Efeito Corona

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ 
PRÓ-REITORIA DE ENSINO DE GRADUAÇÃO 
CURSO DE BACHARELADO ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
MARLÚCIO ANDERSON DA CONCEIÇÃO TRAJANO 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO DO EFEITO CORONA E OUTROS EFEITOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Macapá-AP 
 2011 
 
I INTRODUÇÃO 
 
Atualmente, um dos maiores problemas a ser enfrentado pela engenharia elétrica 
no que diz respeito a transmissão de energia se dá exatamente com a perda de potencia 
ao longo das linhas de transmissão. Segundo informações atualizadas do panorama 
elétrico brasileiro, o nosso sistema elétrico apresenta perdas técnicas da ordem de 15%, 
o que traduzido em potencia fica em torno de 54 milhões de MWh que ocorre desde a 
eletricidade que é gerada nas usinas, passando pelas linhas de transmissão e redes de 
didtribuição até chegar na tomada do consumidor final. 
Se fosse adotado o padrão internacional para perdas de energia, que chega ate 
6% o Brasil teria um ganho de disponibilidade de energia elétrica de 33 milhões de 
MWh, equivalente ao que produz em um ano uma usina elétrica de 6500 MW de 
potencia instalada (o mais da metade da produção da usina de Itaipu). As medidas 
necessárias para promover esta reduação destas perdas consistem basicamente no 
melhor isolamento nas linhas e na substituição de equipamentos antigos ou defeituosos, 
como os transformadores. Elas representam custos muito menores do que os 
investimentos para a construção de novas usinas. 
Longe das medidas politicas e econômicas, é interessante conhecer e minimizar 
as perdas de potencia que ocorre nas linhas de transmissão por efeitos eletrofisicos. A 
engenharia elétrica tem a missão de conhecer tais efeitos para poder trata-los de forma 
adequada minimizando seus efeitos, buscando a otimização da distribuição elétrica. 
Este trabalho mostrara um estudo não muito profundo a respeito dos principais efeitos 
causadores de perda de potencias na LT‟s: Corona, Pelicular, Hall e Ferranti. 
 
 
 
 
 
 
 
 
II DESENVOLVIMENTO 
 
01. EFEITO CORONA 
 
1.1. Conceito 
O efeito corona é um fenômeno relativamente comum em linhas de transmissão 
com sobrecarga. Devido ao campo elétrico muito intenso nas vizinhanças dos 
condutores. O Efeito Corona é um mecanismo de descarga eletrostática que acontece 
devido à ionização em um material isolante, geralmente um gás, sujeito a um campo 
elétrico de intensidade acima de um nível crítico (Extra Alta Tensão e Ultra Alta 
Tensão). 
O efeito coroa está presente em todas as manifestações físicas que envolvam alta 
tensão. Ele acompanha os projetos de engenharia tanto de forma benéfica, quanto de 
forma indesejável. No campo da transmissão de energia elétrica, o efeito se refere às 
perdas elétricas, ruído acústico e ruído eletromagnético, interferindo na faixa de rádio e 
TV. 
O efeito corona normalmente aparece nas superfícies dos condutores das linhas 
de transmissões de energia elétrica, em conseqüência dos níveis de tensões de operação, 
das configurações de fixação dos condutores e das condições climáticas onde estão 
construídas. 
A representação do efeito corona em linhas de transmissão de energia aumenta 
consideravelmente a complexidade das equações de ondas. Em linhas de transmissão de 
energia elétrica podem ocorrer descargas elétricas, devido ao efeito corona, entre o 
condutor fase e solo. Essas descargas ocorrem quando a diferença de potencial entre 
uma fase da linha e o solo excede o valor do gradiente crítico disruptivo do ar. 
 Quanto maior o nível de tensão para uma determinada configuração de linha, 
maiores serão as perdas devido ao efeito corona. Contrariamente, quanto maior o nível 
de tensão, menores serão as perdas devido ao efeito Joule (proporcional ao quadrado da 
corrente), pois, a corrente circulante será menor para uma mesma potência transmitida ( 
P=V.I ). Obviamente teremos uma tensão ótima de transmissão considerando, de uma 
maneira simplificada, os dois tipos de perdas. 
No âmbito de sistemas de transmissão de energia elétrica, o efeito coroa é, na 
maioria das situações, indesejável. Uma linha sob efeito coroa possui perdas elétricas, 
emite ruído no espectro eletromagnético, afetando faixas de rádio e TV; ruído acústico, 
geração de ozônio, etc. Para linhas longas de extra-alta tensão (345 kV ou superior), o 
efeito coroa é fator determinante no projeto, no qual as perdas estimadas pelo fenômeno 
equivalem em ordem de grandeza às perdas por efeito Joule. 
Uma curiosidade interessante é que o efeito Corona também é conhecido como 
“Fogo de Santelmo”. O nome Fogo de Santelmo vem de Santo Elmo, padroeiro dos 
marinheiros, e surgiu quando antigos marinheiros observavam navios com os mastros 
envolvidos por uma tênue luz. Mais tarde, observou-se que tal luz ocorria 
principalmente nas regiões tropicais, em condições que precediam tempestades. As 
nuvens eletrizadas induziam as cargas nas pontas dos mastros, produzindo o efeito 
corona. 
 
