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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD ADOLFO LPEZ MATEOS

ZACATENCO INGENIERA ELCTRICA

TESIS DE TITULACIN

DETERMINACIN DEL EFECTO CORONA EN EL RAMAL DE UNA RED DE DISTRIBUCIN

PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA DANIEL MARTNEZ SANTIAGO

ASESOR TECNICO M en C. CARLOS TEJADA MARTNEZ

ASESOR ESTRUCTURAL ING. JESUS HERNANDEZ MUOZ

MXICO, D.F NOVIEMBRE 2010

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

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RESUMEN:

La inclusin a la red elctrica de 23 kV de la carga de una universidad ha

presentado un caso de efecto corona. El ruido generado por este fenmeno es audible

a una cuadra de distancia de la ubicacin del poste de distribucin de la energa

elctrica.

En el presente trabajo se analizan las caractersticas propias del efecto y las

repercusiones que son comnmente presentadas en las redes de distribucin, las

cuales afectan de manera gradual a los elementos de sistema y degrada su eficiencia.

Aplicando los clculos correspondientes de campo elctrico mediante una

herramienta de simulacin (Comsol Multiphisics), se analiza la manifestacin del efecto.

Lo anterior, es complementado por medio de pruebas experimentales realizadas en el

Laboratorio de Alta Tensin de la ESIME ZAC.

Finalmente, en base a los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas,

se proponen algunas estrategias para la disminucin del efecto corona y

consecuentemente del ruido audible en el aislador.


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OBJETIVO

Analizar el efecto corona en los elementos de conexin, aislador-conductor,

debido a la inclusin de una carga para alimentar una nueva universidad privada

UNIREM en la colonia El Vergel delegacin Iztapalapa. Utilizando un programa de

cmputo, COMSOL Multiphisics, de tal forma que la informacin obtenida sirva de base

para una propuesta de su disminucin y sus repercusiones.


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CONTENIDO

PG.

Resumen 2 Objetivo general 3 Capitulo 1.- Introduccin 10 1.1 Antecedentes 11 1.2 Problema 13 1.3 Alcance 14 1.4 Objetivo particular 15 1.5 Justificacin 16 Capitulo 2.- Redes de distribucin 17 2.1 Lneas Elctricas 18 2.2 Descripcin general de sistemas de distribucin 19 2.2.1 Sistemas de distribucin 19 2.2.2 Clasificacin de Sistemas de distribucin 19 2.2.2.1 Sistema de distribucin industrial 20 2.2.2.2 Sistema de distribucin comercial 20 2.2.2.3 Sistema de distribucin urbano 20 2.2.2.4 Sistema de distribucin rural 21 2.2.3 Caractersticas de operacin 21

2.3 Clasificacin de redes 22 2.4 Elementos componentes del ramal de distribucin 24 2.5 Aisladores 25 2.5.1 Causas del paso de la corriente del conductor al apoyo 25 2.5.2 Propiedades dielctricas 26 2.6 Campo elctrico en el aislador-conductor 28 Capitulo 3.- Efecto corona y sus caractersticas 33 3.1 Definicin del efecto corona 34 3.1.1 Consecuencias 35 3.1.2 Como se detecta 35 3.2 Emisin de la corona 36 3.3 Ionizacin del aire 39 3.4 Manifestacin del efecto 40 3.5 Consecuencias del efecto 41 3.5.1 Donde ocurre 41 3.5.2 Radio Interferencia 42


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3.5.3 Ruido Audible 44 3.5.4 Perdidas por efecto corona 45 3.6 Tipos de descarga en conductores de distribucin 47 3.6.1 Proceso de corona positiva 48 3.6.2 Proceso de corona negativa 51 3.7 Importancia del fenmeno 52 3.8 Descripcin del fenmeno de descargas parciales 53 3.8.1 Aspectos generales 53 3.8.2 Mecanismo de descargas 55 3.8.3 Corrientes de descarga parciales 56 3.8.4 Carga elctrica aparente 56 Capitulo 4.- Diseo experimental de prueba para efecto corona 57 4.1 Arreglo experimental para la prueba de descargas por corona 58 4.1.1 Dimensionamiento del aislador para 23kV 58 4.1.2 Equipo empleado para la prueba 59 4.1.2.1 Detector ultrasnico 59 4.1.2.2 Osciloscopio 60 4.1.2.3 Kilo Volt metro digital 61 4.1.3 Fuentes de alimentacin de alta tensin 62 4.1.3.1 Divisor de tensin 62 4.1.3.2 Transformador alimentador 63 4.2 Diagrama de conexin para la prueba 64 4.3 Anlisis espectral de las emisiones asociadas a descarga por corona 68 Capitulo 5.- Simulacin de campo elctrico con el programa COMSOL Multiphisics 72 5.1 Calculo de campo elctrico por formula de Peek 73 5.2 Simulacin con el COMSOL Multiphisics 75 5.3 Propuesta para la disminucin del campo magntico producido por corona 80 5.3.1 Modelo del aislador de Etil-propileno 81 5.3.2 Modelo del aislador de vidrio 82 5.3.3 Modelo B del aislador de vidrio 83 5.3.4 Modelo del aislador con pantalla semiconductora 84 5.3.5 Modelo del aislador de Etil-propileno con pantalla de polietileno 87 5.3.6 Modelo de porcelana con la pantalla semiconductora 88 5.3.7 Modelo de porcelana en la pantalla semiconductora de Poliestireno 89 5.4 Anlisis de resultados 90


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Capitulo 6.- Conclusiones y recomendaciones 93 6.1 Conclusiones 94 6.2 Recomendaciones de costo beneficio 95 6.3 Recomendaciones para trabajos futuros 96 Referencias 97 Apndices A.1 Tablas para la seleccin de conductores para 23kV segn LyF y CFE 100 A.2 Tablas para determinacin de la altura de los postes 102 A.3 Caractersticas de aisladores elctricos para 23kV 103 Glosario Tcnico 104


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INDICE DE FIGURAS

PAG.

2.1 Esquema representativo de las redes de distribucin de las empresas 23 concesionarias de servicio pblico.

2.2 Sistema radial 23 2.3 Separacin de las placas del conductor 27 2.4 Ley de refraccin aplicada a campos elctricos intensos 29 2.5 Dos diferentes materiales dielctricos entre un electrodo plano 30 2.6 Localizacin del campo elctrico 31 2.7 Distribucin del campo elctrico 32 3.1 Efecto corona en radiacin ultravioleta 36 3.2 Visualizacin en cmara infrarroja 37 3.3 Localizacin del efecto corona 38 3.4 Efecto en un conductor 38 3.5 Toma del efecto con una cmara de radiacin ultravioleta 38 3.6 Diferencia visual entre la corona positiva y la corona negativa 48 3.7 Descarga de corona positiva 50 3.8 Descarga de corona negativa 51 4.1 Dimensiones del aislador 58 4.2 Detector ultrasnico empleado para el monitoreo 59 4.3 Osciloscopio digital 60 4.4 Kilo Volt metro digital 61 4.5 Divisor de tensin 62 4.6 Transformador elevador 63 4.7 Configuracin del modelo para la prueba 64 4.8 Esquema fsico del modelo 65 4.9 Conexiones del equipo 66 4.10 Arreglo para el medidor ultrasnico 67 4.11 Inicio de la medicin 68 4.12 Inicio del aislador 69 4.13 Punto mas fuerte de la emisin del ruido debido al campo elctrico 70 4.14 Final del conductor en el modelo 70 4.15 Medicin al cetro del aislador 71 5.1 Dimensionamiento del modelo 75 5.2 Caractersticas de la simulacin 76 5.3 Introduccion de valores para la simulacin 76 5.4 Mallado del modelo 77 5.5 Ejecucin del programa 78


