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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ADOLFO LÓPEZ MATEOS
ZACATENCO
INGENIERÍA ELÉCTRICA
TESIS DE TITULACIÓN
“DETERMINACIÓN DEL EFECTO CORONA EN EL RAMAL
DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN”
PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTA
DANIEL MARTÍNEZ SANTIAGO
ASESOR TECNICO
M en C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ
ASESOR ESTRUCTURAL
ING. JESUS HERNANDEZ MUÑOZ
MÉXICO, D.F
NOVIEMBRE 2010
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INGENIERÍA ELÉCTRICA
RESUMEN:
La inclusión a la red eléctrica de 23 kV de la carga de una universidad ha
presentado un caso de efecto corona. El ruido generado por este fenómeno es audible
a una cuadra de distancia de la ubicación del poste de distribución de la energía
eléctrica.
En el presente trabajo se analizan las características propias del efecto y las
repercusiones que son comúnmente presentadas en las redes de distribución,
las
cuales afectan de manera gradual a los elementos de sistema y degrada su eficiencia.
Aplicando los cálculos correspondientes
de campo eléctrico mediante una
herramienta de simulación (Comsol Multiphisics), se analiza la manifestación del efecto.
Lo anterior, es complementado por medio de pruebas experimentales realizadas en el
Laboratorio de Alta Tensión de la ESIME ZAC.
Finalmente, en base a los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas,
se proponen algunas estrategias para la disminución del efecto corona
y
consecuentemente del ruido audible en el aislador.
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OBJETIVO
Analizar el efecto corona en los elementos de conexión, aislador-conductor,
debido a la inclusión de una carga para alimentar una nueva universidad privada
“UNIREM” en la colonia El Vergel delegación Iztapalapa. Utilizando un programa de
cómputo, COMSOL Multiphisics, de tal forma que la información obtenida sirva de base
para una propuesta de su disminución y sus repercusiones.
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CONTENIDO
PÁG.
Resumen
Objetivo general
2
3
Capitulo 1.- Introducción
10
1.1 Antecedentes
1.2 Problema
1.3 Alcance
1.4 Objetivo particular
1.5 Justificación
11
13
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15
16
Capitulo 2.- Redes de distribución
17
2.1 Líneas Eléctricas
2.2 Descripción general de sistemas de distribución
2.2.1 Sistemas de distribución
2.2.2 Clasificación de Sistemas de distribución
2.2.2.1 Sistema de distribución industrial
2.2.2.2 Sistema de distribución comercial
2.2.2.3 Sistema de distribución urbano
2.2.2.4 Sistema de distribución rural
2.2.3 Características de operación
2.3 Clasificación de redes
2.4 Elementos componentes del ramal de distribución
2.5 Aisladores
2.5.1 Causas del paso de la corriente del conductor al apoyo
2.5.2 Propiedades dieléctricas
2.6 Campo eléctrico en el aislador-conductor
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Capitulo 3.- Efecto corona y sus características
33
3.1 Definición del efecto corona
3.1.1 Consecuencias
3.1.2 Como se detecta
3.2 Emisión de la corona
3.3 Ionización del aire
3.4 Manifestación del efecto
3.5 Consecuencias del efecto
3.5.1 Donde ocurre
3.5.2 Radio Interferencia
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3.5.3 Ruido Audible
3.5.4 Perdidas por efecto corona
3.6 Tipos de descarga en conductores de distribución
3.6.1 Proceso de corona positiva
3.6.2 Proceso de corona negativa
3.7 Importancia del fenómeno
3.8 Descripción del fenómeno de descargas parciales
3.8.1 Aspectos generales
3.8.2 Mecanismo de descargas
3.8.3 Corrientes de descarga parciales
3.8.4 Carga eléctrica aparente
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56
Capitulo 4.- Diseño experimental de prueba para efecto corona
57
4.1 Arreglo experimental para la prueba de descargas por corona
4.1.1 Dimensionamiento del aislador para 23kV
4.1.2 Equipo empleado para la prueba
4.1.2.1 Detector ultrasónico
4.1.2.2 Osciloscopio
4.1.2.3 Kilo Volt metro digital
4.1.3 Fuentes de alimentación de alta tensión
4.1.3.1 Divisor de tensión
4.1.3.2 Transformador alimentador
4.2 Diagrama de conexión para la prueba
4.3 Análisis espectral de las emisiones asociadas a descarga por corona
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68
Capitulo 5.- Simulación de campo eléctrico con el programa COMSOL Multiphisics
72
5.1 Calculo de campo eléctrico por formula de Peek
5.2 Simulación con el COMSOL Multiphisics
5.3 Propuesta para la disminución del campo magnético producido por corona
5.3.1 Modelo del aislador de Etil-propileno
5.3.2 Modelo del aislador de vidrio
5.3.3 Modelo B del aislador de vidrio
5.3.4 Modelo del aislador con pantalla semiconductora
5.3.5 Modelo del aislador de Etil-propileno con pantalla de polietileno
5.3.6 Modelo de porcelana con la pantalla semiconductora
5.3.7 Modelo de porcelana en la pantalla semiconductora de Poliestireno
5.4 Análisis de resultados
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Capitulo 6.- Conclusiones y recomendaciones
93
6.1 Conclusiones
6.2 Recomendaciones de costo beneficio
6.3 Recomendaciones para trabajos futuros
94
95
96
Referencias
97
Apéndices
A.1 Tablas para la selección de conductores para 23kV según LyF y CFE
A.2 Tablas para determinación de la altura de los postes
A.3 Características de aisladores eléctricos para 23kV
100
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Glosario Técnico
104
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INDICE DE FIGURAS
PAG.
2.1 Esquema representativo de las redes de distribución de las empresas
concesionarias de servicio público.
2.2 Sistema radial
2.3 Separación de las placas del conductor
2.4 Ley de refracción aplicada a campos eléctricos intensos
2.5 Dos diferentes materiales dieléctricos entre un electrodo plano
2.6 Localización del campo eléctrico
2.7 Distribución del campo eléctrico
23
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
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48
50
51
Efecto corona en radiación ultravioleta
Visualización en cámara infrarroja
Localización del efecto corona
Efecto en un conductor
Toma del efecto con una cámara de radiación ultravioleta
Diferencia visual entre la corona positiva y la corona negativa
Descarga de corona positiva
Descarga de corona negativa
23
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29
30
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32
4.1 Dimensiones del aislador
4.2 Detector ultrasónico empleado para el monitoreo
4.3 Osciloscopio digital
4.4 Kilo Volt metro digital
4.5 Divisor de tensión
4.6 Transformador elevador
4.7 Configuración del modelo para la prueba
4.8 Esquema físico del modelo
4.9 Conexiones del equipo
4.10 Arreglo para el medidor ultrasónico
4.11 Inicio de la medición
4.12 Inicio del aislador
4.13 Punto mas fuerte de la emisión del ruido debido al campo eléctrico
4.14 Final del conductor en el modelo
4.15 Medición al cetro del aislador
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5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
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Dimensionamiento del modelo
Características de la simulación
Introduccion de valores para la simulación
Mallado del modelo
Ejecución del programa
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5.6 Línea de evaluación para la grafica de campo eléctrico
5.7 Grafica de campo eléctrico en el aislador de porcelana
5.8 Grafica de campo eléctrico del aislador de Etil-propileno
5.9 Grafica de campo eléctrico para el aislador de vidrio
5.10 Grafica de campo eléctrico para el aislador de vidrio con permitividad de 10
5.11 Propiedades de la pantalla
5.12 Campo eléctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor
5.13 Campo eléctrico con la aplicación de la pantalla semiconductora
5.14 Grafica de campo eléctrico para el modelo con pantalla
5.15 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con pantalla de polietileno
5.16 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con pantalla de Poliestireno
A.1.1
A.1.2
A.1.3
A.1.4
Conductor de aluminio tipo AAC
Conductor de aluminio con refuerzo de acero
Conductor tipo ACSR cubierto de XLP
Conductor de aluminio tipo XLP
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100
100
101
101
A.2.1 Altura de los postes de hormigón
102
A.3.1 Tipos de aislador para diferentes niveles de tensión
A.3.2 Características electromecánicas y de radio interferencia
103
103
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INDICE DE TABLAS
PAG.
2.1 Constante dieléctrica de varios materiales
28
4.1 Resumen de resultados
71
5.1 Comparación de campo eléctrico
91
5.2 Comparación de campo eléctrico con pantalla semiconductora
92
INDICE DE ECUACIONES
PAG.
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
Efecto capacitancia
Capacitancia
Permitividad
Ángulos de refracción dieléctrica
Carga aparente
5.1 Formula de Peek
5.2 Aplicación de la formula de Peek
5.3-5.5 Campo eléctrico en el aislador
5.6-5.8 Campo eléctrico en el aislador de Etil-propileno
5.9-5.11 Campo eléctrico en el aislador de vidrio
5.12-5.14 Campo eléctrico en el aislador de vidrio con permitividad de 10
5.15-5.17 Campo eléctrico en el aislador con pantalla de Poliestireno
5.18-5.20 Campo eléctrico en el aislador con pantalla de Polietileno
5.21-5.23 Campo eléctrico en el aislador con pantalla de Polietileno
5.24-5.26 Campo eléctrico en el aislador con pantalla de Poliestireno
26
26
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CAPÍTULO 1
“INTRODUCCIÓN”
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1.1
ANTECEDENTES
Uno de los fenómenos de gran importancia en redes de distribución (RD), es el
Efecto Corona (EC), y es a raíz de este que se desarrollan otros fenómenos tales como
la Radio Interferencia (RI) y el Ruido Audible (RA), pérdidas parciales a la potencia del
sistema, los cuales con el aumento de la tensión de operación se hacen cada vez más
notorios, aumentado así la posibilidad de que tanto personas como equipos puedan ser
afectados o interferidos debido a las propiedades electromagnéticas que se generan en
los alrededores de la RD, surgiendo así los problemas denominados de Compatibilidad
Electromagnética (CEM) [1].
Algunas de las perturbaciones ocasionadas por el efecto corona en
las RD
llevan consigo un conjunto de diversas descargas eléctricas en gases (aire), que
globalmente se pueden definir como disrupciones parciales en la vecindad del
conductor bajo tensión, alrededor del cual se genera un campo eléctrico por lo general
no uniforme, que dependerá en gran medida del tipo y magnitud de la tensión aplicada
al conductor. Algunas de las manifestaciones del efecto corona son: ozono, luz visible,
vibración mecánica, calor alrededor de los conductores o calentamiento de la superficie,
Ruido Audible, Radio y TV Interferencia, o en general interferencias electromagnéticas
[1].
Las descargas corona dan origen a una serie de perturbaciones en una gama de
frecuencias que incluye las bandas de radio frecuencia y ruido audible. Esto debido a la
naturaleza pulsante del campo electromagnético generado en los alrededores de los
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conductores al darse las descargas, estos fenómenos se propagan tanto en el
conductor como en el espacio, alcanzando niveles que podrían afectar la recepción de
otras señales en cercanías de la RD, causar irritación a personas debido a los altos
niveles de Ruido Audible generado, y en algunos casos ser tan intensas las descargas
que logren distorsionar la misma onda senoidal transportada por los conductores [1].
En este trabajo se describe y analiza uno de los modos de falla más comunes del
aislamiento en redes de distribución, que comienza con la presencia de efecto corona.
Este modo de falla se presenta generalmente en el área de contacto entre conductor y
aislador.
En presencia de un fuerte campo eléctrico externo, las moléculas que componen
el aire tienden a ionizarse, es decir, a perder o ganar un electrón libre transformándose
en cargas eléctricas no neutras. Luego, las partículas ionizadas y los electrones libres
son repelidos o atraídos por el campo eléctrico según sea su polaridad. Cuando el
campo eléctrico externo es alterno, entonces las moléculas ionizadas y los portadores
libres se acercan y alejan de la fuente del campo eléctrico continuamente. Este
movimiento de iones y cargas es más enérgico cuanto mayor sea la magnitud y la
frecuencia del campo eléctrico.
Si la magnitud del campo eléctrico supera un cierto valor, entonces el movimiento
de las cargas produce choques entre ellas en donde se disipa una cantidad de energía
tal que se producen recombinaciones químicas entre las moléculas involucradas. Este
proceso químico libera al espacio nuevas moléculas, y la recombinación e ionización de
algunas de estas produce la liberación de fotones los cuales producen el efecto visible
que se conoce como Efecto Corona [2].
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1.2 PROBLEMA
En un ramal de una red de distribución ubicado en la colonia el Vergel de la
delegación Iztapalapa, se detecto un caso de efecto corona para el cual la principal
característica es la percepción del ruido audible a una cuadra de la ubicación del poste
de distribución eléctrica.
Se aprecian el poste, la cruceta donde están montados los aisladores y los tres
conductores de 23 kV. La presencia de corona en este punto de la red tiene las
siguientes consecuencias:
-
Ruido audible
-
Radio interferencia
-
Corona luminiscente
-
Perdidas de potencia en la línea
Todas estas características son consecuencias del efecto corona el cual se ha
ubicado entre el aislador y el o los conductores de 23 kV.
13
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1.3
ALCANCE
Se pretende mediante el análisis del campo eléctrico, detectar la presencia de
corona en el ramal de la red de distribución, tomando en cuenta la altura del poste de
hormigón, la tensión de los conductores así como la geometría y material del aislador.
De este modo, se presentan alternativas o posibles soluciones a la
manifestación del efecto corona, mediante el análisis de los resultados obtenidos de las
simulaciones realizadas con el programa COMSOL Multiphisics [3,4].
El desarrollo y aplicación de este trabajo están basados en las especificaciones
correspondientes a los conductores y aisladores utilizados en la red de distribución de
23 kV.
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1.4

