EFECTO CORONA EN LINEAS DE TRANSMISION Introducción Las descar descarga gas s por por efecto efecto coron corona a se produc producen en cuand cuando o la intens intensida idad d del del campo campo eléctrico en la superficie superficie del conductor de una línea línea de transmisión excede la rigidez rigidez dieléctrica del aire. El efecto corona se manifiesta como luz (halos violáceos en forma de corona alrededor del conductor), ruido audile, interferencia en radio ! televisión, viración en el conductor, conductor, producción de ozono ! óxidos de nitrógeno. nitrógeno. "demás, "demás, causa disipación de potencia ! energía #ue deen ser suministradas por alguna fuente de generación. La rigidez dieléctrica del aire depende de varios factores. Entre los principales, se tienen los siguientes$ el tipo de tensión eléctrica aplicado (continua, alterna o de impu impuls lso) o),, la frec frecue uenc ncia ia del del sist sistem ema, a, las las cond condic icio ione nes s atmo atmosf sfér éric icas as (pre (presi sión ón,, temperatura, humedad, niela, lluvia, nieve, hielo), la naturaleza de las superficies de los conductores (las rugosidades, irregularidades, defectos, impurezas adheridas, la dispos disposici ición ón relati relativa va de los condu conducto ctores res ! sus diáme diámetro tros s (cond (conduct uctore ores s simpl simples es o suconductores), suconductores), fotoionización fotoionización disponile. disponile. Mecanismo de descarga Corona Las descargas corona ocurren en los conductores ! en sus herra%es, ! dan lugar a varios efectos #ue %uegan un rol importante en el dise&o eléctrico de las líneas de transmisión de potencia. El efecto principal es la influencia en las pérdidas de potencia ! energía, la interferencia electromagnética en general, la interferencia en radio ! el ruido audile. 'ara evaluar el efecto corona en líneas de transmisión de potencia, es necesario comprender el fenómeno físico de las descargas ! tamién los mecanismos físicos #ue sustentan los varios efectos del fenómeno corona. Aspectos básicos de a !"sica de as descargas Aire atmos!#rico El medio aislante más ampliamente utilizado en líneas de transmisión aéreas es el aire atmosf atmosféri érico. co. "un#ue "un#ue las caden cadenas as de aisla aislador dores es provee proveen n el necesa necesario rio soport soporte e estructural para los conductores, conductores, el aire es el ma!or aislamiento entre los conductores conductores de alta tensión ! las partes metálicas de las estructuras puestas a tierra, así como entre los conductores conductores ! el suelo. 'or tanto, es importante importante una uena comprensión comprensión de las las prop propie ieda dade des s aisl aislan ante tes s del del aire aire en la eval evalua uaci ción ón del del efec efecto to coro corona na ! en el comportamiento del aislamiento de las líneas de transmisión de potencia. El aire atmosférico está compuesto principalmente de un nmero de componentes gase gaseos osos os ! vapo vaporr de agua agua,, el porc porcen enta ta%e %e en volu volume men n de este este lti ltimo mo depe depend nde e fundamentalmente fundamentalmente de la temperatura. Los principales constitu!entes del aire seco son$ itrógeno (*+, -), xígeno (/ -), "rgón (0,1 -), e indicios de dióxido de carono, neón, helio, 2riptón, etc. Fuentes naturaes de ioni$ación
