Una línia d’alta tensió serveix per transportar energia elèctrica entre dos punts de la xarxa. Però una línia no es comporta com un conductor ideal. Quan hi circula corrent, apareixen efectes elèctrics que condicionen el transport de l’energia.
Els quatre paràmetres bàsics que expliquen aquest comportament són la resistència, la inductància, la conductància i la capacitat. A partir d’aquests paràmetres es poden entendre les caigudes de tensió, la circulació de potència i les pèrdues que es produeixen al llarg de la línia.
La resistència: les pèrdues per escalfament
La resistència és l’oposició que presenta el conductor al pas del corrent elèctric. Cap conductor és perfecte. Quan el corrent circula per una línia, una part de l’energia es transforma en calor.
Aquestes són les pèrdues per efecte Joule. Depenen sobretot del corrent que circula per la línia: com més corrent, més escalfament i més energia perduda. Per això el transport d’electricitat es fa a alta tensió. Si s’eleva la tensió, es pot transportar la mateixa potència amb menys corrent, i això redueix les pèrdues.
La resistència, per tant, és un paràmetre directament relacionat amb l’eficiència del transport elèctric. També depèn del material del conductor, de la seva secció, de la longitud de la línia i de la temperatura de funcionament.
La inductància: l’efecte del camp magnètic
Quan el corrent passa per un conductor, no només transporta energia. També crea un camp magnètic al voltant del conductor. Aquest camp forma part del funcionament normal d’una línia d’alta tensió.
En una línia de corrent altern, el corrent canvia contínuament de valor i de sentit. Com que el camp magnètic depèn del corrent, aquest camp també canvia contínuament.
La inductància és la propietat de la línia que fa que aquests canvis de corrent tinguin un efecte sobre el funcionament de la xarxa. Dit de manera simple: quan el corrent varia, la línia necessita energia per crear i modificar el seu camp magnètic.
Això fa que una part del corrent que circula per la línia no serveixi directament per portar energia útil fins al punt de consum, sinó per mantenir aquest comportament magnètic de la pròpia línia. Aquesta part s’associa a la potència reactiva.
La potència reactiva no és una pèrdua com la calor. No vol dir que l’energia desaparegui, com passa amb la resistència. Però sí que ocupa capacitat de la línia i influeix en la tensió. Per això pot afectar la manera com la xarxa transporta l’energia.
Per aquest motiu, en una línia d’alta tensió no n’hi ha prou amb estudiar només la resistència i les pèrdues per escalfament. També cal tenir en compte la inductància, perquè ajuda a entendre com es comporten la tensió i el corrent quan l’energia es transporta en corrent altern.
La conductància: les petites fuites de corrent
La conductància representa les fuites de corrent que es poden produir entre els conductors i terra, o a través dels elements d’aïllament. En una línia ben dissenyada i ben mantinguda, aquest efecte sol ser reduït, però no és inexistent. Aquestes fuites poden dependre de l’estat dels aïlladors, de la humitat, de la contaminació ambiental o de les condicions de l’aire al voltant de la línia.
En alta tensió, també poden aparèixer fenòmens com l’efecte corona. L’efecte corona apareix quan el camp elèctric al voltant d’un conductor és tan intens que comença a alterar l’aire que l’envolta. L’aire, que normalment actua com a aïllant, es pot ionitzar parcialment. Dit de manera senzilla: algunes partícules de l’aire es carreguen elèctricament i permeten petites descàrregues al voltant del conductor. Aquest efecte pot provocar una lleugera pèrdua d’energia, soroll, petites emissions lluminoses en alguns casos i interferències electromagnètiques.
Per tant, la conductància no sol ser el paràmetre més important d’una línia, però ajuda a descriure una part del seu comportament real: les petites fuites que poden aparèixer a través de l’aïllament o de l’aire que envolta els conductors. En estudis bàsics sovint té menys pes que la resistència, la inductància o la capacitat, però en anàlisis més detallades s’ha de tenir en compte.
La capacitat: l’efecte entre conductors i terra
La capacitat és la propietat que té una línia d’alta tensió de guardar una petita quantitat d’energia elèctrica en el camp elèctric que es forma al seu voltant. No és energia que es transporti directament fins al consumidor, sinó energia que queda associada al funcionament elèctric de la mateixa línia.
Els conductors són els cables metàl·lics de la línia, és a dir, els elements per on circula el corrent elèctric. Són els cables que veiem penjats entre les torres elèctriques i que transporten l’energia.
Aquests conductors treballen a una tensió molt elevada. A més, estan separats entre ells i també estan separats del terra. Encara que no es toquin, hi ha una diferència de tensió entre un conductor i un altre, i també entre cada conductor i el terra.
Quan hi ha una diferència de tensió entre dos elements, es crea un camp elèctric entre ells. Un camp elèctric és la influència que exerceix una tensió sobre l’espai que l’envolta. Dit de manera simple: un cable d’alta tensió no només transporta corrent pel seu interior, sinó que també genera un efecte elèctric al seu voltant.
Aquesta situació fa que la línia es comporti, en part, com un condensador. Un condensador és un element que pot acumular energia elèctrica perquè té dues parts conductores separades per un material aïllant. En una línia d’alta tensió passa una cosa semblant: els conductors fan de parts conductores i l’aire fa d’aïllant.
Per això diem que la línia té capacitat: perquè, a causa de la separació entre conductors i de la diferència de tensió entre ells, pot acumular i alliberar una petita quantitat d’energia en forma de camp elèctric. Aquest efecte és petit en moltes línies aèries curtes, però pot ser important en línies llargues i sobretot en cables subterranis o submarins.
La diferència amb la inductància és el tipus de camp i el tipus d’efecte que predomina. La capacitat està relacionada amb el camp elèctric, que apareix perquè hi ha conductors separats entre ells amb diferències de tensió. En canvi, la inductància està relacionada amb el camp magnètic, que apareix quan circula corrent pels conductors.
Dit d’una manera senzilla: la capacitat depèn sobretot de la tensió entre els conductors i el seu entorn, mentre que la inductància depèn sobretot del corrent que circula per la línia. La capacitat fa que la línia pugui acumular energia en el camp elèctric; la inductància fa que la línia acumuli energia en el camp magnètic.
Les pèrdues en el transport d’energia
Quan l’energia es transporta per una línia d’alta tensió, sempre hi ha una diferència entre l’energia que entra a la línia i l’energia que arriba al final. Aquesta diferència són les pèrdues del transport.
Les pèrdues principals són les pèrdues per resistència, causades per l’escalfament dels conductors. Però també poden aparèixer pèrdues associades a fuites d’aïllament, efecte corona, camps elèctrics i magnètics, i circulació de corrents no desitjats.
L’objectiu del disseny elèctric és reduir aquestes pèrdues i mantenir la línia dins d’uns límits segurs de funcionament. Això implica escollir bé el nivell de tensió, el tipus de conductor, la configuració de la línia i els sistemes de compensació o control necessaris.
Una línia és un element elèctric amb comportament propi
Una línia d’alta tensió no és només una connexió física entre dos punts. És un element elèctric amb un comportament propi. La resistència explica una part de les pèrdues, la inductància mostra l’efecte del camp magnètic, la conductància representa les fuites i la capacitat descriu l’efecte elèctric entre conductors i terra.
Entendre aquests quatre paràmetres és bàsic per analitzar qualsevol infraestructura de transport elèctric. També és necessari per calcular pèrdues, caigudes de tensió, límits de càrrega i condicions de funcionament de la xarxa.