ANÁLISIS DE MÉTODOS

PARA CUANTIFICACION DEL EFECTO CORONA

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO

DE INGENIERO ELÉCTRICO EN LA ESPECIA -

LIZACION DE POTENCIA EN LA ESCUELA PO-

LITÉCNICA NACIONAL.

JOSÉ MARÍA RUACA PINCHAD

ABRIL - 1983

QUITO - ECUADOR

C E R T I F I C O :

QUE EL PRESENTE TRABAJO DE TESIS HA

SIDO REALIZADO EN SU TOTALIDAD POR

EL SEÑOR JOSÉ M. RUACA PINCHAO.

ING. PAüí AYQDIRECTOR DE BSIS

A G R A D E C I M I E N T O

Al Ing. Paúl Ayora, quién con sus conocimientos,

valiosas -. sugerencias y buena voluntad;hlzo po -

sible el desarrollo de la presente tesis; al

Ing. Patricio Orbe por su ayuda en la tercera

parte de la misma, a los Ings. Mario Barba y Faus-

to Aviles del Laboratorio de Alto Voltaje por su

invalorable ayuda; al Ing. Alfonso Espinosa, Deca-

no de la Facultad, por su constante apoyo,y en

fin .a todos y cada uno de los profesores y amigos

que hicieron posible la culminación de este tra -

baj o.

R E S U M E N

En en presente trabajo se ha tratado de cuantificar la corrien

te de conducción a tierra de corona, estrictamente en su régi-

men pulsátil mediante tres métodos: por el número de pulsos;- .-

por el espectro de frecuencia y por la integración de dicha co

rriente pulsátil; para lo cual se han realizado tres arreglos

de generadores de corona como son: Punta-Malla, Punta-Flaca y

Cilindrico Coaxial.

Los dos primeros métodos se los realiza en osciloscopios disp_o

nibles en el laboratorio, mientras que' para el tercero se ha -

diseñado, constrído y calibrado un integrador.

Luego de una introducción teórica del problema que se va a es-

tudiar, se analizan los tres métodos de cuantificación descri-

tos, para los arreglos Punta-Malla y Punta-Flaca, identifican

dose los varios regímenes de corona que se consiguen en polarjl

dad positiva o negativa.

Resulta más conciso y. bastante informativo el método de inte -

gración; el análisis del espectro de frecuencia es el que me -

nos aporta en este estudio.

Posteriormente, en el arreglo coaxial., se estudia el comporta-

miento del efecto corona bajo condiciones de lluvia en una lí-

nea de trasmisión real; para lo cual se prueban cuatro electrc^

dos construidos como parte de este arreglo. Sobre el primero

se hace gotear agua destilada a diferentes velocidades, obte -

niéndose la condición de "lluvia propiamente dicha", mientras

que los tres electrodos restantes "simulan lluvia" (en ausen -

cia de agua) con resultados satisfactorios.

Se concluye que la lluvia incrementa la frecuencia de repetí -

ción de pulsos, y la energía de disipación de los mismos.

I M B O L O

AC Corriente alterna a 60 ciclos seg.

C Coulombio.

Co Condensador.

CSeq Condensador de choque equivalente.

DC Corriente directa.

E Gradiente de voltaje.

Eo Gradiente de voltaje superficial.

F Faradio.

GC Generador de corona.

Hz Hertz.

I Corriente de carga del capacitor.

leT Corriente de corona de emisión total.

le Corriente de corona de emisión propiamente dicha.

It Corriente de corona de conducción a tierra.

KV Kilovoltios.

Ln Logaritmo natural.

N Número de electrones libres.

Nc Número crítico de electrones.

Q Carga del capacitor en coulombios.

R Resistencia.

S Desviación típica.

Vo Voltaje de carga del capacitor.

X Valor medio

Z Impedancia de acoplamiento.

d Distancia del gap.

Í N D I C E

C A P I T U L O I

página

1. I N T R O D U C C I Ó N

1.1 Trabajos previos . 1

1.2 Aspectos fundamentales del efecto corona. 2

1.2.1 Corona. 2

1.2.2 Mecanismos de disrupción aplicables a micro-

descargas. 3

1.2.3 Características de corona en electrodos pun-

ta - placa positivo. S

1.2.4 Características de corona en electrodos pun

ta - placa negativo. 7

1.2.5 Características de corona en corriente alter

na. ' 9

1.2.6 Características de corona bajo condiciones -

de lluvia. 10

1.3 Enfoque del trabajo 13

1.3.1 Ubicación del problema 131.3.2 Limitaciones. • 15

C A P I T U L O I I

2 . M E D I C I O N E S E X P E R I M E N T A L E S

2 .1 Arreglos de los generadores de corona. 17

2 . 1 . 1 Sistema Punta - Malla • 172 . 1 . 2 Sistema Punta - Placa 18

2. 2 Cuantificación de corona por el número de pulsos. 20

página

2.2.1 Comentarios generales 20

2.2.2 Contador digital. 24

2.2.3 Análisis de resultados y observaciones p_a

ra Punta - Malla. 25

2.2.4 Análisis de resultados y observaciones pa-

ra Punta - Placa. • 28

2.3 Cuantificación de corona por el. espectro

de frecuencia. : 32

2.3.1 Comentarios generales. 33

2.3.2 Análisis de resultados. 34

2.4 Cuantificacion de corona por integración

de corriente pulsátil. 36

2 .4 .1 Descripción del método, justificación ,

alcance. ' 362 .4 .2 Integrador de corriente pulsátil de coro-

na. ! 39

2 .4 .3 Análisis de resultados y observaciones p_ara Punta - Malla. ] 44

2 . 4 . 4 Análisis de resultados y observaciones p_ara Punta - Placa. 46

C A P I T U L O I I I

3.

3.1 Cuantificacion de corona baj o condiciones

de lluvia simulada. : 57

3.1.1 Características generales del sistema utl

ñizado. 57

3.1.2 Arreglo coaxial. 58

3.2 Cuantificacion de corona por el número de

pulsos. 61

3.2.1 Análisis de resultados y observaciones. 61

3.3 Cuantificación de corona por integración de

corriente pulsátil.

3.3.1 Análisis de resultados y observaciones.

pagrna

70

70

C A P I T U L O I V

4. C O N C L U S I O N E S Y R E C O M E N

D A C I O N E S . 74

APÉNDICE I Diseño y construcción del

generador de corona Punta-

Malla.

APÉNDICE II Adecuación del generador

de corona Punta - Placa .

APÉNDICE III

APÉNDICE IV

Diseño y calibración del

circuito integrador.

Diseño y calibración de

impedancia de acoplamien-

to.

APÉNDICE .V Diseño y construcción del

arreglo coaxial.

APÉNDICE VI Equipos utilizados,

REFERENCIAS

C A P I T U L O I

1. I N T R O D U C C I Ó N

1.1 'TRABAJOS PEEVIOS

Desde años recientes (1970) , el uso de niveles de muy alto volta-

je para la trasmisión de potencia, ha causado renovado interés en

la industria de la potencia eléctrica, en los problemas asociados

a estos potenciales muy elevados. la causa de muchos de estos prp_

blemas, son las descargas de corona ocurriendo en los conductores

de líneas de trasmisión. Muchos de los esfuerzos para estudiar -

las características eléctricas del fenómeno en laboratorio, se han

encontrado con dificultades debido a la indeseable distorsión de

las formas de onda a ser medidas. (1).

Un trabajo hecho hace muchos años (Peek - 1920), fue realizado di

ficultesamente por lo inadecuado de la instrumentación disponible,

y no fue sino hasta 1938 en que Orichel (2) usando un oscilosco-—s

pió con una resolución de 10 seg, le fue posible distinguir un

pulso natural de corriente de corona negativa. En los siguientes

años, estudiantes trabajando en el laboratorio del Profesor L. B.-

Loeb (3) continuaron estos estudios con inprovisada instrumenta -

ción culminando en 1954 con el trabajo de-Amin, cuyos instrumentos_p

tenían un tiempo de resolución de 1.0 seg.

A nivel local, el primer trabajo respecto al estudio de corona lo

realiza P. Orbe (4) en un modelo cilindrico coaxial, en el que -

cuantifica pérdidas de potencia para varios arreglos de conducto -

res. Posteriormente, y en el laboratorio de la Universidad de Man

chester (G. Bretaña) se reprta el trabajo de P. Ayora (5) cuya téc

nica de cuantificación la realiza por medio del fotomultiplicador,

aparato que utiliza como parámetro de medida la luz ultravioleta _e

mitida por el efecto corona.

- 2 -

En el presente trabajo se cuantifica la corriente pulsátil deconducción a tierra, incluyendo el efecto de la lluvia que no

ha sido tratado previamente.

1.2 ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL EFECTO CORONA

1.2.1 Corona

El termino de "corona" generalmente involucra todos los fenó-menos relacionados con el aparecimiento de conductividad en ~

el gas circundante a un conductor sometido a altos voltajes.

Esta conductividad es debida al fenómeno de ionización del _

medio ambiente. (7) .

Es una microdescarga que se da en gases electronegativos. Si

se produce en un gap, se necesita sobre cinco veces el gra -

diente medio del campo (5) . Usualmente se utiliza dos elec-trodos para su análisis, uno en forma de placa y otro de pun-

ta, a los que se aplica voltaje.

Para los físicos,, la corona es una descarga eléctrica auto -

sostenida, donde un campo eléctrico Laplaciano (geométrico]

confina el proceso de ionización a regiones muy próximas alos electrodos o aisladores sometidos a elevados campos eléc-

tricos. (6 ) .

La magnitud de las descargas, entre otros factores, depende

del gas, de la magnitud y polaridad del voltaje aplicado a

los electrodos, de la forma y radio del electrodo punta, dela distancia entre electrodos, del material de éstos (pues

su funci&n de trabajo parece muy importante) y de las con -

díciones del medio ambiente.

- 3 -

Variando en forma adecuada el voltaje aplicado continuo de po-

laridad positiva y negativa, el radio de la punta y la separa-

ción entre electrodos, es posible conseguir los diferentes re-gímenes de corona, diferenciándolos por su luz emitida, por

sus formas de onda de corriente, por su sonido característico,o una comihinación de estas manifestaciones.

1.2.2 Mecanismos de disrupción aplicables a microdescargas ,.

Siempre existe en el aire, un cierto número de pares ion-elec-

trón debido a la radiación cósmica y a la radioactividad na -tural. Se sabe que en la superficie de la tierra, la radia -

c ion natural libera aproximadamente un promedio de 7 a 20electrones libres por cm3 y por segundo . (7) .

Cuando los electrones están sujetos a un campo eléctrico, son

acelerados y si dicho campo es notablemente intenso, la ener-gía que ellos adquieren llega a ser suficiente para causar la

ionización de moléculas neutras con las cuales chocan (ioni -

zación por colisión o choque).

De esta manera se crean nuevos electrones libres, los cuales

sujetos al mismo campo y efecto, ionizan moléculas , logran-do una progresiva multiplicación. Procesos secundarios ta -

les como la fotoionización son importantes dentro de estefenómeno, así como también las variaciones del campo eléc -

trico local.

El número de electrones libres producidos en el transcursode esta "avalancha", a lo largo de una línea de campo eléc -

trico ( está expresado por (7) .

- 4 -

f 3

J(oc -rpdlN = e *

En donde:

ce * Coeficiente multiplicador de electrones~oPrimer coeficiente de Tovvnsend.

7| : Coeficiente de adherencia para moléculas

neutras.

Y son funciones del campo local B. La avalancha puedeprogresar solamente en regiones donde ce exceda a ri

o donde el campo eléctrico es mucho.más fuerte que un valorcrítico, Bmin, el cual en la práctica está alrededor de los

30 KV/cm (a nivel del mar).

A más del mecanismo de disrupción por avalancha, existe elmecanismo de "canal" (8), el mismo que se genera a partir

de una sola avalancha, en la cual la, carga espacial produ -cida por la propia avalancha transforma a la misma en un

canal de plasma. ;

Por lo tanto, la conductividad crece rápidamente y la dis -rupción ocurre en el canal de esta avalancha, siendo sus

principales características:

a. El postulado de la existencia de; una gran cantidad defotoionización en la cabeza del canal, y

b. Un gran reforzamiento local del campo eléctrico, debido

a la carga espacial iónica en la.punta del canal, comose observa en la fig. 1.1. :

-f

Fig. 1.1 Efectos de la carga espacial producida poruna avalancha sobre el campo eléctricoaplicado. (Reather).

Recientemente (11) se ha reportado la influencia de la tempe

ratura de los electrones acelerados, en el proceso de propagación de la avalancha.

1 2 3 Características de corona en electrodos punta placa positivo

En un electrodo positivo (7) la avalancha electrónica tiene

su origen en el aire circundante al conductor y se desarrolla

en dirección a él. Los electrones son absorvidos por el con -

ductorj dejando atrás una nube de.iones positivos de menor mo -

bilidad. El resultado es una protuberancia cargada positiva -mente desde el conductor, como se observa en la fig. 1.2 a y b.

avalancha de electrones y iones positivos

^ foto'n

0 electrón producido por fotoionizaciona.

c.

Fig. 1.2 Desarrollo esquemático de una descargapositiva en tres etapas

- 6 -

Este proceso de ionización que se propaga desde el conductor

de una forma más fuerte que las avalanchas de polaridad nega-

tiva son los llamados canales., cuyo, desarrollo se aprecia en

la fig. I.2.C.* -

Un conductor positivo en corona, actúa como una fuente de

iones positivos y viceversa.

Existen además procesos secundarios, tales como la fotoioni-

zación en la cabeza del canal, que permiten que éste se ex -

tienda a una alta velocidad por encima de la región de gran

intensidad de campo eléctrico.

En el régimen "canales positivos" CIO) , la avalancha se

desarrolla hacia el conductor donde los electrones son direc-

tamente absorvidos. Por otro lado, los iones positivos que

se acumulan a lo largo del canal, constituyen una sustancial

carga espacial positiva: Aquí nuevamente la carga reduce

la intensidad de campo en la inmedianta vecindad del conduc -

tor, de forma suficiente para detener la ionización, al mismo

tiempo que la dispersión de la nube de iones, permite el ini-

cio de una nueva sucesión de canales cuando el campo eléctri-

co ha recuperado las condiciones adecuadas para su formación.

Esta forma de corona se la. conoce como, "canales intermiten -

tes".

En el régimen pulsátil luminiscente se ha descubierto (11)

que por adición de un pequeño porcentaje de dióxido de carbo-

no del aire ambiental., donde se genera la descarga de corona,

el tamaño de la corona luminiscente crece considerablemente,

particularmente en corona positiva.

— 7

Luego se produce una secuencia de pulsos laterales conocidos co-

mo " estallidos de pulsos" , como consecuencia de la extensión -

de la descarga sobre la superficie del conductor.

Con potenciales superiores al crítico los canales ocurren con

más frecuencia y los estallidos de pulsos duran más. En un momen

to dado, al aumentar el voltaje, la acción de iones negativos por

parte de los canales y de los estallidos de pulsos es tal, que se

forma cerca de la superficie del ánodo una pantalla de iones nega

tivos conocida como " Panatalla de Hermstein ", entre el electro

do y la carga espacial positiva dentro del gap.

