"6 Efectos Que Produce El Efecto Corona En Líneas De Transmisión"
Todos los diversos procesos de ionización involucrados en la producción de descargas de corona en las regiones altamente estresadas cerca de los conductores de las líneas de transmisión, así como la creación y movimiento de partículas cargadas en el campo eléctrico, requieren un gasto de energía.
El efecto corona en aisladores
Esta energía es suministrada por la fuente de energía de alto voltaje conectada a la línea de transmisión, que genera el campo eléctrico alto cerca de los conductores necesarios para sostener las descargas de corona.
La mayor parte de la energía se convierte en energía térmica para calentar el aire en las inmediaciones de los conductores. Una pequeña proporción de la energía se convierte en radiación electromagnética, incluida la emisión de luz, en energía acústica y en energía electroquímica necesaria para producir efluentes gaseosos de ozono y óxidos nítricos.
Analicemos ahora los seis efectos realmente negativos en el trabajo de las líneas de transmisión de alta tensión:
1. Perdidas por efecto corona
2. Interferencia electromagnética
3. Ruido audible
4. Ozono y NOx
5. Emisión de luz
6. Vibraciones eléctricas inducidas por viento y descarga corona
1. Perdidas por efecto corona
La pérdida de potencia, definida por la velocidad a la que la corona extrae energía de la fuente de alimentación de alto voltaje, se conoce como pérdida por efecto corona. Dado que los componentes electromagnéticos, acústicos y electroquímicos son solo una pequeña parte de la energía total, la pérdida de corona es causada efectivamente por el movimiento de iones positivos y negativos en el campo eléctrico.
La vida útil de los electrones creados en la descarga, antes de que se adhieran a moléculas neutras y se conviertan en iones negativos, es muy corta y, en consecuencia, su movimiento en el campo eléctrico da lugar solo a pulsos de corriente de corta duración, que no contribuyen significativamente a las perdidas por efecto corona.
En una línea de transmisión de CA, la tensión sinusoidal aplicada a los conductores hace que se extraiga una corriente capacitiva de la fuente de alimentación.
Antes del inicio del efecto corona, se solicita a la fuente de alimentación que suministre principalmente la corriente capacitiva. La corriente capacitiva que fluye en el conductor da lugar a una pequeña pérdida de potencia I2R.
Sin embargo, a voltajes por encima del inicio del efecto corona, el movimiento oscilatorio de la carga del espacio iónico en el campo eléctrico alterno cerca del conductor da lugar a un componente de corriente alterna adicional.
A diferencia de la corriente capacitiva, la corriente producida por el movimiento de iones está mayoritariamente en fase con la tensión y, por tanto, da lugar a una pérdida de potencia, conocida como pérdida por efecto corona.
La corriente del efecto corona también contribuye a un pequeño componente en fase con la corriente capacitiva, provocando así un aumento aparente en la capacitancia de la configuración del conductor. El tratamiento analítico de la pérdida de corona en las líneas de transmisión de CA es muy complejo y requiere la solución de campos de carga espacial que varían en el tiempo
La información necesaria para el diseño se obtiene principalmente a través de estudios experimentales.
2. Interferencia Electromagnética
El efecto corona en los conductores de líneas de transmisión generalmente se limita a una serie de fuentes puntuales distribuidas aleatoriamente a lo largo de la longitud de cada conductor. La densidad lineal de las fuentes de corona depende en gran medida del clima ambiental y las condiciones ambientales, con la densidad más baja ocurriendo con buen tiempo y la más alta con mal tiempo como la lluvia.
En los gradientes de la superficie del conductor para los que se diseñan generalmente las líneas de transmisión, los modos de corona que ocurren suelen ser serpentinas de Trichel durante el semiciclo negativo y las serpentinas de inicio durante el semiciclo positivo.
Pulsos de corriente de descarga corona
Sin embargo, los parámetros que definen las tres formas de pulso, es decir, la amplitud, el tiempo de subida y la duración, son bastante diferentes. Se ve que los pulsos de descarga de gap tienen las amplitudes más altas, los tiempos de subida más rápidos y la duración más corta.