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5.6 Lnea de evaluacin para la grafica de campo elctrico 78 5.7 Grafica de campo elctrico en el aislador de porcelana 79 5.8 Grafica de campo elctrico del aislador de Etil-propileno 81 5.9 Grafica de campo elctrico para el aislador de vidrio 82 5.10 Grafica de campo elctrico para el aislador de vidrio con permitividad de 10 83 5.11 Propiedades de la pantalla 85 5.12 Campo elctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor 85 5.13 Campo elctrico con la aplicacin de la pantalla semiconductora 86 5.14 Grafica de campo elctrico para el modelo con pantalla 87 5.15 Campo elctrico en el aislador de porcelana con pantalla de polietileno 88 5.16 Campo elctrico en el aislador de porcelana con pantalla de Poliestireno 89 A.1.1 Conductor de aluminio tipo AAC 100 A.1.2 Conductor de aluminio con refuerzo de acero 100 A.1.3 Conductor tipo ACSR cubierto de XLP 101 A.1.4 Conductor de aluminio tipo XLP 101 A.2.1 Altura de los postes de hormign 102 A.3.1 Tipos de aislador para diferentes niveles de tensin 103 A.3.2 Caractersticas electromecnicas y de radio interferencia 103


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INDICE DE TABLAS

PAG.

2.1 Constante dielctrica de varios materiales 28

4.1 Resumen de resultados 71

5.1 Comparacin de campo elctrico 91

5.2 Comparacin de campo elctrico con pantalla semiconductora 92

INDICE DE ECUACIONES

PAG.

2.1 Efecto capacitancia 26 2.2 Capacitancia 26 2.3 Permitividad 27 2.4 ngulos de refraccin dielctrica 29 3.1 Carga aparente 56 5.1 Formula de Peek 73 5.2 Aplicacin de la formula de Peek 74 5.3-5.5 Campo elctrico en el aislador 79 5.6-5.8 Campo elctrico en el aislador de Etil-propileno 81 5.9-5.11 Campo elctrico en el aislador de vidrio 82 5.12-5.14 Campo elctrico en el aislador de vidrio con permitividad de 10 83 5.15-5.17 Campo elctrico en el aislador con pantalla de Poliestireno 86 5.18-5.20 Campo elctrico en el aislador con pantalla de Polietileno 87 5.21-5.23 Campo elctrico en el aislador con pantalla de Polietileno 88 5.24-5.26 Campo elctrico en el aislador con pantalla de Poliestireno 89


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CCAAPPTTUULLOO 11

IINNTTRROODDUUCCCCIINN


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1.1 ANTECEDENTES

Uno de los fenmenos de gran importancia en redes de distribucin (RD), es el

Efecto Corona (EC), y es a raz de este que se desarrollan otros fenmenos tales como

la Radio Interferencia (RI) y el Ruido Audible (RA), prdidas parciales a la potencia del

sistema, los cuales con el aumento de la tensin de operacin se hacen cada vez ms

notorios, aumentado as la posibilidad de que tanto personas como equipos puedan ser

afectados o interferidos debido a las propiedades electromagnticas que se generan en

los alrededores de la RD, surgiendo as los problemas denominados de Compatibilidad

Electromagntica (CEM) [1].

Algunas de las perturbaciones ocasionadas por el efecto corona en las RD

llevan consigo un conjunto de diversas descargas elctricas en gases (aire), que

globalmente se pueden definir como disrupciones parciales en la vecindad del

conductor bajo tensin, alrededor del cual se genera un campo elctrico por lo general

no uniforme, que depender en gran medida del tipo y magnitud de la tensin aplicada

al conductor. Algunas de las manifestaciones del efecto corona son: ozono, luz visible,

vibracin mecnica, calor alrededor de los conductores o calentamiento de la superficie,

Ruido Audible, Radio y TV Interferencia, o en general interferencias electromagnticas

[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 electromagntico generado en los alrededores de los


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conductores al darse las descargas, estos fenmenos se propagan tanto en el

conductor como en el espacio, alcanzando niveles que podran afectar la recepcin de

otras seales en cercanas de la RD, causar irritacin 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 ms comunes del

aislamiento en redes de distribucin, que comienza con la presencia de efecto corona.

Este modo de falla se presenta generalmente en el rea de contacto entre conductor y

aislador.

En presencia de un fuerte campo elctrico externo, las molculas que componen

el aire tienden a ionizarse, es decir, a perder o ganar un electrn libre transformndose

en cargas elctricas no neutras. Luego, las partculas ionizadas y los electrones libres

son repelidos o atrados por el campo elctrico segn sea su polaridad. Cuando el

campo elctrico externo es alterno, entonces las molculas ionizadas y los portadores

libres se acercan y alejan de la fuente del campo elctrico continuamente. Este

movimiento de iones y cargas es ms enrgico cuanto mayor sea la magnitud y la

frecuencia del campo elctrico.

Si la magnitud del campo elctrico supera un cierto valor, entonces el movimiento

de las cargas produce choques entre ellas en donde se disipa una cantidad de energa

tal que se producen recombinaciones qumicas entre las molculas involucradas. Este

proceso qumico libera al espacio nuevas molculas, y la recombinacin e ionizacin de

algunas de estas produce la liberacin de fotones los cuales producen el efecto visible

que se conoce como Efecto Corona [2].


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1.2 PROBLEMA

En un ramal de una red de distribucin ubicado en la colonia el Vergel de la

delegacin Iztapalapa, se detecto un caso de efecto corona para el cual la principal

caracterstica es la percepcin del ruido audible a una cuadra de la ubicacin del poste

de distribucin elctrica.

Se aprecian el poste, la cruceta donde estn 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 lnea

Todas estas caractersticas son consecuencias del efecto corona el cual se ha

ubicado entre el aislador y el o los conductores de 23 kV.


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1.3 ALCANCE

Se pretende mediante el anlisis del campo elctrico, detectar la presencia de

corona en el ramal de la red de distribucin, tomando en cuenta la altura del poste de

hormign, la tensin de los conductores as como la geometra y material del aislador.

De este modo, se presentan alternativas o posibles soluciones a la

manifestacin del efecto corona, mediante el anlisis de los resultados obtenidos de las

simulaciones realizadas con el programa COMSOL Multiphisics [3,4].

El desarrollo y aplicacin de este trabajo estn basados en las especificaciones

correspondientes a los conductores y aisladores utilizados en la red de distribucin de

23 kV.


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1.4 OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar las caractersticas de la red de distribucin para el estudio del

efecto.

Investigar los datos de diseo de la red de distribucin para su anlisis.

Simular mediante el programa Comsol Multiphisics el efecto corona.

Proponer estrategias para disminucin del efecto y sus consecuencias.


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1.5 JUSTIFICACIN

El efecto corona es un fenmeno que llega a presentarse en redes de

distribucin, teniendo como consecuencias ruido audible, repercusin directamente en

la eficiencia del sistema que adicionalmente representa un impacto econmico para el

dueo del contrato con la empresa suministradora de energa. Para el caso de estudio,

debe considerarse que el efecto corona no se detectaba sino hasta la inclusin de la

carga instalada en la universidad de la colonia el Vergel a la red de distribucin de 23

kV, tomando en cuenta tambin diferentes factores como el estado de los aisladores y

las condiciones ambientales para la manifestacin de corona.

