EFECTO CORONA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
INTRODUCCIÓN
Las descargas por efecto corona se producen cuando la intensidad del campo eléctrico alrededor de la superficie del conductor de una línea de transmisión excede la rigidez dieléctrica del aire. El efecto corona se manifiesta como luz (halos violáceos en forma de corona alrededor del conductor), ruido audible, interferencia en radio y televisión, vibración en el conductor, producción de ozono y óxidos de nitrógeno. Además, causa disipación de potencia y energía que deben 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 impulso), la frecuencia del sistema, las condiciones atmosféricas (presión, temperatura, humedad, niebla, lluvia, nieve, hielo), la naturaleza de las superficies de los conductores (las rugosidades, irregularidades, defectos, impurezas adheridas, la disposición relativa de los conductores y sus diámetros (conductores simples o subconductores), subconductores), fotoionización disponible.
Mecanismo de Descarga Corona
Las descargas corona se originan usualmente por la aceleración de electrones libres en un campo eléctrico, a través de un gas (el aire). Cuando estos electrones adquieren suficiente energía del campo eléctrico pueden producir nuevos iones liberando electrones de los átomos por colisión.
Este proceso se denomina ionización por impacto de electrones, y el proceso de multiplicación de electrones o avalancha se muestra en la figura 1. Los primeros electrones que inician el proceso de ionización son los que se encuentran libres en el aire y que son el resultado de fotoionización, de restos de material radioactivo en la superficie del suelo del bombardeo cósmico a la tierra desde el espacio exterior.
CONCEPTO Es una descarga, en ocasiones luminosa, debida a la ionización del gas que rodea a un conductor en el cual existe un gradiente de potencial superior a un determinado valor. Aparece en tensiones altas: aproximadamente 30 kV/cm en el aire.
En las líneas aéreas, puede aparecer en los conductores, herrajes, amortiguadores, aisladores, y en general en cualquier punto donde se supere el gradiente de potencial mínimo.
Efecto Corona: El fenómeno de la luz violeta, ruido sibilante y producción de gas ozono en una línea aérea de transmisión
Origen Físico 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.
Factores que afectan el efecto corona: Atmósfera: Durante una condición de tormentas o lluvias el efecto corona ocurre a un voltaje mucho menor en comparación con un buen tiempo. Debido a que durante una tormenta o lluvia la densidad de iones alrededor de los conductores es mucho mayor que en un buen tiempo. Tamaño del conductor: La irregularidad de la superficie de los conductores disminuye el voltaje de ruptura. Por esta razón, con el bajo voltaje del aislamiento disruptivo se creará chispas y corona. Es por eso que los conductores sólidos se utilizan sobre todo en vez de conductores trenzados para reducir la corona. Separación entre conductores: mientras más grande sea la brecha entre los conductores menores será el efecto corona. Tensión de red: Cada voltaje de línea tiene un límite. Después de que se alcance el límite disruptivo se producirá y creará chispas y corona. Así, con la aplicación de un menor tensión de línea la probabilidad de que el efecto corona ocurra disminuye. Ventajas: El área alrededor del conductor se vuelve conductora debido a la formación de corona. Se crea un diámetro más grande virtual del conductor. A medida que el diámetro aumenta, la tensión electrostática entre los conductores disminuye. El Efecto Corona reduce la sobretensión creadas por maniobra o descargas atmosféricas. Cuanto mayor es el voltaje aplicado mayor es la corona creada, por eso cuando una sobretensión ocurre se forma la corona y esta va a absorber la energía adicional mediante la creación de resplandor violeta, ruido y chispas. Desventajas: Se reduce la eficiencia de transmisión. El ozono creado por esta causa efecto de corrosión en los conductores. Debido a la caída de tensión se produce un efecto corona no sinusoidal a través de la línea. Esto puede causar interferencia inductiva con líneas de comunicación vecinas. El efecto corona se puede reducir por los siguientes métodos: Aumento de la sección del conductor: Si aumentamos la sección del conductor el valor del gradiente de potencial se incrementará. Para crear el efecto corona se requerirá de una mayor tensión de línea.