El aire atmosférico es casi un perfecto material aislante en condiciones normales. "lgunos fenómenos #ue ocurren de forma natural dan lugar, sin emargo, a la aparición de partículas conductivas, tales como electrones e iones, haciendo del aire un aislador imperfecto. 'or e%emplo, los ra!os gamma producidos por procesos radioactivos en el suelo poseen suficiente energía para ionizar moléculas de gas eléctricamente neutras, dando lugar a electrones lires e iones positivos. 3adiaciones cósmicas, originadas fuera de la atmósfera terrestre, tamién actan como fuente de ionización en la superficie terrestre. La luz ultravioleta generada de forma natural puede causar fotoionización en el aire, pero deido a su a%o nivel de energía contriu!e de forma reducida a la ionización del aire. Los electrones lires creados por procesos naturales de ionización se fi%an mu! rápidamente (en menos de un microsegundo) a moléculas de oxígeno del aire, formando iones negativos. 4omo consecuencia de todos los procesos de ionización natural, el aire atmosférico a nivel del mar contiene aproximadamente 000 iones positivos ! un nmero igual de iones negativos por centímetro cico. "un#ue se mantiene la neutralidad de cargas eléctricas deido a la presencia de igual nmero de iones positivos ! negativos, su presencia hace del aire ligeramente conductivo !, por tanto, susceptile a la ocurrencia de descargas eléctricas tales como corona (descarga parcial) ! descargas totales (arcos). %rocesos de ioni$ación 5e acuerdo con el modelo de 6ohr, un átomo consiste de un ncleo compuesto de neutrones ! protones, rodeados por electrones dispuestos en óritas giratorias. El nmero de electrones situados en las óritas, para cual#uier elemento, es igual al nmero de protones en el ncleo, por lo #ue el átomo es eléctricamente neutro. En este modelo, los electrones ocupan diferentes óritas, cada una caracterizada por un estado permisile de energía. La órita más próxima al ncleo tiene el más a%o nivel de energía, mientras #ue la órita más ale%ada del ncleo tiene el nivel más alto de energía. 4ual#uier energía entregada al átomo, sea por impacto mecánico o por radiación electromagnética afecta principalmente a los electrones de las capas más exteriores. E&citación e ioni$ación 7i un átomo recie una suficiente cantidad de energía, el electrón uicado en la órita más exterior saltará a la órita siguiente de ma!or nivel de energía. Este proceso se denomina Excitación del átomo. 8n átomo excitado vuelve rápidamente a su estado original de energía (en menos de 0 9+ segundos) lierando el exceso de energía en forma de fotón. La frecuencia del fotón lierado en este proceso depende de la diferencia entre los niveles de energía a través de los cuales salta el electrón. 7i una cantidad an ma!or de energía se transmite al átomo, se producirá un salto del electrón a mucha más distancia de su órita #ue !a no podrá retornar a su estado original ni al átomo. Este proceso, denominado :onización, da lugar a un ión positivo !
a un electrón lire. 'ara descargas de interés en el estudio de líneas de transmisión de potencia, la energía re#uerida para causar excitación e ionización de átomos ! moléculas es suministrada sea por los electrones acelerados a altos niveles de energía en un campo eléctrico o por fotones con suficiente energía hf p, donde f p es la frecuencia de radiación del fotón ! h es la constante de 'lanc2. El proceso de excitación e ionización puede ser ilustrado por las siguientes ecuaciones simólicas$ 'or impacto de electrones "< ; e (excitación)
" ; e
" ; e
==)
"; ; e ; e (ionización) =./)
'or fotón " ; hf p > "< (foto excitación) " ; ; hf p
==?)
