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Technical Documents - Documentos Técnicos: Efecto capacitivo en líneas aéreas de transporte de energía eléctrica. Peligro de descarga eléctrica en reparaciones de líneas de alta tensión.

Las características eléctricas de los condensadores dependen de sus características geométricas y del material del cual estén construidos. Pero hay que recordar que para ser un buen condensador se tenían que cumplir unos requisitos geométricos mínimos: grandes placas con separaciones pequeñas.
Cuando hablamos de condensadores en líneas aéreas, el efecto condensador se produce entre dos conductores de una línea o entre un conductor y tierra. Es decir, las placas son los conductores o la proyección de estos sobre tierra; por tanto, placas de muy pequeño tamaño, como mucho de unos centímetros. En cambio la separación entre las placas (conductores) es muy grande (de hasta 15m en algunos casos). ¿Cómo es posible hablar de condensadores, cuando los requisitos geométricos son contrarios a los establecidos? La explicación se centra en dos factores básicos:
Por una parte, las separaciones de las placas, en condensadores normales, suelen ser de unos
milímetros; estos condensadores son de tensiones comprendidas en el rango de los voltios, mientras que cuando hablamos del efecto capacitativo en las líneas, la separación entre ellas es del orden de metros, pero la tensión no son voltios, sino miles de voltios.
Nos queda todavía un problema por solucionar: las placas. Aunque estén a miles de voltios, siguen siendo muy reducidas, unos centímetros. ¿Cómo es posible que en una superficie tan pequeña se puedan acumular cargas electroestáticas? La respuesta es sencilla; para líneas eléctricas menores de 80km las placas son demasiado pequeñas y el efecto capacitivo puede despreciarse, en cambio con líneas mayores de esta longitud ya existe suficiente superficie acumuladora, y el efecto es ya significativo, debiéndose incluir en los cálculos.

Fig. :Ejemplo de dimensiones típicas en líneas de transporte de energía eléctrica y su comparación con las distancias que se dan en condensadores convencionales

Es decir, en el caso de un condensador D>>>d, mientras que en el caso de una línea eléctrica sucede lo contrario, D<<<d. Por tanto y resumiendo:

1ª razón: No hablamos de voltios, sino de miles de voltios. Por tanto, tampoco hablaremos de
milímetros, sino de metros:

Hay voltajes muy grandes, y por tanto, aunque las distancias de separación entre conductores (placas) sean muy grandes, seguirán existiendo influencia eléctrica entre ellos, como si estuvieran separados sólo unos milímetros en baja tensión.
2ª razón: Las placas son lo suficientemente grandes, ya que aunque muy estrechas (unos 20 o 25 mm), son extremadamente largas (más de 80km):

Si la línea no es mayor que 80 km, el efecto capacidad puede despreciarse.

Si la línea dispone de una longitud superior a 80 km, entonces tendremos:

80.000 (m) · 0,025 (m) = S (de las placas) (m2) = 2000m2

disponemos de cables con diámetros reducidos. Pero al tener grandes longitudes se compensa este hecho.
Estamos ya en condiciones de comprobar el efecto capacitativo de las líneas eléctricas en alta tensión, para ello se indican tres ejemplos o casos significativos en los que se produce la influencia de la capacidad en las mismas.

• Supongamos primeramente un circuito normal formado por una fuente de energía, una carga
(motor) y unas líneas de conexión cortas. Sí el circuito se abre mediante seccionadores o disyuntores, al no poder completar su recorrido, los electrones dejan de fluir y no existirá intensidad, quedando el motor sin funcionar.

Línea abierta en su extremo final. No existe conducción eléctrica

Si ahora, el mismo sistema anterior se conecta a una línea de gran longitud y se le aplica alta tensión, se producirá el efecto capacitivo, comprobándose este efecto por la existencia de intensidad (denominada de condensador) con el circuito abierto.
En este caso, el circuito se cierra a través del generador induciéndose una intensidad alterna, como lo es la tensión, es decir, que cada semiperiodo (100 veces cada segundo a 50Hz) la intensidad cambiará de sentido, pudiéndose apreciar mejor el efecto en la segunda figura.

