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Título : OPTIMIZACIÓN DE SISTEMAS DE ATENUACIÓN DE CAMPO ELÉCTRICO EN AISLADORES POLIMÉRICOS DE 115 KV MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTO FINITO
Autor : DR. ESPINO CORTÉZ, FERMÍN
CRUZ DOMÍNGUEZ, DANIEL
Palabras clave : OPTIMIZACIÓN DE SISTEMAS
CAMPO ELÉCTRICO
AISLADORES POLIMÉRICOS
115 KV
MÉTODO DE ELEMENTO FINITO
Fecha de publicación : 14-nov-2011
Resumen : Insulators are considered elements of great importance for the proper performance of transmission and distribution power lines. Insulators have experienced continuous changes in terms of design and type of materials used to produce them. These changes are intended to minimize the probability of failure once insulators are installed. In polymeric insulators the high electric field concentration in the vicinity of both line and ground ends is a well known problem. When the local electric field reaches values above the corona inception field, surface discharges take place, something that has contributed to reduce the life of polymeric insulators. Electric field grading devices are usually recommended in insulators above 230 kV, but recently, problems on insulators of 115 kV transmission lines have brought into question whether these devices are also needed at this voltage level. In this work two electric stress grading options for 115 kV non-ceramic suspension insulators are analyzed by means of 2D and 3D simulations. Both options were optimized in order to compare the maximum reduction that can be obtained on the electric field at the surface of the insulator. In the first option the shape and permittivity value of the housing material next to the energized end were the optimized parameters. For the second option, the installation of a corona ring, the position and dimensions of the ring were optimized. Electric field simulations were performed with the finite element method (FEM) while for optimization process different functions of the MATLAB® optimization toolbox were used. Some optimization examples of high voltage systems with known solution are first solved in order to identify the features of each optimization function used in this thesis. The optimization in the insulator was performed with 2D FEM simulations and the optimal designs were then used on 3D models, in order to verify that these designs remain as the best option. According to the results, it was found that the use of a corona ring in 115 kV lines produces the maximum reduction of electric field as long as it is installed in the optimal position. A modification of the housing profile next to the energized end will also produce a significant reduction on the maximum electric field on 115 kV non-ceramic insulators. For this second option a shape design of the housing is proposed.
Descripción : Los aisladores son considerados elementos de gran importancia para el buen desempeño de los sistemas de transmisión y distribución. Por ello han experimentado continuas modificaciones en cuanto a su diseño y materiales empleados en su fabricación. Dichos cambios tienen el objetivo de minimizar la probabilidad de que los aisladores fallen una vez instalados. En aisladores poliméricos un problema bien conocido es el campo eléctrico intenso que se presenta en la vecindad de sus extremos. Cuando el campo eléctrico local en estas zonas alcanza un valor superior al requerido para la ionización del aire, aparecen descargas superficiales, cuya presencia contribuye a reducir la vida útil del aislador polimérico. Para tensiones por arriba de 230 kV se recomienda utilizar dispositivos para atenuar el campo eléctrico; sin embargo, fallas con aisladores poliméricos en líneas de 115 kV sugieren que estos sistemas de atenuación pudieran también ser requeridos en aisladores poliméricos a este nivel de tensión. En este trabajo se analizan dos técnicas de atenuación de campo eléctrico, para aisladores poliméricos de 115 kV del tipo suspensión, mediante simulaciones en dos y tres dimensiones. Ambas técnicas se optimizaron con el objetivo de comparar la reducción máxima de campo eléctrico que se presenta en la superficie del aislador. En la primera técnica el valor de permitividad y la forma de la cubierta polimérica cercana al herraje de potencial fueron los parámetros a optimizar. Como segundo caso se analizó la instalación de un anillo corona, su posición y dimensiones fueron las variables optimizadas. Estas simulaciones se realizaron con el método de elemento finito, mientras que para el proceso de optimización se utilizaron diferentes funciones del Toolbox de MATLAB®. Primero se resolvieron algunos ejemplos de optimización para sistemas de alta tensión con soluciones conocidas con el objetivo de identificar las características de cada función de optimización usada en este trabajo. La optimización se realizó en dos dimensiones y los resultados se utilizaron en un modelo en tres dimensiones para verificar que los diseños obtenidos siguieran siendo los adecuados. De acuerdo a los resultados se encontró que el uso de anillos corona en líneas de 115 kV proporciona la máxima reducción de campo eléctrico siempre y cuando su instalación sea la adecuada. Por otro lado, el modificar el perfil cercano a potencial puede producir una reducción considerable del máximo campo eléctrico en aisladores poliméricos de 115 kV, en este caso un diseño de forma del perfil cercano a potencial es propuesto.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/13153
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