"< ; e (foto ionización) =..@)
Las ecuaciones ! / indican #ue un electrón e colisiona con un átomo " con suficiente energía #ue da lugar a un átomo excitado "< o a un ión positivo "; ! otro electrón lire. La ecuación ? indica el proceso de fotoexcitación así como el proceso inverso de fotoemisión de un átomo excitado, mientras #ue la ecuación @ indica el proceso de fotoionización. Captura ' iberación de eectrones En algunos gases, conocidos como gases electronegativos, el oxígeno, cloro, etc., la órita más exterior no está completamente llena en el estado neutro, de%ando uno o más posiciones fácilmente disponiles para reciir electrones lires. 4omo resultado, aun#ue los átomos del gas son eléctricamente neutros, tienen una capacidad o afinidad para capturar electrones lires para formar iones negativos estales. La formación de iones negativos por captura de electrones puede ser representada por la siguiente ecuación simólica$ " ; e A"9 (captura) =.. B) En un proceso inverso, llamado lieración de electrones, un ión negativo puede lierar su electrón para revertir a su estado neutro. 8na cierta cantidad de energía, conocida como afinidad de electrón, es re#uerida para permitir la lieración del electrón. En aire atmosférico, el oxígeno es un gas electronegativo !, por tanto, permite la formación de iones negativos. El vapor de agua es tamién electronegativo !, cuando está presente en el aire, conduce a la formación de iones negativos. Recombinación La coexistencia de partículas cargadas positivamente ! negativamente en un gas conduce al proceso de recominación, en el cual tiene lugar un proceso de neutralización de cargas. El proceso puede representarse simólicamente por la ecuación, "; ;69 A "6 ; hf p (recominación)
=C)
En este proceso, "; es el ión positivo ! 6 9 puede ser un electrón o un ión negativo. El proceso mostrado arria, en el cual tiene lugar la emisión de un fotón, ! lo cual solo ocurre con electrones, es conocido como recominación por radiación, ! puede ser considerado en algunos aspectos como el inverso de la fotoionización. Coe!icientes de Ioni$ación( de captura ' de recombinación El proceso de ionización descrito en los párrafos precedentes, %uega un rol importante en las varias fases del desarrollo de las descargas en gases inclu!endo las descargas corona. 8no de los procesos fundamentales involucrado en la iniciación ! desarrollo de las descargas es la ionización de átomos ! moléculas por electrones de alta energía. En ausencia de campos eléctricos, el electrón se mueve aleatoriamente, colisionando con moléculas de gases. En presencia de un campo eléctrico aplicado, sin emargo, el electrón ad#uiere energía de este campo ! una velocidad en la dirección del campo. Donsend definió el coeficiente de ionización F, conocido tamién como coeficiente de primera ionización de Donsend, como el nmero de pares electrón G ión producidos en el gas por un simple electrón, en su movimiento a través de una distancia unitaria en la dirección del movimiento del electrón. 5e forma análoga al coeficiente de ionización, el coeficiente de captura H se define como la proailidad de #ue un electrón lire se fi%ará a un átomo neutro para formar un ión negativo cuando se mueva una distancia unitaria a través del gas en la dirección del campo eléctrico aplicado. 7i los procesos de ionización ! captura están presentes simultáneamente, (F 9 H) puede ser considerado como el coeficiente de ionización efectivo. En otras palaras, el límite efectivo de ionización puede ser considerado cuando F I H, puesto #ue la proailidad de ionización es igual a la proailidad de captura. Jinalmente, el coeficiente de recominación 3 i es definido como el nmero de eventos de recominación por unidad de tiempo ! por densidad unitaria de iones positivos ! negativos. Los tres parámetros definidos F, H ! 3 i , descritos antes, han sido encontrados como función de EKp, donde E es la intensidad de campo eléctrico ! p es la presión del gas. Ioni$ación secundaria Los electrones lires producidos por procesos de ionización natural, tales como por ra!os gamma o radiaciones cósmicas, inician las descargas en el aire. En presencia de un campo eléctrico suficientemente intenso, estos electrones son acelerados ! alcanzan altos niveles de energía suficientes para ionizar las moléculas del aire. Este es el mecanismo primario de ionización responsale del desarrollo de las descargas. tros procesos, conocidos como ionización secundaria, son esenciales, sin emargo, para producir descargas sosteniles. 'ara descargas corona en el aire, la ionización secundaria puede tener lugar sea en una superficie conductora o en el aire. 7ore superficies conductoras, la ionización secundaria puede ser causada por varios mecanismos. 'ero el mecanismo más proale para descargas a la presión atmosférica es el impacto de iones positivos. Los fotones, producidos por una fuente de luz exterior o lierado por excitación de átomos