 
1.2. Comportamento físico 
 
 
O efeito coroa é gerado e sustentado por diversos mecanismos de ionização. 
Alguns processos serão dominantes, de acordo com a região no espaço e o instante, mas 
as ionizações secundárias possuem um efeito importante no processo. O processo mais 
relevante é a ionização por colisão de partículas, porém este processo não é auto-
inicializável. A ionização associada ao efeito coroa, de grande complexidade, pode ser 
descrita resumidamente pelos seguintes aspectos: 
1. Na ausência de campo elétrico, e densidades não muito elevadas, as partículas 
têm distribuições estatísticas de velocidade e energia, do tipo de Maxwell-Boltzmann, 
com parâmetros característicos da distribuição da energia cinética proporcional a k T, 
sendo T a temperatura e k a constante de Boltzmann. 
2. As diferentes partículas sofrem choques entre si, com troca de energia, com 
uma distribuição estatística da distância, percorrida entre choques sucessivos. 
3. Se no choque entre partículas, uma delas receber um acréscimo de energia 
superior à energia de ionização, dá-se a liberação de um elétron. 
4. Em presença de campos elétricos intensos, os elétrons, entre choques 
sucessivos com outras partículas, são acelerados, ficando com energia cinética 
adicional. Se esta energia for suficiente para, no choque com um átomo, receber energia 
adicional suficiente para sua ionização, o átomo neutro libera outro elétron, aumentando 
a quantidade de elétrons no meio. 
5. Os elétrons liberados pela ionização dos átomos são atuados pelo campo 
elétrico, podendo, com a liberação de elétrons, aumentarem a “cascata” da proporção de 
partículas ionizadas, se o campo elétrico for uniforme e a distância entre elétrons muito 
elevada. 
6. Numa parte dos choques com outras partículas, os elétrons ficam “absorvidos” 
pelo átomo, formando-se um íon negativo, mas de massa elevada, portanto pouco 
“efetivo” para a progressão de ionização. Por outro lado, se o gás estiver 
significantemente ionizado, numa parte dos choques dos elétrons com íons positivos, 
ocorre a formação de um átomo neutro. 
7. Os elétrons e íons, positivos e negativos, sob a ação do campo elétrico, 
adquirem uma velocidade resultante na direção do campo elétrico. Devido a diferença 
de massas e de características quanto a choques e interação com outras partículas, a 
velocidade das cargas positivas e negativas, em sentidos opostos, é diferente. Fica-se 
com uma carga espacial resultante, que altera a distribuição local do campo elétrico, 
mesmo com tensãoentre eletrodos constante, modificando, portanto o campo elétrico e 
as condições de absorção de elétrons. 
8. Numa parte das reações ocorre emissão de fótons, no qual parte interage com 
outras partículas, com mecanismos de absorção, emissão ou eventual ionização. 
9. A incidência de elétrons, íons e fótons nos eletrodos metálicos origina 
emissão de íons na superfície dos eletrodos, dependendo do material e do estado da 
superfície dos eletrodos. 
10. Há ainda alguns mecanismos de ionização associados a “composição de 
efeitos”, por exemplo, de mais de um choque entre partículas, “ressonâncias” de 
comportamento atômico e ionização “residual” do ar por mecanismos externos. 
 