OBJETIVOS PARTICULARES
Analizar las características de la red de distribución para el estudio del
efecto.

Investigar los datos de diseño de la red de distribución para su análisis.

Simular mediante el programa Comsol Multiphisics el efecto corona.

Proponer estrategias para disminución del efecto y sus consecuencias.
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1.5
JUSTIFICACIÓN
El efecto corona es un fenómeno que llega a presentarse en redes de
distribución, teniendo como consecuencias ruido audible, repercusión directamente en
la eficiencia del sistema que adicionalmente representa un impacto económico para el
dueño del contrato con la empresa suministradora de energía. Para el caso de estudio,
debe considerarse que el efecto corona no se detectaba sino hasta la inclusión de la
carga instalada en la universidad de la colonia el Vergel a la red de distribución de 23
kV, tomando en cuenta también diferentes factores como el estado de los aisladores y
las condiciones ambientales para la manifestación de corona.
El análisis del efecto corona en la red de distribución de 23 kV, se realizará con
el fin de reducir los fenómenos originados por éste efecto, tales como las afectaciones
de manera indirecta sobre la población ubicada en la cercanía de la red [5]. “Aunque
nadie pone en duda los enormes beneficios que la energía eléctrica aporta a la vida
cotidiana y a los servicios sanitarios, en los últimos veinte años ha aumentado la
preocupación del público ante la posibilidad de que la exposición a campos eléctricos y
magnéticos de frecuencias extremadamente bajas (ELF) tenga algún efecto nocivo
para la salud. Este tipo de campos está asociado principalmente a la transmisión y uso
de energía eléctrica a las frecuencias de 50/60 Hz; y directamente a la potencia de
suministro de energía [6]”. Además, algunas otras consecuencias del efecto corona son
pérdidas de potencia, las cuales son una porción pequeña de las pérdidas de I2R, sin
embargo, las
pérdidas máximas tienen una influencia
significativa
con
los
requerimientos de la demanda. Aunado a esto, se tiene radiointerferencia y ruido
audible que puede provocar efectos indeseables en la misma universidad y población
aledaña a la red.
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CAPÍTULO 2
“REDES DE
DISTRIBUCIÓN”
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INTRODUCCIÓN
En este capítulo
se muestra un panorama general acerca de las redes de
distribución y sus principales características de diseño, del mismo modo se describen
sus componentes y principales elementos.
2.1
LÍNEAS ELÉCTRICAS
En las líneas de transmisión, el efecto corona origina pérdidas de energía y, si
alcanza cierta importancia, produce corrosiones en los conductores a causa del ácido
formado. El efecto corona es función de dos elementos: el gradiente de potencial en la
superficie del conductor y la rigidez dieléctrica del aire en la superficie, valor que a su
vez depende de la presión atmosférica y la temperatura. [7] Las líneas eléctricas se
diseñan para que el efecto corona sea mínimo, puesto que también suponen una
pérdida en su capacidad de transporte de energía; en su aparición e intensidad influyen
las siguientes condicionantes:

Tensión de la línea: cuanto mayor sea la tensión de funcionamiento de la
línea, mayor será el gradiente eléctrico en la superficie de los conductores y, por tanto,
mayor el efecto corona. Generalmente sólo se produce en líneas de tensión superior a
80 kV.
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
La humedad relativa del aire: una mayor humedad, especialmente en
caso de lluvia o niebla, incrementa de forma importante la aparición de corona.

El estado de la superficie del conductor: las rugosidades, irregularidades,
defectos, impurezas adheridas, etc., incrementan el efecto corona.

Número de subconductores: el efecto corona será menor cuanto más
subconductores tenga cada fase de la línea.
2.2
DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Para una red de distribución, el efecto corona se presenta principalmente en los
aisladores, causando una degradación en los materiales:
•
Los principales datos del sistema eléctrico son la tensión nominal, la
frecuencia nominal y su comportamiento en caso de cortocircuito.
•
Los sistemas de distribución de energía eléctrica comprenden niveles de
alta, baja y media tensión [8].
2.2.1
Sistema de distribución.
Un sistema de distribución de energía eléctrica es un conjunto de equipos que
permiten energizar en forma segura y confiable un número determinado de cargas, en
distintos niveles de tensión, ubicados generalmente en diferentes lugares.
2.2.2
Clasificación de los Sistemas de Distribución.
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Dependiendo de las características de las cargas, los volúmenes de energía
involucrados, y las condiciones de confiabilidad y seguridad con que deban operar
[8], los sistemas de distribución se clasifican en:
-
Industriales.
-
Comerciales.
-
Urbana.
-
Rural
2.2.2.1
Sistemas de distribución industrial.
Comprende a los grandes consumidores de energía eléctrica, tales como las
industrias del acero, químicas, petróleo, papel, etc.; que generalmente reciben el
suministro eléctrico en alta tensión. Es frecuente que la industria genere parte de su
demanda de energía eléctrica mediante procesos a vapor, gas o diesel [8].
2.2.2.2
Sistemas de distribución comerciales.
Es un término colectivo para sistemas de energía existentes dentro de grandes
complejos comerciales y municipales, tales como edificios de gran altura, bancos,
supermercados, escuelas, aeropuertos, hospitales, puertos, etc. Este tipo de sistemas
tiene sus propias características, como consecuencia de las exigencias especiales en
cuanto a seguridad de las personas y de los bienes, por lo que generalmente requieren
de importantes fuentes de respaldo en casos de emergencia [8] .
2.2.2.3
Sistemas de distribución urbana.
20
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Alimenta la distribución de energía eléctrica a poblaciones y centros urbanos de
gran consumo, pero con una densidad de cargas pequeña. Son sistemas en los cuales
es muy importante la adecuada selección en los equipos y el dimensionamiento [8].
2.2.2.4
Sistemas de distribución rural.
Estos sistemas de distribución se encargan del suministro eléctrico a zonas de
menor densidad de cargas, por lo cual requiere de soluciones especiales en cuanto a
equipos y a tipos de red. Debido a las distancias largas y las cargas pequeñas, es
elevado el costo del kWh consumido.
En muchos casos es justificado, desde el punto de vista económico, la
generación local, en una fase inicial, y sólo en una fase posterior, puede resultar
económica y práctica la interconexión para formar una red grande [8].
2.2.3
Características de operación.
Para comprobar las características de operación, confiabilidad y seguridad de un
sistema
de distribución industrial, es necesario efectuar una serie de estudios
analíticos; los cuales entregan índices de funcionamiento, cuya exactitud dependerá del
modelo empleado en la representación del sistema. Los estudios típicos que se
efectúan en un sistema de distribución Industrial son los siguientes:
-
Flujos de potencia.
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2.3
-
Cálculo de corrientes de cortocircuito.
-
Regulación de tensión y compensación de reactivos.
-
Partida de motores.
CLASIFICACION DE LAS REDES.
Según el Reglamento de la Ley General de Servicios Eléctricos (Decreto
Supremo Nº 327), las concesiones de servicio público de distribución son aquellas que
habilitan a su titular para establecer, operar y explotar instalaciones de distribución de
electricidad dentro de una zona determinada (llamada comúnmente zona de
concesión), y efectuar suministro de energía eléctrica a usuarios finales ubicados
dentro de dicha zona y a los que, ubicados fuera de ella, se conecten a sus
instalaciones mediante líneas propias o de terceros [8].
Este suministro puede ser de dos niveles: alta tensión o baja tensión. Las redes
de las empresas eléctricas concesionarias (fig. 2.1) tienen como punto de partida las
denominadas subestaciones de distribución primaria, cuyo objetivo es el de reducir la
tensión desde el nivel de transporte al de alta tensión de distribución [8].
Las redes de distribución de las empresas eléctricas son llamadas comúnmente
en esta parte de los sistemas como: “alimentadores”, las que pueden ser tanto aéreas
como subterráneas, y que a la vez, pueden alimentar directamente a clientes de
grandes potencias que cuentan con trasformadores propios (llamados clientes de AT),
o bien, a sub redes por medio de transformadores de baja tensión de distribución, a las
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que se conectan clientes que poseen niveles de potencia bajos y medianos. A estas
redes de baja tensión normalmente se les llama: circuitos [8].
Fig. 2.1 Esquema representativo de las redes de distribución de las empresas
concesionarias de servicio público [8].
Los sistemas radiales (fig. 2.2) consisten en poseer un conjunto de
alimentadores de alta tensión, que suministran potencia en forma individual, a un grupo
de transformadores. Cuando una red radial alimenta a transformadores, se obtienen las
redes de distribución de baja tensión, normalmente trifásicas de cuatro hilos, y siempre
del tipo sólidamente aterrizadas. Una desventaja de los sistemas radiales es que al
fallar un transformador, su alimentador en alta tensión, todos los clientes de baja
tensión asociados a ese transformador quedan sin suministro. No son redes que
aseguren una buena continuidad del servicio, pero son económicas [8].
23
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Fig. 2.2 Sistema radial.
2.4 ELEMENTOS COMPONENTES PARA EL RAMAL DE DISTRIBUCIÓN
o POSTES: Deberán ser utilizados postes de
hormigón centrifugado o
prensado así como postes de madera respetando íntegramente lo
requerido en las normas de construcción [9].
o
Retenciones: Se colocarán aproximadamente cada 300 metros [9].
o Espaciadores: Los espaciadores, en los vanos entre postes, se
montarán a una distancia máxima de 8 metros [9].
o Cable de sustentación: Se utilizarán cables de acero galvanizado,
preferentemente formación 1x19, en un todo de acuerdo a las normas de
construcción (IRAM 722). Los diámetros variarán desde 6,4 mm para
sustentación de la red protegida conformada por cables de 35 mm2 de
24
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sección a 9,5 mm para cables de 185 mm2 de sección. En los ángulos se
utilizan aisladores para amarrar los cables conductores [9].
o Ménsulas y crucetas: En los postes de transición (redes convencionales
/ redes protegidas) se utilizarán accesorios normalizados estándar (MN).
En general las demás estructuras de las redes de distribución protegidas
contarán con soportes, accesorios, etc. Específicos [9].
2.5
AISLADORES
Son los elementos cuya finalidad consiste en aislar el conductor de la línea con
el apoyo que lo soporta. Al emplearse los conductores, se precisa que los aisladores
posean buenas propiedades dieléctricas ya que la misión fundamental del aislador es
evitar el paso de la corriente del conductor de apoyo. La unión de los conductores con
los aisladores y de éstos con los apoyos se efectúa mediante piezas metálicas
denominadas herrajes [10].
2.5.1
Causas del paso de corriente del conductor al apoyo
Por descarga disruptiva a través del aire: puede producirse un arco entre el
conductor y el soporte a través del aire, cuya rigidez dieléctrica a veces no es suficiente
para evitar la descarga. Esto suele ocurrir con la lluvia, debido a la ionización del aire, y
se puede evitar con un diseño adecuado para aisladores de intemperie, tratando de
aumentar la distancia entre aislador y soporte de forma que la tensión necesaria para la
formación del aire sea mayor [10].
25
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Por perforación de la masa del aislador: al ser muy difícil mantener la
uniformidad dieléctrica de un material en toda su masa, existe el peligro de que se
perfore el aislador, sobre todo si el espesor es grande. Por ello, los aisladores suelen
fabricarse en varias piezas de pequeño espesor unidas por una pasta especial [10].
Por conductividad superficial: se produce contorneando la parte exterior del
aislador por aumento de la conductividad, debido a haberse depositado en la superficie
del aislador, una capa de polvo o humedad. Esta conductividad recibe el nombre de
efecto corona y suele reducirse dando un perfil adecuado a la superficie del aislador
[10].
Por conductividad del material: es decir, a través de la masa del aislador; para
evitar esto, se emplean, materiales para los que la corriente de fuga es despreciable
[10].
2.5.2 PROPIEDADES DIELÉCTRICAS
•
Propiedades dieléctricas: mejor descritas por el efecto de capacitancia.
q=CV
(2.1)
q carga eléctrica en [Coulombs];
C capacitancia en [Farads];
V tensión en [Volts]
•
Cantidad de carga almacenada depende de:

geometría del condensador

propiedades dieléctricas del aislador.
26
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C = εA / d
•

ε : permitividad del aislador o dieléctrico

d : separación entre las placas del condensador

A : área de superficie
(2.2)
Permitividad eléctrica
Constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por
un medio. La permitividad se determina por la habilidad de un material de polarizarse
en reacción a la aplicación de un campo eléctrico y de esa manera, cancelar
parcialmente el campo dentro del material [11].
27
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Fig. 2.3 Separacion de las placas del conductor.
•
La permitividad de un sólido refleja su habilidad para almacenar cargas:
εi = εo εr
(2.3)
 εo = 8,85 x 10-12 F/m, permitividad del vacío
 εr > 1: permitividad relativa o constante dieléctrica
 εr representa aumento de la capacidad de almacenar carga debido a
inserción del medio dieléctrico entre las placas.
TABLA 2.1 CONSTANTE DIELÉCTRICA DE VARIOS MATERIALES [12]
εr
MATERIAL
Cerámicas
Titanatos
Micas
Esteatita (MgO-SiO2)
Vidrio de soda y cal
Porcelana
Silice Vitrea
Polímeros
 Nylon 66
 Poliestireno
 Polietileno






2.6
60 Hz
1 MHz
6.9
6.0
4
15-10000
5.4 - 8.7
5.5 – 7.5
6.9
6
3.8
4
2.6
2.3
3.6
2.6
2.3
CAMPO ELÉCTRICO ENTRE EL AISLADOR Y EL CONDUCTOR
En el caso cuando el desplazamiento del vector eléctrico D encuentra la interfase entre dos medios diferentes de permitividades en otro ángulo que 90 grados, la
dirección de este vector cambiara en el segundo dieléctrico. En general, esto parece
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que no hay cargas libres presentes en la interface y solo la (dipolar) polarización de
cargas define las condiciones límite [13].
Después los ángulos de incidencia y refracción son interpretados como sigue:
(2.4)
•
α : ángulo de incidencia del campo
•
Et: Vector magnitud del campo
•
En : Vector altura del campo
•
Dn : Distrancia del campo eléctrico
•
E : Campo eléctrico
.
En sistemas prácticos de tensión de C.D las tensiones de acumulación de libre
transmisión cambian cuando toman otro lugar, causado por diferentes conductividades
de los materiales.
Fig.2.4 La ley de refracción aplicada a campos eléctricos intensos. [16]
29
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La fig. 2.5 muestra el caso cuando 2 dieléctricos son colocados paralelos a
electrodos planos, la interface, que no es perpendicular a la superficie del electrodo.
Se observa una compresión de las líneas equipotenciales ubicada en la esquina P
incrementando el campo por puntos [13].
Fig. 2.5 Dos materiales dielectricos entre un electrodo plano [13]
Si el ángulo entre la union y el electrodo en la esquina es menor a 90° la
intensidad del campo en el punto P se vuelve teóricamente infinito. Esto corresponde
cuando el dieléctrico solido es parte del electrodo, dejando un vacio llenado por
materiales dieléctricos de una inadecuada fuerza de separación. Un ejemplo típico
ocurre en pruebas de separación de fuerza en sólidos dieléctricos con forma de placas
como es mostrado en la figura 2.6 [13].
Los electrodos del disco son un perfil de Rogowski, para el cual la separación
siempre se lograría dentro de la región uniforme del campo, si solo existe un material
de aislamiento. Si las placas del material sólido con la constante dieléctrica
ε
2
se
prueban en el aire atmosférico, para el cual la fuerza de separación así como la
constante dieléctrica ε 1~ ε0 es mucho más baja que los valores correspondientes para
30
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el material sólido, incluso para tensiones menores que el voltaje de ruptura, muchas
descargas parciales aparecerán a partir de los bordes como se indica en la figura [13].
Estas descargas extenderán por la superficie del dieléctrico sólido y causaran la
separación [13].
Fig. 2.6 Localización de el campo eléctrico intenso para ɛ 1 > ɛ 2 [13].
Para
evitar este fenómeno, deberán utilizarse gases comprimidos con alta
rigidez dieléctrica o fluidos de aislamiento, cuya ε1 de permitividad debería ser superior
a ε2 para evitar que se eleve el campo, si la fuerza de ruptura del fluido no es tan
elevada como el del dieléctrico sólido. Por lo tanto, las pruebas de la fuerza de
aislamiento de materiales sólidos, en el que no se pueden incrustar electrodos se
vuelve una tarea problemática y muy difícil. Sin embargo, la Ley de la refracción dada
puede utilizarse para controlar el campo eléctrico, es decir, para mejorar la rigidez
dieléctrica de un sistema de aislamiento.
Los ejemplos típicos incluyen espacios en los materiales sólidos usados en
subestaciones gas-aisladas metal-incluidas. Los conductores cilíndricos coaxiales no
sólo son aislados en gas de hexafloruro de azufre (SF6) pero también en parte por los
espacios necesarios para la ayuda mecánica del conductor interno [13].
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Si solamente un disco del material sólido fuese utilizado como se muestra en la
fig. 10 (a), las líneas del flujo no serían refractados o distorsionadas y la intensidad del
campo E a lo largo de la convergencia entre el gas y el material sólido seguiría [13].
Esto significa que solamente los componentes tangenciales del campo eléctrico,
Et, están en convergencia y Et no es constante a lo largo de la superficie. Cuando el
campo Et en los límites sea siempre más bajo que las magnitudes del campo dentro
de los materiales adyacentes, los espacios se pueden formar de tal manera que todos
los componentes Et a lo largo de la unión siguen siendo casi constantes. Una solución
posible se demuestra en la fig. 2.7 (b), y las mismas líneas equipotenciales de la fig. 2.7
(a) se utilizan para demostrar el cambio de la distribución del campo. [13]
Fig. 2.7 Distribución del campo eléctrico [13].
a) Espacio simple del disco, sin refracción o líneas equipotenciales.
b) Espacio característico por el campo tangencial al gas aislante.
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CAPÍTULO 3
“EF ECTO CORONA Y SUS
CARACTERÍSTICAS”
33
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INTRODUCCIÓN
En este capítulo, se presentan condiciones y características en las cuales el
efecto corona es notorio, sus limitantes y consecuencias asi como un panorama
completo del ambiente donde se hace presente.
3.1
DEFINICIÓN DEL EFECTO CORONA
Se origina fundamentalmente por el gradiente de tensión en la superficie
conductora. Las pérdidas por efecto corona como el ruido que las mismas generan, se
relacionan directamente con la magnitud de la tensión de servicio. El elevado potencial
eléctrico que tienen los conductores, ioniza el aire que lo rodea, causando pequeñas
descargas disruptivas a través del aire [14].
Dentro de una estación transformadora tenemos efecto corona en:
• Barras con tensión
• Seccionadores
• Interruptores
• Morcetería
• Otros elementos con elevado potencial eléctrico.
Efectos más importantes:
● Pérdidas de energía
● Radio interferencias
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Otros efectos:
● Deterioro del material
● Producción de compuestos contaminantes
3.1.1
CONCECUENCIAS
Principalmente degrada los aisladores en las líneas de distribución de alta
tensión, provocando la caída de estas y por consecuencia perdida de energía eléctrica,
siendo causas la contaminación, una mala instalación, filamentos rotos, aisladores
dañados, mala conexión a tierra.[15]
3.1.2
COMO SE DETECTA
Cuando un conductor de una Línea de Transmisión es sometido a una tensión
creciente, el gradiente de potencial (campo eléctrico) en la superficie del conductor
crece y llega un momento en el que es mayor que el gradiente disruptivo del aire. Es en
ésta situación en la que se produce una ionización del aire que rodea al conductor, la
cual se manifiesta por una crepitación y por una luminosidad azulada que puede
percibirse en la oscuridad (halo luminoso de sección transversal), a este fenómeno se
le llama efecto corona. El efecto corona está causado por la ionización del aire
circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión de la línea. En el
momento que las moléculas de aire se ionizan, éstas son capaces de conducir la
corriente eléctrica y parte los electrones que circulan por la línea pasan a circular por el
aire.
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Tal circulación producirá un incremento de temperatura en el gas, que se tornará
de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado para niveles altos. La
intensidad del efecto corona, por lo tanto, se puede cuantificar según el color del halo,
que será rojizo en aquellos casos leves y azulado para los más severos.
3.2
EMISIÓN DE CORONA
La emisión de corona en aire está en la longitud de onda de alrededor 300 a 360
nm, pero la energía de la radiación solar en este campo espectral es mucho mayor que
la corona, haciéndola invisible al ojo humano (fig. 3.1).
En la región de 240 a 280 nm la emisión de la corona es mucho más débil, pero
el fondo de radiación solar es nulo, y la podemos denominar zona de apantallamiento
solar, o zona ciega a la luz solar [16].
Fig. 3.1 Efecto corona en radiación ultravioleta.
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La así llamada zona de apantallamiento solar son fotocátodos sensibles a
longitudes de onda superiores y producen la zona mencionada pero no la suprimen en
forma total. EL Efecto Corona es muy difícil de detectar debido a que emite una
radiación muy débil, mayormente en la banda UV.
De noche es apenas visible a simple vista, pero se puede ver imágenes con
dispositivos sensibles a la radiación UV, sin embargo durante el día la radiación solar
en la banda UV enmascara totalmente la débil radiación del efecto corona. (fig. 3.2)
Fig. 3.2 Visualizacion en camara infrarroja [17]
Se han hecho variados esfuerzos para evitar este problema utilizando filtros
altamente selectivos para aumentar el contraste, y utilizando captadores de imagen
sincronizados con la frecuencia de red para capturar la corona en los picos de las
ondas de tensión y restarlas de las imágenes captadas en los cruces por cero cuando
la corona se extingue. Estos métodos tuvieron éxito limitado y el problema de eliminar
completamente el fondo de radiación solar que enmascara el espectro corona
permanece. Con cámaras especiales se solucionan todos estos inconvenientes y se
pude hacer un correcto diagnóstico de la situación (fig. 3.3, 3.4, 3.5).
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Fig. 3.3 Localización del efecto corona [17].
Fig. 3.4 Efecto en un conductor [17].
Fig. 3.5 Toma del efecto con una cámara de radiación ultravioleta [17].
El efecto corona es superficial, cuando el campo eléctrico o gradiente de
potencial tiene un valor de cresta de 30 kV/cm (21.1 kVrms/cm) se da inicio a la
ionización por choque en el aire (a una temperatura de 25 °C y una presión atmosférica
de 760 mm de Hg) produciéndose el efecto corona, si el valor del gradiente es menor a
30 kV/cm entonces, existe una presencia de descarga parcial, bajo las mismas
características [18].
38
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3.3
IONIZACIÓN DEL AIRE
Los mencionados efluvios eléctricos comienzan cuando un electrón libre es
acelerado a través de un gas por acción del campo eléctrico. Un electrón acelerado por
el campo eléctrico puede adquirir energía suficiente para provocar la aparición de
nuevos electrones libres, mediante su colisión con átomos del gas. Dicho proceso se
llama ionización por impacto de electrón [19].
También se produce la foto-ionización, en la cual un fotón proveniente de una
fuente distante impacta con un átomo, entregando una cantidad de energía tal que
permite la liberación de un electrón y la creación de un ion positivamente cargado. Los
electrones así liberados se desplazan a través del aire, siendo acelerados por acción
del campo eléctrico, y pueden colisionar con átomos de nitrógeno, oxígeno y otros
gases presentes.
La mayoría de las colisiones son de tipo elásticas y los electrones pierden sólo
una pequeña parte de su energía cinética en cada una de esas colisiones.
Ocasionalmente, un electrón puede impactar a un átomo con la energía suficiente para
excitarlo. Cuando esto sucede el átomo adquiere un nivel de energía superior: uno o
más de sus electrones pasan a un nivel orbital superior, por lo que el electrón que lo
impactó pierde parte de su energía cinética al crear dicho estado.
Posteriormente, el conjunto de átomos excitados volverá a su estado normal,
irradiando este exceso de energía en forma de luz, calor y ruido audible. Esta liberación
de energía corresponde a la emisión de radiación electromagnética. Asimismo, un
electrón puede impactar con un ion positivamente cargado, neutralizándolo.
39
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Este proceso se denomina recombinación y también produce liberación de
energía o emisión de radiación.
Durante la mayor parte de su viaje el electrón no produce ionización, colisiona
con los átomos que están en su camino en forma elástica y pierde sólo una pequeña
parte de su energía cinética. El electrón puede sufrir otros dos procesos de pérdida de
energía cinética: difusión y captura. El proceso de difusión se produce en forma
permanente, los electrones se desplazan desde zonas de mayor concentración hacia
las zonas de menor concentración.
Por otra parte, cuando un átomo neutro captura a un electrón se crea un ion
negativamente cargado y se libera energía, se emite radiación. Este ion es una
partícula relativamente inmóvil y voluminosa, por lo que no ionizará el gas por colisión,
salvo en casos de energía sumamente elevada.
3.4
MANIFESTACIÓN DEL EFECTO
El efecto corona se manifiesta por luminiscencias o penachos azulados que
aparecen alrededor del conductor, más o menos concentrados en las irregularidades
de su superficie.
La descarga va acompañada de un sonido silbante y de olor de ozono. Si hay
humedad apreciable, se produce ácido nitroso. La corona se debe a la ionización del
aire. Los iones son repelidos y atraídos por el conductor a grandes velocidades,