o moléculas de gas, pueden impactar sore superficies conductoras ! causar ionización secundaria ! lierar electrones adicionales. La principal fuente de ionización secundaria en el aire, sin emargo, son los fotones lierados por átomos o moléculas excitados durante el proceso de descarga. Mani!estaciones de as descargas corona La manifestación más conocida del efecto corona es la visual, #ue se muestra como una luz suave ! de color violáceo #ue se origina en las regiones de alta rigidez dieléctrica del conductor, es decir, en la superficie, particularmente cuando la oservación se realiza en la oscuridad. Las causas de estas manifestaciones luminosas han sido descritas en los párrafos precedentes. La segunda manifestación de la descarga corona es el ruido audileM #ue se manifiesta como un siseo o sonido de fritura siempre #ue el conductor esté sometido a un gradiente de potencial superior al umral para el inicio del efecto corona. Las ondas sonoras se producen por los disturios generados en el aire, en la vecindad de la descarga, posilemente a causa del movimiento de los iones positivos, en vista #ue tales iones se crean sitamente en un campo eléctrico intenso. La tercera !, #uizá la más seria manifestación de la descarga corona, desde el punto de vista de una empresa concesionaria de transmisión, es el efecto eléctrico #ue causa la interferencia en radio ! televisión. Las avalanchas, formadas por electrones en movimiento, constitu!en, realmente, corrientes eléctricas !, como tales, generan campos eléctricos ! magnéticos en la vecindad de la línea de transmisión. Estos campos electromagnéticos, al ser formados sitamente, ! por ser de corta duración, pueden inducir tensiones oscilatorias de alta frecuencia en las proximidades de antenas de radio ! producir interferencias. Apariencia de as descargas Corona Las descargas corona se presentan a%o ? diferentes aspectos$ • • •
5escargas penacho (trichel discharge) 5escargas escoilla (streamer discharge) 5escargas halo (glo discharge)
En las figuras /, se muestra las características de cada una de ellas. Factores )ue in!u'en en a generación de e!ecto corona en conductores . /. ?. @. B. C. *. +. 1.
Densión del sistema, 5iámetro del conductor, 5istancia entre el conductor ! las fases ad!acentes, 5istancia entre conductor ! tierra, mero de conductores por fase, 5iámetro del haz de conductores ! posición de los suconductores, 4ondición de la superficie del conductor, 4ondiciones atmosféricas, Jrecuencia del sistema.
Jigura. .9 :nicio de una avalancha de electrones a partir de un Electrodo negativo.
Jigura /.9 Nodo de efecto corona a partir de un electrodo negativo a) 5escarga trichel ) 5escarga glo c) 5escarga streamer
TENSION CRÍTICA DISRUPTIVA El valor de la tensión crítica disruptiva se determina mediante la fórmula de Peek:
U c =
29,8
√ 2
Donde:
√ 3 mc δ mt r ln
D r
U c
= Tensión crítica ecaz entre fases, en kV para la que empiezan las prdidas por disruptiva!
efecto corona, es decir, es la tensión crítica
"#,$ = Valor m%&imo o de pico, en kV'cm, de la ri(idez dielctrica del aire a ")*+ de temperatura a la presión de -. mm de columna de mercurio /0102 m3ar4 mc
m t
= +oeciente de ru(osidad del conductor5 sus valores son: mc
= 0 para alam3res de supercie lisa
mc
= de 1,#2 a 1,#$, para alam3res o&idados o ru(osos
mc
= de 1,$2 a 1,$- para ca3les
= +oeciente meteoroló(ico para tener en cuenta el efecto que produce la 6umedad /lluvia, nie3la, nieve, escarc6a4 6aciendo disminuir el valor de la tensión crítica disruptiva
U c
5
sus
valores son: m t
= 0 para tiempo seco
m t
= 1,$ para tiempo 67medo
r
= 8adio del conductor, en cm
D
= Distancia media (eomtrica entre fases, en cm
δ
= 9actor de corrección de la densidad del aire, función de la altitud so3re el nivel del mar!
El factor
δ
es directamente proporcional a la presión 3aromtrica, e
inversamente a la temperatura a3soluta del aire! e determina con la si(uiente fórmula:
δ =
273 + 25 3,921 h h = 76 273 + θ 273 + θ
logh =log 76−
y 18,336
Altura Presión sobre el atmos!ri nivel del "a en "m mar, en m #$ 6 %
Altura Presión sobre el atmos!ri nivel del "a en "m mar #$ 6 %
1
*C
+00
C0,+
00
*B,
/000
B1,+
/00
*@,/
//00
B+
?00
*?,?