El anlisis del efecto corona en la red de distribucin de 23 kV, se realizar con

el fin de reducir los fenmenos originados por ste efecto, tales como las afectaciones

de manera indirecta sobre la poblacin ubicada en la cercana de la red [5]. Aunque

nadie pone en duda los enormes beneficios que la energa elctrica aporta a la vida

cotidiana y a los servicios sanitarios, en los ltimos veinte aos ha aumentado la

preocupacin del pblico ante la posibilidad de que la exposicin a campos elctricos y

magnticos de frecuencias extremadamente bajas (ELF) tenga algn efecto nocivo

para la salud. Este tipo de campos est asociado principalmente a la transmisin y uso

de energa elctrica a las frecuencias de 50/60 Hz; y directamente a la potencia de

suministro de energa [6]. Adems, algunas otras consecuencias del efecto corona son

prdidas de potencia, las cuales son una porcin pequea de las prdidas de I2R, sin

embargo, las prdidas mximas 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 poblacin

aledaa a la red.


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CCAAPPTTUULLOO 22

RREEDDEESS DDEE

DDIISSTTRRIIBBUUCCIINN


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INTRODUCCIN

En este captulo se muestra un panorama general acerca de las redes de

distribucin y sus principales caractersticas de diseo, del mismo modo se describen

sus componentes y principales elementos.

2.1 LNEAS ELCTRICAS

En las lneas de transmisin, el efecto corona origina prdidas de energa y, si

alcanza cierta importancia, produce corrosiones en los conductores a causa del cido

formado. El efecto corona es funcin de dos elementos: el gradiente de potencial en la

superficie del conductor y la rigidez dielctrica del aire en la superficie, valor que a su

vez depende de la presin atmosfrica y la temperatura. [7] Las lneas elctricas se

disean para que el efecto corona sea mnimo, puesto que tambin suponen una

prdida en su capacidad de transporte de energa; en su aparicin e intensidad influyen

las siguientes condicionantes:

Tensin de la lnea: cuanto mayor sea la tensin de funcionamiento de la lnea, mayor ser el gradiente elctrico en la superficie de los conductores y, por tanto,

mayor el efecto corona. Generalmente slo se produce en lneas de tensin superior a

80 kV.


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La humedad relativa del aire: una mayor humedad, especialmente en caso de lluvia o niebla, incrementa de forma importante la aparicin de corona.

El estado de la superficie del conductor: las rugosidades, irregularidades, defectos, impurezas adheridas, etc., incrementan el efecto corona.

Nmero de subconductores: el efecto corona ser menor cuanto ms subconductores tenga cada fase de la lnea.

2.2 DESCRIPCIN GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIN Y ESPECIFICACIONES TCNICAS

Para una red de distribucin, el efecto corona se presenta principalmente en los

aisladores, causando una degradacin en los materiales:

Los principales datos del sistema elctrico son la tensin nominal, la

frecuencia nominal y su comportamiento en caso de cortocircuito.

Los sistemas de distribucin de energa elctrica comprenden niveles de

alta, baja y media tensin [8].

2.2.1 Sistema de distribucin.

Un sistema de distribucin de energa elctrica es un conjunto de equipos que

permiten energizar en forma segura y confiable un nmero determinado de cargas, en

distintos niveles de tensin, ubicados generalmente en diferentes lugares.

2.2.2 Clasificacin de los Sistemas de Distribucin.


INGENIERA ELCTRICA

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Dependiendo de las caractersticas de las cargas, los volmenes de energa

involucrados, y las condiciones de confiabilidad y seguridad con que deban operar

[8], los sistemas de distribucin se clasifican en:

- Industriales.

- Comerciales.

- Urbana.

- Rural

2.2.2.1 Sistemas de distribucin industrial.

Comprende a los grandes consumidores de energa elctrica, tales como las

industrias del acero, qumicas, petrleo, papel, etc.; que generalmente reciben el

suministro elctrico en alta tensin. Es frecuente que la industria genere parte de su

demanda de energa elctrica mediante procesos a vapor, gas o diesel [8].

2.2.2.2 Sistemas de distribucin comerciales.

Es un trmino colectivo para sistemas de energa 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 caractersticas, 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 distribucin urbana.


INGENIERA ELCTRICA

21

Alimenta la distribucin de energa elctrica a poblaciones y centros urbanos de

gran consumo, pero con una densidad de cargas pequea. Son sistemas en los cuales

es muy importante la adecuada seleccin en los equipos y el dimensionamiento [8].

2.2.2.4 Sistemas de distribucin rural.

Estos sistemas de distribucin se encargan del suministro elctrico 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 pequeas, es

elevado el costo del kWh consumido.

En muchos casos es justificado, desde el punto de vista econmico, la

generacin local, en una fase inicial, y slo en una fase posterior, puede resultar

econmica y prctica la interconexin para formar una red grande [8].

2.2.3 Caractersticas de operacin.

Para comprobar las caractersticas de operacin, confiabilidad y seguridad de un

sistema de distribucin industrial, es necesario efectuar una serie de estudios

analticos; los cuales entregan ndices de funcionamiento, cuya exactitud depender del

modelo empleado en la representacin del sistema. Los estudios tpicos que se

efectan en un sistema de distribucin Industrial son los siguientes:

- Flujos de potencia.


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- Clculo de corrientes de cortocircuito.

- Regulacin de tensin y compensacin de reactivos.

- Partida de motores.

2.3 CLASIFICACION DE LAS REDES.

Segn el Reglamento de la Ley General de Servicios Elctricos (Decreto

Supremo N 327), las concesiones de servicio pblico de distribucin son aquellas que

habilitan a su titular para establecer, operar y explotar instalaciones de distribucin de

electricidad dentro de una zona determinada (llamada comnmente zona de

concesin), y efectuar suministro de energa elctrica a usuarios finales ubicados

dentro de dicha zona y a los que, ubicados fuera de ella, se conecten a sus

instalaciones mediante lneas propias o de terceros [8].

Este suministro puede ser de dos niveles: alta tensin o baja tensin. Las redes

de las empresas elctricas concesionarias (fig. 2.1) tienen como punto de partida las

denominadas subestaciones de distribucin primaria, cuyo objetivo es el de reducir la

tensin desde el nivel de transporte al de alta tensin de distribucin [8].

Las redes de distribucin de las empresas elctricas son llamadas comnmente

en esta parte de los sistemas como: alimentadores, las que pueden ser tanto areas

como subterrneas, 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 tensin de distribucin, a las


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23

que se conectan clientes que poseen niveles de potencia bajos y medianos. A estas

redes de baja tensin normalmente se les llama: circuitos [8].

Fig. 2.1 Esquema representativo de las redes de distribucin de las empresas

concesionarias de servicio pblico [8].

Los sistemas radiales (fig. 2.2) consisten en poseer un conjunto de

alimentadores de alta tensin, que suministran potencia en forma individual, a un grupo

de transformadores. Cuando una red radial alimenta a transformadores, se obtienen las

redes de distribucin de baja tensin, normalmente trifsicas de cuatro hilos, y siempre

del tipo slidamente aterrizadas. Una desventaja de los sistemas radiales es que al

fallar un transformador, su alimentador en alta tensin, todos los clientes de baja

tensin asociados a ese transformador quedan sin suministro. No son redes que

aseguren una buena continuidad del servicio, pero son econmicas [8].