Aumento de la separación entre conductores: el efecto corona puede ser eliminado mediante el aumento de la separación entre los conductores. Debido a que el aumento de la separación ocasionará que se requiera de una mayor tensión de línea para crear el efecto corona. Otra forma de evitar el efecto corona es utilizar conductores en haz, es decir, varios conductores por fase. De la fórmula del radio equivalente se ve que se puede aumentar el radio equivalente aumentando el número de conductores por fase. Esto es, en general, más económico que aumentar la sección del único conductor, ya que en este caso se puede disminuir la sección de los sub conductores a medida que se agregan. Sin embargo, igual la línea queda sobredimensionada en ampacidad pero no tanto como cuando se utiliza solo un conductor. En el caso de subestaciones, el efecto corona se produce en conductores a alta tensión que quedan expuestos al aire. Para detectar la aparición del efecto se instalan cámaras térmicas especiales que permiten ver la aparición del efecto a niveles inferiores que el ojo y oído humano. Para evitar el efecto, se aumenta la superficie de los conductores expuestos, o se les diseña con superficies curvas para evitar la concentración de cargas en las puntas. COMO SE PRODUCE EL EFECTO CORONA El efecto corona se presenta cuando el potencial de un conductor en el aire se eleva hasta valores tales que sobrepasan la rigidez dieléctrica del aire que rodea al conductor. El efecto corona se manifiesta por luminiscencias o penachos azulados que aparecen alrededor del conductor, mas 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. 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 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. En un campo uniforme, a 25 °C y 760 mm de presión, la ionización por choque aparece al tener un valor máximo de 30 kv/cm, que corresponde a 21.1 kv/cm sinusoidal. En el caso de las líneas aéreas de transmisión de energías, se ha demostrado que el fenómeno depende del radio del conductor. El valor del gradiente de potencial para el cual aparece la ionización en la superficie del conductor se llama gradiente superficial crítico y varios investigadores indican que vale:
g0 = 30(1 – 0.7 r) kv/cm eficaz Donde r es el radio del conductor en cm. Existen fórmulas que nos suministran este valor en función de la presión barométrica y la temperatura ambiente. Pero estas fórmulas sirven para conductores de sección circular y perfectamente lisa. Los conductores de líneas aéreas están formados por varios alambres cableados y enrollados en hélice y tienen raspaduras propias de su fabricación e instalación. Esto hace aumentar el gradiente crítico, por encima de la estimaciones teóricas. Los fenómenos descriptos en forma somera hasta aquí, nos permiten afirmar que la superficie de un conductor libera iones de ambos signos. Como la tensión es alterna, algunos son atraídos hacia el conductor, conforme su polaridad en el momento en que se considere mientras que otros, son rechazados y se alejan hacia moléculas neutras para formar iones pesados. Los que se alejan, debido a que disminuye el gradiente. Al cambiar la polaridad del conductor se reinicia la ionización por choque. Esta ligera descripción indica por un lado que la energía necesaria para producir la ionización y por otro la necesaria para producir los movimientos de las cargas. La primera es importante y la forma de estimarla es:
Pc = pérdidas por efecto corona en Kw/km/fase. f = Frecuencia en Hz Uf = Tensión eficaz, entre fase y neutro, en kv DMG = distancia media geométrica entre conductores, en m r = radio del conductor, en m F = factor función de la relación Uf/U0 U0 = tensión eficaz, entre fase y neutro, en kv, que provoca la descarga El valor de F se toma: Uf/U0
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.5
F
0.0011
0.014
0.018
0.025
0.036
0.053
0.085
0.150
0.950
Esta fórmula es para buen tiempo, en otras condiciones, es necesario hacer intervenir los efectos correspondientes.