Basicamente, podemos resumir de forma mais clara, o comportamento do efeito: 
 
- Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico 
que acelera elétrons livres aí existentes; 
- Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, os 
mesmos podem produzir novos elétrons a partir do choque com outros átomos. É o 
processo de ionização por impacto; 
- Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com 
átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte 
de sua energia cinética; 
- Ocasionalmente, um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de 
forma a excitá-lo; 
- Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. 
O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo 
perde parte de sua energia, para criar esse estado; 
- Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando 
o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações 
eletromagnéticas; 
- Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em 
átomo neutro. Esse processo, denominado recombinação, também libera o excesso de 
energia. 
 
 Corona em Condutor positivo: 
 
 O coroa em torno de um catodo cilíndrico é distribuído uniformemente. Ocorrem 
impulsos de pequena amplitude, associados a “flâmulas” e “microdisrupções”. Por 
vezes as microdisrupções são desencadeadas por flâmulas, ou vice-versa, e na formação 
e freqüências dos dois mecanismos têm importância a carga espacial e a geometria da 
“ponta” do eletrodo. 
Para campos mais intensos, cessa a formação de flâmulas, atingindo-se uma 
condição estacionária resultante da sobreposição de microdisrupções. 
 
 
 
 Corona em Condutor negativo: 
 
 O coroa em torno de um anodo cilíndrico é caracterizado pela irregularidade, 
comparado ao coroa positivo. A partir do limiar de campo elétrico, em pontos distintos, 
ocorrem os denominados impulsos de Trichel. Conforme se aumenta a tensão no 
sistema, aumenta-se a amplitude e freqüência destes impulsos. 
 
 
 
 
1.3. Diferença de Efeito Corona entre CA e CC 
 
 
O regime sinusoidal nos cabos de corrente alternada produz efeitos 
completamente distintos à corrente contínua. O campo alternado não permite o 
desprendimento de grande parte dos íons, ficando estes próximos ao condutor, ao 
contrário do campo contínuo, onde os íons espalham-se pelo campo (essencialmente) 
unidirecional. Conseqüentemente, pela distância atingida pelos íons em corrente 
contínua, estes ficam mais suscetíveis à ação do vento. 
O efeito em cada fase na CA é aproximadamente uniforme, havendo variação 
somente pela diferença de intensidade do campo elétrico em cada cabo. Em CC, cada 
pólo possui efeito completamente distinto, não somente dependendo da intensidade do 
campo, mas devido à diferença de partículas envolvidas, observado claramente em 
laboratório. 
Na presença de campo elétrico contínuo, ocorre polarização de partículas em 
suspensão no ar, as quais se acumulam na superfície dos condutores, alterando o estado 
da superfície. Este fenômeno é determinante para uma estimativa do fator de superfície 
de condutores ao longo da vida útil da linha, sendo bastante distinta entre linhas CA e 
CC, afetando desta forma rotinas de inspeção e manutenção. Um estudo econômico da 
linha pode considerar este efeito, no qual a degradação do fator de superfície converter-
se-á em aumento na perda por efeito coroa. 
 
 
 
 
 
1.4. Modelagem 
 
 
Um dos parâmetros mais relevantes sobre o fenômeno é o campo elétrico de 
inicialização do efeito, ocorrendo na superfície do condutor. O ponto de inicialização 
depende das características do gás, tais como sua composição, pressão e umidade. 
Em termos macroscópicos, o campo elétrico superficial apresenta variação 
devido às irregularidades da superfície, o que acrescenta um fator estatístico na 
determinação do efeito. Apresenta-se a seguir alguns modelos propostos, a saber: 
• Modelo de Peek; 
• Modelo de Whitehead; 
• Modelo de Tikhodeyev; 
• Modelo de Portela e Santiago. 
 