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Fig. 2.2 Sistema radial.

2.4 ELEMENTOS COMPONENTES PARA EL RAMAL DE DISTRIBUCIN

o POSTES: Debern ser utilizados postes de hormign centrifugado o prensado as como postes de madera respetando ntegramente lo

requerido en las normas de construccin [9].

o Retenciones: Se colocarn aproximadamente cada 300 metros [9].

o Espaciadores: Los espaciadores, en los vanos entre postes, se montarn a una distancia mxima de 8 metros [9].

o Cable de sustentacin: Se utilizarn cables de acero galvanizado, preferentemente formacin 1x19, en un todo de acuerdo a las normas de

construccin (IRAM 722). Los dimetros variarn desde 6,4 mm para

sustentacin de la red protegida conformada por cables de 35 mm2 de


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25

seccin a 9,5 mm para cables de 185 mm2 de seccin. En los ngulos se

utilizan aisladores para amarrar los cables conductores [9].

o Mnsulas y crucetas: En los postes de transicin (redes convencionales / redes protegidas) se utilizarn accesorios normalizados estndar (MN).

En general las dems estructuras de las redes de distribucin protegidas

contarn con soportes, accesorios, etc. Especficos [9].

2.5 AISLADORES

Son los elementos cuya finalidad consiste en aislar el conductor de la lnea con

el apoyo que lo soporta. Al emplearse los conductores, se precisa que los aisladores

posean buenas propiedades dielctricas ya que la misin fundamental del aislador es

evitar el paso de la corriente del conductor de apoyo. La unin de los conductores con

los aisladores y de stos con los apoyos se efecta mediante piezas metlicas

denominadas herrajes [10].

2.5.1 Causas del paso de corriente del conductor al apoyo

Por descarga disruptiva a travs del aire: puede producirse un arco entre el

conductor y el soporte a travs del aire, cuya rigidez dielctrica a veces no es suficiente

para evitar la descarga. Esto suele ocurrir con la lluvia, debido a la ionizacin del aire, y

se puede evitar con un diseo adecuado para aisladores de intemperie, tratando de

aumentar la distancia entre aislador y soporte de forma que la tensin necesaria para la

formacin del aire sea mayor [10].


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Por perforacin de la masa del aislador: al ser muy difcil mantener la

uniformidad dielctrica 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 pequeo 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 travs 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 DIELCTRICAS

Propiedades dielctricas: mejor descritas por el efecto de capacitancia.

q = C V (2.1)

q carga elctrica en [Coulombs];

C capacitancia en [Farads];

V tensin en [Volts]

Cantidad de carga almacenada depende de:

geometra del condensador

propiedades dielctricas del aislador.


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C = A / d (2.2)

: permitividad del aislador o dielctrico

d : separacin entre las placas del condensador

A : rea de superficie

Permitividad elctrica

Constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por

un medio. La permitividad se determina por la habilidad de un material de polarizarse en reaccin a la aplicacin de un campo elctrico y de esa manera, cancelar

parcialmente el campo dentro del material [11].


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Fig. 2.3 Separacion de las placas del conductor.

La permitividad de un slido refleja su habilidad para almacenar cargas:

i = o r (2.3)

o = 8,85 x 10-12 F/m, permitividad del vaco

r > 1: permitividad relativa o constante dielctrica

r representa aumento de la capacidad de almacenar carga debido a insercin del medio dielctrico entre las placas.

TABLA 2.1 CONSTANTE DIELCTRICA DE VARIOS MATERIALES [12]

MATERIAL r 60 Hz 1 MHz

Cermicas Titanatos - 15-10000 Micas - 5.4 - 8.7 Esteatita (MgO-SiO2) - 5.5 7.5 Vidrio de soda y cal 6.9 6.9 Porcelana 6.0 6 Silice Vitrea 4 3.8

Polmeros Nylon 66 4 3.6 Poliestireno 2.6 2.6 Polietileno 2.3 2.3

2.6 CAMPO ELCTRICO ENTRE EL AISLADOR Y EL CONDUCTOR

En el caso cuando el desplazamiento del vector elctrico D encuentra la inter-

fase entre dos medios diferentes de permitividades en otro ngulo que 90 grados, la

direccin de este vector cambiara en el segundo dielctrico. En general, esto parece


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29

que no hay cargas libres presentes en la interface y solo la (dipolar) polarizacin de

cargas define las condiciones lmite [13].

Despus los ngulos de incidencia y refraccin son interpretados como sigue:

(2.4)

: ngulo de incidencia del campo

Et: Vector magnitud del campo

En : Vector altura del campo

Dn : Distrancia del campo elctrico

E : Campo elctrico

.

En sistemas prcticos de tensin de C.D las tensiones de acumulacin de libre

transmisin cambian cuando toman otro lugar, causado por diferentes conductividades

de los materiales.

Fig.2.4 La ley de refraccin aplicada a campos elctricos intensos. [16]


INGENIERA ELCTRICA

30

La fig. 2.5 muestra el caso cuando 2 dielctricos son colocados paralelos a

electrodos planos, la interface, que no es perpendicular a la superficie del electrodo.

Se observa una compresin de las lneas 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 ngulo entre la union y el electrodo en la esquina es menor a 90 la

intensidad del campo en el punto P se vuelve tericamente infinito. Esto corresponde

cuando el dielctrico solido es parte del electrodo, dejando un vacio llenado por

materiales dielctricos de una inadecuada fuerza de separacin. Un ejemplo tpico

ocurre en pruebas de separacin de fuerza en slidos dielctricos 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 separacin

siempre se lograra dentro de la regin uniforme del campo, si solo existe un material

de aislamiento. Si las placas del material slido con la constante dielctrica 2 se

prueban en el aire atmosfrico, para el cual la fuerza de separacin as como la

constante dielctrica 1~ 0 es mucho ms baja que los valores correspondientes para


INGENIERA ELCTRICA

31

el material slido, incluso para tensiones menores que el voltaje de ruptura, muchas

descargas parciales aparecern a partir de los bordes como se indica en la figura [13].

Estas descargas extendern por la superficie del dielctrico slido y causaran la

separacin [13].

Fig. 2.6 Localizacin de el campo elctrico intenso para 1 > 2 [13].

Para evitar este fenmeno, debern utilizarse gases comprimidos con alta

rigidez dielctrica o uidos de aislamiento, cuya 1 de permitividad debera ser superior

a 2 para evitar que se eleve el campo, si la fuerza de ruptura del fluido no es tan

elevada como el del dielctrico slido. Por lo tanto, las pruebas de la fuerza de

aislamiento de materiales slidos, en el que no se pueden incrustar electrodos se

vuelve una tarea problemtica y muy difcil. Sin embargo, la Ley de la refraccin dada

puede utilizarse para controlar el campo elctrico, es decir, para mejorar la rigidez

dielctrica de un sistema de aislamiento.

Los ejemplos tpicos incluyen espacios en los materiales slidos usados en

subestaciones gas-aisladas metal-incluidas. Los conductores cilndricos coaxiales no

slo son aislados en gas de hexafloruro de azufre (SF6) pero tambin en parte por los

espacios necesarios para la ayuda mecnica del conductor interno [13].


