1. O QUE É O EFEITO DE COROA

O efeito de coroa é o fenómeno que resulta de uma descarga parcial no ar (generalizando, em qualquer fluído) provocada pela ionização desse meio quando um condutor é percorrido pela corrente eléctrica e verifica-se quando o valor do gradiente[1] do campo eléctrico é suficiente para ionizar o meio, mas não para provocar a sua ruptura dieléctrica[2] ou um arco eléctrico entre os condutores. Este fenómeno verifica-se sobretudo quando a distância entre condutores é grande quando comparada com o seu diâmetro.

É habitual classificar o efeito de coroa como positivo ou negativo, de acordo com a polaridade da tensão nos condutores encurvados – positivo se a curvatura do condutor é positiva relativamente a um condutor plano de referência e negativo em caso contrário.

Este fenómeno apresenta-se normalmente em três formas distintas – em forma de pluma, quando o gradiente do campo eléctrico é cerca de 20 kV/mm; em forma de escova para um gradiente de aproximadamente 25 kV; em forma de bolbo, se o gradiente do campo eléctrico é cerca de 30 kV/mm. Junto aos condutores e/ou isoladores uma luminescência (“clarão”) com uma cor no espectro azul/violeta, como se mostra na figura 1.

1-2
Figura 1 – Efeito de Coroa

Embora o efeito de coroa se verifique para tensões iguais ou superiores a 30 kV, é nas instalações de Alta Tensão (AT) que este fenómeno ocorre com mais frequência e apresenta maiores desvantagens, principalmente em Muito Alta Tensão (MAT) – U ≥ 150 kV – mais habitualmente junto às cadeias de isoladores dos postes das linhas aéreas e dos pórticos de amarração de linha das subestações, e também junto às “cabeças” dos Transformadores de Tensão (TT) e dos Descarregadores de Sobretensões (DST, vulgarmente conhecidos como para-raios) nas subestações exteriores com isolamento no ar (AIS).Figura 1 – Efeito de coroa

2. FACTORES QUE INFLUENCIAM O EFEITO DE COROA

A amplitude do efeito de coroa depende não só do valor do campo eléctrico, e consequentemente da tensão da instalação, mas também do diâmetro dos condutores e do respectivo posicionamento relativo e distância, da altitude, das condições ambientais e atmosféricas e o estado dos condutores, isoladores, ligadores e outros acessórios.

Como o gradiente do campo eléctrico é maior na superfície de um condutor (devido ao efeito pelicular[3]), os condutores com diâmetro maior têm na sua superfície um gradiente do campo eléctrico menor que os condutores com um diâmetro inferior, concluindo-se assim que aqueles condutores têm um efeito de coroa mais baixo.

Um aumento da altitude resulta numa rarefação do ar (menor densidade), o que intensifica o efeito de coroa. A presença de poeiras, humidade, gotas de chuva, neve, nevoeiro, geada e condensações na superfície dos condutores são factores que contribuem para o aparecimento ou para o aumento do efeito de coroa.

A existência de zonas irregulares nos condutores e acessórios, tais como protuberâncias, pontos de desgaste mais pronunciado e arestas pontiagudas provocam uma concentração do campo eléctrico nesses pontos, e consequentemente um aumento do seu gradiente, constituindo também uma causa do efeito de coroa.

3. CONSEQUÊNCIAS DO EFEITO DE COROA E PROTECÇÕES

O efeito de coroa tem consequências prejudiciais para as pessoas, para instalações e sistemas que se encontram na sua vizinhança, designadamente rádio-interferência nos sistemas de telecomunicações, e também para as próprias instalações em que é gerado.

Para as pessoas, para além do ruído produzido, que pode ser incómodo, as suas consequências mais gravosas são a produção de ozono e óxido de azoto, gases nocivos não só para a saúde das pessoas, mas também dos animais. O efeito de coroa prejudica também o funcionamento dos pacemakers.

Nas instalações onde se verifica o fenómeno há um aumenta das perdas nos condutores das linhas aéreas (perdas essas que se dissipam em diversa formas – calor, luz, som e reações químicas), possibilidade de descargas electrostáticas entre condutores e entre condutores e partes metálicas normalmente sem tensão, que podem dar origem a arcos eléctricos, e consequentemente curto-circuitos e destruição dos isoladores e outros elementos constituintes da linha aérea, e diminuição da rigidez dieléctrica[4] do isolamento dos equipamentos eléctricos (geradores, transformadores, motores e baterias de condensadores).

O efeito de coroa pode ainda induzir correntes em estruturas metálicas que se encontrem na vizinhança da linha aérea, tais como vedações, veículos e coberturas metálicas. Essas correntes podem representar perigo de electrocussão para pessoas e animais.

Contudo, o efeito de coroa reduz os efeitos dos fenómenos transitórios que acontecem durante as descargas atmosféricas e devido à ionização do ar à volta de um condutor, aquele meio torna-se condutor, aumentando virtualmente o diâmetro dos condutores, o que reduz o esforço electrostático entre os referidos condutores.

As linhas MAT e AT utilizam, nas cadeias de isoladores de suspensão e de amarração, dispositivos em forma de anel (ver figura 2), de forma toroidal, vulgarmente conhecidos pela designação inglesa corona rings, para dispersar as linhas de força do campo eléctrico e diminuir o gradiente de potencial para valores inferiores aos necessários para produzir o efeito de coroa.