Fig. : Línea abierta en su extremo final. Efecto condensador, si existe conducción

Imaginemos ahora que deseamos reparar una línea y por tanto se desconecta tanto la carga (el caso anterior) como el generador. Sin tensión no existe carga (q = C ·V = 0), por tanto presumiblemente no debe de existir peligro para el personal encargado de su reparación.

Fig. : Contacto directo debido al efecto condensador en una línea abierta

Teóricamente no existe carga y por tanto tampoco existe tensión, sin embargo al operario queda sometido a una descarga eléctrica. El motivo es simple, aun desconectando el circuito del generador, y por tanto teóricamente con acumulación de cargas nula, ocurre que siempre quedan unas cargas residuales (0.5%, o incluso menos); estas cargas no tienen ninguna importancia en circuitos de baja o media tensión, pero en circuitos con 220 kV o 380 kV, un 0.5% de la tensión representa todavía 1100V o 1900V, tensión suficientemente peligrosa para un ser vivo.
Por este motivo, antes de iniciarse los trabajos de reparación de una línea eléctrica, el personal
encargado, aparte de abrir los circuitos en dos puntos en cada extremo del lugar de trabajo, tiene la obligación, mediante una especie de ballestas, de poner a tierra las líneas. Es decir, mediante unos conductores metálicos se une la línea a tierras, para de esta forma permitir que las cargas residuales puedan pasar directamente a tierra, asegurándose que la línea quede sin tensión.

Por último, un efecto de la capacidad de las líneas eléctricas, es el efecto Ferranti. Este es un efecto tiene gran importancia.

Este efecto tiene lugar en líneas largas (para poder darse el efecto capacitativo) y en vacío (ya que en carga la circulación normal de la corriente hacia la carga elimina este efecto). Como la línea se comporta como si estubiera formada por infinitos condensadores, que hacen las veces de fuentes de acumulación de energía, el potencial al final de línea es mayor que el potencial al inicio de la misma, es decir, se ha producido un efecto amplificador de la tensión que es muy peligroso al reconectar de nuevo la línea si no se tiene presente (peligro de destrucción de las máquinas eléctricas por sobretensión).

Fórmulas para el cálculo de la capacidad en líneas eléctricas
La capacidad industrial de las líneas eléctricas se calcula mediante el empleo de las fórmulas dadas a continuación, aunque antes es necesario recordar algunos aspectos importantes:
- Se busca la capacidad por km de un circuito (sea simple, doble, triple, o de cuatro conductores).
Para cada caso existe la fórmula adecuada (recordar que la distancia media geométrica entre fases De, difiere en estas fórmulas, si se trata de un circuito o de dos).
- Una vez hallada la capacidad por circuito, se pasa a obtener la capacidad para más de un circuito, si es el caso. Para ello es suficiente multiplicar el valor de la capacidad obtenida para un circuito por el número de circuitos (nótese que en las resistencias e inductancias, como parámetros longitudinales que eran, se dividían por el número de circuitos, pero la capacidad y conductividad son parámetros transversales y por tanto en vez de división debe multiplicarse su valor por el número de circuitos).
- Una vez se obtiene la capacidad por km total, se pasa a hallar la susceptancia (Bkm).
- Se multiplica esta susceptancia por km, por el número de km totales, opteniéndose la susceptancia total.
- Finalmente, con la susceptancia y la conductividad, puede optener la admitancia (Y) del sistema.

• Para un circuito simple:

• Para un circuito dúplex:

• Para un circuito tríplex: :

• Para un circuito cuádruplex:

En todas estas fórmulas De es la distancia media geométrica entre fases que es distinta para uno ó dos circuitos.

Una vez obtenida la capacidad en faradios, se pasa a siemens multiplicando esta capacidad por la pulsación (w), obteniéndose la susceptancia (B):

Obteniéndose la susceptancia total, al multiplicarse Bk, por la longitud de la línea:

Si existieran dos circuitos, se multiplicaría el valor de la susceptancia anterior por dos.
Finalmente se obtiene, con la unión de la conductancia, la admitancia:

Sobretensiones en líneas de transmisión eléctrica - Problemas resueltos de electricidad

 

 

 

 

 

 
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