1.2.4. CM&CTERISTICAS DE QOEONA EN EIECTBOEOS PÜNTA-PLACA NEGATIVOS

En un electrodo negativo (7) la avalancha electrónica se desarro-

lla desde el conductor oomo se observa en la fig. 1.3, se detiene

a una cierta distancia donde el campo no es lo suficientemente -

fuerte para producir el efecto multiplicador. El fenómeno de io-

nización primaria ocurre dentro de un volumen bien definido de a_i

re.

Cuando se opera un proceso secundario, el cual crea una actividad

electrónica adicional con probabilidad o por colisión ionizante

se puede decir que se consigue una descarga autosostenida (es el

-Segundo coeficiente de Ibwsend) .

©©JT

© e © ® ©0 ,~.0©ri-

0 © - -

0 ©

© ©--

© ion positivo

© ¡on negativo

„ electro'n

Fig. 1.3 Desarrollo de una descarga negativa en tres etapas

El régimen de Tri chel, que ocurre casi al voltaje de iniciación

del régimen pulsátil, se inicia con avalanchas que se propagan

desde el electrodo negativo, confinadas dentro de un volumen muyrestringido al conductor, debido al decrecimiento del campo.

Los electrones se adhieren a moléculas gaseosas para formar ionesnegativos, mientras que los iones positivos formados también por

la avalancha, se concentran alrededor'del conductor.

Sin embargo,, como los iones positivos serán rápidamente neutra -lizados al hacer contacto con el conductor, el exceso de iones

negativos reduce el campo eléctrico cerca al conductor. Esta re-ducción trae como consecuencia el que los iones negativos sean

repelidos suficientemente lejos del conductor, para permitir eldesarrollo de una nueva avalancha.( 1 ) .

El régimen de Trinchel está caracterizado por una frecuencia y

amplitud de sus pulsos casi constante.

Al sobrepasarse el régimen de Trinchel, el campo eléctrico delcátodo es muy alto y se extiende en el gap, al punto que los

iones negativos pierden sus electrones ( 10 ) ; la carga negativacreada posteriormente está muy alejada del cátodo y no extingue

la descarga, la cual se transforma en una "descarga luminiscen-te no pulsátil". La estructura de una descarga luminiscente

(12) es producida como un estado intermedio en el proceso dedisrupción, el cual finalmente conduce a la formación de un

arco-filamento. Recientemente estos pulsos o descargas lumi -niscentes han sido usados para bombear una amplia variedad de

lasers en gas.

Esta descarga continúa al incrementar el potencial, luego delo cual es reemplazado por "canales negativos, el cual se con-

sidera el último régimen de corona) .

- 9 -

1.2.5 Características de corona-en corriente alterna

Bajo condiciones de voltaje alterno, pueden hacerse presentes

todos los "modos"de corona descritos en los literales 1.2.3. y

1.2.4. Sin embargo(13),1a carga espacial producida durante

un medio ciclo, puede modificar el tipo y la intensidad del

modo de corona ocurrido durante el siguiente medio ciclo. La

posible secuencia de ocurrencia de los diferentes modos en

voltaje AC3 se indica en la fig. 1.4.

Inicio do predascargas disruptivas

Inicio de corona íuminiscünta

Inicio de cañó las posit ivos

. • „ '•"-/<L

lili^N /

ni! . lU

\lili

\j , lili!

\1

Corrientes de corona

inicio de pulsos Trlchei

Inicio de corona luminiscenteInicio de canales negativos —

4 5 45 6

I 23

Medio cíelo

de vol ta jo positivo

Modio cíelo

de voltaje negat ivo

!.„ Pulsos Trichel

2._ Corona luminiscente

3._ Canales negativos

4._ Canales posi t ivos

5._ Corona lumlnl*conte positiva

6._ Canales ¡nt ir mi tontas

Fig. 1.4.- Posibles modos de corona bajo voltaje AC.

J. Cladé(l4) considera ademas, que cuando el gradiente eléc-

trico es suficiente alto en la inmediata vecindad del con -

ductor sometido a voltaje, la corona formaría iones positi -

vos y/o negativos. Estos iones están sujetos al campo eléc-

trico, y cuando éste es alterno, los iones se ven sometidos

a una fuerza de desplazamiento que los obliga a moverse des-

de el conductor hacia afuera, y nuevamente hacia el conduc-

tor. Estos desplazamientos demandan energía y entre otras

cosas, son la causa de las pérdidas por corona en AC. Ade-

más dichas pérdidas dependen de la cantidad de carga produ-

cida por ionización, y del desplazamiento de estas cargas.

- 10 -

Además, en una línea de transmisión con voltaje alterno (15).,los efectos de la inducción eléctrica sobre personas y obje -

tos localizados cerca a las líneas, son producidos principal-

mente debido a la capacitancia de acoplamiento, y la corona

en los conductores tiene una influencia negativa sobre los

efectos de inducción. Por otro lado en línea de transmisión

bajo DC, debido a la ausencia de frecuencia, el efecto de

la capacidad de acoplamiento es casi inexistente., mientras

que la corona en los conductores y la carga espacial resul -tante, juegan un rol dominante en cualquier efecto de induc -

cion producido.

1.2.6 Características de corona bajo condiciones de lluvia

Una gota de agua sometida a un campo eléctrico homogéneo, ha

sido motivo de estudio desde hace algunos años. Los primeros

experimentos al respecto ( 2 ) , reportan importantes resulta -

dos logrados principalmente en un gap punta-placa. Se ha

observado por ejemplo, que gotitas de agua cayendo en un cam-

po uniforme, llegan a distorsionar y disminuir el potencial

de disrupción de 30 kV/cm para- aire normal, al valor de 8 KV/cm

(dependiendo del tamaño de la gota).

Se reporta que fue dificultoso obtener uniformidad y estabi-

lidad de la gota sin campo, y más aún se noto que al aplicar

el campo, se produce inmediatamente una distorsión de la go-

t a terminando en una eventual ruptura en el punto donde es

superada la tensión superficial de la gota, viéndose la ne -

cesidad de utilizar puntas metálicas.

- 11 -

a) sin voltaje b) con voltaje

Fig. 1.5.- Deformación de una gota de agua bajo la in -fluencia de campo eléctrico.

En años recientes se ha continuado la investigación de las ca -racterísticas de corona en lluvia, y en los países septentriona-

les se ha estudiado incluso el efecto que tiene la nieve sobrelos conductores. Así por ejemplo Luán Phan-Cong (16) en su es-

tudio de descargas de corona en la fase gotas de agua-nieve,utiliza un cilindro coaxial, cuya utilidad se explicará en el

cap. III, y de sus importantes conclusiones se puede mencionar

que las descargas de corona son fuertemente afectadas por los

cambios en las propiedades físicas de la gota de agua. Lasactividades de corona son muy intensas sobre el punto de con -

gelamiento del agua, mientras que aquellas son considerable -mente atenuadas a temperaturas bajo el congelamiento de la go-

ta de agua. 'Además la corona induce vibraciones en la gotade agua, lo que causa la expulsión de gotitas durante la des -

carga causando considerables fluctuaciones en la corriente de

descarga. \r otro lado L. Boulet ("l?) , utilizando también un arreglo

coaxial, menciona que las gotas de agua producen un' altoincremento local de gradiente de campo en el aire, debido a

la alta constante dieleléctrica del agua (80 A/on) y a la de-formación de la punta de la gota en un campo muy fuerte. Es-

te proceso produce una drástica reducción del voltaje de

inicio de corona.

- 12 -

.Dos efectos se distinguen en presencia de agua: 1) disrupción

entre el conductor y gotitas que salen expelidas y 2) predes -

cargas desde gotas reunidas en el conductor. Ambos efectos

están presentes en lluvia intensa.

En otra configuración coaxial, F. lanna (18) en su estudio

de las características espectrales de sonido de corona por

corriente de emisión, deduce que dichas características genera-

das por electrodos metálicos, son función tanto del voltaje

aplicado como de la forma de los electrodos.

Finalmente, Janischewskyj (19) desarrolla un extenso trabajo

en un arreglo coaxial, y entre los aspectos más relevantes

del mismo, se puede anotar que para muy altas velocidades de

goteo (180 gotas/min) se observa una corona pulsante para al-

gunos rangos de voltajes aplicados. Este rango es más largo

para caudales de agua mayores, es más pequeño para corona ne-

gativa e inicia a velocidades de goteo bajas en el caso de

corona positiva.

En los conductores de una línea de transmisión., generalmente

pueden existir dos condiciones extremas respecto al grado de

humedecimiento en un conductor (l3). Una permite al agua es-

parcirse uniformemente alrededor del conductor (hidrofílica)

y la otra (hidrofób.ica) formar goti-tas pequeñas, similar al

agua en una superficie encerada. La condición hidrofobica

incrementa la .tensión superficial entre el agua y el conduc-

tor mientras que el tratamiento hidrofílico decrece dicha

tensión superficial.

En el cap. III se estudia la corona en lluvia simulada, asumién-

dose una condición hidrofobica.

- 13 -

1.3 .ENFOQUE DEL TRABAJO

1.3.1 Ubicación del problema

Debido a la complejidad de efectos que produce la corona en el

medio ambiente donde se desarrolla, tales como radio interfe -

rencia, sonido audible, pérdidas de potencia; el primer y qui-

zá principal problema es identificar los parámetros que se van

a manejar y como se lo va hacer.

Como se explicó en el literal 1.2 de éste capítulo, la corona

no es sino la ionización y exitación molecular del gas circun-

dante al conductor sometido a un elevado campo eléctrico.

Como consecuencia de esto, se genera una corriente de corona

de emisión total que se compone a su vez de los valores medios

de 2 tipos de corriente: a) la corriente de corona de emisión

propiamente dicha y, b) la corriente de corona de conducción

a tierra.

Estas corrientes son valores medios de todos los puntos de la

línea de transmisión, es decir:

leT = lem + Itm (1.2)

lem = ( 1- leí )/n ,, ,,

Itm = ( ¿ iti ) /n Q 4

donde: leT : Corriente de corona de emisión totallem : Valor medio de la corriente de" corona de

emisión propiamente dicha.

Itm : Valor medio de la corriente de corona de

conducción a tierra.

- 14 -

Una de las formas para detectar la leT es-mediante una antena.

La I de antena registra un porcentaje de lem + Itm, ademas to-

ma en cuenta la conductividad de la atmosfera y ruido ambien -

tal, y su sensibilidad dependerá de la posición de la antena

respecto a la línea de transmisión.

Una manera de investigar el efecto corona es creando'las condi

ciones para reproducir los fenómenos que suceden en líneas detransmisión reales.

La primera medida es realizar los arreglos de instrumentos y

aparatos disponibles en un laboratorio destinado al efecto.

Para el caso que nos ocupa, se utilizan 3 arreglos: punta-ma-

lia, punta-placa, y cilindro coaxial. En los dos primeros

se estudia, cuantifica e identifica los diferentes modos de

corona, en el tercero se relacionan los fenómenos que se su -

ce¿en en una línea de transmisión real, con los primeros que

sirven de referencia básica.

Además, en cualquiera de los 3 arreglos mencionados, se tra-

tará estrictamente con la corriente de conducción a tierra,

pues existen muchos factores que influyen en la calidad de

la recepción de la corriente de emisión, siendo un factor

determinante la falta de disponibilidad de equipos al momen-

to de realizar el presente trabajo, lo que impidió realizar

el estudio con dicha corriente.

Por la misma razón no se considera la radiación de luz ema-

nada desde el punto de corona en ninguno de los tres arre -

glos, aunque según trabajos realizados ( 5 ) es una buenaforma de cuantificación del efecto corona.

- 15 -

Por otro lado, debe aclararse que la I de conducción a tierra

cuantificada pertenece al régimen pulsátil en cualquier modo

de corona positiva, negativa o en AC; para lo cual se utilizan

filtros pasivos, activos y etapas amplificadoras cuando estos

pulsos son miy débiles.

El Método empleado en el presente trabajo es sencillo, demos -

trándose posteriormente que también es confiable y puede serutilizado en equipo instalado sin interrumpir.su servicio,

Además este método puede hacérselo extensivo para el análisis

de fenómeno similares, como el de descargas internas en aisla-

dores, por ejemplo.

1.3.2 Limitaciones

Las limitaciones en el presente trabajo las presentan principal-

mente la resolución o capacidad de los equipos utilizados. Así

por ejemplo, el modulo contador de eventos 7.1)15, no responde a

señales que superen los 10° eventos/segundo o tengan una ampli-

tud inferior a 100 mV, cosa que sucede en cierta región de la

corona negativa.

En forma similar, el integrador construido, frente a pulsos

esporádicos muy rápidos (t cola 10yuseg) que tienen una mayor

amplitud que el resto del tren de pulsos que arriba al integra-

dor, no responde con la rapidez necesaria, y estos picos deenergía no son cuantificados. Esto ocurre generalmente en

corona positiva. (Ver fig. 1.6).

- 16 -

FIG.1.6 Tren de pulsos de corona positiva, indicando lospicos no integrados.

- 17 -

C A P I T U L O II

2. MEDICIONES EXPERIMENTALES

2.1. ARREGLOS DE LOS GENERADORES DE CORONA

2.1.1 Sistema Punta-Malla

Un arreglo punta-malla fue usado como una primera fuente de co-

rona. Consiste de un tubo aislante de PVC en cuyo interior se

colocaron tres discos de acrílico, que soportan axialmente un

cable desde la fuente de alimentación.

Esta fuente tiene un rango entre 0-10 XV en DC positiva o nega-

tiva de alta estabilidad y prácticamente libre de rizado. El

cable coaxial tiene en su extremo un terminal de cobre y en su

punta una aguja de acero, cuyo diámetro de curvatura es de

0.268 mm.

La aguja y su cable soporte pueden moverse longitudinalmente

variando de esta forma la distancia del gap punta-malla. De •

la malla y mediante otro cable coaxial se obtiene la señal

de corriente para el respectivo análisis, como se indica en

la fig. 2.1.

Fuente DC

100 K

Fig. 2.1 Arreglo punta-malla para generar corona

2.1.2

- 18 -

Entre la fuente de voltaje y el arreglo antes descrito, fue

necesario colocar una resistencia de IM/x ; 100 watts, a

10 KV para limitar las posibles corrientes de disrupción en-

tre punta-malla en caso de producirse.

Detalles de todo lo descrito y las características del equi-

po se indican en el apéndice I.

Sistema PUNTA-PLACA

En esencia se utilizó el arreglo existente en el labórate -

rio de Alto Voltaje, modificándose lo concerniente a la punta

pues se deseaba colocar varios electrodos de diferentes forma

y radio de curvatura como se indica en el fig. 2.2

N°4$= 5

Fig. 2.2.- Electrodos puntuales para generar corona

El objetivo de estas puntas es tratar de obtener los diferen-

tes regímenes de corona tanto para DC positiva y negativa co-

mo para AC, Mayores detalles de este arreglo se indican en

el apéndice II.

Se adopta una distancia entre punta-placa de 60 mm debido a dosrazones: primero porque permite obtener varias etapas de la co-rona en estudio, descritas en los literales 1.2.3 y 1.2.4 delcap. I y segundo por relacionar este arreglo con el coaxial,el cual tiene un diámetro de 60 cm.