produciéndose nuevos iones por colisión. El aire ionizado resulta conductor (si bien de
alta resistencia) y aumenta el diámetro eficaz del conductor metálico.
40
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3.5
CONCECUENCIAS DEL EFECTO CORONA
•
Generación de luz
•
Ruido audible y Radio interferencia
•
Vibración resultante del viento eléctrico
•
Deterioro de materiales a consecuencia de un bombardeo de iones
•
Generación de ozono, óxidos de nitrógeno y la presencia de humedad,
ácido nítrico
•
3.5.1
Disipación de la energía
Dónde ocurre
•
Alrededor de conductores de línea
•
En espaciadores y amortiguadores
•
Aislante eléctricos dañados - de cerámica o un material diferente de la
cerámica
•
Aislantes contaminados
•
En los extremos vivos de ensambles de aislantes y manguitos aisladores
•
En cualquier punto de su equipo eléctrico, donde la fuerza del campo
eléctrico exceda los 3 kV/m
•
En ciertos árboles de gran tamaño. Esto origina temor supersticioso en la
gente que no conoce el tema [20].
41
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3.5.2
RADIO INTERFERENCIA (RI)
El campo perturbador generado por la línea ocasiona, en los radios receptores
que se encuentran dentro de su zona de influencia, un ruido característico. Las
principales fuentes de interferencia en las comunicaciones de radio, originadas en
instalaciones de alta tensión [21], pueden ser separadas en dos tipos:
a)
Descargas corona (descargas eléctricas parciales en un medio dieléctrico
gaseoso, en regiones de alta intensidad de campo eléctrico del entorno de los
conductores). Estas dependen del diseño de la línea y las condiciones climáticas, e
interfieren casi exclusivamente en la banda de frecuencias inferiores a treinta
megahertz 30 MHz (radio AM) fenómeno reconocido como radio interferencia (RI).
b)
Descargas disruptivas (micro descargas que tienen lugar generalmente
en la Morcetería y que se deben a falsos contactos o a imperfecciones en el ensamble
entre un aislador y su Morcetería). Estas dependen de aspectos constructivos e
interfieren en un espectro que alcanzan los centenares de MHz (radio FM y TV).
Los elementos de las líneas y las subestaciones deben ser ensayados y cumplir
con los requerimientos de radio interferencia indicados en los procedimientos del
COMITE internacional especial de perturbaciones radio eléctricas (CISPR) Nº 18
partes, 1, 2 y 3 [7].
42
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Parte 1: descripción del problema, Parte 2: Métodos de medición y
procedimientos para la determinación de límites, Parte 3: Práctica para minimizar la
generación de ruido). Cumplidos los requerimientos anteriores, el cálculo de los niveles
sólo por descarga corona en los conductores.
El nivel tolerable de (RI) depende de:
c) Los tipos de comunicaciones a proteger.
d) Los niveles de señal de las comunicaciones a proteger.
e) El nivel de la calidad de la recepción.
f) Los límites de tiempo en la interferencia prevista.
Para la definición de la franja perturbada, se utilizarán los procedimientos
indicados por el comité internacional especial de perturbaciones radio eléctricas
(CISPR) Nº 18- 1, 2 y 3.
De acuerdo con las normas de la Comisión Nacional de Telecomunicaciones, se
fija un nivel máximo de (RI) en: cincuenta y cuatro decibeles 54 dB durante el 80% del
tiempo, en horarios diurnos (Norma SC-S-3.80.02/76- Resolución ex-SC Nº 117/78)
medidos a una distancia horizontal mínima de 5 veces la altura de la línea aérea en sus
postes o torres de suspensión (Norma SC-M-1-50.01) [22].
Se fija un valor de máxima interferencia de 30 dB, para protección de señales
radiofónicas, con calidad de recepción de interferencia no audible (Código 5 de
CIGRE).
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Tal y como se ha dicho anteriormente, como consecuencia del efecto corona se
produce una emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas en el rango de
las radiofrecuencias que podrían crear interferencias en la radio y la televisión. La
intensidad de estas radiofrecuencias es máxima a 0,5 MHz de frecuencia y decrecen
según aumenta la frecuencia hasta ser inapreciable a partir de 30 MHz Por lo tanto, no
pueden interferir en las emisiones de radio comercial en frecuencia modulada (entre 87
y 108 MHz), pero sí podría afectar a las emisiones radiofónicas en onda media en
casos particulares, sobre todo cuando la antena esté situada a una distancia cercana a
la línea eléctrica. Las líneas eléctricas tampoco son susceptibles de afectar a la emisión
o recepción de televisión, puesto que en VHF la banda baja va de 50 a 80 MHz y la
banda alta va de 180 a 210 MHz; y las emisiones de UHF se realizan entre 500 y 800
MHz.
Las perturbaciones a frecuencia de radio se caracterizan por tres parámetros
que son en primera aproximación, independientes:
• Su variación en función de la frecuencia
• Su variación con la distancia en dirección transversal a la línea.
• Su variación con las condiciones climáticas.
3.5.3
RUIDO AUDIBLE
La presencia de efecto corona en conductores de líneas de alta tensión puede
dar origen a sonidos audibles (RA: ruido audible). Al igual que en el caso de (RI), la
intensidad de dicho ruido depende del gradiente superficial de campo eléctrico en los
conductores, de su estado superficial y de las condiciones atmosféricas.
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Estos niveles de perturbación de ruido audible (RA) se incrementan junto con el
nivel de tensión de operación de los sistemas de transmisión, y comienza a tomar
importancia para tensiones superiores a 300 kV, aproximadamente.
Se fija un límite de 53 dB, valor que no debe ser superado el 50% de las veces
en condición de conductor húmedo, a una distancia de 30 m desde el centro de la traza
de la línea o en el límite de la franja de servidumbre o parámetro de una estación
transformadora [22].
En las subestaciones se evaluarán los datos garantizados de ruido máximo a
producir por los transformadores u otros equipos. Los mismos deberán cumplir con las
exigencias de la norma IEC 651 (1987) e IRAM Nº 4074-1/88 "Medición de niveles de
presión sonora". Se deberá cumplir con la norma IRAM Nº 4062/84 (Ruidos molestos al
vecindario) [23].
3.5.4
PERDIDAS POR EFECTO CORONA
Las pérdidas por corona contribuyen a la reducción de la eficacia en la
transmisión de energía.
Cualquier transferencia de energía de los campos eléctricos a las partículas
cargadas tales como electrones da lugar a pérdidas por corona que es un índice de
energía fuera del conductor de la línea de transmisión. La mayor parte de esta
transferencia de energía es térmica, mientras que algo se convierte en ruido [25].
Las condiciones atmosféricas desempeñan un papel importante en la producción
de corona.
45
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Los depósitos ambientales tales como la contaminación pueden cambiar las
características de la superficie de una línea de transmisión. Estos depósitos junto con
la lluvia y la nieve, pueden distorsionar el campo eléctrico. Las gotas de agua que bajan
cerca de la superficie del conductor pueden dar lugar a micro descargas entre las gotas
que pasan y la superficie del conductor.
El flujo de corriente de la carga en los conductores de la línea de transmisión
afecta la cantidad de pérdidas por corona. Corrientes de carga, aumentan la
temperatura del conductor sobre la temperatura ambiente, aumentando el aire que
rodea el conductor.
Este aire más caliente aumenta las pérdidas por corona. Para atenuar la corona,
es importante tener un conductor grande, de superficie limpia, sin ningún vacío o
imperfección que generen el realce de la tensión del campo.
Para no llegar a valores prohibitivos de esta pérdida se encuentra en la práctica
con la imposibilidad del empleo de tensiones altísimas que reportarían ventajas de otro
género. Se indican con el nombre de “efecto corona” todos los fenómenos eléctricos de
conducción en la atmósfera que circunda al conductor, antes de producirse el enceba
miento de una chispa o de un arco.
El efecto corona es deletéreo por la presencia de ozono producido, cuyo fuerte
poder oxidante reduce enormemente la vida de las partes metálicas de las líneas.
46
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3.6
TIPOS DE DESCARGAS EN CONDUCTORES DE DISTRIBUCIÓN
Hay dos tipos de descarga por corona: corona positiva y corona negativa. La
diferencia visual se la puede ver en la figura 3.6. La polaridad de la descarga por
corona es determinada por la muestra de tensión aplicada al electrodo de corona.
Zeleny describió la diferencia llamativa en aspecto visual entre la corona positiva y
negativa. La corona positiva aparece como resplandor inmóvil, difuso sobre el extremo
del punto, mientras que la corona negativa aparece cuando un conductor localizado
origina un punto minúsculo en el extremo y se separa hacia fuera en el espacio [24].
Para una geometría dada, el voltaje de inicio por corona y la interrupción
eléctrica del gas ocurren en voltajes más altos para la corona negativa que para la
positiva.
Fig. 3.6 Diferencia visual entre la corona positiva y la corona negativa.
Figs. 3.6.1, 3.6.4, 3.6.7 muestran descargas de poca intensidad positivas de puntos en aire;
Figs. 3.6.2, 3.6.3, 3.6.5, 3.6.6, 3.6.8, 3.6.9 muestran descargas negativas (aumento x 6).
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3.6.1
PROCESO DE CORONA POSITIVA
El proceso de ionización para corona positiva, se describe en la figura 3.7. Se
aplica un potencial alto positivo al electrodo punta. El electrodo plano bajo de curvatura
en el extremo se aterriza o se fija a un potencial más bajo. Los electrones naturales
libres en la proximidad cercana a los electrodos son acelerados hacia el electrodo de
corona por el campo eléctrico.
En la región del plasma, varios micrones de la superficie del electrodo de
corona, alcanzan un nivel crítico por la intensidad del campo eléctrico. En la región
donde existe el campo crítico, las colisiones de electrones y moléculas neutrales del
gas en la región de ionización dan lugar a los electrones que se rompen libremente de
las moléculas neutrales del aire.
Este proceso crea los electrones libres e iones positivos que alternadamente son
acelerados por las fuerzas de Coulomb. Los electrones e iones libres también se
producen con la fotoionización.
Los fotones se emiten de los electrones mientras que decaen en niveles de
energía más bajos en la región del plasma. En aire seco, O2 + y N2 + son los
portadores principales de la carga.
La región de ionización de corona positiva es caracterizada por un uniforme
resplandor débil, azulado púrpura a lo largo de la superficie del electrodo. Los
electrones libres pueden también unir a las moléculas electronegativas del gas, tales
como O2, formando iones negativos, o pueden re-combinar con iones positivos.
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Cerca del electrodo de corona, los electrones tienen energías medias para
sostener la ionización neta, sin embargo, como la distancia de la superficie del
electrodo de corona aumenta, el índice de ionización disminuye.
La localización donde son iguales el índice de ionización y el índice combinado,
es la localización de la ionización y del límite de la región del plasma.
Fig. 3.7. Descarga de corona positiva.
Fuera de la región del plasma de corona, la fuerza del campo es escasa para
producir pares inducidos por colisión de electrón-ion. En esta área, existen solamente
iones de la misma polaridad que el electrodo de corona. Los iones unipolares (iones de
una sola polaridad) se propulsan desde el borde de la región de corona hacia el
electrodo de colector.
49
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Cualquier ion negativo restante dentro de la región de corona será dibujado
hacia el electrodo de corona. Debido a la curvatura baja de la extremidad del electrodo
de colector, el campo eléctrico es relativamente débil y ninguna ionización ocurre cerca
de ella.
La corona positiva tiene una tensión positiva muy alta aplicada en el electrodo de
corona, que genera un campo eléctrico fuerte. Este campo con intensidad alta ioniza
las moléculas en el ion positivo con pares de electrones en aire. Mientras se mueven,
bombardean otras moléculas neutrales y las rompen en iones más positivos y en
electrones. Todos los iones positivos se propulsan hacia el electrodo de colector.
3.6.2
PROCESO DE CORONA NEGATIVA
Los mecanismos que dan lugar a una corona negativa son similares a los de la
corona positiva. Un alto potencial negativo se aplica al electrodo de corona y el
electrodo de colector se pone a tierra o se fija en un potencial más bajo [24].
Los electrones naturales en el aire inician el proceso de la avalancha del
electrón fig. 3.8. Los electrones secundarios en la corona negativa son producidos
sobre todo por fotoemisión de la superficie del electrodo de corona. La producción de
electrones por fotoemisión del electrodo de corona depende parcialmente de emparejar
la energía de fotones emitidos a la función de trabajo del material del electrodo de
corona.
En la región de ionización, la producción de electrones libres por colisiones del
electrón con las moléculas del aire es mayor.
50
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Fig. 3.8 Descarga de corona negativa.
De semejante al caso de la corona positiva, los electrones se propulsan fuera de
la región de ionización, donde bombardean otras moléculas neutrales del aire. Este
bombardeo puede producir ciertas reacciones químicas.
El bombardeo del electrón fuera de la región de ionización crea un volumen más
grande en el cual las reacciones puedan ocurrir. Este volumen más grande, es
responsable de una orden de aumento de la magnitud en excedente de las tasas de
generación de ozono, de los generados en la corona positiva.
La corona negativa toma visualmente como descargas azulado púrpuras que
sean discontinuas a lo largo del electrodo. Las descargas en el conductor de una
corona negativa son caracterizadas por los pulsos intermitentes de Trichel, que pueden
alcanzar frecuencias de 2 ⋅105 Hz. La corona negativa se encuentra solamente en