 
Modelo de Peek: 
 
 Peek (1911, 1929) determinou o valor do limiar, para tensões CA (valor de pico) 
em cilindros coaxiais: 
 
 
 
e para fios paralelos, a distâncias muitos superiores ao diâmetro, e com outros objetos a 
distância dos condutores muito superior à distância entre eles: 
 
 
 
sendo o campo elétrico superficial limite para a ocorrência do efeito, r o raio do 
condutor, m o fator de superfície (ou de forma) e a densidade relativa do meio. Neste 
modelo assume-se que o efeito ocorrerá de forma uniforme ao longo do condutor, sendo 
na realidade inicializado próximo às imperfeições (mossas, defeitos, danos em geral, 
gelo, partículas devido a poluição, etc). O efeito também é alterado pela própria forma 
canelada do condutor. 
 
 
Modelo de Whitehead: 
 
 Sendo contemporâneo de Peek, Whitehead (1910) obteve uma fórmula no 
mesmo molde: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Modelo de Tikhodeyev: 
 
 Tikhodeyev (1976) apresentou uma proposta de fórmula, aplicada aos 
condutores em corrente contínua: 
 
 
Este trabalho, feito com menos rigor ao de Peek (1929), apresenta desvios inferiores a 
4%. Entretanto, com a imprecisão relativa ao parâmetro m, este desvio torna-se pouco 
significativo. 
 
 
 
Modelo de Portela e Santiago: 
 
 O trabalho de Portela e Santiago (1991) apresenta uma formulação alternativa, 
neste caso obtendo o raio do condutor, , no qual o campo elétrico superficial 
especificado é crítico: 
 
 
 
sendo 
 . 
 
Esta formulação provou-se mais adequada na extrapolação do raio tendendo ao 
infinito, tendendo a uma superfície plana, no qual se conhece seu campo elétrico de 
ruptura, da ordem de . 
 
 
Comparação entre os modelos: 
 
 
 
 
 
1.5. Medidas de Atenuação 
 
 
Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, 
portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por 
conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de 
pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se 
alcançaram meios que permitem determinar, com razoável segurança, qual o 
desempenho que se poderá esperar para as diversas soluções possíveis para uma linha 
de transmissão, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se 
relacionam com a geometria dos condutores, tensões de operação, gradientes de 
potencial nas superfícies dos condutores e, principalmente, com as condições 
meteorológicas locais. 
Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tensões 
extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilometro até algumas centenas 
de quilowattspor quilometro, sob condições adversas de chuva ou garoa. As perdas 
médias, como se verificou, podem constituir apenas pequenas partes das perdas por 
efeito joule, porém as perdas máximas podem ter influencia significante nas demandas 
dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional deverá 
ser prevista ou a diferença de energia importada. 
Em vista do exposto, pode-se concluir que, para as linhas de transmissão em 
tensões extra e ultra-elevadas, o dimensionamento econômico das linhas está 
diretamente relacionado com a escolha do gradiente de potencial máximo admissível na 
superfície dos condutores das linhas de transmissão. Gradientes para uma mesma classe 
de tensão somente são reduzidos mediante o emprego dos condutores de diâmetros 
maiores, ou maior espaçamento entre fases, ou pelo emprego de condutores múltiplos, 
com número crescente de sub condutores, ou pela forma com que são distribuídos sobre 
o circulo tendo como centro o eixo do feixe. 
Alternativamente, vem sendo pesquisados outros métodos para a redução da 
radio interferência e ruídos audíveis, como a colocação de espiras ao longo dos 
condutores ou o seu envolvimento em capas de neoprene. A disposição dos sub 
condutores em forma de polígono irregular também vem sendo investigada como meio 
de reduzir os gradientes de potencial, e parece ser a forma mais promissora: é possível 
encontrar uma posição para cada sub condutor na periferia de um circulo, de forma que 
o gradiente em todos os sub condutores seja mínimo. 
O emprego dos condutores múltiplos assimétricos tem apresentado problemas de 
estabilidade mecânica sob ação do vento, e a melhor solução sob esse aspecto poderá 
conflitar com a melhor solução sob o aspecto de distribuição de gradientes de potencial. 
 
