Ingeniería Eléctrica

Esta memoria busca contribuir al estado del arte en el área de puestas a tierra, presentando resultados empíricos y teóricos, complementando la memoria previa realizada por Ignacio Abarca (Abarca, 2016) y completando la memoria iniciada por Cristian Antilao. El objetivo principal de esta memoria es analizar el comportamiento de la puesta a tierra con el uso de suelos artificiales frente a excitaciones de tipo impulso. Esto se debe a que la puesta a tierra es fundamental para garantizar la seguridad de las personas y equipos en las instalaciones eléctricas. El suelo artificial seleccionado fue el Erico GEM, debido a su disponibilidad en el mercado chileno. A lo largo de la memoria, se referirá al Erico GEM como GEM, gel o material de refuerzo de puesta a tierra. Se estudiaron tres configuraciones. Varilla simple, que corresponde al escenario donde no se aplica el Erico GEM. Varilla con un tercio del GEM, donde solo un tercio de la parte de la varilla sumergida en el terreno está cubierta con GEM, esto corres ponde a la parte superior. Varilla completamente cubierta con gel, donde toda la parte de la varilla que está sumergida en el terreno está cubierta con gel. Durante el proceso de desarrollo de la memoria, se realizó una investigación en la literatura existente para estudiar modelos teóricos de simulación y modelos expe rimentales que permitieran obtener los datos empíricos necesarios. Se implementó un modelo de escala reducida en el laboratorio de alta tensión de la Universidad Técnica Federico Santa María para desarrollar la parte experimental. Para la simulación de la puesta a tierra, se utilizó el modelo electromagnético híbrido para el caso de la varilla simple y el método de elementos finitos para los casos en que se usaba el GEM. Las simulaciones entregaron porcentajes de reducción constantes en todo el ran go de frecuencias siendo de 34 % para la varilla con 3 [cm] de gel, lo cual es cercano al 31.2 % obtenido en DC en la memoria (Abarca, 2016) y 53 % para la varilla con 10[cm] de gel. En cambio, experimentalmente se observaron variaciones en el porcentaje de reducción a lo largo de la frecuencia, pero presentando una tendencia creciente, lo porcentajes de reducción iniciales identificados son de 40 % para la varilla con 3 [cm] de gel, lo cual está dentro del rango de las mediciones realizadas en la memoria pre via (Abarca, 2016) y 53 % para la varilla de 10 [cm]. La aplicación de suelos disminuye efectivamente la impedancia de puesta a tie rra, presentando beneficios adicionales como la disminución del ruido en las medi ciones. Permitiendo una mejor lectura de la realidad. Se propone como tema de investigación de continuación, el estudio de la eficacia del producto GEM en altas frecuencias con otras configuraciones de electrodos de puesta a tierra.

El presente documento tiene como finalidad presentar los resultados teóricos y experimentales del comportamiento transitorio de modelos de puesta a tierra a escala reducida, con el fin de obtener respuestas representativas a escala real. Se analizaron cinco configuraciones distintas: electrodo vertical, horizontal, triangular, malla simple y malla compuesta. La modelación teórica se llevó a cabo mediante la implementación en Matlab de un código basado en el método electromagnético híbrido. Con el objetivo de obtener resultados más precisos y acercados a la realidad, se realizó un análisis considerando la variación de los parámetros relevantes del medio conductivo, como la conductividad y la permitividad, en función de la frecuencia. Los ensayos experimentales se llevaron a cabo en el laboratorio de alta tensión de la universidad. Se montó un circuito que incluía un generador de impulsos, instrumentos de medición, un recipiente metálico y las probetas a escala reducida de las puestas a tierra. Para estos ensayos, se utilizó agua del grifo como medio conductivo. Durante las pruebas, se recopilaron las señales transitorias de corriente y tensión, lo que permitió obtener el comportamiento transitorio de la impedancia en cada una de las configuraciones. Los resultados teóricos y experimentales fueron contrastados mediante el cálculo de la diferencia absoluta de la magnitud y el ángulo de la impedancia en puntos de frecuencia relevantes. Se constató que la magnitud de la impedancia presentó una diferencia absoluta promedio de 9.46[Ω] entre ambos métodos de modelación. Por otro lado, en cuanto al ángulo de la impedancia, los resultados transitorios fueron prácticamente idénticos, con una diferencia absoluta promedio de 1.59◦. En base al procedimiento de escalamiento de puestas a tierra, se decidió implementar un modelo a escala real de la configuración de electrodo vertical con el fin de validar la respuesta transitoria de las configuraciones a escala reducida. El escalamiento de la configuración se se llevó a cabo utilizando un factor de escalamiento n = 10, el cual permitió ajustar las propiedades físicas y electromagnéticas del sistema real a una versión a escala reducida. Al comparar los resultados transitorios de la impedancia en ambos casos, se obtuvo una ligera diferencia absoluta en la magnitud de la impedancia, lo que conlleva a un comportamiento similar entre ambas curvas. Sin embargo, en el caso del ángulo de la impedancia, resultó difícil realizar una comparación debido a los efectos inductivos presentes en la respuesta obtenida mediante el modelo a escala real.