- 19 -

Para DC en ambas polaridades se utilizo un circuito como el

que se indica en la fig. 2.3. El voltaje se .mide en el

lado de alta y la corriente en la conexión a tierra del mo-

delo. La polaridad positiva o negativa con respecto a tierra

se obtiene con un rectificador de Selenio de 140 KV-5 mA,

arreglado en onda completa y utilizando además doble conden-

sador para disminuir al máximo el rizado de la onda rectifi-

cada.

Cs CsRM r —1

GC

Cs 6000 pF

RM 140 M

GC Generador de corona

!OOK>

Fig.- 2.3.- Circuito en corriente continua comofuente para generador punta-placa.

El factor de rizado para el arreglo de la fig. 2.3 es el

siguiente:

f r =

fr =

1

4 xl/? x f x KM x CSeq

1

4 xl/]T x 60 x 140 x 106 x 12 x Itf9

fr = 1.43 x 10

- 20 -

Como fuente de corriente alterna se utilizó un circuito como

el de la fig. 2.4

100 pFGC

GC Generador de corona

100 K ?

Fig. 2.4-Circuito en AC como fuente para generado^ PUNTA-PLACA

2.2 CUANT1FICACION DE CORONA POR EL NUMERO DE PULSOS

2.2.1 Comentarios generales

El sistema consiste en general de una sola compuerta o umbral

el que una vez superado, registra el pulso o evento. Esta

compuerta tiene 3 niveles de sensibilidad o disparo y lo hace

siempre que el pulso de señal de entrada sea mayor gue ese

nivel, pudiéndose contar hasta 10° eventos/segundo.

Entre sus limitaciones se menciona el que si los pulsos de

entrada son muy distorsionados como un tipo sierra caracte -rístico de los regímenes de canales, el contador se puede

disparar varias veces, contando por lo tanto varios pulsos,

siendo uno solo el que en realidad apareció. Cuando existe

más de una fuente de corona, con pulsos simultáneos o casisimultáneos, el contador puede omitir contar algunos de

ellos.

Y.

- 21 -

Fig. 2.5.- Pulso tipo sierra característico

Por otro lado, las microdescargas de corona, siendo como sonun fenómeno completamente aleatorio, y considerando que si

bien un;tren de pulsos puede tener una amplitud casi constan-te, su frecuencia de "repetición en cambio, se vuelve muy varia-

da, fluctuando para el mismo nivel de voltaje entre decenasy centenas de pulsos/segundo, excepción hecha del régimen de

Trichel.

Se ve por tanto la necesidad de adoptar mecanismos de ajusteestadístico.

Luego de analizar algunos grupos de datos, se noto que su com-

portamiento podía encasillarse en una "desviación típica",pues la dispersión de los datos alrededor de un valor medio,

así lo ameritaban, conforme se aprecia en la tabla 2.1.

Además, conforme se ha determinado, se vio que tenía unadistribución normal, pudiéndose aplicar una de las propieda-

des de la desviación típica en la que el 68.27% de los datosmuéstrales, están comprendidos entre X + S y X - S, (21)como se observa en la fig. 2.6.

- 22 -

TABLA 2.1 EJEMPLO DE SET DE LECTURAS Y CALCULO DE VALORES MEDIOS

Y DESVIACIÓN TÍPICA PARA AC, ARREGLO 2, PUNTA No. 4,

d - 60 mm

Xi

XIX2X3X4X5X6X7X8X9X10XllX12X13X14X15X16X17X18X19X20X21X22X23X24X25X26X27X28X29X30X31X32X33X34X35X36X37X3SX39X40

-

X__

—

12.5 KV

54415050534851485154524754475146554849485147505352484851475150514750444951565251

X = 50S = 3

CALCULO DEL VALOR

X1+X2+X3+ . . ,

¿m

15 KV

123112114117116123119115119112114118117118113115118122119116118121119116124125121124123188124123188124118121115120115111

X = 118S = 4

MEDIO

- -X40 (2.2)V, — J

18 I(V

126129126120121125125123124122121120120121121120121120120120120120121120121121120120120120120120120132125127131125134122

X =120S =2.5

o

20KV

204190183181155165185186167180173162162165166161142148190188183185800194192184190188186183179172172197190194189190185182

1=180S = 13

- CALCULO1 Ar\ jíi-1

, CXjJ\

22KV

239235239236238237238238240239238237237235237234238241234237240239235236235233242233239240238232236233239232240238239235

X- 237S= 2.5

23KV

273265269270263271276269277268263266267255264265234260264267271268262265283268269270265265259264263265264261269279272273

35= 268S= 7.8

DE LA DESVIACIÓN TÍPICAi

-x)2/* 0 -7 V

40

- 23 -

x-s x+s

Fig. 2.6.- Curva normal de distribución

Existen pocos casos que se salen de la distribución normal,

siendo éstos generalmente al inicio o al fin de un régimen

de corona, que por ser valores menos representativos, no se

justifica implementar otra clase de ajustes o correccionesestadísticos.

En el transcurso de las mediciones se tomaron 40 lecturas

para cada nivel de voltaje, número que se considero adecua-

do para obtener los valores medios representativos, y esto

se lo hizo para los 3 arreglos y 3 tipos de corona en DC

positivo, negativo, en AC y bajo condiciones de lluvia si -

mulada, debiéndose procesar aproximadamente 6.400 datos.

Las figs. 2.7 y 2.9 que se presentan a continuación, son de

valores medios, dibujándose ademas su desviación típica en

los puntos donde la escala logarítmica permitía hacerlo,

representando así la fluctuación de los datos alrededor de

ese punto.

- 24 -

2.2-v2 .Contador digital

Uno de los módulos del osciloscopio Tektronix 7633 es el conta-

dor 7D15 "225 Miz Universal Counter/timer'', cuyas caracterís -ticas eléctricas generales son las siguientes (24) :

MDDO DE MEDICIÓN

- Modo de frecuencia:

- Modo de período:

- Modo de intervalo de tiempo

- Relación de frecuencia

CHE/EXT CLOCK:

ALCANCE

Rango

Resolución

Rango

ResoluciónRango

Resolución

Rango

Total CHB

De a 225 MHz

0.1 Hz (mín)

10 nseg a 10

10 pseg6 nseg a 105

0.1 nseg

-7 410 a 10

5seg

seg

O a 10 eventos

El 7D15 en el modo "eventos", acepta información solamente a laentrada del canal B3 y tiene en su amplificador de disparo 3 ni-

veles de sensibilidad: 0.1 V, IV, 10V, con pendiente positiva

negativa o cero. Además puede cuantificar los eventos cada seg,

cada 10 mseg o cada 10 seg3 adoptándose la primera medida porcuanto no se supera la frecuencia máxima del contador/ permitien-

do''todavía un aceptable registro de los pulsos de corriente que

se suceden en este intervalo.

- 25 -

2.2.3 Análisis de resultados y observaciones para punta-malla

Como se indica en la fig. 2.7 o en la tabla 2.2, para este arre-

glo y en corona negativa, se aprecia que justamente para el ni -

vel de voltaje en que se produce Trichel en forma estable (aproxi-

madamente a los 3.400 \0, la desviación registra el menor valor

de todo el set de lecturas. Esto era lo esperado, pues en este

régimen la frecuencia y amplitud de los pulsos es casi constante

y frente a 40 lecturas con una rata de repetición de 2.500 pulsosfeeg

el valor de la desviación es excelente, siendo su curva muy estre-

cha en el eje vertical.

Posteriormente se observa que conforme aumenta el número de pul-

sos, la desviación también crece paulatinamente, existiendo

una transición a los 4.200 V, debido probablemente a los proce -

sos de recuperación-inhibición de la carga espacial.

Algunos observadores ( 7 ) presentan rangos de variación del

régimen de Trichel en cuanto a su frecuencia de repetición y es-

timan que puede hallarse entre 10 a 100 KHz. Al respecto y se -gun los datos obtenidos y observaciones realizadas, se puede

afirmar que en el presente caso, el régimen de Trichel varía

entre 1 a 11 KHz, pues como se puede apreciar en la fig. 2.8,

más allá de este rango la señal está ya fuera del régimen de

Trichel.

pulsosseg

I04

I02|0?

10 |OÍ

d = 3 5 m m.

d= 30 mrn.

3.0 3.5 4.0IB""1 i *; ; 1 1?"4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 70 KV

2.7 . - Número de pulsos de corona en función del voltajeaplicado, para el arreglo punta-mallaEscala externa DC positivoEscala interna DC negativo

- 26- -

Fig. 2.8.- Corona negativa a 6.5 KV DC (-), arreglo punta-mallad = 35 mm (gap) R= 100 K.TL

KV 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 5.0 5.5 6.0 6.5 !¡; i

X 1378 2560 3033 3444 5090 5957 7133 8500 .11446 13082 15891 21138

S 12 26 67 120 49 30 37 96 90 78 780

Tabla 2.2.- Valores medios y desviación típica para DC negativoarreglo (1) ? d = 35 mm.

En cuanto a corona positiva, el número de pulsos/seg decrece notablemente

como se observa en la fig. 2.7 y tabla 2.3, así el máximo valor para coro-na negativa es de 21.000 pulsos/seg a 6.5 KV, mientras que para, corona

positiva apenas se registran 200 pulsos/seg a 3.4 KV.

Esto concuerda con observaciones realizadas por varios investigadores(7, 19 ) quienes enmarcan este régimen entre O a 1000 pulsos/seg.

- 27 -

El rápido, crecimiento y decrecimiento de la frecuencia pulsátil

en un pequeño rango de voltaje, para luego ingresar en el régi-

men de corona no pulsátil luminiscente, se puede justificar dela siguiente manera. A medida que se va aumentando el nivel

de voltaje en el gap, se van creando las condiciones de campo

apropiadas para que se genere una simple avalancha electrónica

que en un corto tiempo alcanza su mayor intensidad, para luego

y debido a la carga espacial iónica positiva que dejan atrás.,

inhibir la formación de nuevos canales hasta que se -disipan 10

V

"X "

s

3380

8

2

3400

54

12

3440

144

15

3480

203

24

3500

135

11

3540

53

7

3600

7

2

Tabla 2.3.- Valores medios y desviación típica para DC posi-tivo arreglo (1), d = 30 mm

Por otro lado cuando cualquier tipo de corona se encuentra en

un régimen pulsátil, básicamente involucra un estado de ioni-

zación.

Se dan casos en que existe conjuntamente el régimen pulsátil

luminiscente (régimen de canales positivos o negativos), esto

es, coexisten el estado de ionización, con el de excitación

molecular. Ambos involucran pérdidas de energía. El punto de

transición entre corona pulsátil a corona en régimen luminiscen-

te ha dado lugar a varias teorías que han tratado de explicar

esta transición.

Una de ellas ( 20) considerada como bastante completa y verifi-

cada, respecto a corona positiva, menciona que para voltajes

bajos, las primeras avalanchas formadas, tratan de atravezar

el gap, pero terminan formando un plasma de electrones y iones

positivos (muchos más electrones que iones).

- 28 -

Los electrones son rápidamente absorvidos por el ánodo., mien-tras que la carga espacial positiva se dirige al cátodo. En

esta separación algunos, pero no la mayoría, se pierden porrecombinaciones disociativas.

Además, entre la nube de iones positivos y el ánodo, se ha

creado una nube de iones negativos moviéndose suavemente.Estos iones no arrojan sus electrones hasta que se encuentran

muy cerca al ánodo, que se constituye en una región de campo

muy baja. La interacción entre las nubes de iones positivos

y negativos, causará la expansión de la nube de iones negati-vos . La forma de los equipontenciales creados por la caída

del campo, acrecenta el desarrollo de la nube de iones nega -tivos y cubre la superficie del ánodo con un manguito lumi -

nis cente.

De las observaciones realizadas en el presente trabajo, encorona positiva, se puede afirmar que no necesariamente se

pasa del régimen estallidos de pulsos a un luminiscente, puesesto solamente se verifica para electrodos de un buen radio

de curvatura (en este caso 2.5 mm) mientras que para los otrosse pasa directamente del régimen "canales positivos" al re -

gimen "luminiscente no pulsátil" como sucedió en el arreglopunta-malla.

2.2.4 Análisis de resultados y observaciones para punta-placa

Para este arreglo y conforme se aprecia en las fig. 2.9 y

2.10, y en las tablas 2.4 y 2.5, para cualquier régimende corona positiva o negativa .a medida que se acerca a un

mínimo numero de pulsos, la desviación de ese grupo de da-tos aumenta, pues se ingresa en un período inestable o de

transición, cubriendo en forma rápida la frecuencia de re-petición de estos pulsos un amplio margen.

pulsosseg_

10?

200_

Punta N° IPunía N° 2Punía N° 3Punía N° 4

0».

KVÍO 14 18 26 34

Fig. 2.9.- Número de pulsos/seg en función del voltaje aplicadopara el arreglo PUNTA-PLACA, DC NEGATIVO, y diferen-tes formas de puntas, d = 60 mm

pulsosseg

10!

10?

IO-

PuntQ !N° IPunía jPunta |i° 3Punta

10 14 18 26 30 KV

Fig. 2.10.- Numero de pulsos de corona en función del voltajeaplicado para el arreglo PUNTA-FLACA, DC positivoy diferentes formas de puntas} d ~ 60 mm

- 29 -

De la figura 2.9 se puede deducir que los electrodos usados

en el presente experimento y que tienen menor radio de cur-

vatura, alcanzan un mayor valor máximo en número de pulsos

por segundo; así por ejemplo el electrodo punta No.2 regis-

tra en su cúspide 40.000 pulsos/segundo para 15 KV, que so-

brepasa en mucho al electrodo No.l que alcanza un máximo

de 9.000 pulsos/segundo a los 35 KV.

P U N T A No.l

KV

X

S

KV

X

S

KV

"\•JV

S

KV

X

S

25

593

82

10

5961

237

13

10719

754

20

1100

115

27

3976

119

P 1

13

19768

1220

P U

15

36874

2121

P U

22

3020

185

30

7688

230

J N T A

15

39860

3100

N T A

20

8924

804

N T A

26

7043

285

35

9398

445

No. 2

20 25

14070 3510

2550 187

No. 3

25

1415

118

No. 4

30

5220

234

TOBIA 2.4.- Valores nidios y desviación típica para DC

negativo, arreglo Punta - Placa (2) , d =

60 mm.

- 30 -

Es notable además que se siga manteniendo el que la frecuencia

de repetición 'de pulsos para corona negativa como se observa

en la figura 2.9, sea mayor que para corona positiva, fig. 2.10.

Esta observación seguirá cumpliéndose a lo largo de todo el tra-

bajo.

En la fig. 2.10 también se puede observar que el electrodo que

tiene menor rango en voltaje de régimen pulsátil, es el No.4 y

esto se debe a que ingresa directamente en el régimen "canales

intermitentes", con la particularidad de que adquiere una fre-

cuencia de repetición casi constante, lo mismo que su amplitud

como se puede apreciar en la fig. 2.11. Esto concuerda además

con su baja desviación según consta en la tabla 2.5.

Fig. 2.11 Régimen de canales intermitentes a 30 KV LC positivoarreglo (2) , punta No.4, R=100 K.TL, d « 60 mm.