Las amplitudes de los pulsos de corona positiva son aproximadamente un orden de magnitud más altas que las de la corona negativa, mientras que estos últimos tienen tiempos de subida más rápidos y una duración más corta.
Los pulsos de corriente transitorios, como los producidos por descargas de corona y gap, generan EMI en una amplia gama de frecuencias. Las características de EMI dependen directamente de las características espectrales de frecuencia de los pulsos de corriente, que son funciones de los parámetros que definen los pulsos, así como de las características de repetición de pulsos.
La amplitud del espectro de frecuencia de un pulso es proporcional al producto de la amplitud del pulso y la duración (contenido de carga), mientras que el ancho de banda es una función inversa del tiempo de subida del pulso.
Los espectros de frecuencia relativa de las descargas de corona y GAP se muestran en la figura siguiente.
Espectros de frecuencia de pulsos de corriente de descarga de corona y gap
Los pulsos positivos de descarga de corona y espacio tienen la mayor amplitud del espectro de frecuencia, y las descargas de espacio también tienen el ancho de banda de frecuencia más amplio, extendiéndose en el rango de GHz. El espectro de frecuencia de los pulsos de corona positivos comienza a disminuir rápidamente a frecuencias entre 1 y 2 MHz, mientras que el de los pulsos de corona negativos puede extenderse hasta aproximadamente 100 MHz.
El pulso de corriente inyectado en cualquier punto se divide en dos pulsos, cada uno con la mitad de la amplitud del pulso original, viajando en direcciones opuestas a lo largo del conductor.
Las descargas de GAP producen EMI que cubren las bandas de frecuencia de radio y televisión y se extienden hasta 1 GHz.
Los pulsos están sujetos a atenuación y distorsión a medida que viajan, hasta que la amplitud se vuelve insignificante. Dependiendo de las características de impedancia de la línea de transmisión, la influencia de una fuente de corona se extiende solo hasta una distancia finita en ambos lados.
Por tanto, la corriente resultante que fluye en cualquier punto a lo largo de la línea se compone de pulsos espaciados aleatoriamente de amplitudes variables que llegan de fuentes distribuidas aleatoriamente y viajan en ambas direcciones.
El análisis de la EMI generada por corona en las líneas de transmisión es bastante complejo y generalmente se lleva a cabo en el dominio de la frecuencia, utilizando la teoría de propagación electromagnética clásica.
3. Ruido audible
Los principales modos de corona en las líneas de transmisión, es decir, las serpentinas de Trichel negativas y las de inicio positivo, consisten esencialmente en descargas transitorias repetitivas en las que se produce una rápida ionización durante un breve intervalo de tiempo del orden de unos pocos cientos de nanosegundos.
Durante el desarrollo de las serpentinas, el gas dentro del canal de las serpentinas se calienta a temperaturas muy altas, mientras que su volumen físico no puede expandirse lo suficiente.
Como resultado, la presión local dentro del canal serpentino aumenta de acuerdo con las leyes físicas que rigen los gases. El aumento local de la presión del gas corresponde, por definición, a la generación de una onda de presión acústica que se propaga hacia el exterior desde el lugar de descarga.
La forma típica de un solo pulso acústico generado por una descarga de corona pulsativa se muestra en la figura acontinuación.
Pulso acústico generado por corona
Los pulsos acústicos debidos tanto a la corona positiva como a la negativa tienen formas similares, pero las amplitudes en polaridad positiva son un orden de magnitud más altas que las de polaridad negativa, similares a las amplitudes de pulso de corriente. Como en el caso de EMI, por lo tanto, la corona positiva es la principal fuente de ruido audible en las líneas de transmisión.
El espectro de frecuencia del pulso acústico generado por corona se extiende más amplio que el rango audible normal de los humanos, es decir, por encima de 15 kHz.
