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Protección contra descargas atmosféricas: 1. Física del rayo.
Prof. Eduardo A. Cano Plata. Grupo de Redes de Distribución y Potencia- GREDyP.
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Contenido
• Inicio de una descarga eléctrica
• Principios de Compatibilidad Electromagnética
• Formación de los Rayos
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Inicio de una descarga eléctrica
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Distribución de carga en la nube
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
_ _ _ _ _ _ _
_ _ N N _ _ __ _ _
_ + + +
+ PP
Tem
pera
tura
del
aire
alre
dedo
r, °C
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m.
12
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Distribución de carga en la nube
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Qué es un rayo?
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
- -
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_ _ N N _ _ __ _ _
_ + + +
+ PP
+ + + + ++ + + + +
+++ + PP+ +++ ++++ ++
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_ _ _ _ _ _ _
_ _ N N _ _ __ _ _
_ + + +
+ PP
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Tipos de rayos:
+
+ -
-
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Formación de la Descarga
• Encendido de la Descarga (Preliminary Breakdown)• Líder Escalonado (Stepped Leader)• Proceso de Enlace (Attachment Process)• Descarga de Retorno (Return Stroke)• Líder Dardo
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Parámetros del rayo para aplicaciones en ingeniería
1 Nivel Ceráunico2 Densidad de Descargas a Tierra3 Polaridad4 Multiplicidad5 Amplitud de la corriente de Retorno6 Forma de impulso de la corriente de
retornoEspacio y Tiempo
(CIGRE1999)
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Rayos descendentes
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Rayos ascendentes
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Red Sprites – Blue Jets
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Inicio de la descarga eléctrica: Efecto Corona
• En electrodos punta-placa la descarga inicia con el llamado Efecto Corona
V = Tensión de inicio de corona
VV
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• Al incrementarse la tensión aplicada V, el efecto Corona también crece y ocupa una región mayor del espacio entre los dos electrodos
VV
Inicio de la descarga eléctrica: Efecto Corona
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El efecto corona se transforma en descarga eléctrica
Efecto CoronaVV
Descarga Eléctrica:Arco Eléctrico
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• Tensión: 18,7 kV• Tiempo de Exposición: 4 min.• Fenómeno:
– Punta iluminada,– Efluvio tenue azuloso.– Corona explosivo.
Corona Positivo
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• Tensión: 31,4 kV• Tiempo de Exposición: 1 min.• Fenómeno:
– Formación del cono de ionización– Haz de plasma alargado.– Efluvios.
Corona Positivo
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• Tensión: 39,7 kV• Tiempo de Exposición: 1 min.• Fenómeno:
– Canal de Plasma más prolongado.– Cono de Ionización Mayor.– Efluvios
Corona Positivo
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• Tensión: 76,3 kV• Tiempo de Exposición: 20 sec.• Fenómeno:
– Región interelectródica cubierta por canales positivos predisruptivos
– Plasma en forma de haz.
Corona Positivo
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• Tensión: 79,2 kV• Tiempo de Exposición: 5 sec. / disrupción• Fenómeno:
– Lider Stem
Corona Positivo
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Corona Negativo
• Tensión: 48,9 kV• Tiempo de Exposición: 3 min• Fenómeno:
– Punta iluminada. Abanico de plasma. Manifestación de pulsos Trichel.
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Corona Negativo
• Tensión: 50,8 kV• Tiempo de Exposición: 1,5 min• Fenómeno:
– Nuevos puntos de generación de corona.
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Corona Negativo
• Tensión: 60,7 kV• Tiempo de Exposición: 30 sec• Fenómeno:
– Propagación de plasma, efluvios.
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Corona Negativo
• Tensión: 72,4 kV• Tiempo de Exposición: 1 min• Fenómeno:
– La región de plasma es más intensa. Efluvios
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Corona Negativo
• Tensión: 80,0 kV• Tiempo de Exposición: 1 min• Fenómeno:
– Disrupción.