.- 31 -

P U N T A No.l

KV

X

s

KV

X

S

KV

"X

s

KV

X

S

25

54

12

12

1705

6

13

2454

10

21

1196.

13

26 28

91 177

13 17

P U N T A No . 2

13 15

1223 59

40 7

P U N T A No. 3

15 17 20 25 27 30

1854 820 154 255 546 910

9 22 50 19 10 12

P U N T A No . 4

23 25 27

774 713 729

6 28 2

TABLA 2.5 . - Valores medios y desviación típica para DC posi-tivo. Arreglo C2)¡ d = 60 mm

En cuanto a corona en corriente alterna, como sus pulsos se pre-sentan generalmente en el semiciclo positivo, la frecuencia derepetición se asemeja obviamente a corona positiva, pues el máxi-

m o número de pulsos es aproximadamente 200, como consta en la fi-gura 2.12 y tabla 2 . 6 V .

pulsosseg

I03

io2

10-

Punta N° 1Punta N° 2

Punta N° 3Punta N°4

10 12 14 16 18 2O 22 24 26 28 KV

FIG. 2.12.- Número de pulsos de corona en función del voltajealterno aplicado y diferentes formas de puntas,arreglo PUNTA-FLACA, d = 60 mm.

32 -

P U N T A No. 1

KV

X

S

KV

X

S

KV

X

S

KV

X

S

16

51

4

19

71

3

10

50

3

12

50

3

17.5

18

3.6

P U N T A

20

118

7

P U N T A

13

54

5

P U N T A

15

118

4

-

N o. 2

23 24

172 178

15 18

No. 3

15 18 20 22

91 128 152 198

6 4 5 6

No. 4

18 20 23

120 180 268

2 .5 13 8

TABLA. 2.6.- VALORES MEDIOS Y DESVIACIÓN TÍPICA PARA CORRIEN-TE ALTERNA. ARREGLO (2) , d = 60 ram.

- 33 -

2.3 CÜANTIFICACION DE CORONA POR SU ESPECTRO DE FRECUENCIA

2.3.1 Comentarios generales

Como otra alternativa para cuantificar la corriente pulsátil

de corona, se probo lo relacionado a su espectro de frecuen-

cia.

El espectro de frecuencia se relaciona directamente con la

variación del nivel de radio interferencia (7). El sonido o

ruido de corona en una línea de transmisión real, es produ -

cido por la corriente de alta frecuencia circulando por los

conductores. Esta corriente resulta de la sumatoria sobre

algunos Km, de los pulsos producidos por las diferentes, des-

cargas; su formación se afirma que es relativamente indepen-diente de la forma y número de pulsos y del diámetro del

conductor.

En el rango de las frecuencias comerciales de radio,, las

descargas positivas tienen un efecto preponderante. La atenua-

ción por propagación crece con la frecuencia. Este efecto mo -

difica el espectro pulsátil por reducción del nivel de sonido

con incremento en la frecuencia.

En nuestro caso, el análisis que se desarrolla es en base a la

"corriente de conducción a tierra", mas no de las "ondas elec-

tromagnéticas o sonido" emitido desde la línea de transmisión,que son los valores normalmente registrados.

Para realizar las mediciones pertinentes, se utilizó el anali-

zador de espectros modelo 8553B de la HP, con una respuestade frecuencia entre O a 100 MHz.

- 34 -

La referencia fue colocada en O db, lo mismo que la atenuación

con el fin de analizar a la señal sin alteraciones. Las carac-

terísticas del analizador se presentan en el apéndice VI.

2.3.2 Análisis de resultados

Como se puede observar en las figs. 2.13, 2.143 y 2.15 no exis-

te un patrón de comportamiento claro y definido para el espec -

tro de frecuencia de la corriente de corona de las diferentes

puntas.

Tampoco fue posible obtener una información adecuada a un mis-

mo nivel de voltaje en el gap, pues los electrodos puntuales

y arreglos, tienen rangos de voltaje aplicado en los que el

espectro producido por los pulsos de corriente, barren prácti-

camente todo el ancho de banda del analizador (O a 100 Miz),

con señales que son variables en amplitud y frecuencia, porlo que es imposible medirlas.

Se investigó el comportamiento en el arreglo coaxial, obte -

niéndose señales muy parecidas a las anteriores, como se indi-

ca en las figuras 2.16 y 2.17.

Fig. 2.16.- Espectro de frecuencia en AC a los 45 KV,arreglo coaxial, punta ÍJo.l, d = 30 cm /

• • •' ' <\

db

-40_

-50_

-60_

-70_

3.5 KV7.0 KV

O ¿O 40 60 80 ¡00 MHz

Fig. 2 , 1 3 Espectro de frecuencia para DC negativo. Arreglo ( i ) ;d= 35 mm.

db

-40-

-50-

-60 _

-70_,

O

N° I 25 KVN°3 15 KV • N ° 4 25 KVN ° 2 4 0 K V

20 40 60 80 100 MHz

Fig. 2 . 1 4 Espectro de frecuencia para DC negativo. Arreglo (2) ;d= 60 mm.

db

-40-

-50-

-60_

-70-

O

Fig,

2'0 40 60

N°4 21 KVN°2 y N°3 13 KV

80 IOO MHz

2 . 1 5 Espectro de frecuencia para DC positivo. Arreglo ( 2 ) ;d= 60 mm.

! : Punta malla2 : Punta placa

- 35 -

Existe un. ruido blanco o ambiantal que se encuentra en los- 75 db, sobre el cual aparecen todas las señales de fre -

cuencía. El pulso lateral que alcanza los - 13 db es unaseñal interna del analizador.

La figura 2.17 aunque no está mu/ bien lograda, muestra un

espectro de frecuencia típico bajo condiciones de lluvia

intensa (180 gotas /min) ? y por la rapidez de los pulsos,

no se aprecian algunas señales muy intensas que alcanzanlos - 20 db.

Como una conclusión importante se puede afirmar, que para

polaridad positiva el perfil del espectro alcanza una ma-yor amplitud que con polaridad negativa; guardando la

misma relación en cuanto al radio de curvatura del elec -trodo puntual, pues para mayores radios de curvatura ,

intensa es la señal.

20 40 60 100

Fig. 2.17.- Espectro de frecuencia para DC positivo alos 30 KV, arreglo coaxial, 180 gotas/min,d = 30 cm. ,

• • • / *

- 36 -

2.4 CUANTIFICACION DE QORQNA POR INTEGRACIÓN DE CORRIENTE PULSÁTIL

2.4.1 Descripción del método, justificación, alcance

Cualquier método de integración por definición, evalúa el área

bajo una curva entre dos límites. Por tanto la señal a ser

integrada, mientras no sea simétrica (seno, coseno), puede ser

de cualquier tipo: periódica o no, de amplitud constante o

variable, es decir todo depende de los parámetros del circui-

to integrador, para que responda a tal o cual requerimiento.

La cuantificación de corona por conteo de pulsos, puede dar

resultados similares (sin importar la polaridad) a pesar de

que energéticamente cada régimen es diferente, conforme se de -

muestra en el trabajo. Aún un método tan sofisticado como

conteo de fotones puede dar este mismo error. De allí la im-

portancia del método de integración que obvia estas dificul -

tades.

Este circuito será explicado en detalle en el siguiente lite-

ral; hasta tanto se puede comentar que el arreglo punta-malla

fue inmejorable para conseguir el régimen de Tri chel, como se

indica en la figura 2.18, tanto por la pureza de la fuente co-

mo por su rango de variación en pasos de 1 KV hasta de 0.1 V.

Este régimen se obtuvo utilizando una fuente de luz ultravio -

leta colocada frontalmente, a 20 cm de la malla, la misma que

ayudaba a mantener estable el régimen Trichel conseguido con

un gap de 35 mm a 3460 V en DC negativo.

- 37 -

Fig. 2.18.- Régimen de Tridiel a 3460 V, DC negativoarreglo 1, d = 35 mm, R = 100 KJT

El siguiente régimen pulsátil que es de "canales negativos"

se consiguió con el arreglo punta-placa y el electrodo No.4

para un gap de 60 mm.

Con el arreglo punta-malla y polaridad positiva, fue difi-

cultoso conseguir los regímenes de corona positiva, descri-

tos en el literal 1.2.3, lográndose únicamente "canales

positivos", como se observa en la fig. 2.19.

- 38 -

Fig. 2'-19.-r Régimen canales positivos a 3400 V3DC positivo, arreglo 1, (1=30, R=100 K

En cambio, con el arreglo punta-placa se logra cuantificar

"canales intermitentes", como se puede apreciar en la fig.

2.20, mientras que on otra punta y a otro nivel de voltaje

se consigue "estallidos de pulsos" como se indica en la fig.

2.21. Si bien la forma de los pulsos que se observan en es-ta figura no dan una idea clara de este modo de corona, su

aperiodicidad, su amplitud y la apariencia física visual

de la corona, permiten afirmar que se trata de estallidos

de pulsos, pues se observan fuertes chorros de alectronesque esporádicamente son lanzados desde el electrodo punta

positivo.

- 39 -

Fig. 2.20.- Régimen canales intermitentes a 30 KV"DC positivo, arreglo 2. punta No. 3, d=30 mm,R « 100 KJ-L

2.4.2 Integrador de corriente Pulsátil de corona

Debido a que las señales de corriente de corona de los 2 arre-

glos en estudio, alcanzan los microamperios con pulsos suma -

mente rápidos3 se vio la necesidad de amplificarlos en dos

etapas, para tener una señal que sea capaz de superar la míni-

ma sensibilidad del contador (100 mV) y sea notable la inte -

gración. Además por ser señales de alta frecuencia [10-30 KHz) ,

se hizo imprescindible evitar los ruidos eléctricos, conexio -

nes a tierra en lazos y la reflexión de la señal, toda.vez que

en los circuitos de análisis se comportan como ondas viajeras.

- 40 -

Fig. 2.21.- Régimen estallidos de pulsos a 31 KV, DCpositivo, arreglo 2, punta No.4, d = 60 mm3R = 100 R.

El punto más crítico para evitar el primero de estos proble-

mas, está entre el circuito integrador (armado sobre un

protboard experimental) y el osciloscopio de análisis; por

lo que se utilizo una punta de prueba, cuyas características

se indican en el apéndice VI. Esta punta debió ser compen -

sada debidamente con la señal de calibración del oscilesco -

P i°-

- 41 -

Con la finalidad de realizar al mismo tiempo la integración y

el conteo de pulsos de corriente, evitando el problema de re -

flexiones, llevando por tanto en forma paralela estas dos infor

naciones; se diseñó una impedancia de acoplamiento, la misma -

que debía transmitir la mayor parte de la señal hacia el cir -

cuito integrador, y un minino porcentaje hacia el módulo conta

dor.

Luego según el análisis matemático y la respectiva calibración

de la inpedancia presentados en el apéndice II, se concluye -

que la señal de integración se ve afectada por un factor de -

1.063, siendo el circuito al que se llega, el que .se muestra en

la figura 2.22.

Cuando la señal de corriente de corona, proviene del arreglo 2

en el que se utiliza una fuente de AC, los pulsos en estudio -

se disparan generalmente en la cresta del semiciclo positivo ,

por lo que es necesario eliminar el rizado mediante un filtro

pasa - alto activo de primer orden. El diseño completo del -

circuito integrador se indica en la fig. 2.23, los detalles de

cálculo y de calibración se indican en el apéndice III.

o

100

Fig. 2.22.- Diagrama de impedancia de acoplameinto.

- 42 -

Fig. 2.23.- Circuito integrador.

La fase A del circuito, según la figura 2.23, corresponde al

filtro pasa-alto activo de primer orden realizado con el ope-

racional TCG 941D, de usos múltiples, cuya respuesta de fre -

cuencia (O - 100 MHz), satisface los requerimientos de pre -

servad án de la forma de los pulsos de corona. La resisten -

cia variable de 10 K debe encontrarse girada contra las mane-

cillas del reloj (ccw) y es la encargada de regular la cali -

dad de la filtación; este filtro tiene una ganancia Av = l.

La fase B corresponde a una etapa de doble amplificación; la

primera tiene una ganancia Av = 66 y la segunda Av = 4. Como

se utilizan las entradas inversoras, es necesaria la segundaetapa para mantener la señal con su pendiente correcta.

- 43 -

La fase C es el integrador. Previamente tiene un capacitor depaso, una resistencia variable que fija la tensión del diodo,

y un diodo que evita la descarga del capacitor de 10 F en elque se almacena la carga promedio.

Cuando se utiliza el arreglo 2 en AC, la señal entra desde la

fase A; mientras que en DC para cualquiera de los arreglos, laseñal entra a la fase B.

El capacitor de 10 P a medida que llegan los pulsos de corrien-

te, aumenta su voltaje de referencia hasta que la amplitud delos mismos se iguala o es menor en forma proporcional, al valor

de voltaje alcanzado por el capacitor , Consecuentemente se pue-de utilizar las siguientes relaciones:

R

—o Vo Vo = i i(t) dt (2.3)t~i v

i 00== C Vo =

CVo = - \ dt

= aC

Se considera la corriente constante, pues^el capacitor no se

carga hasta un nivel extremo para un solo pulso, sino para untren de pulsos de amplitud promedio constante, por lo que sucarga también es promedio.

La calibración del circuito integrador, como se menciono an-teriormente, se indica en el apéndice I, y allí se deduceque la señal a integrarse se ve afectada por un factor de0.1089 que compensa pequeñas pérdidas que se presentan por

la respuesta misma del circuito.

- 44 -

2.4.3 Análisis de resultados y observaciones para Punta - Malla

Como se desprende de la fig. 2.24 en corona negativa se puede

conseguir un amplio rango de corona pulsátil/ dentro del cual

está el régimen de Trichel. La curva de carga se estabiliza

un poco justamente en el nivel de voltaje donde se manifiesta

más estable el régimen de Triche cuya carga promedio es . -

1.95 C.

En la misma figura se observa corona pulsátil desde los 2.9-

KV/ hasta los 4.2 KV aproximadamente/ para luego entrar al re

gimen de corona luminiscente y pulsátil hasta los 6.9 KV/ pu-

diéndose hablar de régimen de Irichel hasta los 5.5 KV.

En cuanto a "corona positiva/ como se mencionó en el literal -

2.2.1/ los resultados fueron muy pobres, notándose una depen-

dencia directa en cuanto al radio de curvatura del electrodo

puntual; pues a medida gue aquel aumenta/ se hacen más noto -

rios los regímenes de corona positiva/ no así para corona ne-

gativa la cual en régimen de Trichel exige un radio de curva-

tura muvho menor gue para los otros regímenes.

De acuerdo al rango de voltaje, a la amplitud y frecuencia de

los pulsos y a su apariencia física externa conforme se expli_

có en el literal 1.2.3, del capítulo I, se presume gue lo ob-

servado para el arreglo I/ corresponde a "canales positivos".

Cada pulso positivo libera mucho más iones gue un pulso Tri -

chel pero la rata de repetición es notablemente menor.

2.0- .5.

, C

oron

o N

egat

iva

' d=

35

mm

.^%

3fc

Qrn

^

2.9

3.7

4.5

4*9

5!3

5.7

6.1

6.5

6.9

K

V

FIG. 2.24.-

Variación de carga promedio en función del voltaje aplicado para arreglo

PUNTA-MALLA, en corona positiva y negativa.

