Diseño e implementación de un simulador de cálculo de campos eléctricos y densidad de corriente iónica en torno a líneas HVDC

Abstract

El presente trabajo desarrolla el diseño y propuesta de un simulador en Python para el cálculo de campo eléctrico y densidad de corriente iónica en la franja de seguridad de líneas de transmisión en corriente continua de alto voltaje (HVDC). La motivación de este proyecto radica en el creciente uso de estas líneas debido a sus ventajas técnico-económicas frente a las líneas de corriente alterna (HVAC). En particular, en Chile no existe una normativa estandarizada que contemple criterios de diseño basados en campos iónicos para líneas HVDC, a diferencia de las líneas HVAC. Por ello, se propone la creación de una herramienta de simulación que permita analizar estas magnitudes, considerando las características físicas y ambientales de las líneas HVDC, como una herramienta complementaria en el diseño y evaluación de este tipo de infraestructura.

Existen diversas metodologías para resolver las ecuaciones que modelan los campos iónicos, incluyendo programas de licencia comercial. La novedad de este trabajo radica en el desarrollo de un programa que utiliza el método de diferencias finitas (FDM) para discretizar el espacio de estudio, y un esquema iterativo de Gauss-Seidel para resolver las ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que describen el fenómeno de generación de campo eléctrico y densidad de corriente iónica asociado al efecto corona. Este efecto, característico de las líneas HVDC, genera iones en el espacio circundante a los conductores debido a las altas tensiones nominales.

Los resultados obtenidos para el campo eléctrico y la densidad de corriente iónica muestran coherencia con estudios previos reportados en la literatura, tanto para configuraciones unipolares como bipolares. Sin embargo, se identificó que el cálculo de densidad de corriente en configuraciones bipolares presenta limitaciones, lo que sugiere la necesidad de perfeccionar el modelo en futuros desarrollos. A pesar de estas limitaciones, el simulador diseñado cumple la mayoría de los objetivos planteados y se propone su distribución como una herramienta de código abierto disponible en la web, fomentando su uso en proyectos futuros y colaborativos.