Story Transcript
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 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.
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
3
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 14 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
18 19 19 19 20 20 20 21 21 22 24 25 25 26 28
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
34 35 35 36 39 40 41 41 42 4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
44 45 47 48 51 52 53 53 55 56 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
58 58 59 59 60 61 62 62 63 64 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
73 75 80 81 82 83 84 87 88 89 90
5
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
100 102 103
Glosario Técnico
104
6
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
36 37 38 38 38 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 27 29 30 31 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
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 70 71
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
75 76 76 77 78
Dimensionamiento del modelo Características de la simulación Introduccion de valores para la simulación Mallado del modelo Ejecución del programa
7
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
78 79 81 82 83 85 85 86 87 88 89 100 100 101 101
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
8
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 27 29 56 73 74 79 81 82 83 86 87 88 89
9
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPÍTULO 1
“INTRODUCCIÓN”
10
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 11
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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].
12
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
14
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
15
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
16
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPÍTULO 2
“REDES DE DISTRIBUCIÓN”
17
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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. 18
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
19
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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. 21
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 22
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
28
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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]. 31
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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. 32
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPÍTULO 3
“EF ECTO CORONA Y SUS CARACTERÍSTICAS”
33
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
34
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
35
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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. 36
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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). 37
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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).
43
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
44
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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). 47
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
48
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
54
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPITULO 4
“DISEÑO EXPERIMENTAL DE PRUEBA PARA EFECTO CORONA”
57
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
Fig. 4.7 Configuración del modelo para la prueba
En la fig. 4.8 se muestra la misma configuración pero como esquema físico
65
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
66
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
Fig. 4.10 Arreglo para el medidor ultrasónico
68
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPITULO 5
“SIMULACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO CON EL PROGRAMA COMSOL MULTIPHISICS” 73
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
Fig. 5.2 Características de la simulación
Fig. 5.3 Introducción de valores para la simulación 77
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
Fig. 5.5 Ejecución del programa
FIG. 5.6 Línea de evaluación para la grafica de campo eléctrico
79
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 83
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
Fig. 5.11 Propiedades de la pantalla
Pantalla semiconductora
Fig. 5.12 Campo eléctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor
86
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 89
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 90
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
91
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
92
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
93
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
CAPÍTULO 6
“CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES”
94
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
95
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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. 96
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
97
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 Energia/1998/Res00077-98-Anexo1%20.asp [8]http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/sistemadistribuci onenergiaelectrica/ [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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
[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 99
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
[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, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, 1982. [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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
101
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
A.1.2 Conductor de aluminio con refuerzo de acero
A.1.3 Conductor tipo ACSR cubierta de XLP
102
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
104
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
A.3.1 Tipo de aislador para diferentes niveles de tensión
A.3.2 Características electromecánicas y de radio interferencia
GLOSARIO TÉCNICO
CAMPO ELECTRICO
105
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 106
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 107
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 108
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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
109
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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 110
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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.
111
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA ELÉCTRICA
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