- 45 -

Fig. 2.25.- Régimen "canales positivos" a 3.400 V, DCpositivo, arreglo 1, d=30 mm, R=100 KJX.

Fig. 2.26.- Régimen de Trichel a 3.460 V, DC negativoarreglo 1, d = 35 mm; R = 100 Kru

- 46 - -

Conforme la teoría y como se verá posteriormente, la carga pro-

medio de corona positiva, es mayor que la similar en corona ne-gativa. Para este arreglo no se nota una marcada diferencia,

pues el régimen de canales positivos, era muy inestable y co -

mo todas las fotografías se tomaron en el modo single-sweep

del ORC, no se puede garantizar que el pulso que se indica en

la figura 2.25 sea el más representativo. Como una partícula -

ridad más, se puede anotar que los canales positivos con luz

ultravioleta se inhibían . completamente siendo indiferente su

comportamiento con luz infraroja.

Además, pasado el pequeño rango de corona pulsátil, se ingresa-

ba, en el régimen de corona no pulsátil luminiscente hasta los

7 KV", independiente de la distancia del GAP.

Por otro lado, es interesante notar que, mientras la carga

promedio de corona negativa, a medida que se aumenta el nivel

de voltaje permanece casi constante, (como se observa en lafig. 2.24) su frecuencia pulsátil tiene un comportamiento ex-

ponencial, como se indica en la figura 2.7, literal 2.2.3. Es

decir, existe un incremento muy elevado en número de pulsos/

segundo, pero la energía promedio de éstos es casi constante.

No se puede hacer ninguna comparación en corona positiva, pues

como se menciono, la señal era muy inestable.

2.4.4 Análisis de resultados y observaciones para PUNTA-PLAGA

Como se mencionó anteriormente, en este arreglo se utilizan

cuatro puntas, diferentes en forma y radio de curvatura, que

se las diseño con el proposito de simular lluvia como una

gota de agua sometida a un campo eléctrico homogéneo de dis-

tinta intensidad, como se explicará en detalle en el capítu-

lo III y su respectivo apéndice. Para el arreglo 23 estas

puntas sirvieron para identificar varios regímenes tanto en

corona positiva como negativa.

- 47 -

De acuerdo a la figura 2.27 se puede observar que las puntas

'2 y 3 que guardan una.'cierta similtud, tienen un comporta -miento análogo al arreglo punta-malla, pues según se regis -

tro en'el ORC, ambas puntas los 20 KV aproximadamente, presen-

taban un incipiente régimen de Trichelj con una carga pro -

medio de 2 ¿(C Y un gap de 60 mm.

Las puntas No.l y No.4 de mayor radio de curvatura, se corn -

portan de manera diferente, pues aquí no se logra Trichel,

sino que en un corto rango de variación de voltaje., alcanzan

directamente "canales negativos". La número 1 lo hace a los

25 KV y la No.4 a los 28 KVj obviándose el régimen de "des -

cargas luminiscentes no pulsátiles" que según algunos inves-

tigadores (22) es el segundo y último modo de corona nega -

tiva, después de Trichel.

Fig. 2.29.- Régimen de canales negativos a los 28 KVDC negativo, arreglo 2, punta No.43 d=60mm

R=* 100

5

4

3

\a N° 1

Punía N° 2

Punta N° 3. Punta N°4

10 14 22 30 KV

FIg. 2 . 2 7 . - Varlación de carga promedio enfucrdón del voltaje DC negati-vo aplicado, arreglo PUNTA-PÍACA.

/ve

6_

5_

4_

/\_

_„ Punta N° I._ Punfa N° 2-Punta N°3— Punta N° 4

12 16 20 24 32 KV

FIg. 2.28.- Variación de carga promedio en función delvoltaje aplicado para DC positivo, arregloPUNTA-FLACA.

Visualmente se los puede identificar porque en forma intermi-tente y desde el electrodo puntual negativo, se ven expulsa -dos choraros de fotones que se alejan por lo menos 15 rnm endirección a la placa, como se indicará en la figura.

Además la carga máxima promedio ya es considerable, pues

fluctúa entre 5.5 y 6 yUC. :

En cuanto a corona positiva, los. fenómenos para las cuatropuntas, tienen la particularidad de que casi todas alcanzan

el régimen de "canales intermitentes"; la No.4 en forma di-recta y en un rango de voltaje mayor que la No.l, no así

la No.3 que pasando por el régimen de "canales positivos",luego de una transición estable entre 17 y 20 KV, alcanza

también "canales intermitentes". :

El electrodo No.2 tiene un pequeño rango de "canales positi-vos" para luego ingresar en un amplio período de corona lu -

miniscente no pulsátil hasta los 35 KV, luego del cual enforma súbita pasa del régimen "estallidos de pulsos" a la

disrupción, por lo que no fue posible cuantificarla.

Otro aspecto importante que se desprende de las figuras2.21 y 2.28, es la cantidad de energía disipada como pér-

didas; la carga promedio pico para las diferentes puntasen DC positivo es mayor que en DC negativo, pues si se

aplica la relación para energía almacenada en un capaci-tor:

W = 1/2 Q.V. i (2.4)

Se nota que las pérdidas son directamente proporcionales ala carga promedio.

- 49 -

Se puede anotar además, que no existe una correlación, entre

energía y número de pulsos., en este caso inclusive sucede

todo lo contrario, pues si se observan las figuras 2.9 y 2.10

del literal 2.2.4, con las figuras 2.27 y 2.28 en análisis

se nota que las puntas que generan el mayor número de pulsos

(No.2 y No3) encierran una área promedio menor que aquellos

electrodos que generan un menor número de pulsos (No. 1 y..No. 4) ,

Existe la particularidad sin embargo, que el electrodo punta

No,4, para corona negativa,, conforme crece el número de pul-

sos, crece la energía de disipación de los mismos.

Fig. 2.31.- Aspecto físico de corona en AC a los 24 KV"arreglo 2, punta no.4, d - 60 mm, texp. 30 seg,

- 50 -

Se puede anotar además que la magnitud de los pulsos, para

las diferentes puntas y para la misma polaridad, es mayorpara electrodos de radio de curvatura grandes (No.l y No.4)

que para pequeños (No.2 y No.3); sin existir en cambio una

clara relación para las diferentes polaridades, pues si la

No.4 en DC positivo, es 30% mayor que su similar en negati-

va; la No.l en positiva excede a su homologa en 18% para

p oí ari dad negativa.

Respecto a la variación de carga promedio en función del

voltaje alterno aplicado (fig. 2.30), el comportamiento de

las diferentes puntas es singular, y a pesar de que se ob-

servo que el régimen pulsátil en alterna solo se producía

en el semiciclo positivo, no guarda ninguna relación con

las figuras 2.27 y 2.28 (carga promedio para DC positivo y

negativo), dependiendo " de muchos factores como son: el

radio de curvatura del electrodo punta, distancia del gap,

humedad, temperatura y presión ambientales (que también

afectan a corona positiva o negativa) pueden presentarse

todos los regímenes hasta ahora descritos, como se explicoen el capítulo I, literal 1.2.4, .tornando sus diferencias -

muy dificultosas.

Fig. 2.32.- Disrupción con corriente alterna a los 25 KVArreglo 2, punta No.2, d=60 mm .../.,

Punía N°Punta N°2Punía N°3

Fig. 2.30.- Variación de carga promedio en funcióndel voltaje aplicado para AC, arregloPUNTA-FLACA

La punta No.l en cambio tiene un pequeño régimen de corona pulsá-til, para luego ingresar en uno de :corona no pulsátil luminiscen-

te.

Dentro de las observaciones físicas realizadas,, se pudo notar eldiferente comportamiento de los electrodos puntuales, así por

ejemplo en la figura 2.33 se indica un típico régimen pulsátil-luminiscente en corona ppsitiva, para electrodos de apreciable

radio de curvatura. Es un halo violeta azulado que se observasolamente en la base de la punta.

Fig. 2.33.- Aspecto físico de corona positiva a los30 KV3 arreglo 2, punta No'.l, texp. 4 seg.

Los electrodos No.2 y No.3 tienen un comportamiento similar encorona positiva, al inicio del régimen "canales positivos". Lue-

go del cual, solamente el electrodo No.3 ingresa al régimen "ca-nales intermitentes" y se puede observar algo parecido a la fig.

2.34, pues las emanaciones de fotoelectrones son esporádicasy se las ha captado debido al largo tiempo de exposición (15 seg.)

52 -

Fig. 2.34.- Aspecto físico de corona positiva a los 30 KV,arreglo 2, punta No.3, texp. 15 seg.

El electrodo No.4 tiene un comportamiento muy original para corona

positiva, pues a los 21 KV, que inicia con canales intermitentes,

se forma en su punta un perfecto abanico de luz, como se observa en

la fig. 2.35, para paulatinamente y a medida que se aumenta el vol-

taje en el gap, alargarse como se indica en la fig. 2.36.

Fig. 2.35.- Aspecto físico de corona positiva a los 21 KVarreglo 2S punta No.43 texp. 1 seg.

- 53 -

En cuanto a corona negativa, el electrodo No.l es el que alcanza•el mayor grado de emanación luminosa, pues como se observa en la

figura 2.37, a los 28 KV, existen dos fuentes de corona en la

punta misma del electrodo (que se observan más claramente refle-

jados en el plato que sirve de placa), para posteriormente y un

nivel de voltaje más elevado, quedar un solo punto de corona.

Mientras está en la transición de dos fuentes de corona a uno

solo, la emanación luminosa empieza a rotar en la base de la pun-

ta, indicando una fuerte influencia del electrodo.

Fig. 2.36.- Aspecto físico de corona positiva a los 26 KV"arreglo 23 punta No.4, texp. 1 seg.

Los electrodos No.2 y No.3 presentan un débil punto de luz en

sus puntas, sin ninguna variación notable. El electrodo No.4

en cambio y al igual que el No.l, ingresa directamente en el

régimen "canales negativos", siendo su aspecto visual el que

se indica en la Fig. 2.38.

- 54

Fig. 2.37.- Aspecto físico de corona negativa a los 28 KVarreglo 2, punta No. 1, texp. 1 seg.

Fig. 2.38.- Aspecto físico de corona negativa, a los 26 KVarreglo 23 punta No.4, texp. 1 seg.

- 55 -

El aspecto visual de corona con corriente alterna, es el que se

presenta en las figuras No.2.39, 2:40, 2.41 y 2.42, siendo im -

portante observar la similtud deli.halo luminoso entre las pun -

tas No.l en AC (fig. 2.39) y en DC positiva, figura 2.33

Fig. 2.39.- Aspecto físico de corona en AC a los 23 KV;arreglo 2, d=60jnm, punta No.l, texp. 2 seg.

Fig. 2.40. Aspecto físico de corona en AC a los 23 KVarreglo 2, punta No.2, d = 60 mm^texp. 2 s

- 56 -

Fig. 2.41.» Aspecto físico de corona en AC, a los 23 KVarreglo 2, punta No.3, d = 60 mm,texp. 2 seg.

Fig. 2.42.- Aspecto físico de corona en AC, a.los 23 KVarreglo 2, punta No.4, d - 60 rm, texp. 2 seg.

- 57 -

C A P I T U L O III

3. E JEMPLO DE APLICACIÓN

3.1 CUANTIFICAGION DE CORONA BAJO CONDICIONES DE LLUVIA SIMULADA

3.1.1 Características generales del sistema utilizado

Las características de corona en lluvia simulada., fueron estu-

diadas en un arreglo cilindrico coaxial que mantiene un campo

simétrico uniforme; en cuyo interior está localizado un solo

punto de corona similar al empleado en los estudios realiza -

dos por A. Arainy (19]. El agua destilada que reemplaza al

agua de lluvia, fluye al punto de corona a través de un tubo

plástico. Se utiliza agua destilada para mantener las carac -

terísticas de la misma casi invariables en sus propiedades fí-

sico-químicas durante todo el set de lecturas, lo que no ocurre

con agua d'e lluvia que tiende a descomponerse si se la guarda,

y cambia sus características si se las recoje en días diferen-

tes.

Además, para garantizar que los resultados simularán condiciones

naturales de una línea de transmisión, la velocidad de goteo de

agua en este experimentóle escogió ser más alto que el normal.

Esto fue necesario hacerlo por 2 razones (19); primero: la velo-

cidad de lluvia usual está calculada como un promedio sobre unárea relativamente grande. Al mismo tiempo, la lluvia está es-

parcida en forma natural y por esta razón es que, una área cor-

ta como el punto de corona usado, experimente más lluvia por

unidad'de tiempo, que el promedio de lluvia sobre el resto del

á rea.

- 58

Segundo: Las gotas de lluvia en algunos puntos del conductor

de la línea de transmisión., pueden tener una velocidad de

caída mucho mas grande que el promedio de la velocidad de caí-

da de gotas3 pues un conductor de una línea de transmisión

adopta la forma de una catenaria estando la parte más cóncava

sometida a una mayor formación y caída de gotas de agua, como

se explicó en el cap. I, literal 1.2.6.

El nivel de voltaje aplicado y la velocidad de flujo de agua

fueron los parámetros a ser variados. Además y con el fin de

realizar comparaciones, se hicieron mediciones para la condición

de corona "seca" (electrodo No.l), al mismo tiempo que se va -

rió la forma de los electrodosy para simular distintos estados

de una; gota de agua sometida a diferentes niveles de voltaje.

3.1.2 Arreglo Coaxial

La geometría cilindrica coaxial fue seleccionada (1) debido a

las mejoras realizadas, siendo lo más conveniente para el es-

tudio en laboratorio de la corona en conductores de línea de

transmisión, porque ésta configuración reproduce satisfacto -riamente la intensidad de campo eléctrico en la vecindad de

los conductores de las actuales líneas de transmisión (años

70).

Como se observa en la figura 3.1 la parte exterior de la

geometría está constituida por un cilindro de malla de alam-

bre de 60 cm. de diámetro; el conductor central es un tubo

de aluminio de 20 mm de diámetro,externo.' .El potencial-.dealtó voltaje.., generado con un rectificador de onda completa

para EC positivo y negativo, fue aplicado a la jaula exter-

na 5 mientras que el tubo interior fue puesto a tierra.

- 59 -

Una protuberancia semiesférica está localizada en la mitad del

tubo, y sirve como punto de corona, hallándose conectada a tierraa través de una resistencia de 10 K_a. La corriente de señal se

integra a través de la resistencia, siendo transmitida dicha co -

rriente de corona hacia los instrumentos de medición, a través de

un cable coaxial como se indica en la figura 3.2.

Un recipiente de agua destilada está colocado en un nivel más al-

to que la geometría, como se muestra en la figura 3.1 y fluye al

punto de corona a través de un conducto plástico de 2 mrn de diá -metro interno. La cantidad de agua que fluye, fue controlada por

una válvula de ajuste fino y la velocidad de g'otas de agua fue

medido sin voltaje por el número de gotas de agua/minuto.