En este trabajo se aplica una estrategia de control óptimo en el control de un convertidor multi celda en cascada operando en condiciones degradadas. En primer lugar, con la finalidad de observar resultados que muestren las bondades del control óptimo, se presenta una aplicación preliminar de la propuesta de investigación en que se inspira este trabajo [1]. Para esto, se implementó una estrategia de control óptimo en el control de corriente de un convertidor monofásico operando en régimen de sobremodulación. Luego, conceptos necesarios para el desarrollo de modelos y su respectiva implementación son presentados, describiendo el funcionamiento, control y modulación de los convertidores multicelda en cascada. En base a estos antecedentes, y considerando un convertidor multicelda en cascada con modulación basada en carrier y conectado a la red, se presentan dos modelos de control óptimo que comparten restricciones pero tienen funciones objetivo diferentes: la minimización del valor RMS de la tensión de modo común y la minimización de sus componentes armónicas. Los problemas de optimización son resueltos para distintos tipos de falla y puntos de operación arbitrarios. Además, se analiza la zona de factibilidad en la que los problemas de optimización tienen solución. De manera complementaria, se desarrollan procedimientos para utilizar estas estrategias en implementaciones en tiempo real. Finalmente, las soluciones de los problemas son implementadas y analizadas mediante los software PLECS y MATLAB, modelando un convertidor multicelda en cascada de siete niveles.

Las líneas de transmisión que recorren nuestro país recorren largas distancias y se ven expuestas a diferentes características ambientales como lo es la niebla salina, climas desérticos, de tipo agrícola, entre otros. Teniendo en consideración lo anterior y la situación de escasez hídrica que estamos viviendo, se vuelve un desafío el correcto mantenimiento de los elementos de aislación de nuestro sistema eléctrico. Cada determinado tiempo deben incurrir en los lavados de aislación dado que los agentes contaminantes aumentan la probabilidad de una falla disruptiva en el sistema. Como posible solución, se han desarrollado una serie de recubrimientos que otorgan propiedades hidrofóbicas facilitando el lavado y la autolimpieza de los aisladores, dentro de los más usados podemos encontrar aceites, grasas y siliconas. Actualmente, por su durabilidad, los más usados son los recubrimientos de silicona del tipo Room Temperature Vulcanizing (RTV). Ante esto, el Grupo NTI, representante oficial y exclusivo de CSL-Silicones, empresa canadiense que ha desarrollado su propio recubrimiento siliconado llamado Si – COAT 570. Para analizar este producto se procede a realizar una serie de ensayos eléctricos, los que se mencionan a continuación: tensión de contorneo, corrientes de fuga, grado de hidrofobicidad y medición de descargas parciales. Además de la evaluación a la resistencia a la erosión (tracking superficial) siguiendo en gran medida los procedimientos normados para estos ensayos. Estas pruebas se realizan evaluando distintos tipos de ambientes a los cuales se encuentran expuestos los aisladores, y con la idea de prolongar la vida útil de recubrimiento es que se evalúa su desempeño ante el envejecimiento de radiación UV. Los resultados de los ensayos muestran que el producto Si – COAT 570, presenta igual comportamiento en los ensayos de contorneo para distintos tipos de contaminación bajo condición seca, es decir, la tensión de contorneo en seco no varía dependiendo el nivel de contaminación. Los aisladores recubiertos tienen un mejor desempeño al momento de la medición de la corriente de fuga y en la clase de hidrofobicidad, el simple hecho de recubrir un aislador de vidrio templado o de cerámica, implica una reducción de las corrientes de fuga en condición seca un 9% y 16%, respectivamente. En cuanto a la clase de hidrofobicidad, vemos que los aisladores sin recubrimiento, su clase decae desde un HC3 hasta un HC7 (de hidrofóbico a hidrofílico), mientras que los aisladores recubiertos, en cuanto a la atenuación de las descargas parciales y el valor de carga aparente. Esto quedó demostrado en que los aisladores recubiertos se debió aumentar más la tensión para obtener los mismos niveles de descargas que en aisladores sin recubrimiento. Respecto a las placas sometidas al ensayo de tracking se puede decir que, para los ciclos de envejecimiento: 15, 30 y 45 [kWh/m2] existe un aumento de un 1,1% en la corriente promedio por cada ciclo. Esto da un indicio de que, el recubrimiento siliconado a medida que envejece pierde la característica de encapsulación de los agentes contaminantes y es más propenso a la formación de bandas secas, pero en comparación de aquellas placas que fueron tratadas superficialmente, lavadas y limpiadas con alcohol isopropílico, existe una recuperación de dicha característica y una reducción de dicho fenómeno.

El objetivo de este estudio es determinar si hay variaciones significativas en el crecimiento de árboles eléctricos bajo condiciones geométricas distintas a las habituales, incluyendo la presencia de múltiples árboles de manera simultánea y el desarrollo de árboles en geometrías curvas. Resultados positivos podrían abrir nuevas áreas de estudio en el tema de árboles eléctricos. Para este propósito, en esta investigación se diseñaron probetas de resina epóxica con diferentes configuraciones: placa plana con dos o tres agujas, y placa curva con una aguja. Estas probetas fueron sometidas a excitaciones de 10 y 14 [Kv], y con frecuencias de 50[Hz], 250[Hz] y 350[Hz], hasta que se produjera su ruptura, registrándose estos crecimientos mediante fotografías y mediciones de descargas parciales, para luego ser analizados mediante monitoreo visual y PRPD (Phase Resolved Partial Discharge), comparándolos a muestras de referencia de punta-placa. Se observó que las probetas de dos agujas tienen dos árboles con crecimientos similares a los de muestras de una aguja, con anchos en ocasiones mayores, y tiempos de ruptura similares o menores, independiente de las condiciones de ensayo. Es por esto, que se consideró que estos representan peor caso que los de probetas de una y tres agujas. También se obtuvieron magnitudes de carga significativamente mayores a los obtenidos en muestras de una aguja. Igualmente, las probetas punta – placa curva presentaron crecimientos con descargas de mayor magnitud que sus pares de placa plana, pero con mayores tiempos de cruce y ruptura. Es por eso, que se recomienda continuar y profundizar estos estudios a futuro.