MEDIDOR DE CAMPO ELECTRICO DEBAJO DE UNA LINEA DE TENSION

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MEDIDOR DE CAMPO ELECTRICO DEBAJO DE UNA LINEA DE TENSION (Noviembre 2015)

Jairo Andrés Fuentes Díaz 201210070, David Fernando González Martínez 20122007013, José Leonardo Villegas 20122007, Angie Tatiana Preciado Mosos 20131007

Resumen— En este documento se presenta un análisis del diseño de un medidor de campo eléctrico generado por las líneas de transmisión mediante simulaciones y cálculos realizados mediante el software de COMSOL y Matlab, además se hace uso del método de elementos finitos, de igual forma se hace uso del método de imágenes, finalmente se verificara si estos niveles de campo eléctrico son permitidos y corresponden a la reglamentación del país.

   Palabras clave – Campo Eléctrico, líneas de transmisión, COMSOL, Matlab, Método de elementos finitos (FEM), Método de imágenes.

  Abstract - This paper shows an analysis of the design of a electric field meter generated by the transmission lines through simulations and calculations made by Matlab and COMSOL software, also use the finite element method, just as is done using the method of images, finally verify if these levels of electric field are allowed and correspond to the regulations of the country.

Index Terms— Electric Field, transmission lines, COMSOL, Matlab, finite element method (FEM), Method of images.

1. INTRODUCCION

L

as líneas de transmisión son importantes para llevar la energía eléctrica algún país o ciudad, debido al gran crecimiento de demanda energética en las diversas regiones de los diferentes países, la exposición a campos electromagnéticos ha presentado de manera, la exposición de personas que viven cerca de las líneas de transmisión puede conllevar problemas de salud, e incluso la muerte por casos de electrocución.

A su vez se ha incrementado la preocupación por el bienestar de las personas, por lo que organismos científicos se han dado a la tarea de investigar todos aquellos posibles efectos que puedan acarrear consigo el estar expuestos a los campos que generan las líneas de transmisión, para de esta forma tomar medidas preventivas y correctivas que permitan eliminar cualquier factor de riesgo que se pueda presentar al momento de distribuir la energía eléctrica.

En este documento se obtendrá las mediciones del campo eléctrico producido por las líneas de transmisión para tener un conocimiento  de que tanta magnitud posee estos campos y que tanta carga generan, para posteriormente compararlos con los valores estipulados por el RETIE e identificar el factor de riesgo que estas generan.

1. OBJETIVOS

1. Objetivo General

Obtener un dispositivo que mida el campo que se presenta debajo de una línea de tension

1. Objetivos Específicos

1. Realizar la simulación del campo eléctrico que presenta una línea de tension.
2. Realizar la validación del dispositivo diseñado para medir campo electrico

1. MARCO TEÓRICO

De manera preliminar es necesario conocer el concepto de carga eléctrica, es una propiedad característica y fundamental de todas las partículas que componen la materia, existen dos clases de carga positiva y negativa, y cualquier fragmento de materia contiene aproximadamente igual de número de las dos partes. [1]

De esta manera podemos mencionar el concepto de campo eléctrico:

El campo eléctrico: se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. El campo eléctrico está dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.

Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica F dada por la siguiente ecuación:

[pic 1]

Ecuación 1. Fuerza eléctrica

De aquí Q1 y Qt son cantidades de carga positiva y/o negativa, y K es la constante de proporcionalidad. [3]

Otro concepto que está ligado a la magnitud de campo eléctrico es la diferencia de potencial eléctrico, y la expresión matemática que lo relaciona es:

[pic 2]

Ecuación 2. Diferencia de potencial

Donde Vab es la diferencia de potencial existente entre a y b de una región donde hay aplicado un campo eléctrico E. esta es una cantidad escalar y se mide en Voltios (V). [4]

