INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA · PDF file3.8 Descripción del fenómeno de descargas parciales 53 . 3.8.1 Aspectos generales 53 . 3.8.2 Mecanismo de descargas

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

2

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.



3

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.



4

CONTENIDO

PÁG.

Resumen 2 Objetivo general 3 Capitulo 1.- Introducción 10 1.1 Antecedentes 11 1.2 Problema 13 1.3 Alcance 14 1.4 Objetivo particular 15 1.5 Justificación 16 Capitulo 2.- Redes de distribución 17 2.1 Líneas Eléctricas 18 2.2 Descripción general de sistemas de distribución 19 2.2.1 Sistemas de distribución 19 2.2.2 Clasificación de Sistemas de distribución 19 2.2.2.1 Sistema de distribución industrial 20 2.2.2.2 Sistema de distribución comercial 20 2.2.2.3 Sistema de distribución urbano 20 2.2.2.4 Sistema de distribución rural 21 2.2.3 Características de operación 21

2.3 Clasificación de redes 22 2.4 Elementos componentes del ramal de distribución 24 2.5 Aisladores 25 2.5.1 Causas del paso de la corriente del conductor al apoyo 25 2.5.2 Propiedades dieléctricas 26 2.6 Campo eléctrico en el aislador-conductor 28 Capitulo 3.- Efecto corona y sus características 33 3.1 Definición del efecto corona 34 3.1.1 Consecuencias 35 3.1.2 Como se detecta 35 3.2 Emisión de la corona 36 3.3 Ionización del aire 39 3.4 Manifestación del efecto 40 3.5 Consecuencias del efecto 41 3.5.1 Donde ocurre 41 3.5.2 Radio Interferencia 42



5

3.5.3 Ruido Audible 44 3.5.4 Perdidas por efecto corona 45 3.6 Tipos de descarga en conductores de distribución 47 3.6.1 Proceso de corona positiva 48 3.6.2 Proceso de corona negativa 51 3.7 Importancia del fenómeno 52 3.8 Descripción del fenómeno 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 eléctrica aparente 56 Capitulo 4.- Diseño 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 ultrasónico 59 4.1.2.2 Osciloscopio 60 4.1.2.3 Kilo Volt metro digital 61 4.1.3 Fuentes de alimentación de alta tensión 62 4.1.3.1 Divisor de tensión 62 4.1.3.2 Transformador alimentador 63 4.2 Diagrama de conexión para la prueba 64 4.3 Análisis espectral de las emisiones asociadas a descarga por corona 68 Capitulo 5.- Simulación de campo eléctrico con el programa COMSOL Multiphisics 72 5.1 Calculo de campo eléctrico por formula de Peek 73 5.2 Simulación con el COMSOL Multiphisics 75 5.3 Propuesta para la disminución del campo magnético 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 Análisis de resultados 90



6

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 Apéndices A.1 Tablas para la selección de conductores para 23kV según LyF y CFE 100 A.2 Tablas para determinación de la altura de los postes 102 A.3 Características de aisladores eléctricos para 23kV 103 Glosario Técnico 104



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INDICE DE FIGURAS

PAG.

2.1 Esquema representativo de las redes de distribución de las empresas 23 concesionarias de servicio público.

2.2 Sistema radial 23 2.3 Separación de las placas del conductor 27 2.4 Ley de refracción aplicada a campos eléctricos intensos 29 2.5 Dos diferentes materiales dieléctricos entre un electrodo plano 30 2.6 Localización del campo eléctrico 31 2.7 Distribución del campo eléctrico 32 3.1 Efecto corona en radiación ultravioleta 36 3.2 Visualización en cámara infrarroja 37 3.3 Localización del efecto corona 38 3.4 Efecto en un conductor 38 3.5 Toma del efecto con una cámara de radiación 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 ultrasónico empleado para el monitoreo 59 4.3 Osciloscopio digital 60 4.4 Kilo Volt metro digital 61 4.5 Divisor de tensión 62 4.6 Transformador elevador 63 4.7 Configuración del modelo para la prueba 64 4.8 Esquema físico del modelo 65 4.9 Conexiones del equipo 66 4.10 Arreglo para el medidor ultrasónico 67 4.11 Inicio de la medición 68 4.12 Inicio del aislador 69 4.13 Punto mas fuerte de la emisión del ruido debido al campo eléctrico 70 4.14 Final del conductor en el modelo 70 4.15 Medición al cetro del aislador 71 5.1 Dimensionamiento del modelo 75 5.2 Características de la simulación 76 5.3 Introduccion de valores para la simulación 76 5.4 Mallado del modelo 77 5.5 Ejecución del programa 78