Como se explico -en él capítulo I, literal 1.2.6, una gota de agua

sometida a un campo eléctrico, cambia su forma empezando a osci -

lar y expeler pequeñas gotitas conforme se aumenta el voltaje.

reservorio \e agua

destilada VHVf

ciííndro coaxial

na-cia !os:instrumentosde medicio'n

Fig. 3.1.- Arreglo de la geometría cilindrica y re:vorio de agua destilada para simular la°1 "11 n r-i «ü

res er-

lluvia.

- 60

xxxxxxxxxxvxxxxx

•

/xwxxxxxxx v x x XA xx

•• ny^—

\

^— — — """

=^!._ Cab le coaxial

E._ Tubo d* aluminio

3._ P u n t o de corona

4._ Tuerca de fibra aislante

5._ Conducta pla'stico

Fig. 3.2.- Diagrama del punto de corona y su conexión con

el cable.

Con el fin de mantener la forma y las características de una go

ta deformada por un largo período de tiempo, se vio la necesi -

dad de utilizar electrodos que simularan estas formas de puntas

a diferentes voltajes (19). La fig. 3.3 muestra los electro -

dos de acero cromados con su respectiva numeración.

Sobre 1a punta No. 1 se hace gotear el agua a diferentes veloci

dades y en ausencia de este líquido es la denominada corona "se

ca". ios otros tres electrodos (sin agua) , simulan gotas de -

lluvia en tres etapas o formas.

Cebe notarse además, que como estos electrodos están colocados

a tierra/ mientras la jaula cilindrica está energizada; cuando

se aplica voltaje de polaridad positiva, en el electrodo se con

sigue corona negativa y viceversa.

Mayores detalles de diseño y construcción de este arreglo,

indican en el apéndice V.

se

- 61 -

N°2 N°3 N°4

Fig. 3.3.- Electrodos puntuales para simular coronaen lluvia.

3,2 CUANTIFICACION DE CORONA POR EL NUMERO DE PULSOS

3.2.1 Análisis de resultados y observaciones

Por observaciones realizadas durante el e:xperimento y confir-

madas por parte de otros investigadores de corona en lluvia

(19, 17, 13, 23) se puede afirmar que se desarrolla todo un

proceso físico para este tipo de corona, a medida que se va

variando el nivel de voltaje y la velocidad de goteo de agua.

Así por ejemplo, se puede aseverar., que sin voltaje la gota

de agua está sometida a 2 fuerzas: la tensión superficial que la

adhiere al electrodo puntual y la fuerza gravitacional que tra-ta de hacerla caer. Sin embargo cuando el sistema está energi-

zado, actuará una fuerza eléctrica adicional en la gota de

agua. Esta fuerza depende del voltaje aplicado y de la geome -

tría usada; para el sistema coaxial está dirigida hacia abajo

y por lo tanto concuerda con la gravitacional.

- 02 -

.Hay un cambio en la estructura física de la gota cuando es apli-

cado cierto nivel de voltaje. El primer cambio perceptible es

un afinamiento en la punta de cada gota. Con un mayor incremen-

to en el voltaje, la gota se alarga en dirección vertical, y

eventualmente una parte de la gota se rompe^ cnn el consecuente

relajamiento y oscilación del resto de gota. Como una cantidad

adicional de agua arriba al punto de corona desde el reservorio,

el ciclo se repite.

Este proceso repetitivo tiene lugar a un relativamente bajo vol-

taje. Sin embargo, después de que el voltaje es elevado a un

valor crítico, ocurre una relajación no muy larga y la gota per-

manece estirada mientras chisporrotea. Esta situación puede ser

atribuida al balance entre la cantidad de agua saliente de la

gota y la que suple el reservorio.

El tamaño de las gotitas en el "spray" formado a ese nivel devoltaje, es muy pequeña, mientras la velocidad de su formación

es alta. Por esta razón, después de que este estiramiento y es-

tado de emisión es alcanzado, no hay tiempo para que la gota de

agua se relaje y oscile resultando una estructura de forma es-

table, terminando en una punta de forma cónica.

Finalmente, cuando el voltaje aplicado se incrementa mucho más

la fuerza eléctrica alcanza un nivel tal que la gota se ve ex-pelida desde el punto de corona casi inmediatamente de su arri-

bo desde el recipiente.

Las tres etapas de transición son claramente notorias a veloci-dades de goteo altas. Para velocidades de goteo menores, la

transición desde el primero (oscilación) al tercero (expulsión)

o curre directamente sin pasar a través del segundo (equilibrio) ;

esto es debido a la insuficiente cantidad de agua disponible

en el punto de corona.

- 63 -

- Corona positiva

Como se puede apreciar en las figuras 3.4 y 3.5 para corona po_

sitiva existe un rango bien marcado de voltajes de inicio de

corona pulsátil. Se observa un aumento notable de pulsos por

segundo en lluvia, frente a corona "seca" (generada por el e-

lectrcdo N-al, fig. 3.4) . las tres puntas restantes, que simu-

lan lluvia (fig. 3.5) logran superar en número de pulsos al re

gomen de lluvia propiamente dicha {fig. 3.4) .

Memas, la dispersión de lectura en corona "húmeda", es mucho

mayor que las correspondientes en corona seca, generada por

los electrodos como se observa en las tablas 3.1 y 3.2.

Esto se debe probablemente a que la gota de agua, al carrbiar -

su forma continuamente causa cambios en el proceso de relaja -

ción produciendo avalanchas de diferentes carácter!siticas, a

diferentes velocidades de repetición (19).

A pesar de que las puntas simulan con buenos resultados gotas

de lluvia, no se puede identificar claramente a una punta con

ama velocidad de goteo de agua. Sin embargo para corona posi-

tiva se puede adoptar la siguiente relación.

Punta No, 2 representa . .180 gotas min

Punta No. 3 representa 30 gotas min

Punta No. 4 representa 60 gotas min

I03

,o2_

10 _

corona seca (punta N°30 gotas /min60 gotas /rnin120 gotas /min180 gotas/rnin

20 40 50 60 KV

Fig. 3.4.- Numero de pulsos de corona en funcióndel voltaje aplicado para DC positivo}a diferentes intensidades de lluvia.

pulsosseg

10

//

M ltss-ca— Punía N° I corona

— Punta N°2~~| electrodos— Punta N°3 > que simulan— Punfa N° 4 lluvia

20 30 40 50 60 KV

Fig. 3.5.- Ní3mero de pulsos de corona en fun-ción del voltaje aplicado para DCpositivo y diferentes formas de puntas.

- 64 -

La punta No.2 es la única que se identifica plenamente con" la

velocidad de goteo descrita, siendo más notoria esta identi -

f icación en DC negativo y AC. (Ver fig. 3.7 y 3.8; 3.10 y 3.11)

Fig. 3.6.- Corona positiva a los 40 KV, DC positivo,arreglo coaxial, régimen de lluvia 30 gótas/min,R = 10 K-n_ , d = 30on.

Volviendo a la figura 3,4 de corona positiva en lluvia, se pue-

de afirmar que suceden por lo menos 2 modos de corona con 30 y

60 gotas/min; así por ejemplo a los 25 KV alcanzan un pico máxi-

mo en número de pulsos pudiéndose tratar del régimen "canales

positivos".

Luego existe una transición en el régimen pulsátil, manifes

tado como una disminución en el número de pulsos que se pre-

senta aproximadamente a los 30 KV, para lograr otro punto demáxima frecuencia de repetición a los 40 KV, ingresando al

régimen "canales intermitentes".

Y.

- 65 -

Obviamente estos modos de corona por la presencia de agua, no se

presentan perfectamente definidos/ pues corro se explicó en -

los párrafos anteriores/ también existe un proceso físico que

rige a la expulsión de gotitas de agua en los diferentes niveles

de voltaje/ afectando directamente a cualquier modo de corona po

sitiva o negativa.

KV

X

S

KV

*

S

KV

X

s

KV

X

S

25

328

32 -

22

81

15

25

79

11

22

209

55

30

108

23

25

419

43

30

120

35

25

130

28

35

254

53

30

84

19

35

212

27

30

76

32

30 gotas/min

40 50 55

837 28 604

124 12 173

60 gotas/min

35 40 50 55

49 231 131 235

8 29 23 65

120 gotas/min

40 50

110 51

12 15

180 gotas/min

39

25

7

TABLA: 3.1.- Valores medios y desviación típica paracorona DC positiva^ arreglo coaxial

- 66 -

Corona negativa y alterna

Si se observa las figs. 3.7 y 3.8 de número de pulsos por

segundo en función del voltaje negativo aplicado, se pue-

de ver un crecimiento más uniforme en frecuencia de repe-

tición para corona negativa, que para el caso de corona

positiva, pues la velocidad de repetición de los pulsos

se incrementa conforme se aumenta el voltaje, tanto en

corona "seca" para los cuatro electrodos, como en lluvia.

Fig. 3.9.- Corona negativa, a los 30 KV, DC negativoarreglo coaxial,, 180 gotas/min, d = 30 cmR - 10 K_n_.

Enceste régimen de corona negativa, se alcanzan las mayores ve-

locidades de repetición [cerca de 10 pulsos/seg) respetando

por tanto el patrón de comportamiento señalado en el cap. II,

en cuanto a que la corona negativa es mucho más pulsátil que3

la corona positiva (que está por los 10 pulsos/seg).

seco (punía N° 1 )30 g.otas / min60 gotas / m¡n120 gofas / min180 gotas / rnín

20 30 50 60 KV

Fig. 3.7.- Número de pulsos de corona en función delvoltaje aplicado para DC negativo a dife-rentes intensidades de lluvia.

pulsosseg

Í06-

I05.

I03_

-~- Punta N° i— Punta N° 2- - Punta N° 3— Punta N° 4

[5 251 í 'W 1 !

35 45 55 KV

Número de pulsos de corona en -funcióndel voltaje aplicado para DC negativoy diferentes formas de puntas.

67 -

30 gotas/min

KV

X

S

20

323

78

25

30231

3218

30

114708

5706

35

206405

4865

40

349378

15375

45

397456

12162

50

536135

18450

60 gotas/min

KV

X

S

20

1320 "

195

25

48563

5937

30

138982

4663

35

249142

14340

40

352704

7425

45

471166

8557

50

617085

20220

120 gotas/min

KV

X

S

KV

X

S

20

2347

140

20

2805

165

25

44560

2434

25

48969

2060

30

133441

2370

180

30

122375

3477

35

232105

4986

gotas/min

35

215223

8312

40

261207

6373

40

288515

5613

45

340744

9175

45

342333

6224

SO

427208

6288

50

406760

8664

TABLA 3.2.- Valores medios y desviación típica paracorona DC negativa. Arreglo coaxial

Finalmente cuando la corona es generada por una fuente de alter-

na, según se puede apreciar en las figuras 3.10 y 3.11, el cre-

cimiento de las curvas se asemeja al de corona negativa. Encuanto a número de pulsos en cambio, se debe relacionar con co-

rona positiva, pues como se observa en la fig. 3.12 los pulsos

se producen solamente en el semiciclo positivo (el sentido de

la fig. está invertido, debido a que el electrodo punta está

referido a tierra).

pulsosseg

600 _

10 _

30 gotas / min• 60 go fas / min

— — 120 gotas / min180 goías / min

50 55 60 KV

Fig. 3.10.- Número de pulsos de corona en funclon del voltaje aplicado para ACy diferentes intensidades de llu-via.

Punta N° 2Punta N° 3

• Punía N° 4

10 _56 58 60 KV

Fig. 3.11.- Número de pulsos de corona en función delvoltaje aplicado para AC y diferentes £or_mas de puntas.

Se mantiene la pauta en cuanto a la disminución de pulsos/seg.de corona en lluvia, frente a corona generada por los electro-

dos No.2; 3 y 4, notándose ademas una gran dispersión de laslecturas de corona en lluvia como se observa en la tabla 3.3.

Esto es debido a que, afectadas por la frecuencia, las goti-

tas tipo "spray" que salen despedidas de la gota principal, lo

hacían a una frecuencia un poco menor que la de generación,

constituyéndose en trenes de pulsos esporádicos, como se obser-va en la fig. 3.13

Fig. 3.12.- Corona en AC a los 55 KV, arreglo coaxialpunta No.2, señal sin filtrar, d=30 cm,R = 10 K.TL.

- 69 -

.30_gotas/min_KV

. *

S

KV

X

S

KV

X

S

KV

X

S

57

22

10

55

22

11

52

20

9

50

32

14

60

57

28

60 gotas /min

57 60

54 133

23 77

120 gotas /min

55 57 60

76 151 210

25 49 80

180 gotas /min

53 55 60 57

46 79 285 179

16 22 95 83

TABLA 3.3.-, Valores medios y desviación típicapara corona en AC} bajo lluvia propiamente dichaarreglo coaxial.

Fig. 3.13 Corona en AG a los 55KV, arreglo coaxial,régimen de lluvia 180 _gotas/mm? señal sin filtrar

- 70 -

3.3 CUANTIFIGAC10N DE CORONA POR INTEGRACIÓN DE CORRIENTE PULSÁTIL

3.3.1 Análisis de resultados y observaciones

El análisis de carga promedio en lluvia en función del voltaje

positivo aplicado, indica una serie de curvas continuas, fig.3.14

aunque no permiten diferenciarlas entre ellas adecuadamente (se

superponen), como tampoco definir un cambio de régimen en coro-

na positiva, lo que si se logra con el conteo de pulsos (fig.3.4)

Entre lo mas notable de la fig. 3.14, se puede notar que todas

las velocidades de goteo alcanzan un máximo en carga promedio

aproximadamente a los 40 KV", dato que coincide con uno de los

picos de máximo número de pulsos, para la condición análoga de

corona positiva en lluvia (fig. 3.4).

Además, se puede observar que si bien velocidades de goteo ba-

jas (30 y 60 gotas/min) se inician con poca energía de disipa-

ción a los 20 KV; cuando llegan al punto máximo de carga pro -

medio, superan a la de mayor intensidad de lluvia (180 gotas/

min).

Otra característica importante es que en los puntos máximos,

tanto de frecuencia en pulsos/seg (fig.3.4) como de carga

promedio (fig. 3.14) la velocidad de lluvia de 30 gotas/min

logra los picos máximos para ambas condiciones.

De acuerdo con la teoría, respecto a que en lluvia aumentan

las pérdidas por corona, se puede notar que efectivamentela carga promedio de corona en lluvia (que es directamente

proporcional a la energía de disipación) supera a la de co-

rona seca (punta No.l), siendo mas clara esta diferencia pa-

ra el resto de electrodos que "simulan" lluvia (puntas No.2,

3 y 4 en la fig. 3.5).

,uc

0.9_

0.8_

0,7-

0.6_

0.5_

0.4.

O.2_

0.1 _

- s e c o ( punta N° I )30 gotas /min

• • 60 go fas / min• 120 gotas/ min• [80 gotas/ min

20 25 30 45 50 55 KV

Fig. 3.14 Variación de carga promedio para voltaje DC positivo y

diferentes intensidades de lluvia. Arreglo coaxial.

- 71 -

Fig. 3.16.- Pulso de corona positiva a los 35 KV DC posi-tivo, arreglo coaxial, 180 gotas/min, d = 30 cmR - 10 KJTL.

Es notable .ademas que si bien el electrodo No.l, en la figura

3.15 alcanza el menor número de pulsos (máximo 600 pulsos/ség)

tiene en cambio la mayor carga promedio con 1.08 /.ic. figura

3.15.