INGENIERA ELCTRICA

32

Si solamente un disco del material slido fuese utilizado como se muestra en la

fig. 10 (a), las lneas del flujo no seran refractados o distorsionadas y la intensidad del

campo E a lo largo de la convergencia entre el gas y el material slido seguira [13].

Esto significa que solamente los componentes tangenciales del campo elctrico,

Et, estn en convergencia y Et no es constante a lo largo de la superficie. Cuando el

campo Et en los lmites sea siempre ms 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 unin siguen siendo casi constantes. Una solucin

posible se demuestra en la fig. 2.7 (b), y las mismas lneas equipotenciales de la fig. 2.7

(a) se utilizan para demostrar el cambio de la distribucin del campo. [13]

Fig. 2.7 Distribucin del campo elctrico [13].

a) Espacio simple del disco, sin refraccin o lneas equipotenciales.

b) Espacio caracterstico por el campo tangencial al gas aislante.


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33

CCAAPPTTUULLOO 33

EEFF EECCTTOO CCOORROONNAA YY SSUUSS

CCAARRAACCTTEERRSSTTIICCAASS


INGENIERA ELCTRICA

34

INTRODUCCIN

En este captulo, se presentan condiciones y caractersticas 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 DEFINICIN DEL EFECTO CORONA

Se origina fundamentalmente por el gradiente de tensin en la superficie

conductora. Las prdidas por efecto corona como el ruido que las mismas generan, se

relacionan directamente con la magnitud de la tensin de servicio. El elevado potencial

elctrico que tienen los conductores, ioniza el aire que lo rodea, causando pequeas

descargas disruptivas a travs del aire [14].

Dentro de una estacin transformadora tenemos efecto corona en:

Barras con tensin

Seccionadores

Interruptores

Morcetera

Otros elementos con elevado potencial elctrico.

Efectos ms importantes:

Prdidas de energa

Radio interferencias


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35

Otros efectos:

Deterioro del material

Produccin de compuestos contaminantes

3.1.1 CONCECUENCIAS

Principalmente degrada los aisladores en las lneas de distribucin de alta

tensin, provocando la cada de estas y por consecuencia perdida de energa elctrica,

siendo causas la contaminacin, una mala instalacin, filamentos rotos, aisladores

daados, mala conexin a tierra.[15]

3.1.2 COMO SE DETECTA

Cuando un conductor de una Lnea de Transmisin es sometido a una tensin

creciente, el gradiente de potencial (campo elctrico) en la superficie del conductor

crece y llega un momento en el que es mayor que el gradiente disruptivo del aire. Es en

sta situacin en la que se produce una ionizacin del aire que rodea al conductor, la

cual se manifiesta por una crepitacin y por una luminosidad azulada que puede

percibirse en la oscuridad (halo luminoso de seccin transversal), a este fenmeno se

le llama efecto corona. El efecto corona est causado por la ionizacin del aire

circundante al conductor debido a los altos niveles de tensin de la lnea. En el

momento que las molculas de aire se ionizan, stas son capaces de conducir la

corriente elctrica y parte los electrones que circulan por la lnea pasan a circular por el

aire.


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36

Tal circulacin producir un incremento de temperatura en el gas, que se tornar

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 segn el color del halo,

que ser rojizo en aquellos casos leves y azulado para los ms severos.

3.2 EMISIN DE CORONA

La emisin de corona en aire est en la longitud de onda de alrededor 300 a 360

nm, pero la energa de la radiacin solar en este campo espectral es mucho mayor que

la corona, hacindola invisible al ojo humano (fig. 3.1).

En la regin de 240 a 280 nm la emisin de la corona es mucho ms dbil, pero

el fondo de radiacin 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 radiacin ultravioleta.


INGENIERA ELCTRICA

37

La as llamada zona de apantallamiento solar son fotoctodos sensibles a

longitudes de onda superiores y producen la zona mencionada pero no la suprimen en

forma total. EL Efecto Corona es muy difcil de detectar debido a que emite una

radiacin muy dbil, mayormente en la banda UV.

De noche es apenas visible a simple vista, pero se puede ver imgenes con

dispositivos sensibles a la radiacin UV, sin embargo durante el da la radiacin solar

en la banda UV enmascara totalmente la dbil radiacin 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 tensin y restarlas de las imgenes captadas en los cruces por cero cuando

la corona se extingue. Estos mtodos tuvieron xito limitado y el problema de eliminar

completamente el fondo de radiacin solar que enmascara el espectro corona

permanece. Con cmaras especiales se solucionan todos estos inconvenientes y se

pude hacer un correcto diagnstico de la situacin (fig. 3.3, 3.4, 3.5).


INGENIERA ELCTRICA

38

Fig. 3.3 Localizacin del efecto corona [17]. Fig. 3.4 Efecto en un conductor [17].

Fig. 3.5 Toma del efecto con una cmara de radiacin ultravioleta [17].

El efecto corona es superficial, cuando el campo elctrico o gradiente de

potencial tiene un valor de cresta de 30 kV/cm (21.1 kVrms/cm) se da inicio a la

ionizacin por choque en el aire (a una temperatura de 25 C y una presin atmosfrica

de 760 mm de Hg) producindose el efecto corona, si el valor del gradiente es menor a

30 kV/cm entonces, existe una presencia de descarga parcial, bajo las mismas

caractersticas [18].


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39

3.3 IONIZACIN DEL AIRE

Los mencionados efluvios elctricos comienzan cuando un electrn libre es

acelerado a travs de un gas por accin del campo elctrico. Un electrn acelerado por

el campo elctrico puede adquirir energa suficiente para provocar la aparicin de

nuevos electrones libres, mediante su colisin con tomos del gas. Dicho proceso se

llama ionizacin por impacto de electrn [19].

Tambin se produce la foto-ionizacin, en la cual un fotn proveniente de una

fuente distante impacta con un tomo, entregando una cantidad de energa tal que

permite la liberacin de un electrn y la creacin de un ion positivamente cargado. Los

electrones as liberados se desplazan a travs del aire, siendo acelerados por accin

del campo elctrico, y pueden colisionar con tomos de nitrgeno, oxgeno y otros

gases presentes.

La mayora de las colisiones son de tipo elsticas y los electrones pierden slo

una pequea parte de su energa cintica en cada una de esas colisiones.

Ocasionalmente, un electrn puede impactar a un tomo con la energa suficiente para

excitarlo. Cuando esto sucede el tomo adquiere un nivel de energa superior: uno o

ms de sus electrones pasan a un nivel orbital superior, por lo que el electrn que lo

impact pierde parte de su energa cintica al crear dicho estado.

Posteriormente, el conjunto de tomos excitados volver a su estado normal,

irradiando este exceso de energa en forma de luz, calor y ruido audible. Esta liberacin

de energa corresponde a la emisin de radiacin electromagntica. Asimismo, un

electrn puede impactar con un ion positivamente cargado, neutralizndolo.


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40

Este proceso se denomina recombinacin y tambin produce liberacin de

energa o emisin de radiacin.

Durante la mayor parte de su viaje el electrn no produce ionizacin, colisiona

con los tomos que estn en su camino en forma elstica y pierde slo una pequea

parte de su energa cintica. El electrn puede sufrir otros dos procesos de prdida de

energa cintica: difusin y captura. El proceso de difusin se produce en forma

permanente, los electrones se desplazan desde zonas de mayor concentracin hacia

las zonas de menor concentracin.

