Generador de voltaje de impulso Es uno de los instrumentos básicos para probar la resistencia del aislamiento de equipos de alta tensión en condiciones transitorias. A diferencia de las pruebas en estado estacionario (CA o CC), en las pruebas de impulso se reproducen los eventos transitorios elevados producidos por rayos, maniobras de conmutación y fallas en un sistema eléctrico. Estas incidencias causan cargas eléctricas severas en periodos muy breves y normalmente superan los límites de diseño del aislamiento. Por ello, las pruebas de impulso son un elemento obligatorio para la calificación de transformadores, pasatapas, cables, aparamenta, pararrayos y otros equipos de alta tensión.
En laboratorios reales, el generador de impulsos de tensión se compara a menudo con un generador de sobretensiones de alta tensión para las pruebas de inmunidad EMC. Si bien ambos sistemas generan voltajes transitorios, los objetivos y la naturaleza de las formas de onda son diferentes. La evaluación del aislamiento se centra en el comportamiento de ruptura de la censura, el desarrollo de los streamers y la capacidad de resistencia de las formas de impulso estándar, en lugar de la inmunidad del equipo. El mecanismo de construcción de los generadores de impulsos y su principio de funcionamiento serían vitales para generar datos útiles sobre la resistencia del aislamiento.

Formas de onda de impulso estándar y configuración del generador

Las pruebas de tensión de impulso se basan en el uso de definiciones estandarizadas de formas de onda que reflejan la realidad en el entorno transitorio. La forma de onda de impulso de rayo más común es la forma de onda de impulso de rayo, que presenta un frente de onda pronunciado y un tiempo de decaimiento más lento, generalmente expresado en microsegundos: 1.2 microsegundos hasta la cresta y 50 microsegundos hasta la mitad del valor. Las formas de onda de impulso de conmutación tienen periodos de subida y decaimiento más largos, y se aplican en dispositivos de ultraalta tensión, donde los rayos se comparan con los incidentes de conmutación.
Cada una de estas formas de onda es causada por un generador de voltaje de impulso que carga un banco de condensadores a un voltaje específico y luego lo descarga a una red de resistencias y capacitancia que forma la onda. Esta configuración regula la parte frontal y posterior del impulso. Una razón común de la popularidad de las configuraciones de generador Marx es su fácil apilamiento en serie de voltajes de carga relativamente bajos durante la descarga para producir voltajes de salida extremadamente altos.
En el diseño de generadores, se debe considerar la inductancia y la resistencia de la capacitancia parásita, ya que estas distorsionan la forma de onda. Estos elementos parásitos se vuelven más fuertes con el aumento de los niveles de voltaje. Por lo tanto, un diseño físico meticuloso y la selección de componentes son cruciales para garantizar que el impulso entregado cumpla con las tolerancias estándar. Esto contrasta con un generador de sobretensiones de alta tensión de propósito general, que se utiliza para probar sistemas de impulsos EMC. Los sistemas de impulsos EMC se optimizan para la fidelidad de la forma de onda a voltajes muy altos, sin tasa de repetición ni automatización.

Disposición de circuitos de prueba y técnicas de medición

La determinación de la resistencia del aislamiento no implica simplemente generar un impulso. La configuración del circuito de las pruebas determina la disposición de la tensión e identifica la falla del circuito. El generador de tensión de impulso se conecta al equipo de alta tensión mediante cables de prueba diseñados para reducir el efecto corona y las descargas parciales. Una separación y un apantallamiento eficaces evitan la descarga disruptiva fuera del objeto de prueba, lo que invalidaría los resultados.
Generalmente se miden con divisores de tensión capacitivos o resistivos en osciloscopios de banda alta. Estos divisores deben calibrarse y diseñarse con una respuesta al impulso (para garantizar que reproduzcan el frente rápido sin atascarse ni atenuarse excesivamente). Las mediciones existentes también pueden aplicarse para la identificación del inicio de una ruptura o el análisis del comportamiento de la descarga en caso de descarga disruptiva.
La conexión a tierra es importante. El circuito de tierra o circuito de retorno también debe ser de baja impedancia y nítido para evitar reflexiones que distorsionen la forma del impulso. La deficiente conexión a tierra de la placa de tierra y de la unión eléctrica representa un coste para las pequeñas fábricas debido a los errores de medición relacionados con la tierra y al riesgo inherente de fallos de seguridad en los laboratorios de pruebas. A diferencia de las pruebas de sobretensión EMC, donde se utilizan redes de acoplamiento para especificar la condición de impedancia, las pruebas dependen de configuraciones de campo libre y una geometría física inteligente.