Por otro lado, existe una gran diferencia en el voltaje de

inicio de corona en lluvia frente a corona seca (aproximada-

mente 18 KV en lluvia y 43 KV para corona seca) .

En cuanto a corona negativa en lluvia, como se observa en la

fig. 3.18, ésta mantiene un mayor grado de energía de disi -

pación frente a corona seca (punta No.l) . Además y conjun-

tamente con la fig. 3.7, las velocidades de goteo bajas (30

y 60 gotas/min) logran para los máximos voltajes negativos

el mayor número de pulsos/seg y la mayor carga promedio.

0.4

0.2-

0.0_

\ Punta N° I

— Punfa N9 2— Punfa N° 3— Punfa N° 4

20 25 3O 35 40 45 50 55 KV

Fíg. 3 .15 Variación de carga promedio para voltaje DC positivo

y diferentes formas de puntas . Arreglo coaxial.

/IC

LO-

o.a.

o.a

O.7_

0,6_

OS.

0.4.

03-

seco (punta N° i )30 gotas /rnin

• 60 gotas/min— — 120 gotas/mín• • ¡80 golas/ min

O.2_20 25 30 40 45 50 KV

Fig. 3.18 Variación de carga promedio para voltaje DC negativo

y diferentes intensidades de lluvia. Arreglo coaxial

- 72 -

Respecto a la fig. 3.19 de carga promedio en función del vol-

taje aplicado para los diferentes electrodos, se observa quelas puntas de mayor diámetro (No.l y No.4) disipan mayor can-tidad de energía que las de menor diámetro (No.2 y No.3) in-clusive estos tienen un decrecimiento notable de energía, en

el rango de voltaje en que los primeros alcanzan sus máximos.

Fig. 3.17.- Pulso de corona negativa a los 30 KV, DCnegativo, arreglo coaxial, 180 gotas/mind « 30 cm, R = 10 K.n.

Se cumple además una mayor disipación de energía para pulsos

de corona positiva, fig. 3.16, frente a pulsos de corona ne-

gativa, fig. 3.17. Esta diferenciación fue ya prevista en el

capítulo II.

En cuanto a corona AC, como se menciono en el capítulo I,literal 1.2.4, la lluvia afecta a los modos de corona que

pueden darse y constribuye a que existan mayores nivelesde pérdidas y ruidos por corona.

/(C

1.2.

0,8_

0.6_

0.4.

0.2.

O.O

Punta Ne

Punta Nf;l-¡Punta

, , .Punta N ;

15 20 25 30 35 40 45 50 KV

Fig. 3.19 Variación de carga promedio para voltaje DC negativo

y diferentes formas de puntas. Arreglo coaxial.

- 73 -

Como se aprecia en las figs. 3.20 y 3.21 de carga promedio en

función del voltaje alterno aplicado, estas curvas se salen

del comportamiento general que habíamos estado observando,

pues las velocidades de goteo bajas ya no disipan las mayores

cantidades de energía, sucediendo algo similar con los elec -

trodos de gran diámetro.

Existe, una mayor diferencia entre corona en lluvia y corona

seca pues esta última disipa mayor cantidad de energía. La

energía de la corriente pulsátil aumenta conforme se incre-

menta el nivel de voltaje y la intensidad de lluvia.

Fig. 3.22.- Pulso de corona en AC a los 55 KV, arreglocoaxial, pulso filtrado y amplificado, pun-ta No. 2, d=30 cm. R = 10 K_n_,

0.04-

0.03_

0.02_

0.01-

Fig. 3.20 Variación de carga promedio para corona AC

y diferentes intensidades de lluvia. Arreglo coaxial.

/ÁC

0.20_

0.15_

0.10_

0.05.

0,0_

50 54 56 58 GO KV

Fig. 3.2! Variación de carga promedio para voltaje AC

y diferentes formas de puntas. Arreglo coaxial

- 74 -

C A P I T U L O IV

4. QONCLÜSICMES Y RECOMENDACIONES

En base a las investigaciones realizadas en el presente trabajo

y de las observaciones y análisis de resultados de todo cu oito

se ha podido cuantificar del fenómeno en estudio, se pueden ano

tar las siguientes conclusiones generales:

1. La carga promedio de los pulsos de corona positiva, libe -

ran mucha mas energía que los correspondientes en corona -

negativa.

2. El gaps largos y electrodos puntuales de apreciable radio

de curvatura, se ven favorecidos los regímenes de corona -

que involucran estados de ionización y excitación rrolecu -

lar muy fuertes tales como: "canales intermitentes" y "e_s_

- tallidos de pulsos", para corona positiva y "canales negati_

vos" en corona negativa.

3. la rata de repetición de pulsos de corona negativa, es mu-

cho mayor que los pulsos de corona positiva.

4. Un electrodo de radio de curvatura pequeño, es mucho más -

pulsátil que uno de apreciable radio de curvatura.

5. Generalmente , electrodos de gran radio de curvatura, libe

ran mayor cantidad de energía que electrodos de menor radio

de curvatura.

- 75 -

6 . Para voltajes de polaridad positiva la amplitud del per-

fil del espectro de frecuencia es mayor que para volta -jes de polaridad negativa; cumpliéndose la misma reía -

ción para corona en lluvia frente a corona seca.

7. El voltaje de inicio de corona bajo condiciones de llu -vía, es mucho menor que el voltaje de inicio para corona

seca,

8. El número de pulsos/seg. de corona en lluvia es muchomayor que corona seca, las pérdidas por disipación de

energía en lluvia también son mayores que en corona se-

ca.

9. En corriente alterna (sistema coaxial), la energía de

disipación aumenta confoírme se incrementa el nivel de

voltajes y la intensidad de la lluvia.

10. No se ha considerado en este análisis el efecto del

material de los electrodos, aunque si se ha notado

que existe una cierta influencia en la raíz de la des-

carga por lo que se deduce que es un factor a ser to -mado en cuenta en los análisis futuros.

Por otro lado es importante recalcar que el método de in -

tegración utilizado es mucho más sencillo y fácil de ope -

rar que los otros dos (que requiere de sofisticados cir -cuitos electrónicos), pudiéndose implementar su uso a

cualquier aparato a ser analizado (por ejemplo un trans -farmador), pudiendo hacerse extensiva su aplicación, al

análisis de microdescargas.

Además, dentro de este contexto,, se ha visto en muchos casos

que no interesa el mayor o menor número de pulsos que se pro-

ducen como mi ero-des cargas en una cavidad de un aislador por

ejemplo, sino la energía de discipación de dichos pulsos., que eslo que a la final destruyen a ese aislador, lo cual se podría

cuantificar con el integrador diseñado.

Como una recomendación se sugiere por tanto, que se realiceun estudio de las microdescargas, utilizando el integrador

diseñado, realizando las modificaciones que se creyeren per-

tinentes .

Dentro del estudio global del efecto corona, no se han tra -

tado aún las corrientes de emisión, ni la fotoemisión (luz)

producida por dicho efecto. Sería interesante por tanto

desarrollar un estudio completo utilizando dichos parámetros

al mismo tiempo que los utilizados en esta tesis, presumién-

dose que podrían surgir conocimientos del efecto corona,

complementando de esta forma las investigaciones realizadas

hasta el momento.

APÉNDICE I

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL GENERADOR DE CORONA PUNTA-MALLÁ

I.) RESISTENCIA DE PROTECCIÓN

A pesar de que la fuente de corriente continúa utilizada (ver a-

péndice VI) tiene un relé de sobrecorriente, cuyo disparo se pro-

duce sobre los 12 mA, se vi6 la necesidad de colocar una resis -

tencia limitadora de esta corriente; pues no se sabia con certe-

za la rapidez del relé de la fuente frente a una corriente de ar-

queo, de pocos m seg de duración y gran disipación de energía.

Para ello se trabajó sobre los siguientes datos;

Máximo voltaje nominal 10 KV DC positivo o negativo

Máxima corriente permisible 30 mA

Luego : R = 10 KV = 1 Mohm

10 mA2

Máxima potencia a disiparse en la resistencia : P,= I R/- o

P= 100x1 O A xi Mohm = 100 watts.

Entonces se necesitaba construir una resistencia de 1 Mohm, de 100

watts de disipación a 10 KV.

Esta resistencia debia estar debidamente blindada, capaz de sopor-

tar el máximo voltaje nominal, esto es 10 KV.

Experimentalmente se conoce que la rigidez dieléctrica del aire es

de 30 KV/cm en condiciones normales (20 C, 760 Torr.)

Si se considera que el laboratorio de Alta Tensión se encuentra a-

proximadamente a 540 Torr, 20 C, la rigidez dieléctrica del aire -

disminuye. Tomando en cuenta esta situación se adopta además un

factor de seguridad, asumiéndose finalmente un gradiente de poten-

cial de trabajo de E = 5 KV/cm.

Entonces, se necesitaban 2 cm de separación entre la parte viva

de la resistencia y el blindaje puesto a tierra. Por limitacijD

nes en el mercado, no se pudo conseguir la resistencia especifi

cada anteriormente, obteniéndose en cambio lo siguiente:

9 resistencias de 66 Kohm a 10 watts 594 Kohm 90 w

1 resistencia de 470 Kohm a 7 watts 470 Kohm 7 w

1064 Kohm 97 watts

Á estas resistencias se las colocó sobre un eje de acrílico de

I cm de /diámet:ro> por 50 cm de largo; aislados en sus extremos

por 2 cilindros de acrilico de 6 cm de diámetro y 4.5 cm de es

pesor, del tubo que se utilizo como blindaje. Este tubo es de

hierro negro de 6.3 cm de diámetro por 62.5 cm de longitud.

Las entradas del tubo de blindaje se las hizo mediante 2 termi

nales de aluminio. El detalle de lo descrito anteriormente se

puede observar en la Fig. 1.1 y 1,2

1.2 ARREGLO PUNTA-MÁLLA

Básicamente consta' de un tubo de PVC, dentro del cual se han c_o

locado 3 discos de acriclico que soportan axialmente al cable -

blindado que viene desde la fuente DC.

En el extremo del cable se encuentra un electrodo de Cu , cuya

punta éta cabida a una aguja de .acero. En el extremo del tubo en

cambio, se colocó una malla de alambre muy fina, que sirve como

electrodo placa, obteniéndose de aqui} la señal de corriente a ser

analizada.

Las dimensiones de los aparatos descritos y demás detalles de cons_

trucción se indican en la Fig. 1.3; 1.4, y el equipo en conjunto -

en la Fig. 1.5.

o I!

L \r i —

r-\

— :rr

=, —

=^

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í ^

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1 1

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3._

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ríii

co

Fig

. 1.1

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ESI

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So

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al

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io

r~ A=

¡2

.6

<£> 10 OJ

Vis

ta

A-A

FIG. 1.2.-

BLINDAJE DE LA RESISTENCIA DE PROTECCIÓN; DIMENSIONES EN MM;

ESCALA 1:200.

I.-

Agu

ja

de

acer

o

2-,_

T

erm

inal

de

co

bre

= 2.5

í= 72

0= 8.7

13.5

!22

50

= 10.6

FIG.

1.3.-

ELECTRODO PIMUAL DEL GENERADOR PUNTA-MALLA, Y CABLE COAXIAL DESDE LA

FUENTE DC; DIMENSIONES EN m, ESCALA 1:1

390

l._

Tubo

de

PV

C

._

Disc

os d

e ac

rílí

co

FIg. 1.4.- CILINDRO SOPORTE DE

LA. MALLA, ELECTRODO PUNTUAL Y CABLE COAXIAL DEL GENERADOR

PUNTA MALLA, DIMENSIONES EN MM, ESCALA 1:250.

•

Fig. 1.5 Generador de corona punta-malla, junta a su resis-

tencia de protección y fuente de alimentación.

APÉNDICE II

ADECUACIÓN DEL GENERADOR DE CORONA PUNTA-FLACA

Como se observa en la Fig. II.1 (circulo negro), al soporte de cobre

similar al que sostiene el plato inferior, se le añadió otro de fibra

realizándose la unión entre ambos con epoxy,

Este soporte cilindrico de fibra, tiene en su eje longitudinal un a-

gujero roscado de 5 mm de diámetro, que permite sostener a los cuatro

electrodos que sirven para generar corona (los electrodos se indican

en el Apedice V). Permitiendo a la vez hacer un perfecto contacto con

el soporte de cobre, al cual se conecta la alimentación de alto volta-

je-

Fig. II.1 Generador de corona punta - placa.

APÉNDICE III

DISECO Y CALIBRACIÓN DEL CIRCUITO INTEGKADOR

CIRCUITO INTEGRÁDOR

El detalle de este circuito se indica en la Fig. III. 1*. Se

indica además el diagrama de patas terminales del operacional

utilizado, que se muestra en la Fig, III. 2,

lfNC ' •;-;•

WL- j-

3JOFFSET «

C'.

7;.

Ti

AO : yUA 741PC

TCG 941D

t : w

>

| : -

14NC

13 KJPWL.

12NC

10 ou

9 OF

8 /-i

OFFSET NULL

Fig. III.2 Diagrama de patas terminales del amplificador

operacional 741.

III.2 FILTRO PASA ALTO ACTIVO DE ier. ORDEN

III.2.1 CORTE DE RESPUESTA DE FRECUENCIA

fp =

2 Ilx33xl09 x 5x103

* La derivación de los diodos D2 y DZ al inicio de este circuitoson la protección del mismo contra sobrevoltajes.

o

102

Y ~T

• 1

DZ

ZV

JR5

;>

. / x1 c

CI

Rl

K.

11 ^^

1

R2

\Jf

V7

N-

..,.

- ...

-V >+v

^7

41 >

— L

_— —

^

_!._

j^fT

1

_V

/O

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15 V

15 V

CC

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R5

330_

n_

741

ampl

ifica

dor

oper

acto

nai

FIG. III. 1.- DETALLE DELCISCÜITO INTEGRADOR Y SUS COMPONENTES

III.2.2. GANANCIA DEL FILTRO

Vidb = 20 log Rz = 20 log. iQk = 6.02

•Rl 5k

VoVi

6.02

IKHz f

Fig. III.3 Respuesta de frecuencia del filtro

pasa alto.

III-.3. AMPLIFICADORES INVERSORES

III.3.1 GANANCIA DE VOLTAJE EN LAZO CERRADO PARA OÁ REAL

A „ -RZ/Ri

1 + 1

Av1 = 10 .000

„ R1 ' 330= O. f f147

Av

A -22k/330vci - •

R l ' + R 2 1 330+22K

- -66 .211

10.000 x 0 .0147

Avc2

k/330 - -4 .54

3 + 1

10.000 x 330

330 + 1 .5k

III .4 CIRCUITO INTEGRÁDOR

III.4.1 CONSTANTE DE TIEMPO DE INTEGRACIÓN

= 100 seí

RC Ik x i O x 10 f

Para dimensionar en forma apropiada la constante de tiempo an-

tes indicada, fue necesario evaluar varias alternativas en tiem

pos de integración; para lo cual se utilizaron 6 capacitores -

que cubrían un rango de tiempos adecuado para esta análisis .

