Efecto De Campo Magnetico

Campos electromagnéticos producidos por líneas de transmisión y la compatibilidad electromagnética en derechos de vía compartidos

Hugo Pérez Rebolledo, Moisés Zavala Silva y Arturo Galván Diego

Resumen

Este artículo describe los diferentes tipos de interferencia electromagnética producida por líneas de potencia en derechos de vía. Se muestran los cálculos de los campos electromagnéticos obtenidos bajo una línea de potencia, con la intención de establecer los límites aceptables de interferencia. Estos cálculos se efectuaron para diferentes configuraciones de líneas de transmisión. Se obtuvo una buena correlación entre los campos magnéticos medidos y el calculado bajo una línea de transmisión. Para casos de corrientes de falla a tierra se determinaron los potenciales a tierra, a fin de obtener la distancia mínima en donde se pueden instalar las tuberías enterradas para operar de manera segura.

Introducción

El ambiente electromagnético creado por las líneas de transmisión de potencia es bastante complejo, ya que intervienen diferentes factores como la disposición geométrica de los conductores y sus retornos por tierra. Los campos creados a la frecuencia nominal de 60 Hz son los predominantes en cuanto a magnitud y duración, aunque en la línea de potencia circulan otras corrientes con frecuencias armónicas que también producen campos electromagnéticos, por lo que los campos electromagnéticos creados por líneas de transmisión se clasifican como campos de extra baja frecuencia (Extremely Low Frequency, ELF).

Existen otros tipos de fuentes dentro de la misma línea de transmisión que producen campos electromagnéticos en otros anchos de banda, por ejemplo, corona en líneas de transmisión.

El uso de corredores comunes para líneas de transmisión de potencia y otros sistemas de transmisión huéspedes (cables de telecomunicaciones, tuberías de gas, vías de ferrocarril, etcétera) pueden tener problemas debido al acoplamiento electromagnético. En la figura 1 se muestra una línea aérea de potencia de doble circuito y los sistemas a los que se les pueden inducir corrientes.

Sumario

Campo magnético creado por las líneas de transmisión

Las corrientes que circulan en los conductores de fase son la fuente de los campos magnéticos creados alrededor de las líneas de transmisión. Estas corrientes tienen una variación estadística, considerando la magnitud y duración, que depende de la fluctuación de la carga durante el día. El retorno por tierra de las líneas de potencia y el sistema de transmisión huésped forman un lazo con un área efectiva por la cual existe un flujo magnético neto variable en el tiempo. Esto resulta en un voltaje magnéticamente inducido en el lazo, a consecuencia de la ley de Faraday, donde el voltaje inducido depende de la densidad de flujo magnético, tal y como se muestra en la siguiente expresión:

Dos de los factores importantes en la creación del campo magnético a nivel de tierra son la ubicación de las trayectorias de circulación de retorno por tierra y sus magnitudes de corriente.

Normalmente los derechos de vía se comparten con tuberías enterradas u otros objetos que pueden desviar las trayectorias de las corrientes de retorno, haciendo más complejo el análisis de los campos producidos.

Si se considera que la corriente en el conductor de fase (fuente de corriente) debe tener una corriente de retorno, esta corriente debe ser igual a las corrientes que circulan en la tierra, conductor neutro, hilo de guarda, líneas telefónicas, tuberías metálicas enterradas u otros objetos metálicos que comparten el mismo derecho de vía.

El voltaje inducido en sistemas que comparten un mismo derecho de vía con líneas de potencia es el resultado de la superposición del efecto de la corriente de cada conductor de línea. Como ejemplo tenemos en la figura 2(a) una línea trifásica con configuración horizontal de 115 kV, con una corriente balanceada de 300 A (magnitudes iguales y desfasadas 120 grados); en la figura 2(b) se muestra la distribución del campo magnético calculado a 0.3 m sobre el nivel de tierra.

Es claro que la corriente circulante por el retorno de tierra a una profundidad piel (aproximadamente 1 000 m), tiene un efecto mínimo en el campo magnético, a menos que la corriente sea considerablemente alta, entonces se tendría un campo magnético importante entre la línea y la tierra de retorno de corriente, por lo que se puede decir que la trayectoria de la corriente de retorno por tierra es trascendente en la magnitud del campo magnético.

