Diseño y construcción de un prototipo de sensor de medida resistivo de clase 0.2 para redes de 20kV con amplio ancho de banda de hasta 5kHz

Rojo Fresneda, Pablo (2017). Diseño y construcción de un prototipo de sensor de medida resistivo de clase 0.2 para redes de 20kV con amplio ancho de banda de hasta 5kHz. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Diseño y construcción de un prototipo de sensor de medida resistivo de clase 0.2 para redes de 20kV con amplio ancho de banda de hasta 5kHz
Autor/es:
  • Rojo Fresneda, Pablo
Director/es:
  • Martínez Malo, Julio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El presente Trabajo Fin de Grado, y a su vez proyecto europeo, se ha realizado en colaboración con el Centro Tecnológico de Alta de Tensión (CTAT) del Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia (L.C.O.E.). El desarrollo de este Trabajo Fin de Grado, consiste en el diseño y construcción de un sensor de medida resistivo, o también llamado divisor de tensión resistivo, para redes de 20kV en un ancho de banda de hasta 5kHz. El impulso de una mayor dependencia de la energía renovable en Europa, ha llevado a la creación de más fuentes de energía distribuidas, tales como parques eólicos y sistemas de energía solar que están conectados a la red eléctrica, lo que conlleva un aumento en los armónicos de las formas de onda de tensión y corriente. La primera generación de sistemas de medición instalados en la red de energía europea está envejeciendo y se están sustituyendo los sistemas por otros más innovadores. Además, la evolución de la red eléctrica europea hacia las Smart Grids favorece la innovación de nuevos dispositivos que adaptar a dichas redes. Por tanto, existe una necesidad de asegurar que la tecnología disponible sea la apropiada para permitir el control y facturación de una manera fiable y robusta de la energía en las futuras redes de energía. Para un correcto diseño del sensor se requiere un análisis inicial de las características y los parámetros necesarios del mismo para su utilización combinada con sincrofasores. En particular el diseño y construcción se realizará para garantizar la rigidez dieléctrica del sensor de tensión teniendo en cuenta los ensayos contemplados en la reglamentación vigente de instalaciones eléctricas de alta tensión (IEC 60060-2). Dicho equipo de medida es, en parte, un divisor de tensión. Su función principal es reducir las elevadas tensiones de entrada, con las que operan las máquinas, y que circulan por las redes, pendientes de ser ensayadas o calibradas, hasta niveles relativamente bajos y razonables que permitan conectar un equipo de medida sin riesgo de que sufra daños. Y es que no existen equipos de medida que funcionen con tan altas tensiones por lo que la figura del divisor de tensión se presenta imprescindible para la calibración de la alta tensión eléctrica. El diseño del prototipo de sensor de medida se ha diseñado desde el principio. Y poco a poco, mediante el estudio de tensión y líneas de campo, las simulaciones a través de elementos finitos y los ensayos en el laboratorio se han ido analizando los resultados para evolucionar dicho divisor hasta un modelo final que cumpla con las expectativas requeridas. El concepto que esconde sensor de medida resistivo no es más que la simple definición de lo que es un divisor de tensión resistivo, donde el uso de resistencias de alto valor ayuda a reducir la tensión de salida hasta un valor tal que el aparato de medida al que se vaya a conectar sea capaz de soportar dicha tensión. Una vez que se tiene claro el concepto de lo que es el sensor, y de las partes de las que está formado (resistencias de alto valor óhmico), viene la parte de diseño. Para dicho apartado, como ya se ha explicado, se ha utilizado la simulación mediante elementos finitos y los ensayos en laboratorio para poder ir mejorando los diversos modelos por los que se ha ido pasando hasta conseguir el prototipo que consiguiera cumplir el objetivo principal. Como es lógico, partiendo de una idea inicial del sensor, no se iban a cumplir los objetivos, por lo que se han tenido que construir varios modelos hasta llegar al definitivo. Los estudios que se han realizado que más intervienen en el diseño del divisor son los de caída de tensión y distribución de campo eléctrico. Una de las condiciones que eran indispensables conseguir para el correcto funcionamiento del sensor era alcanzar la tensión media de la entrada en el punto medio del divisor. Para ello, se han incluido 8 condensadores que ayuden a forzar que en el punto medio exista la mitad de la tensión de entrada. Además, otro factor que influye bastante en el reparto de tensión y líneas de campo es el diseño de un electrodo central que cubra la columna resistiva que forme parte del divisor. Ya que, al ser un dispositivo de medida, la medida que tenga que realizar tiene que ser correcta. En este tipo de dispositivos se producen fugas de corriente, luego con la ayuda de los condensadores y un electrodo central, recogen las posibles fugas de corriente que se puedan producir, devolviéndolas a la columna resistiva para ser medida por el dispositivo de medida final y no alterando así la relación del divisor. Después de un exhaustivo estudio de caída de tensión y reparto de campo eléctrico mediante la simulación de elementos finitos, se procede a la construcción de los modelos que se han ido diseñando para su posterior ensayo en el laboratorio. Una vez que se tiene el diseño final, se procede a introducir en el divisor un aislante eléctrico, en este caso el aislante elegido es un aislante gaseoso formado por Hexafluoruro de Azufre (SF6). El motivo de la introducción del gas aislante es debido a que para un diseño donde las distancias entre elementos a distinto potencial son tan pequeñas, se pueden producir descargas o cebados entre los distintos elementos estropeado el sensor. Por lo que dicho gas ayuda a que el diseño del prototipo sea lo más pequeño posible. Por tanto, para introducir el SF6 en su interior, a una presión de 2 bares, hace falta hacer estanco el divisor. Para ello se ha diseñado un conjunto de juntas tóricas y teflón como sistema de sellado. Otro aspecto importante a tener en cuenta en el diseño del sensor de medida, es el análisis térmico, ya que el tener elementos resistivos de alto valor va a provocar una disipación de potencia y por tanto de calor. Por tanto, también se ha tenido en cuenta y se ha realizado un estudio de la temperatura que puede llegar a alcanzar el divisor. Una vez diseñado el prototipo final, y siguiendo las normas UNE-EN 60060-1 y UNE-EN 60060-2, se han realizado los ensayos pertinentes al divisor para el correcto cumplimiento de la normativa. Para terminar, decir tiene que, aparte de ser un proyecto de la especialidad de ingeniería eléctrica, ha sido un proyecto muy completo ya que se han utilizado varias de las capacidades transversales que un ingeniero industrial debe de tener, como son capacidades de diseño y cálculo, capacidades de análisis de resultados, coordinación de personal, búsqueda en el mercado de materiales pertinentes con el menor coste posible y organización.

Más información

ID de Registro: 46780
Identificador DC: http://oa.upm.es/46780/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46780
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 14 Jun 2017 07:16
Ultima Modificación: 14 Jun 2017 07:20
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