Procedimientos de prueba y evaluación de la resistencia del aislamiento

Los procedimientos de prueba de impulsos se estandarizan para que puedan compararse entre laboratorios. Un ejemplo de secuencia de prueba consiste en aplicar una serie de impulsos a niveles de tensión que se incrementan hasta alcanzar la tensión de prueba requerida. El aislamiento se centra en un número fijo de impulsos antes de romperse. Se utilizan impulsos de polaridad positiva y negativa, ya que la polaridad afecta el desarrollo y la resistencia de las corrientes.
Existe una diferencia en el criterio de evaluación entre una avería interna y una descarga disruptiva externa. En algunas situaciones, la descarga disruptiva externa en el aire o en las superficies puede ser aceptable siempre que no dañe el equipo. La falla se produce como resultado de una falla interna en el aislamiento sólido o líquido. Las señales acústicas y un análisis de forma de onda, útiles en la inspección visual, ayudan a determinar el tipo de evento.
El acondicionamiento también se observa con el uso repetido de impulsos. Algunos se intensifican tras los impulsos iniciales como resultado del secado o la redistribución de carga, mientras que otros se deterioran progresivamente. La documentación de los parámetros de las formas de onda y el comportamiento de ruptura a lo largo de la secuencia proporciona información sobre la calidad del aislamiento y la consistencia del proceso de producción.

Desafíos prácticos y comparación con generadores de sobretensión

El funcionamiento de un generador de impulsos de tensión presenta problemas prácticos, distintos a los que surgen con el funcionamiento de un generador de sobretensiones de alta tensión en las pruebas de compatibilidad electromagnética (CEM). Los sistemas de impulsos tienen tensiones nominales mucho más altas, suelen tener frecuencias de repetición más bajas y mayores márgenes de seguridad. Por lo tanto, el tiempo de configuración y los conocimientos del operador son un factor importante.
La comprobación de la forma de onda es más compleja, ya que, a cientos de kilovoltios, se requieren divisores y osciloscopios especiales. El comportamiento de la ruptura del aire depende de las condiciones ambientales, que incluyen la humedad, la presión y la temperatura, y debe registrarse. Estas variables no son tan críticas en las pruebas de sobretensión electromagnética (EMC), donde las tensiones son menores y el equipo se encuentra en un recinto cerrado.
Con este cambio, existe una superposición conceptual. Tanto los generadores de impulsos como los de sobretensión se basan en la descarga regulada de energía y la conformación de las formas de onda. Diferentes proveedores de equipos de laboratorio suelen suministrar sistemas complementarios con una filosofía de diseño e ideas de seguridad similares. Empresas como LISUN Proporcionar pruebas de alto voltaje y sobretensiones, que pueden servir como asistencia al laboratorio que opera en el campo de evaluación de aislamiento y EMC sin violar los requisitos.

Figura: Generador de voltaje de impulso

Coordinación de aislamiento

Las pruebas de generadores de tensión de impulso se utilizan directamente en la toma de decisiones sobre la coordinación del aislamiento. La resistencia determinada durante el laboratorio guía el diseño de la selección de dispositivos de protección y los márgenes de seguridad de los sistemas eléctricos. Los resultados de las pruebas se comparan con las tensiones de sobretensión estimadas de los sistemas para que los ingenieros mantengan una protección suficiente a un coste razonable.
Los hallazgos deben generalizarse estrictamente. Las condiciones en un laboratorio difieren de las de los entornos de servicio, donde coexisten el envejecimiento por contaminación y la tensión mecánica. Por lo tanto, las pruebas de impulso no sustituyen, sino que complementan, las pruebas de envejecimiento a largo plazo y las pruebas de descargas parciales. Con estos métodos, se puede obtener una perspectiva muy amplia del rendimiento de los aislamientos a lo largo del tiempo.
La documentación y la auditabilidad son necesarias. Los informes de pruebas de parámetros de forma de onda contienen las condiciones ambientales y el comportamiento observado. Estos documentos son útiles para la certificación y ofrecen un estándar al que se recurre cuando el equipo necesita reacondicionamiento o actualización.

Conclusión

El uso de generador de voltaje de impulso Las técnicas siguen siendo fundamentales para medir la resistencia del aislamiento en equipos de alta tensión. La reproducción del comportamiento dieléctrico, imposible de alcanzar mediante pruebas de estado estacionario, se logra mediante la reproducción de tensiones transitorias estandarizadas. La configuración adecuada del generador, la medición cuidadosa y la interpretación discreta de los resultados garantizan resultados que favorezcan la capacidad real de aislamiento. Aunque similares en principio a un generador de sobretensiones de alta tensión, los sistemas de impulsos tienen un propósito diferente, orientado a la integridad dieléctrica. Cuando se implementan rigurosamente, respaldan el diseño seguro, confiable y rentable de infraestructuras eléctricas de alta tensión.