gases electronegativos, tales como oxígeno, vapor de agua, y bióxido de carbono.
51
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Una corona negativa no ocurrirá en gases puros tales como nitrógeno,
hidrógeno, helio, y argón.
En el caso de corona negativa, la intensidad del campo eléctrico es también alta
y está presente alrededor del electrodo de corona, y la tensión aplicada al electrodo es
negativa. Los pares positivos del ion y del electrón se generan en la atmósfera
ambiente del cable de corona, pero los iones positivos son atraídos al electrodo de
corona y los electrones negativos se propulsan al electrodo de colector. Teniendo masa
mucho más pequeña, los electrones se mueven más rápidamente que los iones.
La fijación de algunos electrones a las moléculas neutrales del aire produce
iones negativos.
3.8
3.8.1
DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE DESCARGAS PARCIALES (DP)
Aspectos generales.
Una descarga parcial es un fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y
localizado en la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran
a diferente potencial [26].
A diferencia del efecto corona, que se manifiesta en los conductores de una
forma más o menos estable, las descargas parciales tienen una naturaleza mucho más
esporádica [27].
52
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La localización de la descarga puede ser la consecuencia de un aumento del
campo eléctrico en un determinado espacio, relativamente pequeño, comparado con
las dimensiones del medio aislante.
El aumento del campo puede ser debido a cambios bruscos en la naturaleza del
aislante, que pueden ser provocados por vacuolas en un medio sólido o por espacios
de gas entre las superficies de un aislante con un conductor o con otro aislante.
Las descargas parciales se suelen provocar en regiones aislantes donde existan
cavidades de moléculas de gas. Estas regiones podrían corresponder a oclusiones en
sólidos o burbujas formadas por la vaporización en un líquido. El fenómeno de DP que
tiene lugar en el aire alrededor de los conductores u otros gases es denominado efecto
corona.
Se debe recalcar que la presencia de una fase gaseosa es imprescindible para
la formación de DP. Aunque existen descargas parciales en líquidos, la formación del
canal ionizado asociado requiere que el líquido se halla vaporizado antes, y que se
formen cavidades gaseosas.
Otra condición necesaria para la formación de descargas parciales es que la
porción de volumen que contiene al gas (aire), tenga un coeficiente de ionización
α) (
igual o mayor al coeficiente de fijación de electrones (η).
Esto asegura que el radio de ionización por colisión de electrones es mayor que
el radio de fijación de electrones a la molécula, lo cual es requerido para el crecimiento
de la descarga.
53
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Si esta condición es satisfecha, una descarga parcial puede ocurrir cuando un
electrón es inyectado en este volumen. Este electrón inicial podría, por ejemplo, ser el
resultado de una emisión del campo si éste es suficientemente grande en la superficie.
3.8.2
Mecanismo de las descargas
Las descargas parciales ordinariamente comienzan en huecos, grietas o
elementos extraños en el aislamiento sólido, en las interfaces entre el aislamiento
sólido y líquido (o entre dos materiales aislantes), o entre conductor y aislamiento o en
burbujas en el aislamiento líquido.
Las descargas parciales reducen la distancia entre elementos en tensión pero
sólo en la porción del aislamiento afectada. Las descargas parciales en un material
aislante suelen iniciarse en huecos rellenos de gas dentro del dieléctrico. Puesto que la
constante dieléctrica del hueco es considerablemente más baja que la del material
aislante, el campo eléctrico es superior en el hueco que en distancias similares dentro
del material aislante.
Si la tensión por metro dentro del hueco aumenta por encima del umbral de
tensión de efecto corona las descargas parciales iniciarán su actividad.
Una vez dieron comienzo las descargas parciales se produce un deterioro
progresivo de los materiales aislantes, pudiendo causar a la postre el fallo del
aislamiento. Las descargas parciales se previenen con diseños cuidadosos y buenos
materiales.
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En equipos de alta tensión la integridad del aislamiento se verifica mediante el
empleo de equipos de detección de descargas parciales tanto durante el proceso de
fabricación como periódicamente durante la vida útil de las unidades. La prevención y
detección de las descargas parciales es capital para garantizar una operación duradera
y fiable de los equipos de alta tensión de las compañías eléctricas.
3.8.3
Corrientes de descargas parciales
Cuando se inicia la actividad de descargas parciales, pulsos transitorios de
corriente de alta frecuencia aparecerán con una duración entre nanosegundos y
microsegundos, estos pulsos reaparecerán de suerte repetitiva. Las corrientes de
descargas parciales son difíciles de medir por su escasa magnitud y duración.
El evento puede ser detectado como un cambio minúsculo en la corriente
consumida por el equipo a prueba. Otro método para medir estas corrientes es instalar
una resistencia en serie con el equipo a estudio y analizar la caída de tensión con un
osciloscopio.
3.8.4
Carga eléctrica aparente
El cambio real de la carga que se produce durante una descarga parcial no es
medible de forma directa. Se utiliza el concepto de carga aparente.
La carga aparente (q) de un episodio de descargas parciales no representa la
carga real del equipo sino que representa la variación de la carga que, si estuviese
conectada entre los terminales del equipo a prueba, provocaría una variación de la
tensión equivalente al episodio de descargas parciales.
55
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De forma matemática puede modelarse mediante la ecuación:
(3.1)
•
q : Carga aparente
•
Δ Vc : Variación de tensión
•
Cb : Carga parcial
La carga eléctrica aparente suele medirse en picoculombios (pC).
56
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CAPITULO 4
“DISEÑO EXPERIMENTAL
DE PRUEBA PARA
EFECTO CORONA”
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4.1
Arreglo experimental para la prueba de descarga por corona
La configuración del modelo que a continuación se muestra, es el resultado de
la prueba encaminada a mostrar el efecto corona en los elementos aislador conductor
de la red de distribución. En el laboratorio de Alta tensión de la sección de pesados II
de la ESIME ZAC, se adecuaron las condiciones necesarias para representar el caso a
estudiar, y las mediciones son captadas por un sonómetro, que a su vez mediante un
cable coaxial registra la onda de ruido con el osciloscopio.
4.1.1
Dimensionamiento del aislador para 23kV
58
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Fig. 4.1 Dimensiones del aislador
4.1.2
4.1. 2.1
Equipo empleado en la prueba
Detector Ultrasónico
El detector ultrasónico, tipo 9251 modelo USD-F3 Haefely Trench (Tettex
Instruments), consiste de un micrófono con diferentes sondas las cuales habilitan el
instrumento para detectar ultrasonido. El instrumento contiene un medidor que muestra
el nivel relativo de ultrasonido [28].
59
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Fig. 4.2 Detector Ultrasónico empleado para el monitoreo
4.1.2.2
Osciloscopio
Las mediciones se realizaron a través de un osciloscopio Tektronix modelo
TDS2024B, con 4 canales, 5 Gigamuestras/seg, ancho de banda de 1 GHz y una
impedancia de entrada de 1MΩ.
El osciloscopio, recibe la señal en el dominio del tiempo, y es capaz de
transformarla al dominio de la frecuencia, del mismo modo que proporciona la facilidad
de extraer la información de la señal adquirida para ser manipulada por computadora.
60
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Fig. 4.3 Osciloscopio digital
4.1.2.3
Kilo Voltmetro Digital
Kilo voltmetro marca “Hipertronics” con rango de 115 V / 400 kV. Con este
elemento, que a través de un cable coaxial conectado al divisor de tensión registra en
kV la tensión de trabajo a la cual se realizó la prueba.
61
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Fig. 4.4 Kilo Volt metro digital
4.1.3
4.1.3.1
Fuentes de alimentación de alta tensión
Divisor de tensión
Divisor de tensión marca “Hipotronics” de 400 kVM, con una relación de
transformación de 1000:1 con el cual se redujo la tensión por escala para el registro
con el Kilo Voltmetro.
62
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Fig. 4.5 Divisor de Tensión
4.1.3.2
Transformador alimentador
Se trata de un trasformador elevador marca “Walter” de 220/100000 V con una
potencia de 25 kVA, con el cual se alimentó el circuito de prueba a 23 kV.
63
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Fig. 4.6 Transformador elevador
4.2
DIAGRAMAS DE CONEXIÓN PARA LA PRUEBA
La fig. 4.7 muestra el arreglo que será empleado para las pruebas de detección
de corona en el laboratorio de alta tensión. En esta figura se muestran los elementos
utilizados para el desarrollo de la prueba.
64
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Fig. 4.7 Configuración del modelo para la prueba
En la fig. 4.8 se muestra la misma configuración pero como esquema físico
65
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Fig. 4.8 Esquema físico del modelo
La fig. 4.9 muestra la conexión del modelo con el transformador elevador, el
divisor de tensión, el kilo volt metro y el medidor ultrasónico, esto con el fin de
ejemplificar de mejor forma la conexión de los equipos con el modelo de la prueba.
Se aplicara una tensión de línea de 23 kV mediante el transformador elevador de
potencia que, mediante el kilo volt metro y el divisor de tensión, es controlado este
parámetro, el sistema debe estar aterrizado, para fines de protección propios y de
seguridad en el laboratorio como se muestra en la figura.
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Fig. 4.9 Conexión del equipo
La fig. 4.10 muestra el arreglo con el cual el medidor ultrasonico fue empleado.
Para registrar a traves del osciloscopio la onda de ruido producida por el aislador a 23
kV se utilizo un cable coaxial conectado al medidor ultrasonico y en direccion a el punto
deseado , se apunto con la antena de recepcion del medidor ultrasonico.
67
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Fig. 4.10 Arreglo para el medidor ultrasónico
68
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4.3
Análisis espectral de las emisiones asociadas a descargas por corona
Las señales capturadas por el medidor ultrasónico fueron captadas mediante el
osciloscopio, y siendo manipuladas a través de el, se obtuvieron los parámetros de
tensión y longitud de onda para cada medición hecha.
La fig. 4.11 muestra la medición realizada al inicio del modelo, entre el inicio del
conductor y el anillo equipotencial, se aprecia un nivel de tensión máximo de 860 mV.
Fig. 4.11 Extremo izquierdo
69
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La fig. 4.12 muestra el nivel de la señal de ruido cuando se acerca entre el anillo
equipotencial y el inicio del aislador, se puede observar que el nivel de tensión
incrementa a 1.0 V debido al campo eléctrico que se esta emitiendo.
Fig. 4.12 Inicio del aislador
En la fig. 4.13, se apunta la antena de recepción del medidor ultrasónico
directamente al punto de conexión del aislador con el conductor de aluminio, se aprecia
que el punto cresta de la onda de ruido se incremente notablemente a un valor de 1.98
V, debido a que en este punto el campo eléctrico es el mas intenso a lo largo del
conductor en prueba.
70
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Fig. 4.13 Punto más fuerte de la emisión del ruido debido al campo eléctrico
La fig. 4.14 muestra la medición captada hacia el final del conductor, con un
valor de tensión máximo de 840 mV.
Fig. 4.14 Final del conductor en el modelo.
71
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La fig. 4.15 muestra una medición adicional al punto central del aislador, con el
fin de verificar que el punto mas fuerte de emisión de ruido debido al campo eléctrico se
encuentra en esta zona. En este caso se registro un nivel máximo de tensión de 1.66 V.
Fig. 4.15 Medición al centro del aislador
4.4 Resumen de resultados.
Tabla 4.1 Resumen de resultados.
Punto de medición
Medición (V)
Extremo izquierdo
0.860
Inicio del aislador
1
Centro del aislador
1.98
Final del conductor
0.840
Centro del aislador
1.66
72
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CAPITULO 5
“SIMULACIÓN DEL
CAMPO ELÉCTRICO CON
EL PROGRAMA COMSOL
MULTIPHISICS”
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INTRODUCCIÓN
Como se determino en el capitulo anterior, es en el centro del aislador, en el
punto de conexión entre el aislador y conductor, donde se presenta la mayor intensidad
de campo eléctrico. En este capítulo se presentan algunas simulaciones realizadas con
el programa COMSOL MULTIPHISICS [3,4] para la determinación de la distribución del
campo eléctrico en el aislador, así como el análisis de estrategias para la reducción del
mismo.
5.1
Cálculo de campo eléctrico por formula de Peek
El cálculo del gradiente eléctrico en la superficie del conductor, en particular el
denominado gradiente crítico o de incepción Ec, a partir de cual se observan descargas
del tipo corona, es de gran importancia para el cálculo de pérdidas por corona, ruido
audible, así como para determinar los niveles de radiointerferencia que se generan
debido a este fenómeno. El gradiente de incepción de corona es función del diámetro
del conductor, la condición de su superficie, polaridad (en el caso de CD), además de
factores ambientales como la presión atmosférica y la temperatura. La fórmula de
Peek, obtenida empíricamente, es la más empleada para el cálculo del gradiente de
incepción de corona en conductores cilíndricos [29, 30,31]
(5.1)
74
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Donde (para CA):
•
Eo es la rigidez dieléctrica con un valor usual de 29.8 kV/cm (valor
pico) o 21.1 kV/cm (valor eficaz o rms).
•