Los campos eléctricos pueden tener su origen en cargas eléctricas y también en campos magnéticos variables. Existen dos tipos de campos eléctricos: naturales, originado en la superficie de la tierra y varía con el tiempo y la localización, y, artificiales, que son los producidos por las instalaciones y equipos eléctricos creados por el hombre, estos pueden ser estáticos o variantes en el tiempo, la exposición a estos últimos ha aumentado en gran medida últimamente debido a la gran demanda de energía eléctrica que  se presenta en la actualidad. [5]

Campo eléctrico variante en el tiempo:

Se propagan en forma de ondas electromagnéticas tanto en el material como en el vacío, las cuales lejos del foco emisor pueden considerarse como ondas transversales planas formadas por un campo magnético H y por un campo eléctrico E, perpendicular entre sí y perpendicular a su vez a la dirección de propagación.

Ambos tienen tanto magnitud como dirección pero como son variantes en el tiempo estos se propagan en una misma dirección lo que permite considerarlos como una onda sinusoidal a través del tiempo. Estos transportan energía y tienen asociadas una frecuencia y longitud de onda.

El campo eléctrico en un punto del espacio, es un vector definido por sus componentes espaciales a lo largo de los tres ejes ortogonales, para campos sinusoidales en estado estable, cada componente espacial es un fasor, expresando su magnitud por un valor RMS en voltios por metro (V/m).

Al ser ondas electromagnéticas estas son transportadas por fotones, y esta energía está descrita por la ecuación de Planck:

[pic 3]

Ecuación 3. Ecuación de energía de Planck

Donde H es la constante de Planck equivalente a 6,62 x10-34 J/s y f es la frecuencia de onda en Hertz (Hz). De esto se deduce que los fotones con mayor frecuencia transportan menor energía y los de menor frecuencia transportan menor energía. Estas generan radiación dividida en dos tipos:

Radiación ionizante: tipo de radiación, donde las ondas transportan tanta energía que son capaces de destruir enlaces químicos existentes entre las moléculas de los seres vivos, son aquellos cuyas frecuencias son mayores a los 3 PHz.

Radiación no ionizante: las energía transportada no tiene la capacidad de destruir los enlaces, se encuentran en el rango entre 0 y 300 GHz.

En los sistemas eléctricos se consideran los campos de frecuencias extremadamente bajas (60 Hz), y por lo tanto los campos aquí generados tienen un comportamiento cuasiestático, lo cual permite calcular tanto el campo eléctrico como el magnético de forma separada, como estos no están acoplados se pueden considerar independientes tanto en su medición como en su modelamiento.

En Colombia dentro del sistema eléctrico los campos electromagnéticos más significativos son los debidos a los tendidos de alta tensión y a las subestaciones eléctricas, aquí cualquier conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado, que está presente aunque no fluya corriente eléctrica, cuanto mayor sea la tensión, mayor es el campo eléctrico producido en una cierta distancia. Los campos eléctricos son más intensos cuanto menor sea la distancia al conductor cargado y su intensidad disminuye al aumentar la distancia. [6]

Transporte de energía eléctrica

La red de transporte de energía eléctrica es la que permite llevar la energía desde las centrales eléctricas hasta los diferentes puntos de consumo (a grandes distancias).  Donde un aspecto fundamental en el transporte de energía es que se maneja altos  niveles de tensión en relación a un nivel de potencia a transmitir, lo  cual mediante un transformador eleva los niveles de  tensión disminuyendo la corriente y así evitando el efecto joule (perdida de energía en forma de calor o mediante el calentamiento del conductor en este caso). Donde por lo general esta transmisión se realiza con niveles de tensión superior a 200kv, de 400 KV a 500 KV.  

Una línea de transporte de energía eléctrica contiene los siguientes elementos: conductor, usualmente cables de acero, cobre o aluminio, y también por los  elementos de soporte.

Elementos principales en una línea aérea de transmisión son:

•        Aisladores,  

•        Postes: De madera, Cemento, Acero

•        Seccionadores.

•        Conductores

•        Banco de capacitores.

•        Apartar rayos. Son equipos eléctricos diseñados para drenar a tierra los sobre voltajes producidos por medios climáticos o fallas en el sistema.

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