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RECORDEMOS>>:Formación de la Descarga
• Encendido de la Descarga (Preliminary Breakdown)• Líder Escalonado (Stepped Leader)• Proceso de Enlace (Attachment Process)• Descarga de Retorno (Return Stroke)• Líder Dardo
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23.12.02 / S2930
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Parámetros del rayo para aplicaciones en ingeniería
• Medición Directa- Torres Instrumentadas
• Medición Indirecta- Medición de campo radiado
- Direction Finding (DF)- Tiempo de Arribo (TOA)
- Campo Electrostático
- Medición Óptica- Satélital
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Medición Directa
• Medición Corriente– Transformador Corriente– Resistencia Shunt– Bobina Rowgowsky
• Medición de la Forma Canal– Camaras de Video
• Equipos de Registro– Osciloscopios– Dataloggers
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Equipos de adquisición: Bobinas y Resistencias
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Medición directa en el mundo
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Onda rayo Ilyapa
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Técnica DF (Direction Finding)
D
α
β
N
S
N
S
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Sensor de Campo Magnético
α =⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟arctan
BB
EW
NS
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Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas
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Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas
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t=1h : 05m : 20.0015s
Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas
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t=1h : 05m : 20.0015s
t=1h : 05m : 20.0035s
Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas
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t=1h : 05m : 20.00015s
t=1h : 05m : 20.00035s t=1h : 05m : 20.00055s
Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas
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¿Cómo se sabe el punto de impacto cuando los relojes marcan diferentes horas?
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Cada diferencia de tiempos de llegada define una hipérbola
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Intersección
Un tercer receptor define el punto de impacto como el punto de intersección con la nueva hipérbola.
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RREECCMMAA
Red Colombiana de Medición y Localización de Descargas Eléctricas Atmosféricas
ISA ISA -- U.NU.N
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Medición Campo ElectrostáticoMedición Campo Electrostático
ΔQ
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Medición Campo ElectrostáticoMedición Campo Electrostático
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Medición Satelital LIS
• Tiempo de ocurrencia con 2 ms de resolución.
• Eficiencia en la detección ≈
90%• Área de 580x580 km• Arreglo de 128 x 128 CCD (Charge
Coupled Device)• 16 m en 2 ms• Campo de vista de 80 x 80
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OTD - LIS
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Variación de la DDT en Colombia
-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
-76.00 -75.00 -74.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
BOGOTA D.C.
SAMANÁQUIBDO
MEDELLIN
PUERTO BERRIOREMEDIOS
EL BAGREBMANGA
NECHIMONTERIA
CHINU
MAGANGUE
SABANALARGA
• Colombia tiene en sus registros las densidades de rayos a tierra más altas reportadas a nivel mundial
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Actividad de rayos temporal en Colombia
VientosAlisios
Julio Julio --
AgostoAgosto
Abril Abril --
MayoMayo
Octubre Octubre --
NovbreNovbre.