/@00
BC
@00
*/,@
/B00
BB,@
B00
*,C
/C00
BB
C00 *00 +00 100 000 /00 @00 B00 C00
*0,* C1,1 C1 C+,/ C*,@ CB,+ C?,1 C?,B C/,?
/+00 ?000 ?B00 @000 @B00 B000 BB00 C000
B@ B/,@ @1,? @C,/ @?,? @0,B ?*,+ ?B,?
P&RDIDAS DE POTENCIA POR E'ECTO CORONA EN (INEAS DE TRANS)ISION ;a prdida de potencia por efecto corona se calcula con la si(uiente fórmula de Peek:
√[
]
2
U U 241 p= ( f + 25 ) r max − c 10−5 Kw / Km / fase δ D √ 3 √ 3
Donde:
δ
=
9actor de corrección de la densidad del aire
f
=
9recuencia de la red, en
r
=
8adio del conductor en cm
D
=
Distancia media (eomtrica entre fases, en cm
U max U c
= =
Tensión m%&ima de servicio, en kV
Tensión crítica disruptiva entre fases, capaz de producir el
efecto corona, en kV!
E*E)P(O DE C+(CU(O DE (A PERDIDA DE POTENCIA DEIDA A( E'ECTO CORONA
DATOS• • • •
•
• •
Tensión ""1 kV 9recuencia .1
2 > 0 & ?)),01
Di%metro 8adio
"-,-" mm 02,$$0 m
T8@AB C : Terreno montaoso @ltitud media •
2111 msnm
2
mm
/@+84
;on(itud Temperatura
• •
T8@AB CC : @ltitud media ;on(itud Temperatura
") km 01*+
0111 msnm .) km 0)*+
•
• •
0! +%lculo de la distancia media (eomtrica entre fases: D 1−2= D 2−3=d
5
D 1−3=2 d
D = √ D 1−2 D 2−3 D 1−3=d √ 2 3
3
D = 7,30 √ 2=9,20 m= 920 cm 3
Para el primer tramo, 6 = )",? cm Por tanto, el factor de corrección de la densidad del aire δ =
3,921 x 52,4 = 0,726 273 + 10
"! +%lculo de la tensión crítica disruptiva con tiempo seco: U c =
29,8
√ 2
√ 3 mc δ m r ln t
D r
5
mc =0,85 ( conductorcableado)
5
m t =1 ( tiempo seco)
U c =
29,8
√ 2
√ 3 ( 0,85 ) ( 0,726 ) ( 1,388 ) ln
920 =203,09 kV 1,388
0.",?- kV G ""1 kV G "?) kV 6a3r% efecto corona 2! ;as prdidas por fase son:
√ [
]
2
241 p= ( 60 + 25 ) 1,388 245 − 162,47 x 10−5=24,88 kW / km 0,726 920 √ 3 √ 3
;as prdidas en las 2 fases son: "?,$$ kH'Im & 2 = -?,.) kH'km
;a prdida total en los ") km de lon(itud del primer tramo es: 74,65
kW x 25 km =1866,5 kW /demasiado4 km
?! +%lculo de la tensión disruptiva en el se(undo tramo: h =67,4 cm
Por tanto, el factor de corrección de la densidad del aire es: δ =
3,921 x 67,4 = 0,917 273 + 15
Tensión crítica disruptiva en seco: U c =
29,8
√ 2
√ 3 ( 0,85 ) ( 0,917 ) ( 1,388 ) ln
920 =256,52 kV 1,388
""1 kV G "?) kV G ").,)" kV Por tanto, no 6a3r% efecto corona con tiempo seco! ;a tensión crítica disruptiva en tiempo 67medo U c =0,8 x 256,52=205,22 kV
Prdida de potencia por fase de3ida al efecto corona
√ [
]
2
241 ( 60+ 15 ) 1,388 245 − 222 x 10−5 =1,35 kW / km / fase p= 0,917 920 √ 3 √ 3
;as prdidas en los 2 conductos son:
0,2) & 2 = ?,1) kH'km
;a prdida total en los .) km del se(undo tramo es: 4,05
kW km
x 65 km
= ".2,") kH