 
2 EFEITO PELICULAR 
 
2-1 Conceito 
Este efeito se caracteriza pela diminuição da densidade de corrente no interior de 
um condutor, simultaneamente a uma aumento da corrente na coroa ou seção mais 
externa, produzido pela ação do campo eletromagnético alternado aplicado ao mesmo. 
Esta característica torna-se mais pronunciada proporcionalmente ao aumento da 
frequência de excitação. 
O efeito pelicular evidencia-se mais nas altas frequências, e a distribuição da 
densidade de corrente, j, se faz exponencialmente , a partir da superfície, função do 
material e da frequência. 
Quando uma corrente elétrica constante flui em um o condutor homogêneo, de 
seção transversal não negli-genciavel, ela se distribui uniformemente nesta seção.O 
mesmo não se pode dizer quando a corrente alternada, esta não se distribui 
uniformemente e a distribuição depende da freqüência, do campo elétrico,da 
condutividade elétrica, das dimensões e da forma geométrica do condutor. No caso de 
um condutor de seção transversal circular a densidade de corrente varia ao longo do 
raio, sendo máxima na superfície e mínima sobre o eixo. A concentração de corrente 
próxima a superfície do condutor chama-se efeito pelicular ou efeito Kelvin em 
homenagem a Lord Kelvin,por sua contribuição ao estudo deste efeito em condutores 
cilíndricos (1889). O efeito pelicular apresenta interesse técnico e também acadêmico, 
principalmente pelas suas sutilezas. 
 
2-2 Mecanismo eletro-fisico’ 
Quando aplicamos uma corrente constante a um condutor elétrico, esta irá se 
distribuir uniformemente por todo o diâmetro do mesmo. Agora, se a fonte fornecer 
uma tensão senoidal, de uma dada freqüência f, teremos uma maior densidade de 
corrente na região superficial do condutor. Este fenômeno é o Efeito Pelicular. 
Isto ocorre pois a corrente circulando no condutor, com um sentido J, gera um 
campo magnético B por indução.Este, por sua vez, cria um campo elétrico E. Dada a 
orientação do campo elétrico,ele irá reduzir a intensidade da corrente no centro do 
condutor e aumentar na superfície, causando o Skin Effect .Em corrente contínua este 
fenômeno não ocorre, já que não já variação dos campo no tempo e, portanto não há 
interação entre eles. 
A Figura 1 ilustra o comportamento e a interação entre os campos elétrico e 
magnético, bem como o sentido da corrente J num dado momento, em um certo 
condutor cilíndrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quanto maior a freqüência da onda, maior será a concentração da corrente na 
superfície. Além disto, a resistência elétrica do condutor, suas dimensões e forma 
geométrica também influenciam na distribuição da mesma.‟ 
Na transmissão de energia por meio de corrente alternada (CA), o Efeito 
Pelicular tem uma importante influência na perda de potência da linha. Devido a 
frequência da corrente, que no caso do Brasil o sistema interligado opera a 60 Hz, a 
densidade da corrente não é uniforme no condutor e sim variando com o raio em sua 
seção transversal. Com o fluxo de elétrons maior nas áreas da periferia do condutor e 
menor próximo ao centro, a área efetiva por onde a corrente passa diminui, aumentando 
a resistência e conseqüentemente a perda de energia por efeito Joule. 
Em virtude da corrente elétrica diminuir ao se aproximar do centro do condutor, 
muitos cabos utilizados em Linhas de Transmissão, possuem uma Alma de Aço ou 
Alma de Alumínio Liga para aumentar a resistência à tração dos cabos. 
Em transmissão de energia por corrente contínua (CC) a corrente se distribui de forma 
uniforme no condutor e mesmo operando com correntes de valor mais alto que em 
relação à transmissão CA, o Efeito Pelicular é nulo devido a ausência de frequência. 
O efeito Skin varia não só com a frequência da corrente, mas também com o tipo 
do material que está sendo utilizado. Em geral, para transmissão de energia é utilizado 
condutor de alumínio devido ao preço e pelas suas características mecânicas, porém o 
cobre é muito utilizado em instalações elétricas. 
Na frequência de 60 Hz que é a utilizada pelo Brasil no sistema interligado, a 
diferença entre os dois principais condutores utilizados é pequena. Porém, podemos 
perceber que ao aumentar a frequência da corrente, o condutor de cobre sofre mais com 
o Efeito Pelicular. 
 