8

5.6 Línea de evaluación para la grafica de campo eléctrico 78 5.7 Grafica de campo eléctrico en el aislador de porcelana 79 5.8 Grafica de campo eléctrico del aislador de Etil-propileno 81 5.9 Grafica de campo eléctrico para el aislador de vidrio 82 5.10 Grafica de campo eléctrico para el aislador de vidrio con permitividad de 10 83 5.11 Propiedades de la pantalla 85 5.12 Campo eléctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor 85 5.13 Campo eléctrico con la aplicación de la pantalla semiconductora 86 5.14 Grafica de campo eléctrico para el modelo con pantalla 87 5.15 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con pantalla de polietileno 88 5.16 Campo eléctrico 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 hormigón 102 A.3.1 Tipos de aislador para diferentes niveles de tensión 103 A.3.2 Características electromecánicas y de radio interferencia 103



9

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



10

CCAAPPÍÍTTUULLOO 11

““IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN””



11

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



12

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].



13

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.



14

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.



15

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.



16

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.



17


““RREEDDEESS DDEE

DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN””



18

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.



19

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.



20

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.



21

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.



22

- Cálculo de corrientes de cortocircuito.

- Regulación de tensión y compensación de reactivos.

- Partida de motores.

2.3 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



23

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].



24

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

http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/le-gro/Img_1451.jpg�



25

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].






26

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 = C V (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.



27

C = εA / d (2.2)

ε : permitividad del aislador o dieléctrico

d : separación entre las placas del condensador

A : área de superficie

• 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].

http://www.construmatica.com/construpedia/Campo_El%C3%A9ctrico�



28

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]

MATERIAL εr 60 Hz 1 MHz

Cerámicas 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

Polímeros Nylon 66 4 3.6 Poliestireno 2.6 2.6 Polietileno 2.3 2.3

2.6 CAMPO ELÉCTRICO ENTRE EL AISLADOR Y EL CONDUCTOR

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

fase 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



29

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]



30

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



31

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].



32

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.



33


““EEFF EECCTTOO CCOORROONNAA YY SSUUSS

CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS””



34

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



35

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.



36

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.



37

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).



38

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].



39

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.



40

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.



41

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

• Disipación de la energía

3.5.1 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].

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ruido�

http://es.wikipedia.org/wiki/Vibraci%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ion�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ozono�

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno�

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_n%C3%ADtrico�

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa�

http://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_el%C3%A9ctrico�

http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica�

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico�

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico�



42

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].



43

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).



44

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.



45

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.



46

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.



47

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).



48

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.



49

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.



50

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.



51

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.



52

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 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE DESCARGAS PARCIALES (DP)

3.8.1 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].

http://www.amperis.com/productos/camaras-efecto-corona/�

http://www.amperis.com/productos/detectores-descargas-parciales/�



53

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.



54

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.

http://www.amperis.com/recursos/glosario/#dielectrica�



55

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.

http://www.amperis.com/productos/osciloscopios/�



56

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).



57

CAPITULO 4

“DISEÑO EXPERIMENTAL

DE PRUEBA PARA

EFECTO CORONA”



58

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



59

Fig. 4.1 Dimensiones del aislador

4.1.2 Equipo empleado en la prueba

4.1. 2.1 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].



60

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.



61

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.



62

Fig. 4.4 Kilo Volt metro digital

4.1.3 Fuentes de alimentación de alta tensión

4.1.3.1 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.



63

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.



64

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.



65

Fig. 4.7 Configuración del modelo para la prueba

En la fig. 4.8 se muestra la misma configuración pero como esquema físico



66

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.



67

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.



68

Fig. 4.10 Arreglo para el medidor ultrasónico



69

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



70

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.



71

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.