Los trenes aleatorios de pulsos acústicos producidos por diferentes fuentes distribuidas a lo largo del conductor viajan diferentes distancias en el aire para llegar a un punto en el espacio cercano al nivel del suelo donde se puede ubicar un observador humano. Debido a su distribución aleatoria en el espacio y el tiempo, las ondas acústicas llegan al punto de observación con relaciones de fase aleatorias.
El tratamiento analítico del ruido audible de las líneas de transmisión se realiza, por tanto, en términos de potencia acústica, que no requiere ninguna información de fase. Se suman las contribuciones de todas las fases de la línea para determinar la potencia acústica percibida en el punto de observación.
Además del componente aleatorio descrito anteriormente, el ruido audible de las líneas de transmisión de CA también incluye uno o más tonos puros, que son producidos por el movimiento oscilatorio de las cargas espaciales iónicas creadas en las proximidades del conductor en ambos semiciclos de la tensión alterna.
Los armónicos más altos también pueden estar presentes en el zumbido, pero generalmente de magnitudes mucho más bajas. Debido a las similitudes en los mecanismos físicos involucrados, el ruido de zumbido está bien correlacionado con la pérdida de corona.
4. Ozono y NOx
Las reacciones electroquímicas complejas tienen lugar dentro de los procesos de descarga de corona positiva y negativa, lo que resulta en la generación de ozono O3 y varios óxidos de nitrógeno, conocidos colectivamente como NOx.
La disociación de las moléculas de oxígeno en el aire debido a los procesos de ionización crea oxígeno atómico, que en reacciones posteriores da lugar a ozono y óxidos nítricos.
5. Emisión de luz
Los procesos que conducen a descargas de corona en el aire dan lugar tanto a la excitación como a la ionización de las moléculas. Las moléculas excitadas, en las que los electrones orbitales más externos se elevan a un estado de mayor energía, emiten fotones cuando vuelven a su estado de energía original.
Otras moléculas en el aire absorben algunos de los fotones, pero algunos de ellos logran escapar y contribuyen a la manifestación visual de descargas corona.
Las observaciones visuales muestran que la luz es de color azulado pálido. Los estudios de los espectros de emisión de las descargas corona indican que la mayor parte de la luz se emite a partir de moléculas de nitrógeno excitadas.
6. Vibraciones eléctricas inducidas por viento y descarga corona
Además de los efectos ampliamente observados descritos anteriormente, las descargas de corona también producen efectos menos conocidos, como viento eléctrico y vibraciones inducidas por corona.
En los casos de corona tanto positiva como negativa, los iones de la misma polaridad se crean y se repelen del conductor altamente estresado.
El impulso ganado por los iones en el campo eléctrico se transfiere a las moléculas de gas neutro, que crean una diferencia de presión en el gas y un flujo de gas en movimiento alejándose del conductor. Este fenómeno se conoce generalmente como viento eléctrico. El viento eléctrico es, por lo tanto, una versión de estado estable de la generación de pulsos acústicos. La presencia de gotas de agua en los conductores durante el tiempo lluvioso.
La presencia de gotas de agua en los conductores durante el tiempo lluvioso a veces puede hacer que los conductores vibren a muy baja frecuencia (1-5 Hz), dando lugar a vibraciones inducidas por corona. Las gotas de agua sobre los conductores se alargan en presencia de altos niveles de campo eléctrico en la superficie del conductor, lo que hace que expulsen gotas de agua.
Las fuerzas electrostáticas repulsivas entre la gota expulsada y la gota suspendida, junto con la fuerza reactiva producida por el viento eléctrico generado por la corona, así como por la eyección de agua, ejercen una fuerza ascendente sobre el conductor.
Mientras tanto, la gota suspendida se repone y se vuelve a alargar en el campo eléctrico.
La vibración inducida por corona se excita, en primer lugar, por fuerzas electrostáticas, principalmente las fuerzas repulsivas de Coulombic y la fuerza reactiva causada por el viento iónico. La amplitud de la vibración se amplifica luego por la fuerza reactiva mecánica en la expulsión de gotas o gotitas de las gotas suspendidas.