3-4
Figura 2 – Anéis de protecção contra o efeito de coroa em cadeias de suspensão (esquerda) e cadeias de amarração (direita)

Nos TTs e DSTs das subestações do tipo AIS a solução é semelhante, como se ilustra na figura 3.

5-6
Figura 3 – Anéis de protecção contra o efeito de coroa em TTs (esquerda) e DSTs (direita)

Para além da utilização dos anéis e da regularização das superfícies, evitando ou minimizando pontos singulares, outros métodos para minimizar as consequências do efeito de coroa consistem em aumentar o espaçamento entre condutores e o seu diâmetro; a utilização destes métodos deve ser precedida de uma análise técnico-económica.

4. FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DO EFEITO DE COROA

De uma forma geral para condutores paralelos no ar não se verifica o efeito de coroa quando:

D/r < 5,85

Onde r é o raio dos condutores e D a distância entre eles.

Define-se tensão disruptiva crítica como o menor valor da tensão entre fase e neutro (ou terra) para a qual se verifica o efeito de coroa. Sendo r [cm] o raio do condutor, d [cm] a distância entre o condutor e o neutro (ou a terra) e U [V] a tensão, a expressão geral do gradiente do campo eléctrico E, que designaremos por G (notação matemática – ):

7

Onde ln representa o logaritmo neperiano.

Para que se produza o efeito de coroa é necessário que G seja maior ou igual à tensão de disrupção do ar, que à pressão atmosférica (1,01325 × 105 Pa = 1 atm = 760 mmHg[5]) e à temperatura de 25 ºC, vale 30 kV/cm – considerando o valor máximo de U – ou 21,2 kV/cm – considerando o valor eficaz de U.

Se designarmos por G0 o valor de grad E que satisfaz à condição anterior, pode-se concluir que o valor crítico da tensão de disrupção, que designaremos por Uc, é calculado pela expressão:

8

Como foi referido anteriormente (Capítulo 2) as condições ambientais e a altitude influenciam o efeito de coroa. Se as premissas de pressão e temperatura forem diferentes das enunciadas atrás a densidade do ar varia; essa variação pode exprimir-se por um factor δ, que pode ser calculado, para uma determinada pressão P [Pa] e temperatura θ [ºC], pela expressão:

9

Designado por G’0 o valor de grad E que corresponde às novas condições, e que é directamente proporcional à densidade do ar, ter-se-á:

10

Nestas circunstâncias o valor crítico da tensão de disrupção, correspondente às novas condições e que designaremos por U’c, é calculado pela expressão:

11

Considerando um factor de irregularidade da superfície do condutor, m0, a expressão anterior escreve-se:

imagem1

Os valores habituais de m0 são:

  • Condutores polidos: m0 = 1
  • Condutores contaminados: m0 = 0,92-0,98
  • Condutores trefilados: m0 = 0,80-0,87

Define-se ainda a tensão crítica visual, que se representa por UV, como o menor valor da tensão entre fase e neutro (ou terra) para o qual o efeito de coroa se verifica ao longo dos condutores da linha aérea. Utilizando os significados definidos anteriormente para os parâmetros e variáveis, UV é calculada pela seguinte fórmula empírica:

12

 

O factor mV é também um factor de irregularidade, que toma os seguintes valores:

  • Condutores polidos: mV = 1
  • Condutores irregulares: mV = 0,72-0,82

Considerando os valores eficazes da tensão de serviço (U) e de Uc, ambos em kV, e sendo f [Hz] a frequência da rede, o valor das perdas (PCO) por efeito de coroa é calculado pela expressão:

13

5. APLICAÇÕES DO EFEITO DE COROA

Apesar dos inconvenientes atrás referidos o efeito de coroa, quando controlado, tem várias aplicações industriais, das quais se destacam:

  • Produção de ozono.
  • Arrefecimento de componentes electrónicos utilizados no fabrico de chips para equipamentos microprocessados.
  • Remoção de cargas electrostáticas da superfície de aeronaves durante o voo.
  • Remoção de compostos orgânicos da atmosfera, tais como pesticidas e solventes.
  • Desinfecção da água das piscinas.
  • Depuração de partículas nos sistemas de ar condicionado, funcionando como precipitador electroestático.
  • Produção de laser de azoto.
  • Tratamento de superfícies para a cultura de tecidos animais e vegetais.
  • Processos de impressão e fotocomposição.

O Autor não utiliza o Novo Acordo Ortográfico

Notas:

[1] O operador gradiente de um campo escalar F é um vector que indica o sentido e a direção na qual, por deslocamento a partir de um ponto especificado, de obtém o maior aumento possível no valor desse campo.

[2] A ruptura dieléctrica de um material isolante acontece quando o valor do campo eléctrico a que ficam submetidos é muito intenso, tornando esses materiais condutores. Para o ar, essa ruptura ocorre para campos elétricos da ordem de 3 x 106 V/m. Diz-se que, nestas circunstâncias, se dá uma disrupção.

[3] O efeito pelicular é um fenómeno que se caracteriza pela repulsão entre linhas de corrente electromagnética (corrente alternada), criando a tendência para que a corrente flua na superfície dos condutores.

[4] Define-se rigidez dieléctrica como “a capacidade que um material isolante tem de suportar o campo eléctrico sem perda das suas características de isolante” (ruptura dieléctrica).

[5] Entre parêntesis estão indicadas unidades de pressão. Pa: Pascal – unidade de pressão do Sistema Internacional de Unidades (SI); atm: atmosfera; mmHg: milímetros de mercúrio.

*

prof-bolotinha