72

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



73

CAPITULO 5

“SIMULACIÓN DEL

CAMPO ELÉCTRICO CON

EL PROGRAMA COMSOL

MULTIPHISICS”



74

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)



75

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)



76

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



77

Fig. 5.2 Características de la simulación

Fig. 5.3 Introducción de valores para la simulación



78

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.



79

Fig. 5.5 Ejecución del programa

FIG. 5.6 Línea de evaluación para la grafica de campo eléctrico



80

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



81

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 simulación para un

aislador de Etil-propileno y para uno de 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.



82

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 aislador-

conductor. 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



83

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.


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



84

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.


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



85

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.



86

Fig. 5.11 Propiedades de la pantalla

Fig. 5.12 Campo eléctrico con pantalla semiconductora entre el aislador y el conductor

Pantalla semiconductora



87

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:


(5.15)

(5.16)

(5.17)

Fig. 5.13 Campo eléctrico con la aplicación de la pantalla semiconductora



88

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



89

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:


(5.21)

(5.22)

(5.23)

Fig. 5.15 Campo eléctrico en el aislador de porcelana con pantalla de polietileno



90

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



91

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.



92

Tabla 5.1 Comparación de campo eléctrico

Material utilizado en la

simulación

Valor de permitividad 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



93

Tabla 5.2 Comparación de campo eléctrico con pantalla semiconductora

Material del aislador Pantalla

semiconductora

Conductividad

eléctrica pantalla

para la

(ohm-1 . cm-1)

Campo eléctrico

obtenido en la

simulación kV / cm

Porcelana Polietileno 1e-15 47

Porcelana Poliestireno 1e-17 50

Etil-propileno Polietileno 1e-15 25

Etil-propileno Poliestireno 1e-17 25



94

CAPÍTULO 6

“CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES”



95

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 aislador-

conductor 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.



96

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 aislador-

conductor 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.



97

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 Etil-

propileno 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.



98

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

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CORONA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. Esteban Velilla Hernández Germán

Moreno Ospina 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.

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[10] http://html.rincondelvago.com/lineas-de-transmision_ondas.htm

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99

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[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

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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

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[16] http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/12/visualizacion-del-efecto-

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[17] El efecto corona, Pablo Ledesma , Departamento de Ingeniería Eléctrica,

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[18] www.udb.edu.sv/Academia/.../electrica/.../guia3DLT.pdf

[19] Chapter 5 ‘Radio Noise’ from ‘Transmission Line Reference Book 345 kV and

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100

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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

http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/10016/624/14/Cap1y2.pdf�

http://www.monografias.com/trabajos64/fisica-electrica/fisica-electrica3.shtml�

http://spanish.alibaba.com/product-gs/fep-film-313317240.html�



101

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



102

A.1.2 Conductor de aluminio con refuerzo de acero

A.1.3 Conductor tipo ACSR cubierta de XLP



103

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



104

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



105

A.3.1 Tipo de aislador para diferentes niveles de tensión

A.3.2 Características electromecánicas y de radio interferencia

GLOSARIO TÉCNICO

CAMPO ELECTRICO



106

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



107

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



108

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

http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_moderna�

http://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_elemental�

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuanto�

http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo�

http://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_portadora�



109

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_gamma�

http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X�

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz_ultravioleta�

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico�

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz_infrarroja�

http://es.wikipedia.org/wiki/Microonda�

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_de_radio�

http://es.wikipedia.org/wiki/Masa_invariante�

http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_la_luz�

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuanto�

http://es.wikipedia.org/wiki/Refracci%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)�

http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)�

http://es.wikipedia.org/wiki/Momento_lineal�

http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica�

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica�



110

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

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo�

http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula�

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ionizaci%C3%B3n�


http://es.wikipedia.org/wiki/Ani%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodo�


http://es.wikipedia.org/wiki/Cati%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todo�



111

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.

http://www.construmatica.com/construpedia/Campo_El%C3%A9ctrico�



112

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).

http://www.monografias.com/trabajos55/radiaciones-electromagneticas/radiaciones-electromagneticas.shtml�

http://www.monografias.com/trabajos55/radiaciones-electromagneticas/radiaciones-electromagneticas.shtml�

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA · PDF file3.8 Descripción del fenómeno de descargas parciales 53 . 3.8.1 Aspectos generales 53 . 3.8.2 Mecanismo de descargas