Es necesario hacer notar que la proporción de la corriente que circula por la tierra es función de la trayectoria a lo largo de la línea y del número y la ubicación de los conductores enterrados. Estos conductores enterrados (tuberías u otro tipo de conductor) pueden concentrar el flujo de corriente cerca de la superficie de la tierra, incrementando el flujo magnético.

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Campo eléctrico longitudinal

Cualquier sistema huésped que comparta el mismo corredor o derecho de vía con una línea de transmisión de potencia será excitado por el campo eléctrico longitudinal creado por las corrientes de fase. En la figura 3 se muestra la geometría del problema.

La corriente que fluye en el sistema y el voltaje inducido puede variar con la posición longitudinal del sistema (figura 3).

En la figura 4 se muestran los resultados obtenidos del cálculo del campo eléctrico longitudinal para diferentes configuraciones de una línea de 115 kV.

Acoplamiento de energía electromagnética

Las líneas de potencia pueden inducir corrientes en los hilos de guarda o de blindaje, conductores de telecomunicaciones, cables usados como contra antenas de tierras, vías de tren y tuberías subterráneas que comparten el mismo derecho de vía con las líneas de potencia. La solución al problema principal se puede plantear atendiendo a dos objetivos:

a) Seguridad del personal de mantenimiento en el sistema huésped (telecomunicaciones, ferrocarril y sistema de tuberías).

b) Compatibilidad de operación de los sistemas eléctrico y electrónico de los sistemas huéspedes.

No existe una regla o norma para la regulación de límites de los efectos de inducción en este tipo de problemas, por lo que se tiene que acordar un criterio límite para cada caso. Las medidas de mitigación del problema se toman de acuerdo con los criterios de protección de personal, con los criterios de limitación de voltaje inducido magnéticamente en cualquier equipo y según la corriente disponible por inducción electrostática.

En líneas de alto voltaje normalmente se tienen corrientes mejor balanceadas en las tres fases, comparadas con las líneas de distribución o de bajo voltaje. Este desbalance puede producir flujos magnéticos altos en líneas de bajo voltaje comparados con los generados en líneas de alto voltaje.

El análisis del voltaje inducido, en cualquiera de los sistemas mencionados anteriormente y que comparten el mismo derecho de vía con líneas de potencia, depende de la corriente que circule en los conductores.

El voltaje inducido en estos sistemas puede existir en una longitud considerable del elemento receptor, por lo que se hace necesario el uso de procedimientos para la reducción de estos voltajes a niveles aceptables. Aun en sistemas donde el voltaje inducido es despreciable, es necesario analizar tanto al sistema receptor como a la línea de potencia en caso de que se pretendan realizar modificaciones.

Sumario

Tipos de interferencia en el medio ambiente electromagnético

Los campos electromagnéticos producidos por líneas de potencia en derechos de vía compartidos se evaluaron con la finalidad de obtener límites de interferencia. Se analizaron varias causas de interferencia para el caso de una tubería enterrada, éstas comprenden las siguientes áreas:

· Corrientes en los conductores de fase de la misma línea de transmisión.

· Corrientes de falla en la línea de transmisión.

· Inyección de corrientes en el tubo que pueden resultar de fallas a tierra de las líneas de transmisión cercanas a la tubería.

Corrientes en las líneas de transmisión

Las líneas de transmisión producen un campo magnético de baja frecuencia asociado con las corrientes en los conductores. Si se conocen las corrientes en los conductores es posible calcular el campo magnético usando la ley de Biot-Savart, la cual establece que el campo magnético en un punto p debido a una diferencia de corriente I dl, es directamente proporcional al producto de la corriente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre el punto y la corriente. Esta ley se puede expresar matemáticamente como:

Se realizaron cálculos de la densidad de flujo magnético en el ambiente del derecho de vía compartido con la finalidad de obtener los límites máximos a los que se ven sometidos los sistemas huéspedes (como pueden ser las tuberías enterradas), y así compararlos con las mediciones obtenidas en campo. El cálculo

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