Como señal de calibración a integrarse, se obtuvo en el genera-

dor de ondas (ver Apéndice VI ) una señal similar en amplitud y

tiempos de frente y cola de onda a los pulsos típicos de corona

como se indica en la Fig. III.4,

Los valores en el eje del tiempo para cada capacitor, son el va

lor medio de 10 lecturas realizadas con el cronómetro digital -

incorporado en el módulo contador 7D15. En una señal pulsátil

de corona real, el capacitor de l^uF no mantenía la señal de car_

ga estable} por lo que se optó por el de 10 aE1, aunque para la -

señal del generador si lo hacía,

La curva de calibración se indica en la Fig. III.4.

111,4.2 EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LA INTEGRACIÓN

En esencia se trata de evaluar entre el valor de carga obteni-

do con el circuito integrador, y un valor de carga cuantifica-

do por métodos convencionales; es decir, para una misma área,

comparar la integración por 2 métodos distintos. La señal a -

integrarse fue obtenida con el generador de ondas .

V

2.0

_

ofig

.a4

C=

i >u

F -,

Ti

= 10

se

g,

2:

C=

10

//F

s

Ti

= 10

0 s

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3--

C=

22

/^F

j

Ti

= 45.5

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g4

' C

= 5

0/^

F 5

Ti

=2

0

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C=

!00

/^F

^

Ti

= IO

se

g

i 5I 7

i[s8

g]

V

0.5

_

20

30

40

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^se

g

Fig

. II

I 4 .

Ca

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rac

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tiem

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gra

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Ond

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d

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bra

ció

n3

ob

ten

ida

en

el

gen

era

do

rd

e o

nd

as.

El método convencional es el que utiliza el planímetro co-

mo instrumento de integración, que proporciona una exacti-

tud en el orden de las milésimas. Previamente a su uso fue

calibrado, obteniéndose una constante de calibración Kf4 =

0.011 para un cuadrado de 1 cm de lado.

Con el fin de simular las formas de onda de corona más re-

presentativas, se generaron en el oscilador 5 tipos de on-

da que se indican en la Fig. III.5.

A cada una de ellas de las integró por los 2 métodos, obte

niéndose el siguiente cuadro de valores}indicado en la Ta-

bla III. 1 .

ONDA

1

2

3

4.

5

MÉTODO 1

[y"C]

2.18

1,054

1 .38

1 .854

1 .709

M ' E - T - O ' D 0 2

CAP 1^FL"c]

2

0.975

1 .225

1 .95

1 .925

CAP 10 /JCF[ywcj

20

9.75

12.25

19.5

19.25

£A[*]

8.2

7 . 4

11 .2

5.17

12.6

CAP 1 0/IF

xf= 0 ,1089

2.178

1 .061

1 .33

Tabla III. í Valores de integración expresados en J4C para

los métodos de análisis: Método 1 planimetro;

Método 2 circuito integrador.

Para obtener el valor absoluto, se toma como valor verdade-

ro a los datos proporcionados por el planimetro, aunque en

éste pueden introducirse errores pequeños al captar la for-

ma de onda a ser integrada y en la apreciación del Vernier

del planímetro- siendo despreciables si se procede con mucho

cuidado.

V 2_

20

40

60

8O

i i

i i

V

20

40

60

80

100

ii

ii

/•is

eg

V 2_

20

40

60

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0

V 2-

20

40

6

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Fig

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I.5

. F

orm

as

de

onda

o

bte

nid

as

en

el

gen

erad

or

a se

r

inte

gra

das.

De la tabla III,] se puede deducir que el método 1 alcanza

aproximadamente un valor de 8.9% mayor que el método 2, pa

ra formas de onda similares a una triangular, como es el -

caso de la mayoría de pulsos de corona. Mientras que el me

todo 2 supera al 1 en aproximadamente 8.8%, siempre que las

ondas integradas se parezcan a una cuadrada.

Por lo tanto y obviando los pocos errores introducidos en

las distintas lecturas se puede afirmar lo siguiente:

Factor de magnificación por integrar con capacitor de 10

: 10

Factor de minirnizacion por obtener con el método 2 un va-

lor menor de área : 0,089 .

Para compensar estos factores, los datos obtenidos por la

integración de corriente pulsátil de corona, utilizando el

capacitor de I0//F3se ven afectados por un factor de

f = i.089 = ¿¿089

10

En la última columna de la tabla III. 1 se indican los valo-

res corregidos.

APÉNDICE IV

DISEÑO Y CALIBRACIÓN DE IMPSDANCIA DE ACOPLAMIENTO

IV.1 ANÁLISIS MATEMÁTICO

Cuando una onda viajera en una línea de trasmisión, alcanza un

punto de transición, el cual representa un cambio brusco de -

las constantes del circuito, parte de la onda es reflejada a

la línea, y otra parte puede pasar a la otra sección del cir -

ciuto. (24).

En forma esquemática se puede representar lo afirmado, como se

indica en la figura IV. 1

fig. IV. 1 PUNTO DE TRANSICIÓN GENERAL

Donde: Zg;

z1. . .zn

Z1. . .Zn

Impedancia shunt a tierra

Irapedancia característica

Impedancia serie

zl el

il

e1 Onda incidente

e1' Onda reflejada

e2"...é"n Onda transmitida

e Potencial en la juntura

e0 Potencial en el punto de transición

Onda incidente IV. 1

-zl =el '

Onda reflejada IV. 2

.zk = ek'

ik1Onda trasmitida

La corriente y voltaje total en el punto de transición son:

IV. 3

io = il IV. 4

e0 = e1 + e1' = Zoio IV. 5

e1 ' el-el1

zl zl zlIV. 6

e0 = 2oe1-e1'

z1IV. 7

DE IV.5 :

el = e0 - e1

e0 = Zoel + el - eO

z!SIMPLIFICANDO

27,0e = e1

Zo+z1Voltaje total

Zo ~~ z 1el i -. . e-] Voltaje reflejado

Zo + z1IV. 9

Zo.~ Z1 -f 2 = 21 IV. 10

Zg zk + zk

Para la impedancia de acoplamiento en análisis, solamente se necesitan

2 ramas como se indica en la figura IV.2

Fig. IV. 2 - Impedancia de acoplamiento requerida

Para que no exista onda de voltaje reflejado, de IV.9:

Zo = z1 IV. 11

y de IV.10 Zo = Z pues 21 = O

Como una primera relación se asume: e2 = 5e3 IV. 12

Luego de IV.10 2o = z1 = IV. 13

Zg Z3+z3

Simplificando la ecuación IV. 13 se llega a:

Zg( 5Z2 + 6S2z2 + z2 )z1 = — IV. 14

522 + 6Z2z2 + 6Zg22 + 2Zgz2 -f z2

Reemplazando los siguientes valores: Zg = 100KOHM

zl = z2 = 50 OHM

y despejando de la relación IV.14 se obtiene: 22 = 22.36 OHM

23 =111.8 OHM

Una vez implementados estos valores en los conectores apantallados

existentes en el laboratorio de alto voltaje, se observó que exis-

tía una pequeña deformación en la punta de las ondas que ingresaban

al integrador; mientras que por la derivación de .110 OHM, la señal

era tan débil, que fue incapaz de producir el disparo en el módulo

contador.

Se probaron varias alternativas, hasta que finalmente se llegó a

los siguientes valores:

22 = 4.4 KOHM ( derivación hacia el integrador)

23. =11. KOHM ( derivación hacia el contador).

Luego se procedió a evaluar la magnitud de la atenuación en la se-

ñal de entrada al integrador, para lo cual se utilizó pulsos de ce_

roña negativa, correspondientes al régimen de Trichel, donde la -

magnitud y frecuencia de los mismos es casi constante, utilizándose

para el efecto el siguiente circuito indicado en la figura IV. 3

Los resultados obtenidos se indican en la Tabla IV. 1 siendo el fac_

tor de corrección a utilizarse f = 1.063, deducido del error medio

de los 6 errores absolutos de cada lectura. El valor verdadero se

tomó del nivel de voltaje producido por la señal sin pasar por la Z

de derivación. Esta información se muestra en la tabla IV. 1 siendo

V

2.0_

0.0 5 _

0.0_

--X X-

3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 KV

Señal sin Z de derivaci&n; a través de doble etapa deamplificación.

Señal con Z de derivación, a través de rama de 4.4 k/xy de doble etapa de amplificación, que va al circuitointegrador.

Señal con Z de derivación, a través de rama de llk/xyde doble etapa de amplificación, que va al modulo contador

Fig. IV.4 Calibración de impedancia de derivación, utilizado co-mo señal, pulsos de corona negativa del régimen Trichel,

la última columna la de los valores corregidos,

FuenteDC

Al Amplificador i del ORC

A2 Amplificador 2 del ORC

OA Doble etapa de amplificación

fuenteluz UV

integradorAl

Fig. IV. 3 Circuito utilizado para calibrar 2 de acoplamiento.

V VERDADERO V MEDIDOV V

2 1.9

2 1 .8

2 1.85

1,95 1.8

1.9 1.8

1.9 1.8

¿A

5

7.5

7.5

7.6

5.2

5.2

f x V

2

1

1

i

1

1

MEDIDO

.019

.966

.966

.913

.913

.913

TABLA IV,i FACTOR DE CORRECCIÓN PARA LA Z DE DERIVACIÓN

f = 1.063

V Verdadero = Señal amplificada sin Z derivación

V Medido = Señal amplificada con derivación

APÉNDICE V

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL ARREGLO COAXIAL

V.1 CILINDRO COAXIAL

Es una jaula cilindrica de malla de alambre galvanizAdo, de 1.6

m de longitud, por 0.6 m de diámetro, sostenida por sus extremos

al cielo raso del laboratorio por 2 cabos fortex. Las dimensio-

nes del arreglo se indican en la fig. V.1.

La jaula se escogió ser de malla de alambre debido al gotero de

agua existente al simular lluvia, permitiendo de esta forma su

fácil evacuación y conteo de gotas/min, pues el electrodo N2 l,

sobre el cual se hace caer las gotas, se encuentra exactamente -

en la mitad del eje del cilindro.

La conexión de alta tensión al arreglo se realiza mediante un tu_

bo flexible de hierro, de 6 cm de diámetro como se indica en la

fig. V.2, evitando que se produzca corona fuera del sitio desti-

nado al efecto, en este caso los electrodos puntuales.

La jaula se colocó a 80 cm sobre la mesa de madera de pruebas r

considerando esta distancia adecuada para el voltaje máximo de

trabajo, que fue de 60 KV en AC.

V.2 PUNTO DE CORONA

Se halla localizado en la mitad de un tubo de alu minio de 3 m

de longitud y 20 mm de diámetro externo; su conexión con el cable

que lleva la señal de la corriente de corona hacia los instrumen_

tos de medición, se indica en la fig, V.3.

En esencia este punto consiste de un soporte cilindrico de fi -

bra de un cm de diámetro (similar al del arreglo punta-placa ,

apéndice II con un agujero central de 5 mm de diámetro, en el

j._

Cili

ndro

de

m

olía

de

a

lam

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2._

Tubo

de

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SIO

NES

EN

Oí;

ESCA

LA 1

:20

Fig. V.2 Vista lateral de la conexión de alta tensión al arreglo co-axial.

que enroscan los 4 electrodos que sirven para generar corona (fig.

V.4) a la vez que aisla a estos electrodos del tubo soporte puesto a

tierra.

El extremo de los electrodos se conectan al núcleo del cable coaxial

como se indica en la fig. V.5, mientras que el blindaje del mismo, se

conecta a una resistencia de carbón de 10 KOHM, 0,5 watt y luego a -

tierra, sirviendo para integrar la corriente de corona.

El punto de corona y su tubo soporte se mantienen en el eje del cilin_

dro coaxial mediante 2 soportes de madera.

Por el otro extremo del tubo de aluminio ingresa una manguera de plás_

tico de 2 mm de diámetro interno, que sale a 3 cm del punto de corona

y sirve para gotear el agua destilada, simulando de esta forma la llu

via. El recipiente de agua y su válvula para contar gotas / min, se

lo hizo del sistema utilizado en los sueros medicinales,

V.3 ELECTRODOS PUNTUALES

Se los diseñó dimensionalmente en forma similar a los utilizados

por A. Arainy en su experimento (19). Son de pernos de acero -

/xxv

xxxv

xxw

xxxx

l._

Cab

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coax

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2.-

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1.

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isla

do

N°

!4

Re

sort

e m

etá

lic

o

FIG. V.5.- TUERCA DE FIBRA AISLANTE GQMO SOPORTE DE ELECTRODOS DE LA FIG. V.4

MATERIALES INDICADOS; DIMENSIONES EN

MVÍ, ESCALA 4:1

milimétricos, de 5 mrn. de diánstro (grado 8.8) de los cuales se u~

tilizó su rosca por un extremo mientras que por el otro se formó

en el torno las 4 puntas que se indican en la fig,. V. 4.

Luego se le sometió al cromado para evitar la oxidación, sobre to_

do en la punta NS 1 la cual estuvo expuesta al goteo de agua des-

tilada. Su apariencia final se indica en la fig, V.6.

9 O'g

ttnltutintthtnlniíiiiulutiitut

Fig. V.6 Electrodos puntuales para generar corona,

APÉNDICE VI

E Q U I P O U T I L I Z A D O

Transformador TZG de prueba de 100 KV con aislamiento seco de

resina fundida. Entrada primaria en baja tensión variable, se

cundario 0-50-100 KV.

Condensador de medida S00 KV - 100 pF

Condensador de choque 140 KV - 6000 pF

Resistencia de medida 140 KV - 140 MOHM - 1 mA

Rectificadores de Selenio 140 KV -SmA - 500 Kchm

Fuente de alto voltaje DC Fluke Tipo 41OB

Generador de pulsos - Hewlett packard (HP) tipo 8005B

Analizador de espectros de frecuencia RF SECTION 855B

Osciloscopio TEKTRONIX TIPO 565 DVAL-BEAM

Osciloscopio TEKTRONIX TIPO 7633 STORAGE

Punta de prueba TEKTRONIX TIPO PG006

Factor de atenuación.- 1OX +_ 3%

Resistencia de entrada 1OM + 2%

Resistencia de prueba 9M + 2%

Capacitancia de entrada 7.5 pF

Cámara C-5A TEKTRONIX

Para instalar en Osciloscopio serie 7000

Lentes: Longitud focal 60 mm nominal

Magnificación (objeto-imagen ) 1 a O . 85

Poder de resolución 6 lineas/m m

Rango de velocidad: ]/5seg.; l/10seg.; l/25seg.3 voluntario

Apertura relativa: f/16 dentro 10%

Cámara CANNON F-1; f 1 : i .4

Lentes: Normal de 35 m m

Close-up NQ 4

Tele 105

Cámara ROLLEIFLEX; f: 1:1.8

Lente : Normal de 50 m m

Película POLAROID TIPO 667 B&W

ASA 3000 (36 DIN)

Sensibilidad espectral Pancromática, Tipo B

Contraste Medio

Resolución 16-20 líneas /m m

Película KODAK color 135 ASA 400

Película KODAK TRIXPAN B&W ASA 400

Película FUJI NEOPAÍT B&W ASA 400

R E F E R E N C I A S

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of high voltaje corona pulses in coaxial cylindrical geo-

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