Por otra parte, cuando un tomo neutro captura a un electrn se crea un ion

negativamente cargado y se libera energa, se emite radiacin. Este ion es una

partcula relativamente inmvil y voluminosa, por lo que no ionizar el gas por colisin,

salvo en casos de energa sumamente elevada.

3.4 MANIFESTACIN DEL EFECTO

El efecto corona se manifiesta por luminiscencias o penachos azulados que

aparecen alrededor del conductor, ms o menos concentrados en las irregularidades

de su superficie.

La descarga va acompaada de un sonido silbante y de olor de ozono. Si hay

humedad apreciable, se produce cido nitroso. La corona se debe a la ionizacin del

aire. Los iones son repelidos y atrados por el conductor a grandes velocidades,

producindose nuevos iones por colisin. El aire ionizado resulta conductor (si bien de

alta resistencia) y aumenta el dimetro eficaz del conductor metlico.


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41

3.5 CONCECUENCIAS DEL EFECTO CORONA

Generacin de luz

Ruido audible y Radio interferencia

Vibracin resultante del viento elctrico

Deterioro de materiales a consecuencia de un bombardeo de iones

Generacin de ozono, xidos de nitrgeno y la presencia de humedad,

cido ntrico

Disipacin de la energa

3.5.1 Dnde ocurre

Alrededor de conductores de lnea

En espaciadores y amortiguadores

Aislante elctricos daados - de cermica o un material diferente de la

cermica

Aislantes contaminados

En los extremos vivos de ensambles de aislantes y manguitos aisladores

En cualquier punto de su equipo elctrico, donde la fuerza del campo

elctrico exceda los 3 kV/m

En ciertos rboles de gran tamao. Esto origina temor supersticioso en la

gente que no conoce el tema [20].


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42

3.5.2 RADIO INTERFERENCIA (RI)

El campo perturbador generado por la lnea ocasiona, en los radios receptores

que se encuentran dentro de su zona de influencia, un ruido caracterstico. Las

principales fuentes de interferencia en las comunicaciones de radio, originadas en

instalaciones de alta tensin [21], pueden ser separadas en dos tipos:

a) Descargas corona (descargas elctricas parciales en un medio dielctrico

gaseoso, en regiones de alta intensidad de campo elctrico del entorno de los

conductores). Estas dependen del diseo de la lnea y las condiciones climticas, e

interfieren casi exclusivamente en la banda de frecuencias inferiores a treinta

megahertz 30 MHz (radio AM) fenmeno reconocido como radio interferencia (RI).

b) Descargas disruptivas (micro descargas que tienen lugar generalmente

en la Morcetera y que se deben a falsos contactos o a imperfecciones en el ensamble

entre un aislador y su Morcetera). Estas dependen de aspectos constructivos e

interfieren en un espectro que alcanzan los centenares de MHz (radio FM y TV).

Los elementos de las lneas 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 elctricas (CISPR) N 18

partes, 1, 2 y 3 [7].


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43

Parte 1: descripcin del problema, Parte 2: Mtodos de medicin y

procedimientos para la determinacin de lmites, Parte 3: Prctica para minimizar la

generacin de ruido). Cumplidos los requerimientos anteriores, el clculo de los niveles

slo por descarga corona en los conductores.

El nivel tolerable de (RI) depende de:

c) Los tipos de comunicaciones a proteger.

d) Los niveles de seal de las comunicaciones a proteger.

e) El nivel de la calidad de la recepcin.

f) Los lmites de tiempo en la interferencia prevista.

Para la definicin de la franja perturbada, se utilizarn los procedimientos

indicados por el comit internacional especial de perturbaciones radio elctricas

(CISPR) N 18- 1, 2 y 3.

De acuerdo con las normas de la Comisin Nacional de Telecomunicaciones, se

fija un nivel mximo de (RI) en: cincuenta y cuatro decibeles 54 dB durante el 80% del

tiempo, en horarios diurnos (Norma SC-S-3.80.02/76- Resolucin ex-SC N 117/78)

medidos a una distancia horizontal mnima de 5 veces la altura de la lnea area en sus

postes o torres de suspensin (Norma SC-M-1-50.01) [22].

Se fija un valor de mxima interferencia de 30 dB, para proteccin de seales

radiofnicas, con calidad de recepcin de interferencia no audible (Cdigo 5 de

CIGRE).


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44

Tal y como se ha dicho anteriormente, como consecuencia del efecto corona se

produce una emisin de energa en forma de ondas electromagnticas en el rango de

las radiofrecuencias que podran crear interferencias en la radio y la televisin. La

intensidad de estas radiofrecuencias es mxima a 0,5 MHz de frecuencia y decrecen

segn 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 s podra afectar a las emisiones radiofnicas en onda media en

casos particulares, sobre todo cuando la antena est situada a una distancia cercana a

la lnea elctrica. Las lneas elctricas tampoco son susceptibles de afectar a la emisin

o recepcin de televisin, 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 parmetros

que son en primera aproximacin, independientes:

Su variacin en funcin de la frecuencia

Su variacin con la distancia en direccin transversal a la lnea.

Su variacin con las condiciones climticas.

3.5.3 RUIDO AUDIBLE

La presencia de efecto corona en conductores de lneas de alta tensin 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 elctrico en los

conductores, de su estado superficial y de las condiciones atmosfricas.


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45

Estos niveles de perturbacin de ruido audible (RA) se incrementan junto con el

nivel de tensin de operacin de los sistemas de transmisin, y comienza a tomar

importancia para tensiones superiores a 300 kV, aproximadamente.

Se fija un lmite de 53 dB, valor que no debe ser superado el 50% de las veces

en condicin de conductor hmedo, a una distancia de 30 m desde el centro de la traza

de la lnea o en el lmite de la franja de servidumbre o parmetro de una estacin

transformadora [22].

En las subestaciones se evaluarn los datos garantizados de ruido mximo a

producir por los transformadores u otros equipos. Los mismos debern cumplir con las

exigencias de la norma IEC 651 (1987) e IRAM N 4074-1/88 "Medicin de niveles de

presin sonora". Se deber cumplir con la norma IRAM N 4062/84 (Ruidos molestos al

vecindario) [23].

3.5.4 PERDIDAS POR EFECTO CORONA

Las prdidas por corona contribuyen a la reduccin de la eficacia en la

transmisin de energa.

Cualquier transferencia de energa de los campos elctricos a las partculas

cargadas tales como electrones da lugar a prdidas por corona que es un ndice de

energa fuera del conductor de la lnea de transmisin. La mayor parte de esta

transferencia de energa es trmica, mientras que algo se convierte en ruido [25].

Las condiciones atmosfricas desempean un papel importante en la produccin

de corona.


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46

Los depsitos ambientales tales como la contaminacin pueden cambiar las

caractersticas de la superficie de una lnea de transmisin. Estos depsitos junto con

la lluvia y la nieve, pueden distorsionar el campo elctrico. 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 lnea de transmisin

afecta la cantidad de prdidas por corona. Corrientes de carga, aumentan la

temperatura del conductor sobre la temperatura ambiente, aumentando el aire que

rodea el conductor.

Este aire ms caliente aumenta las prdidas por corona. Para atenuar la corona,

es importante tener un conductor grande, de superficie limpia, sin ningn vaco o

imperfeccin que generen el realce de la tensin del campo.

Para no llegar a valores prohibitivos de esta prdida se encuentra en la prctica

con la imposibilidad del empleo de tensiones altsimas que reportaran ventajas de otro

gnero. Se indican con el nombre de efecto corona todos los fenmenos elctricos de

conduccin en la atmsfera que circunda al conductor, antes de producirse el enceba

miento de una chispa o de un arco.