K es una constante empírica dada por:
0.301 para el caso de dos conductores paralelos sobre tierra.
0.308 para una geometría cilíndrica concéntrica.
•
m es un factor de irregularidad de la superficie del conductor dado por:
1 para conductor ideal (limpio y sin irregularidades).
0.75 a 0.85 para un conductor trenzado (valor típico).
0.3 a 0.6 bajo condiciones de lluvia, nieve, niebla pesada.
•
r = radio del conductor en cm.
•
β es la densidad relativa del aire = 1
Sustituyendo valores, para el caso estudiado:
•
Eo = 21.1 kV/cm (valor eficaz o rms).
•
K = 0.308 para una geometría cilíndrica concéntrica.
•
m =0.75 a 0.85 para un conductor trenzado (valor típico).
•
r = en base a [A.1] = 1.608 cm d / 2 = 0.804 cm
•
β es la densidad relativa del aire = 1
(5.2)
75
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5.2
Simulación con el COMSOL MULTIPHISICS
Para la realización de la simulación en el programa, es necesario tomar en
cuenta las dimensiones del poste, el aislador, el conductor y las características del
medio, estos datos presentan en el subtema 4.1.2 y en el apéndice [A.1, A.2]
Fig. 5.1 Dimensionamiento del modelo
Las características del material del aislador, en este caso porcelana, así como la
tensión de la línea de 23kV son agregados en la opción “subdomain settings” dentro de
la ventana phisics como se muestra en la fig. 5.2. La permitividad de la porcelana es
de 6 adimensional [12], este dato se introduce en el programa para la simulación del
caso de aplicación como se muestra en la fig. 5.3
76
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Fig. 5.2 Características de la simulación
Fig. 5.3 Introducción de valores para la simulación
77
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En la opción “mesh” el programa realiza un mallado fino de la parte donde se
requiere de un cálculo más detallado del campo eléctrico, lo anterior se muestra en la
fig. 5.4.
Fig. 5.4 Mallado del modelo
Después de haber introducido los datos para la simulación, se selecciona la
opción “solve” la cual inserta y ejecuta las indicaciones realizadas, al correr la
simulación se observa en colores el campo eléctrico y su magnitud apreciado en la
fig.5.5, pero debido a que solo en el punto de conexión aislador-conductor se encuentra
el valor máximo de 3.5e7 V/m de campo eléctrico, se prosigue a graficar el campo
eléctrico sobre la longitud del arco de la parte del aislador en donde se coloca el
conductor como se observa en la fig. 5.6.
78
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Fig. 5.5 Ejecución del programa
FIG. 5.6 Línea de evaluación para la grafica de campo eléctrico
79
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De este modo, el valor original de campo eléctrico en el punto aislador-conductor
es de 3.5e7V/m, pero para dejarlo en valores de gradiente eléctrico, se prosigue a
hacer la siguiente conversión:
3.5e7= 35000000 V/m por lo tanto:
(5.3)
(5.4)
(5.5)
El valor obtenido en la conversión se grafica en la fig. 5.7 donde se muestra el
campo eléctrico en el modelo estudiado en el punto aislador-conductor.
Fig. 5.7 Grafica del campo eléctrico en el aislador de porcelana
80
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5.3
Propuesta para la disminución del campo magnético producido por
corona.
Como se menciono en el subtema anterior [5.2], la forma de hacer que
la
simulación en el COMSOL MULTIPHISICS reconozca el material como porcelana, fue
introduciendo la permitividad del material, esto es muy importante dado que es la
habilidad de un material de polarizarse en reacción a la aplicación de un campo
eléctrico y de esa manera, cancelar parcialmente el campo dentro del material [11].
En base a lo anterior, la primera propuesta para la disminución de la intensidad
del campo eléctrico consiste en modificar la permitividad del aislador. Otra estrategia
consiste en aplicar una pantalla semiconductora sobre la superficie del aislador, con el
fin de reducir la intensidad del campo eléctrico.
Para la primera propuesta, recopilando diferentes datos de permitividades para
materiales eléctricos [12, 32, 33], se escogen variantes tomando como base el valor de
6 para la porcelana:
 Etil-propileno con permitividad de 2.1
 Vidrio con permitividades de 4 y 10
Con motivo de la propuesta realizada, se realizara la
aislador de
Etil-propileno y para uno de
simulación para un
vidrio. Al insertar el nuevo valor de
permitividad en el programa de simulación, se obtiene un nuevo modelo para el campo
eléctrico y a continuación se mostrara la figura correspondiente.
81
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5.3.1
Modelo del aislador de Etil-propileno
Como ya había hecho mención, para que el programa reconozca el tipo de
material, se inserta su permitividad, en este caso es de 2.1, al ejecutar el programa se
muestra una nueva magnitud para el campo eléctrico en el punto de conexión aisladorconductor. En la fig. 5.8 se observa la grafica ajustada en kv / cm.
Conversión de campo eléctrico:
3.3e6= 3300000 V/m por lo tanto:
(5.6)
(5.7)
(5.8)
Fig. 5.8 Grafica del campo eléctrico del aislador de Etil-propileno
82
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5.3.2
Modelo del aislador de Vidrio
En este caso la permitividad es de 5.4, al ejecutar el programa se muestra una
nueva magnitud para el campo eléctrico en el punto de conexión aislador- conductor.
Conversión de campo eléctrico:
2.8e7= 28000000 V/m por lo tanto:
(5.9)
(5.10)
(5.11)
Fig. 5.9 Grafica de campo eléctrico para un aislador de vidrio
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5.3.3
Modelo B del aislador de Vidrio
En este caso la permitividad es de 10, al ejecutar el programa se muestra una
nueva magnitud para el campo eléctrico en el punto de conexión aislador- conductor.
Conversión de campo eléctrico:
0.97e8= 97000000 V/m por lo tanto:
(5.12)
(5.13)
(5.14)
Fig. 5.10 Grafica del campo eléctrico del aislador de vidrio con valor de permitividad 10
84
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5.3.4
Modelo de aislador con pantalla semiconductora
De acuerdo con la referencia [17] existe la posibilidad de adherir una
capa semiconductora que provoca una distribución homogénea del potencial, con la
intensión de reducir el campo eléctrico producido por corona en el aislador.
En base a lo anterior, y en base a [34] se seleccionan dos materiales
semiconductores para evaluar un nuevo modelo, combinando permitividad y
conductividad al momento de simular la presencia de campo eléctrico en el aislador.
Se eligen dos semiconductores como polimeros para la simulación
con la
pantalla semiconductora:
 Polietileno , con conductividad de 1e-15
 Poliestireno, con conductividad de 1e-17
Se aplicara esta posible solución al ejemplo original del aislador de porcelana y
al aislador de Etil-propileno. En el COMSOL MULTIPHISICS, se insertaran estos
valores en la misma opción del menú que para la permitividad, pero ahora en la barra
de conductividad, en la fig. 5.11 se ilustra este procedimiento, primero se utilizara el
aislador de Etil-propileno con la pantalla de Poliestireno.
En la fig. 5.12, se muestra la ejecución con la variante de la pantalla para
posteriormente realizar la conversión de campo eléctrico y en la fig. 5.13 se muestra la
grafica de campo eléctrico obtenido.
85
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Fig. 5.11 Propiedades de la pantalla
Pantalla
semiconductora
Fig. 5.12 Campo eléctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor
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Al trazar la línea de evaluación, se observa la grafica de campo eléctrico para
este modelo como se observa en la fig. 5.13, se realizara la conversión de magnitud y
se mostrara en la misma fig. 5.13
Calculo del campo eléctrico en kV / cm:
2.5e6= 2500000 V/m por lo tanto:
(5.15)
(5.16)
(5.17)
Fig. 5.13 Campo eléctrico con la aplicación de la pantalla semiconductora
87
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5.3.5
Modelo de aislador de Etil-propileno con pantalla de polietileno
Para este modelo se utilizaran los valores de permitividad para el aislador de
Etil-propileno con los valores de conductividad del polietileno, 1e-15, al hacer los ajustes
y correr la simulación se obtienen los siguientes valores:
Conversión de campo eléctrico 2.5e6= 2500000 V/m por lo tanto:
(5.18)
(5.19)
(5.20)
Fig. 5.14 Grafica del campo eléctrico para el modelo con pantalla
88
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5.3.6
Modelo de porcelana con la pantalla semiconductora
Al simular el modelo original, de porcelana con una permitividad de 6, se le
aplicara la pantalla semiconductora, primero de polietileno y luego de Poliestireno. Al
hacer los ajustes en el programa, se obtiene la fig.5.15 para un aislador de porcelana
con pantalla de polietileno.
El campo eléctrico queda de la siguiente forma:
4.7e6= 4700000 V/m por lo tanto:
(5.21)
(5.22)
(5.23)
Fig. 5.15 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con pantalla de polietileno
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5.3.7
Modelo de porcelana con la pantalla semiconductora de
poliestireno
Para este modelo, se aplicara una pantalla semiconductora de Poliestireno, con
el aislador de porcelana, variando nuevamente los valores del simulador se obtiene la
fig. 5.16.
El campo eléctrico queda de la siguiente forma:
5e6= 5000000 V/m por lo tanto:
(5.24)
(5.25)
(5.26)
Fig. 5.16 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con la pantalla de poliestireno
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5.4
Análisis de resultados
La prueba realizada en el capitulo 4, verifico que el mayor punto donde se
concentra el campo eléctrico debido al efecto corona se encuentra al centro del
aislador, en el punto de conexión aislador-conductor, de este modo las simulaciones en
el siguiente capitulo se han podido llevar a cabo para tratar de lograr una disminución
de este aspecto.
El ruido generado por la emisión de corona también fue captado en el medidor
ultrasónico, este parámetro es el que fue presentado en el osciloscopio, y la magnitud
del ruido es representado en volts por unidad de longitud, con la intensión de recalcar
la presencia del punto mayor de concentración de campo eléctrico.
Para el capitulo 5, se llevaron a cabo las simulaciones y según los resultados
obtenidos para cada grafica, los modelos de simulación de campo eléctrico muestran
variantes significativas
al hacer presente el cambio por permitividad y por
conductividad para el caso de la pantalla semiconductora.
Con las graficas representativas del aislador de Etil-propileno, y de vidrio se
puede decir que con una permitividad de valor bajo, Etil-propileno 2.1, el campo
eléctrico disminuye notablemente en comparación con el aislador de porcelana, de 350
kV / cm a 30 kV / cm; para el caso en el que la permitividad es alta, vidrio 10, el campo
eléctrico se multiplica disparándose en comparación con el aislador de porcelana, de
350 kV / cm a 950 kV / cm, esto se aprecia mejor en la tabla 5.1 donde se comparan
todos los valores obtenidos con el del aislador de porcelana.
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Tabla 5.1 Comparación de campo eléctrico
Material utilizado en la
Valor de permitividad
simulación
Campo eléctrico obtenido
en kV / cm
Etil-propileno
2.1
33
Vidrio
5.4
280
Porcelana
6
350
Vidrio
10
970
Como siguiente paso de la simulación se ha agregado la pantalla
semiconductora, esperando que el campo eléctrico se viera afectado por la inclusión de
esta característica en el aislador, esta opción se ha elegido con la intensión de que en
el caso de que no se haya podido reducir el campo eléctrico, se lograra con la inclusión
de esta pantalla.
Los resultados obtenido de utilizar una pantalla semiconductora, muestran que
para el caso en que el aislador fuese de Etil-propileno o de porcelana, al utilizar la
característica de conductividad, el campo eléctrico se vuelve uniforme en toda el área,
ya no solo en el punto aislador-conductor, y de esta forma se reduce su magnitud en
kV / cm como se aprecia en la tabla 5.2
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Tabla 5.2 Comparación de campo eléctrico con pantalla semiconductora
Material del aislador
Pantalla
Conductividad
Campo eléctrico
semiconductora
eléctrica pantalla
obtenido en la
para la
simulación kV / cm
(ohm-1 . cm-1)
Porcelana
Polietileno
1e-15
47
Porcelana
Poliestireno
1e-17
50
Etil-propileno
Polietileno
1e-15
25
Etil-propileno
Poliestireno
1e-17
25
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CAPÍTULO 6
“CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES”
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6.1
Conclusiones
En base a los resultados de la pruebas realizadas, se determina que existe el
efecto corona en el punto aislador-conductor, esto debido al campo eléctrico elevado
en kV /cm que se manifiesta tanto en la prueba de el laboratorio, como en las
simulaciones realizadas con el COMSOL Multiphisics.
En este caso, la manifestación del efecto corona, no presenta luminiscencia,
debido a las características de la conexión, según la prueba efectuada en el laboratorio
de ESIME ZACATECO, se refuerza la idea de que en el punto de unión aisladorconductor se encuentra el nivel más alto de emisión de corona y se puede apreciar
mejor por el nivel de ruido que se represento con el osciloscopio. De este modo se ha
podido simular este efecto, mediante el COMSOL Multiphisics, una herramienta de
cómputo lo suficientemente poderosa para modificar las características del modelo
presentado.
En las simulaciones hechas, el objetivo principal se ha logrado, modificando la
permitividad del material, el campo eléctrico tiende a reducirse notablemente, cuando el
material es Etil-propileno, en un 90%, se recalca que cuando la permitividad del
material es baja, el campo eléctrico se reduce.
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Y de la misma forma, cuando se agrega una pantalla semiconductora al aislador
de porcelana o la propuesto de Etil-propileno, el campo eléctrico también tiende a
reducirse, en un 92%.
Por lo cual se puede establecer lo siguiente:

Se propone utilizar un aislador para 23 kV con un material con las
características eléctricas del Etil-propileno, con una permitividad de 2.1, de este modo
el campo eléctrico, según la simulación se vería reducido en un 90%, con lo cual y con
la relación hecha por las características del efecto corona, se cumple con el objetivo
establecido al inicio de este trabajo.

También se propone el utilizar un aislador, ya sea de un material nuevo
como el Etil-propileno o de porcelana como es de el modelo estudiado, agregando una
pantalla semiconductora como puede ser un polímero, poliestireno o polietileno, de este
modo el campo eléctrico para el aislador de porcelana se reduciría en un 85 % y en el
caso que fuera de el material nuevo, el campo eléctrico se reduciría en un 92%.
6.2
Recomendaciones de costo beneficio
Los resultados obtenidos en la simulación arrojan el cumplimiento del objetivo
principal de este trabajo, reducir en magnitud el efecto corona presente en el aisladorconductor de la red de distribución. Se establecen dos propuestas, utilizar un material
nuevo como aislador para 23 kV, o agregar una pantalla semiconductora al mismo
material nuevo o al aislador de porcelana actual.
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No es común el utilizar un aislador de diferente material a la porcelana, por lo
cual se tendría que pedir un aislador con las especificaciones nuevas al material Etilpropileno a algún distribuidor eléctrico.
Pero este costo inicial de producción seria elevado, por lo cual el agregar una
pantalla semiconductora con el polímero de poliestireno o polietileno, sea una opción
menos costosa a fin de seguir utilizando el aislador de porcelana, pero agregando la
pantalla semiconductora propuesta y así reducir el efecto corona incluyendo el ruido
audible.
En cuanto a las perdidas de energía relacionadas al efecto corona, se establece
que la reducción del campo eléctrico incluye la reducción del ruido audible y de la
perdidas mencionadas, por lo cual el suministro de energía en la red de distribución de
23 kV sería el adecuado y así los usuarios en la red de distribución de 23 kV en el caso
estudiado, no tendrían problemas en cuanto al suministro de energía.
6.3
Recomendaciones para trabajos futuros
Como continuación de esta tesis, se recomiendan los siguientes trabajos:

Realizar el análisis de efecto corona en líneas de transmisión, con el
fin de utilizar los materiales actuales, pero mejorar o reducir la presencia
del efecto corona en los aisladores.
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
Analizar la factibilidad del uso de polímeros en aisladores de porcelana o
de otros materiales a fin de encontrar mejores opciones en la aplicación al
sector eléctrico.

Encontrar otras opciones en las características de la porcelana y mejorar
sus condiciones eléctricas en su uso como aislador
REFERENCIAS
[1] RADIO INTERFERENCIA Y RUIDO AUDIBLE GENERADO POR EL EFECTO
CORONA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. Esteban Velilla Hernández
Moreno Ospina
Germán
GIMEL, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de
Antioquia, A.A 1226, Medellín, COLOMBIA
[2] Sobre el Efecto Corona Pablo Jiménez Pinto. Universidad de Chile, Departamento
de Ingeniería Eléctrica. Taller de Proyectos II.
[3] COMSOL User´s Guide and Introduction. COMSOL AB,2005.
[4] COMSOL Reference Manual. COMSOL AB,2005.
[5] http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs205/es/index.html
[6] http://biee.epn.edu.ec:8180/dspace/bitstream/123456789/1055/5/T10862CAP3.pdf
[7]http://www.estrucplan.com.ar/Legislacion/Nacion/Resoluciones/Secretaria%20de%20
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[8]http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/sistemadistribuci
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[9] http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/le-gro/compacta.htm
[10] http://html.rincondelvago.com/lineas-de-transmision_ondas.htm
[11] www.construmatica.com › Construpedia
98
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[12] www.genealog.clcursosid42a2Aisladores05.com
[13] Second edition, E. Kuffel,Dean Emeritus, University of Manitoba, Winnipeg,
Canada , pp 232-241.
[14] Cyril M. Harris (1998); “Manual de medidas acústicas y control de ruido”. McGraw –
Hill, Madrid, España.
Norma IRAM 2437 (1995); “Transformadores y Reactores determinación de los niveles
de ruido”.
Norma IRAM 4120 (1990); “Acústica Guía práctica para la redacción de normas para
medición de ruido por vía aérea y evaluación de sus efectos sobre el hombre”.
[15] Libro Instalaciones de Potencia de Marcelo A. Sobrevila año 1987, paginas
218,219,220,221.
[16]
http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/12/visualizacion-del-efecto-
corona-parte-1.html
[17]
El efecto corona,
Pablo Ledesma
,
Departamento de Ingeniería Eléctrica,
Universidad Carlos III de Madrid
[18] www.udb.edu.sv/Academia/.../electrica/.../guia3DLT.pdf
[19] Chapter 5 ‘Radio Noise’ from ‘Transmission Line Reference Book 345 kV and
Above’. Second Edition, 1987. EPRI.
[20] R. G. Olsen, S. D. Schennum, ‘A method for calculating wide band electromagnetic
interference from power line corona’, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 10, Nº
3, July 1995.
[21] www.enersa.com.ar/exc/pdfs/06.01-anexo-3.pdf
[22]http://www.estrucplan.com.ar/Legislacion/Nacion/Resoluciones/Secretaria%20de%2
0Energia/1998/Res00077-98-Anexo1%20.asp
[23] www.eie.fceia.unr.edu.ar/~acustica/biblio/legales.htm
[24] http://biee.epn.edu.ec:8180/dspace/bitstream/123456789/1055/6/T10862CAP2.pdf
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[25] Transmision y distribucion de la energia electrica, Ing. Omar Jose Grosso
[26] http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/10016/624/14/Cap1y2.pdf
[27] http://www.amperis.com/productos/detectores-descargas-parciales/
[28] Tettex Instruments , Haefely Trench
AG, “Instruction Manual : Transportable
Ultrasonic Detector type 9251 “
[29]L. A. Siegert, Alta Tensión y Sistemas de Transmisión. Editorial Limusa, 1988.
[30] Project UHV, Transmission Line Reference Book 345 kV and Above, Second
Edition,
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[31] P. Sarma Maruvada, Corona Performance of High-Voltage Transmission Lines,
Research Studies Press Ltd., England 2000
[32] http://www.monografias.com/trabajos64/fisica-electrica/fisica-electrica3.shtml
[33] http://spanish.alibaba.com/product-gs/fep-film-313317240.html
[34] http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/MaterialesT7.pdf
[35] http://catalogo.condumex.com.mx/cdx_catalogo/
[36] www.coelce.com.br/.../coelce_normas_corporativas_20090515_1475.doc
100
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APENDICE A.1
Tablas para selección de conductores de 23kV según LyF y CFE [35].
Conductores eléctricos para 23kV
A.1.1 Conductor de aluminio tipo AAC
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A.1.2 Conductor de aluminio con refuerzo de acero
A.1.3 Conductor tipo ACSR cubierta de XLP
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A.1.4 Conductor de aluminio con cubierta de XLP
APENDICE A.2
Tablas para determinación de la altura de los postes
Dimensionamiento
Postes de hormigón [9]
Altura total (m)
Altura libre (m)
Tiro (kg)
10
9,00
150
10
9,00
300
10
9,00
600
103
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10
9,00
1000
12
10,80
300
12
10,80
600
12
10,80
1000
A.2.1 Altura de los postes de hormigón
Los postes de 10 metros de altura total se utilizarán preferentemente en redes
de distribución primarias y secundarias, simple terna
Los postes de 12 metros en trazas con doble terna, en situaciones especiales en
que el poste de 10 metros se muestre como insuficiente [9].
APENDICE A.3
Características de los aisladores eléctricos para 23 kV [36].
AISLADORES ELECTRICOS
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A.3.1 Tipo de aislador para diferentes niveles de tensión
A.3.2 Características electromecánicas y de radio interferencia
GLOSARIO TÉCNICO
CAMPO ELECTRICO
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Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su
influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de
acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se
recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la
influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La noción
física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles.
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es
aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos.
Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo
eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de
fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.
La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la
carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de
intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E.
CAMPO MAGNETICO
Un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del
movimiento de cargas eléctricas (flujo de la electricidad).
La fuerza (intensidad o
corriente) de un campo magnético se mide en Gauss (G) o Tesla (T). El flujo decrece con la
distancia a la fuente que provoca el campo. Los campos magnéticos estáticos son campos
magnéticos que no varían con el tiempo (frecuencia de 0 Hz).
Se generan por un imán o por el flujo constante de electricidad, por ejemplo en
los electrodomésticos que utilizan corriente continua (CC), y son distintos de los
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campos que cambian con el tiempo, como los campos electromagnéticos generados
por los electrodomésticos que utilizan corriente alterna (AC) o por los teléfonos móviles,
etc.
Conductividad
La conductividad, por su parte, es lo opuesto a la resistividad. La resistividad o
resistencia específica de un material se representa con la letra griega (rho). Por tanto,
su inverso se puede representar matemáticamente por medio de la fórmula siguiente,
en la que la letra griega “sigma” representa la conductividad:
Mientras mayor sea la conductividad de un material o elemento cualquiera, más
fácilmente fluirá la corriente eléctrica por el circuito. La unidad de medida de la
conductividad es el siemens/m (S/m).
DIFERENCIA DE POTENCIAL
La diferencia de potencial se entiende mejor cuando se habla de la energía
potencial. La energía es la capacidad de realizar trabajo y energía potencial es la
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energía que se asocia a un cuerpo por la posición que tiene. (Acordarse de la altura de
la catarata)
Dos casos posibles:
 Una fuente que entregue un voltaje elevado con poca corriente. El caso de una
caída de agua muy alta con poco caudal (poca corriente de agua)
 Una fuente que entregue un voltaje pequeño pero mucha corriente. El caso de
una caída de agua muy pequeña con mucho caudal (mucha corriente de agua).
 Un caso interesante es aquel en que la fuente tiene un valor de voltaje elevado y
entrega mucha corriente.
Este caso se presentaría en una caída de agua muy alta y hay un caudal muy
grande. Este caso en especial nos indica que tenemos una fuente de voltaje con gran
capacidad de entrega de potencia.
EFECTO JOULE
El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, puede ser explicado a partir
del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en
los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un
aumento de la temperatura y a la consiguiente producción del calor. La ley de Joule,
por su parte, puede ser enfocada como una consecuencia de la interpretación
energética de la ley de Ohm.
Fotón
En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las
manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de
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todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los
rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las
microondas, y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante y viaja en el vacío
con una velocidad constante c.
Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares
como ondulatorias. Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que
tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas
reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la
materia para transferir una cantidad fija de energía.
Además de energía, los fotones llevan también asociado un momento lineal y
tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que
a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su
lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición, o
momento lineal. Por ejemplo, aunque un fotón puede excitar a una molécula, a menudo
es imposible predecir cuál será la molécula excitada.
La descripción anterior de un fotón como un portador de radiación
electromagnética es utilizada con frecuencia por los físicos. Sin embargo, en física
teórica, un fotón puede considerarse como un mediador para cualquier tipo de
interacción electromagnética.
Fotoemisión
Se produce cuando un material tipo semiconductor dotado con ciertas
impuridades produce luz con el paso de una corriente.
Fotoionización
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La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación
electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para
separar uno o más electrones externos de los átomos de gas.
Ion
Un ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o
molécula que no es eléctricamente neutra. Conceptualmente esto se puede entender
como que, a partir de un estado neutro de un átomo o partícula, se han ganado o
perdido electrones; este fenómeno se conoce como ionización.
Los iones cargados negativamente, producidos por haber más electrones que
protones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados
positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes
(los que son atraídos por el cátodo).
Micrón
Un micrómetro equivale a una milésima de milímetro.
Molécula electronegativa
La electronegatividad es una medida de la fuerza de atracción que ejerce un
átomo sobre los electrones de otro en un enlace covalente.
Los diferentes valores de electronegatividad se clasifican según diferentes
escalas, entre ellas la escala de Pauling y la escala de Mulliken. En general, los
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diferentes valores de electronegatividad de los átomos determinan el tipo de enlace que
se formará en la molécula que los combina.
Así, según la diferencia entre las electronegatividades de éstos se puede
determinar (convencionalmente) si el enlace será, según la escala de Linus Pauling:
•
Iónico (diferencia superior o igual a 1.7)
•
Covalente polar (diferencia entre 1.7 y 0.4)
•
Covalente no polar (diferencia inferior a 0.4)
Cuanto más pequeño es el radio atómico, mayor es la energía de ionización y
mayor la electronegatividad y viceversa. Según Linus Pauling, la electronegatividad es
la tendencia o capacidad de un átomo, en una molécula, para atraer hacia sí los
electrones. Ni las definiciones cuantitativas ni las escalas de electronegatividad se
basan en la distribución electrónica, sino en propiedades que se supone reflejan la
electronegatividad. La electronegatividad de un elemento depende de su estado de
oxidación y, por lo tanto, no es una propiedad atómica invariable.
Permitividad
Constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por
un medio. La permitividad se determina por la habilidad de un material de polarizarse
en reacción a la aplicación de un campo eléctrico y de esa manera, cancelar
parcialmente el campo dentro del material.
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Plasma
Cuando los electrones ya no están atrapados en sus órbitas alrededor del
núcleo, tenemos el estado de plasma. Esto es cuando un gas se convierte en un
montón de electrones que se han escapado de la fuerza del núcleo y los iones que
están cargados positivamente porque han perdido uno o más electrones.
Potencia eléctrica
La energía eléctrica W que suministra un generador al circuito eléctrico depende
de la cantidad de carga que lo atraviese. Pero de acuerdo con la definición de
intensidad eléctrica, la carga eléctrica q se puede escribir como el producto de la
intensidad por el tiempo.
La potencia P de un generador representa la energía eléctrica que cede al
circuito por unidad de tiempo. Al igual que la potencia mecánica, la potencia eléctrica
se expresa en watts (W).
Potencia = Voltaje x Corriente = V x I
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las
ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La radiación
electromagnética puede ordenarse en un espectro que se extiende desde ondas de
frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas
(longitudes de onda altas).
112