer guante tiene una resistencia muy baja, pues permite que pasen niveles de corriente muy altas. El segundo tiene valores de resistencia mucho más altos, pero aún así, no son suficientes para proteger a una persona, mientras que los guantes dieléctricos son aptos para trabajo en redes energizadas, validando el sistema de pruebas y los valores de tensión que se permiten en la norma y por el fabricante. 4.2 Aplicación del sistema de pruebas en pértigas Con el fin de verificar el funcionamiento del soporte construido para el anclaje de pértigas y tubos Revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo (17D) Vol.17 (2), pp. 83-92. Julio-Diciembre, 2017. Sogamoso-Boyacá, Colombia!