El efecto corona es deletreo por la presencia de ozono producido, cuyo fuerte

poder oxidante reduce enormemente la vida de las partes metlicas de las lneas.


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47

3.6 TIPOS DE DESCARGAS EN CONDUCTORES DE DISTRIBUCIN

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 tensin aplicada al electrodo de corona.

Zeleny describi la diferencia llamativa en aspecto visual entre la corona positiva y

negativa. La corona positiva aparece como resplandor inmvil, difuso sobre el extremo

del punto, mientras que la corona negativa aparece cuando un conductor localizado

origina un punto minsculo en el extremo y se separa hacia fuera en el espacio [24].

Para una geometra dada, el voltaje de inicio por corona y la interrupcin

elctrica del gas ocurren en voltajes ms altos para la corona negativa que para la

positiva.

Fig. 3.6 Diferencia visual entre la corona positiva y la corona negativa.

Figs. 3.6.1, 3.6.4, 3.6.7 muestran descargas de poca intensidad positivas de puntos en aire;

Figs. 3.6.2, 3.6.3, 3.6.5, 3.6.6, 3.6.8, 3.6.9 muestran descargas negativas (aumento x 6).


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3.6.1 PROCESO DE CORONA POSITIVA

El proceso de ionizacin 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 ms bajo. Los electrones naturales

libres en la proximidad cercana a los electrodos son acelerados hacia el electrodo de

corona por el campo elctrico.

En la regin del plasma, varios micrones de la superficie del electrodo de

corona, alcanzan un nivel crtico por la intensidad del campo elctrico. En la regin

donde existe el campo crtico, las colisiones de electrones y molculas neutrales del

gas en la regin de ionizacin dan lugar a los electrones que se rompen libremente de

las molculas 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 tambin se

producen con la fotoionizacin.

Los fotones se emiten de los electrones mientras que decaen en niveles de

energa ms bajos en la regin del plasma. En aire seco, O2 + y N2 + son los

portadores principales de la carga.

La regin de ionizacin de corona positiva es caracterizada por un uniforme

resplandor dbil, azulado prpura a lo largo de la superficie del electrodo. Los

electrones libres pueden tambin unir a las molculas electronegativas del gas, tales

como O2, formando iones negativos, o pueden re-combinar con iones positivos.


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49

Cerca del electrodo de corona, los electrones tienen energas medias para

sostener la ionizacin neta, sin embargo, como la distancia de la superficie del

electrodo de corona aumenta, el ndice de ionizacin disminuye.

La localizacin donde son iguales el ndice de ionizacin y el ndice combinado,

es la localizacin de la ionizacin y del lmite de la regin del plasma.

Fig. 3.7. Descarga de corona positiva.

Fuera de la regin del plasma de corona, la fuerza del campo es escasa para

producir pares inducidos por colisin de electrn-ion. En esta rea, 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 regin de corona hacia el

electrodo de colector.


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50

Cualquier ion negativo restante dentro de la regin de corona ser dibujado

hacia el electrodo de corona. Debido a la curvatura baja de la extremidad del electrodo

de colector, el campo elctrico es relativamente dbil y ninguna ionizacin ocurre cerca

de ella.

La corona positiva tiene una tensin positiva muy alta aplicada en el electrodo de

corona, que genera un campo elctrico fuerte. Este campo con intensidad alta ioniza

las molculas en el ion positivo con pares de electrones en aire. Mientras se mueven,

bombardean otras molculas neutrales y las rompen en iones ms 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 ms bajo [24].

Los electrones naturales en el aire inician el proceso de la avalancha del

electrn fig. 3.8. Los electrones secundarios en la corona negativa son producidos

sobre todo por fotoemisin de la superficie del electrodo de corona. La produccin de

electrones por fotoemisin del electrodo de corona depende parcialmente de emparejar

la energa de fotones emitidos a la funcin de trabajo del material del electrodo de

corona.

En la regin de ionizacin, la produccin de electrones libres por colisiones del

electrn con las molculas del aire es mayor.


INGENIERA ELCTRICA

51

Fig. 3.8 Descarga de corona negativa.

De semejante al caso de la corona positiva, los electrones se propulsan fuera de

la regin de ionizacin, donde bombardean otras molculas neutrales del aire. Este

bombardeo puede producir ciertas reacciones qumicas.

El bombardeo del electrn fuera de la regin de ionizacin crea un volumen ms

grande en el cual las reacciones puedan ocurrir. Este volumen ms grande, es

responsable de una orden de aumento de la magnitud en excedente de las tasas de

generacin de ozono, de los generados en la corona positiva.

La corona negativa toma visualmente como descargas azulado prpuras 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 oxgeno, vapor de agua, y bixido de carbono.


INGENIERA ELCTRICA

52

Una corona negativa no ocurrir en gases puros tales como nitrgeno,

hidrgeno, helio, y argn.

En el caso de corona negativa, la intensidad del campo elctrico es tambin alta

y est presente alrededor del electrodo de corona, y la tensin aplicada al electrodo es

negativa. Los pares positivos del ion y del electrn se generan en la atmsfera

ambiente del cable de corona, pero los iones positivos son atrados al electrodo de

corona y los electrones negativos se propulsan al electrodo de colector. Teniendo masa

mucho ms pequea, los electrones se mueven ms rpidamente que los iones.

La fijacin de algunos electrones a las molculas neutrales del aire produce

iones negativos.

3.8 DESCRIPCIN DEL FENMENO DE DESCARGAS PARCIALES (DP)

3.8.1 Aspectos generales.

Una descarga parcial es un fenmeno de ruptura elctrica que est confinado y

localizado en la regin 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 ms o menos estable, las descargas parciales tienen una naturaleza mucho ms

espordica [27].


INGENIERA ELCTRICA

53

La localizacin de la descarga puede ser la consecuencia de un aumento del

campo elctrico en un determinado espacio, relativamente pequeo, 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 slido 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 molculas de gas. Estas regiones podran corresponder a oclusiones en

slidos o burbujas formadas por la vaporizacin en un lquido. El fenmeno 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 formacin de DP. Aunque existen descargas parciales en lquidos, la formacin del

canal ionizado asociado requiere que el lquido se halla vaporizado antes, y que se

formen cavidades gaseosas.

Otra condicin necesaria para la formacin de descargas parciales es que la

porcin de volumen que contiene al gas (aire), tenga un coeficiente de ionizacin ()

igual o mayor al coeficiente de fijacin de electrones ().

Esto asegura que el radio de ionizacin por colisin de electrones es mayor que

el radio de fijacin de electrones a la molcula, lo cual es requerido para el crecimiento

de la descarga.


INGENIERA ELCTRICA

54

Si esta condicin es satisfecha, una descarga parcial puede ocurrir cuando un

electrn es inyectado en este volumen. Este electrn inicial podra, por ejemplo, ser el

resultado de una emisin del campo si ste es suficientemente grande en la superficie.

3.8.2 Mecanismo de las descargas

Las descargas parciales ordinariamente comienzan en huecos, grietas o

elementos extraos en el aislamiento slido, en las interfaces entre el aislamiento

slido y lquido (o entre dos materiales aislantes), o entre conductor y aislamiento o en

burbujas en el aislamiento lquido.