Podemos cerrar este tema diciendo que las pérdidas por efecto corona se pueden mantener en valores tolerables manteniendo la tensión a la ocurre el fenómeno, más alta que la tensión entre fase y tierra en un 20 a 40%, para lo cual, es necesario que el diámetro del conductor sea grande o, en caso contrario, formando cada fase por medio de más de un conductor. (En nuestro país esta cantidad de conductores por fase indica la tensión de transporte de la línea, por ejemplo: 1 conductor por fase 132 KV, 2 conductos 220 KV, 4 conductores 500 KV.) ANALISIS DE LA RADIOINTERFERENCIA DEBIDA AL EFECTO CORONA EN LINEAS DE TRANSMISION DE ALTA TENSION Durante su operación nominal, las líneas de transmisión de alta tensión producen emisiones electromagnéticas en un amplio rango de frecuencias. Estas emisiones pueden interferir con el funcionamiento normal de algunos dispositivos electromagnéticos localizados en la cercanía de las líneas, además de provocar un impacto físico y biológico en el ambiente [1]. Sin embargo, las emisiones electromagnéticas a altas frecuencias se deben principalmente a las descargas producidas por efecto corona. Este efecto produce emisiones electromagnéticas primordialmente a frecuencias por debajo de los 3MHz e interfiere, entre otros dispositivos, con la recepción de radio en Amplitud Modulada (AM) en la banda de 0.535 a 1.605 MHz. Es por ello que las emisiones electromagnéticas debidas a corona suelen definirse como “radiointerferencia”, (RI). Si la frecuencia de la emisión electromagnética debida a corona en una línea de transmisión coincide con la frecuencia de la señal transmitida por una línea de comunicación cercana a la línea de potencia, entonces la señal transmitida puede ser distorsionada. Para mitigar este efecto, la línea de comunicación debe colocarse a una distancia segura de la línea de potencia. Por esta razón es necesario estimar los niveles de radiación en decibeles (dB) a diferentes distancias de la línea [6]. En este trabajo se describe un método para calcular la interferencia electromagnética de líneas de transmisión monofásicas y multiconductoras de alta tensión. Los resultados obtenidos son comparados con los publicados previamente por otros autores. II. DESCRIPCIÓN FÍSICA DE LA RI DEBIDA AL EFECTO CORONA El efecto corona se origina generalmente en puntos distribuidos aleatoriamente a lo largo de los conductores de una línea de transmisión. Cuando se tiene buen clima (templado, sin lluvia), sólo se generan unas cuantas fuentes de corona separadas por largas distancias. Sin embargo, bajo malas condiciones climáticas (lluvia, nieve) aparece una mayor cantidad de fuentes de corona localizadas a poca distancia entre sí. Además, la intensidad de las descargas por corona es generalmente mayor [1]. La descarga corona en cada punto de generación en el conductor se caracteriza por diferentes modos. En general,
los modos de streamers tipo trichel y de incepción ocurren durante los semiciclos negativo y positivo de la onda de voltaje, respectivamente. Estos 2 modos de corona generan pulsos de corriente con tiempo de subida (rise time) rápido y corta duración. Los pulsos de corriente de corona negativos en general tienen tiempos de subida más rápidos y duraciones más cortas que los pulsos positivos, mientras que las amplitudes de los pulsos positivos son regularmente mayores que las de pulsos negativos. El resultado neto es que los pulsos positivos son la fuente predominante de radiointerferencia de las líneas de transmisión. Sin embargo, los pulsos negativos pueden ser de importancia a mayores frecuencias. Cada descarga corona se comporta como una fuente de corriente, la cual inyecta un tren de pulsos de naturaleza aleatoria al conductor. Cada pulso de corriente inyectado se divide a su vez en 2 pulsos con la mitad de la amplitud del pulso original y viajando en direcciones opuestas a lo largo del conductor. Conforme viajan, los pulsos en las dos direcciones van distorsionándose y atenuándose hasta que se vuelven insignificantes a una cierta distancia del punto de origen. En consecuencia, la influencia de cada fuente de corona se observa sólo hasta una cierta distancia, la cual depende de las características de atenuación de la línea. De esta manera, en cualquier punto de la línea, la corriente circulante
resultante está formada por los pulsos producidos por las diferentes fuentes distribuidas a lo largo del conductor, con amplitudes variando aleatoriamente y espaciamiento en tiempo también aleatorio, viajando en los dos sentidos de la línea. Para complicar aún más el fenómeno una fuente de corona en uno de los conductores de una línea multiconductora induce pulsos de corriente en todos los demás conductores de la línea [1]. III. EL CONCEPTO DE FUNCIÓN DE EXCITACIÓN El nivel de radio interferencia en la vecindad de una línea de transmisión depende esencialmente de 2 factores: 1. La generación de corona en los conductores. 2. La propagación de las corrientes debidas a corona través de la línea. Desde los puntos de vista tanto teóricos como prácticos es de utilidad caracterizar la generación de corona por una cantidad que considere la naturaleza aleatoria y pulsante de las corrientes de corona. También es importante que dicha cantidad dependa solamente de la carga espacial y la distribución de campo eléctrico cercano al conductor, y no así de la configuración de la línea. Gary propuso una cantidad de este tipo a través del concepto de función de excitación [3-5]. Análisis del campo magnético en una línea eléctrica de AT