2-3 Medidas atenuativas 
 
Existem diversas formas de atenuarmos os efeitos criados pela frequência no fio. 
Um método bastante utilizado em altas frequências é a utilização de um cabo chamado 
de Fio Litz (do alemão Litzendraht) ou fio trançado. Ele é formado por vários fio 
menores isolados e entrelaçados num padrão de modo que o campo magnético dos fios 
faça com que a corrente total seja distribuída igualmente entre eles. A ideia é que o 
efeito pelicular tem pouco efeito em fios finos, não sofrendo o mesmo aumento de 
resistência da corrente alternada que um condutor sólido com a mesma seção transversal 
dos fios trançados, causado pelo efeito pelicular. Esses fios são frequentemente 
utilizados em bobinas dos transformadores de alta frequência, como forma de aumentar 
a sua eficácia, atenuando o efeito pelicular. Nas linhas de transmissão aéreas de corrente 
utilizasse frequentemente cabos de alumínio com alma de aço, não afetando na 
condução a maior resistência do núcleo de aço, uma vez que está localizado numa 
região em que a corrente é ínfima, causado pelo efeito pelicular. 
Em outras aplicações, condutores sólidos são substituídos por tubos, 
completamente dispensando a porção interior do condutor onde pouco a corrente flui. 
Isto dificilmente afeta a resistência CA, mas reduz consideravelmente o peso do 
condutor. 
 E por fim a outra coisa „que podemos fazer em condutores sólidos ou tubulares é 
banhá-los com prata, tirando proveito da maior condutividade da mesma. Esta técnica é 
particularmente utilizada para frequências entre a VHF e as micro-ondas, frequênciasonde à profundidade pelicular é pequena, sendo necessária apenas uma camada muito 
fina de prata, fazendo a melhoria na condutividade muito rentável. Revestimentos de 
prata ou de ouro são similarmente utilizados na superfície de guias de onda utilizados 
para a transmissão de micro-ondas. Esse método reduz a atenuação de propagação da 
onda devido a perdas resistivas que surgem quando aparecem correntes parasitas. 
CONCLUSÃO 
Sistema solares conectados à rede são economicamente viáveis e diversificam a 
matriz energética e evitam problemas de perdas por transmissão. 
Sua implementação pode ser um tanto difícil, dependendo da escolha dos 
componentes que irão constituir o sistema.Como dimensionar os módulos com os 
inversores , onde é preciso que ocorra o casamento para configurar os módulos tanto 
em série como em paralelo; respeitando assim os parâmetros elétricos do inversor e 
também do FDI. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERENCIAIS 
 
DUFFIE, J. Solar Engineering Of Thermal Processes. 2.ed. EUA: John Wiley & 
Sons, 1991. 
VILLALVA, Marcelo Gradella,; GAZOLI, Jonas Rafael. Energia Solar Fotovoltaica - 
Conceitos e Aplicações - Sistemas Isolados e Conectados À Rede. 1.ed. Campinas-
SP: Érica, 2012. 
SARAIVA, Delcyr Barbosa. Materiais Eletricos. Rio de Janeiro: LTC, 1988.