Las descargas parciales reducen la distancia entre elementos en tensin pero

slo en la porcin del aislamiento afectada. Las descargas parciales en un material

aislante suelen iniciarse en huecos rellenos de gas dentro del dielctrico. Puesto que la

constante dielctrica del hueco es considerablemente ms baja que la del material

aislante, el campo elctrico es superior en el hueco que en distancias similares dentro

del material aislante.

Si la tensin por metro dentro del hueco aumenta por encima del umbral de

tensin de efecto corona las descargas parciales iniciarn 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 diseos cuidadosos y buenos

materiales.


INGENIERA ELCTRICA

55

En equipos de alta tensin la integridad del aislamiento se verifica mediante el

empleo de equipos de deteccin de descargas parciales tanto durante el proceso de

fabricacin como peridicamente durante la vida til de las unidades. La prevencin y

deteccin de las descargas parciales es capital para garantizar una operacin duradera

y fiable de los equipos de alta tensin de las compaas elctricas.

3.8.3 Corrientes de descargas parciales

Cuando se inicia la actividad de descargas parciales, pulsos transitorios de

corriente de alta frecuencia aparecern con una duracin entre nanosegundos y

microsegundos, estos pulsos reaparecern de suerte repetitiva. Las corrientes de

descargas parciales son difciles de medir por su escasa magnitud y duracin.

El evento puede ser detectado como un cambio minsculo en la corriente

consumida por el equipo a prueba. Otro mtodo para medir estas corrientes es instalar

una resistencia en serie con el equipo a estudio y analizar la cada de tensin con un

osciloscopio.

3.8.4 Carga elctrica 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 variacin de la carga que, si estuviese

conectada entre los terminales del equipo a prueba, provocara una variacin de la

tensin equivalente al episodio de descargas parciales.


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56

De forma matemtica puede modelarse mediante la ecuacin:

(3.1)

q : Carga aparente

Vc : Variacin de tensin

Cb : Carga parcial

La carga elctrica aparente suele medirse en picoculombios (pC).


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CAPITULO 4

DISEO EXPERIMENTAL

DE PRUEBA PARA

EFECTO CORONA


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4.1 Arreglo experimental para la prueba de descarga por corona

La configuracin del modelo que a continuacin se muestra, es el resultado de

la prueba encaminada a mostrar el efecto corona en los elementos aislador conductor

de la red de distribucin. En el laboratorio de Alta tensin de la seccin 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 sonmetro, que a su vez mediante un

cable coaxial registra la onda de ruido con el osciloscopio.

4.1.1 Dimensionamiento del aislador para 23kV


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Fig. 4.1 Dimensiones del aislador

4.1.2 Equipo empleado en la prueba

4.1. 2.1 Detector Ultrasnico

El detector ultrasnico, tipo 9251 modelo USD-F3 Haefely Trench (Tettex

Instruments), consiste de un micrfono con diferentes sondas las cuales habilitan el

instrumento para detectar ultrasonido. El instrumento contiene un medidor que muestra

el nivel relativo de ultrasonido [28].


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Fig. 4.2 Detector Ultrasnico empleado para el monitoreo

4.1.2.2 Osciloscopio

Las mediciones se realizaron a travs de un osciloscopio Tektronix modelo

TDS2024B, con 4 canales, 5 Gigamuestras/seg, ancho de banda de 1 GHz y una

impedancia de entrada de 1M.

El osciloscopio, recibe la seal 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 informacin de la seal adquirida para ser manipulada por computadora.


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Fig. 4.3 Osciloscopio digital

4.1.2.3 Kilo Voltmetro Digital

Kilo voltmetro marca Hipertronics con rango de 115 V / 400 kV. Con este

elemento, que a travs de un cable coaxial conectado al divisor de tensin registra en

kV la tensin de trabajo a la cual se realiz la prueba.


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Fig. 4.4 Kilo Volt metro digital

4.1.3 Fuentes de alimentacin de alta tensin

4.1.3.1 Divisor de tensin

Divisor de tensin marca Hipotronics de 400 kVM, con una relacin de

transformacin de 1000:1 con el cual se redujo la tensin por escala para el registro

con el Kilo Voltmetro.


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Fig. 4.5 Divisor de Tensin

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 aliment el circuito de prueba a 23 kV.


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Fig. 4.6 Transformador elevador

4.2 DIAGRAMAS DE CONEXIN PARA LA PRUEBA

La fig. 4.7 muestra el arreglo que ser empleado para las pruebas de deteccin

de corona en el laboratorio de alta tensin. En esta figura se muestran los elementos

utilizados para el desarrollo de la prueba.


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Fig. 4.7 Configuracin del modelo para la prueba

En la fig. 4.8 se muestra la misma configuracin pero como esquema fsico


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Fig. 4.8 Esquema fsico del modelo

La fig. 4.9 muestra la conexin del modelo con el transformador elevador, el

divisor de tensin, el kilo volt metro y el medidor ultrasnico, esto con el fin de

ejemplificar de mejor forma la conexin de los equipos con el modelo de la prueba.

Se aplicara una tensin de lnea de 23 kV mediante el transformador elevador de

potencia que, mediante el kilo volt metro y el divisor de tensin, es controlado este

parmetro, el sistema debe estar aterrizado, para fines de proteccin propios y de

seguridad en el laboratorio como se muestra en la figura.


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Fig. 4.9 Conexin 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.


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Fig. 4.10 Arreglo para el medidor ultrasnico


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4.3 Anlisis espectral de las emisiones asociadas a descargas por corona Las seales capturadas por el medidor ultrasnico fueron captadas mediante el

osciloscopio, y siendo manipuladas a travs de el, se obtuvieron los parmetros de

tensin y longitud de onda para cada medicin hecha.

La fig. 4.11 muestra la medicin realizada al inicio del modelo, entre el inicio del

conductor y el anillo equipotencial, se aprecia un nivel de tensin mximo de 860 mV.

Fig. 4.11 Extremo izquierdo


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La fig. 4.12 muestra el nivel de la seal de ruido cuando se acerca entre el anillo

equipotencial y el inicio del aislador, se puede observar que el nivel de tensin

incrementa a 1.0 V debido al campo elctrico que se esta emitiendo.

Fig. 4.12 Inicio del aislador

En la fig. 4.13, se apunta la antena de recepcin del medidor ultrasnico

directamente al punto de conexin 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 elctrico es el mas intenso a lo largo del

conductor en prueba.


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Fig. 4.13 Punto ms fuerte de la emisin del ruido debido al campo elctrico

La fig. 4.14 muestra la medicin captada hacia el final del conductor, con un

valor de tensin mximo de 840 mV.

Fig. 4.14 Final del conductor en el modelo.


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La fig. 4.15 muestra una medicin adicional al punto central del aislador, con el

fin de verificar que el punto mas fuerte de emisin de ruido debido al campo elctrico se

encuentra en esta zona. En este caso se registro un nivel mximo de tensin de 1.66 V.

Fig. 4.15 Medicin al centro del aislador

4.4 Resumen de resultados. Tabla 4.1 Resumen de resultados.

Punto de medicin Medicin (V)

Extremo izquierdo 0.860

Inicio del aislador 1

Centro del aislador 1.98

Final del conductor 0.840

Centro del aislador 1.66


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73

CAPITULO 5

SIMULACIN DEL

CAMPO ELCTRICO CON

EL PROGRAMA COMSOL

MULTIPHISICS


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74

INTRODUCCIN

Como se determino en el capitulo anterior, es en el centro del aislador, en el

punto de conexin e

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