Enero Enero --
FebreroFebrero
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Variación temporal local : Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O)
0
500
1000
1500
2000
2500
30001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horas
Núm
ero
de R
ayos
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Variación Regional corriente de rayo
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
1 10 100
Corriente
Pico de la Descarga
[kA]
Prob
abili
dad
CIGRE (1979) Cachimbo, BRAZIL (1996) Lee, MALAYSIA (1979)PAAS, COLOMBIA (1995) Anderson, RHODESIA (1954)
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Efectos en las líneas de Transmisión y Distribución• Impactos Directos
– Afecta a principalmente todas las líneas de Transmisión de energía menores a 500kV
• Impactos Indirectos– Afecta principalmente a las líneas de distribución
menores a 65 kV
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Impactos Directos
• Impacto en la Torre, Línea o Cable de guarda
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Impactos Directos
• Impactos en la Línea
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Impactos Directos
• Inyección de Corriente
I(z,t)
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Impactos Directos
• Impactos Directos
I(t)/2I(t)/2
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Impactos Directos
• Falla Aislamiento
I(z,t)/2
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• El rayo se puede modelar como una fuente de corriente de impedancia infinita
• La sobretensión estará determinada principalmente por la Zc de la línea
I(t)/2
Modelamiento
+
-Vf-f Zc
-Vf-t
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• El asilamiento se puede simular como interruptores controlados por tensión
• El modelo de flameo puede ser programado en MODELS
I(t)/2
Modelamiento
Zc
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Impactos Directos
• Impacto en la Torre
I(t)
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Modelamiento
• La sobretensión en la Torre depende de la Zc de la Torre y de la puesta a tierra
• Flameo Inverso
+
-V
I(t)
Zc
Zt
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Modelamiento
• El asilamiento se puede simular como interruptores controlados por tensión
• El modelo de flameo puede ser programado en MODELS
+
-V
I(t)
Zc
Zt
Interruptor Controlado por Tensión
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Impactos Indirectos
E, B
i (z,t) E, B V,I
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Impactos Indirectos
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Mediciones de Tensiones Inducidas en Colombia• Magnitudes hasta 300 kV
• Tiempos de Frente entre 0.5 – 5 [μs]
• Duración 20-500 [μs]
• Ambas Polaridades
• Impactos de rayo menores a 1.5 km
Punto A
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Protección de Líneas
• Apantallamiento (Cable de Guarda)– Impactos Directos (Líneas de Transmisión)– Impactos Indirectos (Líneas de Distribución)
• Descargadores de Sobretensión– Líneas de Transmisión – Líneas de Distribución
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Descargador de Sobretensión
V
I
Vnominal
Vresidual
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Descargador de Sobretensión
I
V
Vnominal
t
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Principios de
Compatibilidad Electromagnética
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•Protección contra
Rayos• La sombrilla-pararrayos de Barbeau
Duborg, utilizada a finales del siglo
XVIII.
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•¿Es ésta una buena
protección contra
rayos?• ¿Qué le sucede a la persona si cae
una rayo?
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• ¿Qué produce la Alta corriente del
rayo?
• Arco eléctrico:
Vaporización del metal
Partículas a altísima temperatura
Luz intensa
Vapores tóxicos
Onda de presión
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• Falla la protección
contra Rayos
• Arco eléctrico:
Quemaduras en la piel
Problemas en los ojos
Problemas respiratorios
La víctima cae al suelo
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•Transferencia a la
víctima de la corriente
del rayo: Mecanismos
de acople• Acople resistivo
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•Mecanismo de
acople• Acople inductivo
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•Mecanismo de
Acople:
Transferencia a
la víctima• Acople capacitivo
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• Corriente “sale” de la tierra:
Tensión de paso
• Puesta a tierra
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¿Cómo proteger la víctima?
Medidas de protección
contra los rayos
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•Medidas de
Protección contra
Rayos• Equipotencializar
• Mejorar aislamiento
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• Medidas de
protección contra
Rayos
• Jaula Faraday para
reducir el acople
capacitivo
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• Reducción del acople
inductivo
Aumentar el número
de bajantes:
Se reduce la pendiente de la
corriente del rayo
I/5
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¿Sirven las inductancias serie entre dos tierras?
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• Inductancia entre puestas a tierra
• La caída de tensión en la inductancia puede
desviar la I a sitios peligrosos
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Compatibilidad Electromagnética
FUENTE DE INTERFERENCIA:
RAYO
ACOPLAMIENTO:RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
VÍCTIMA: PERSONA
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Compatibilidad ElectromagnéticaCompatibilidad Electromagnética
Expresa la habilidad de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en un ambiente electromagnético; el cual incluye otros equipos; sin introducir disturbios electromagnéticos intolerables a ningún
elemento en ese ambiente.
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Compatibilidad ElectromagnéticaCompatibilidad Electromagnética
Se entiende por ambiente electromagnético a la totalidad de los fenómenos electromagnéticos que existen en un determinado sitio.
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Mecanismo de Acoplamiento
1.Reducción del nivel de Interferencia electromagnética
• Apantallamiento• Filtrado• SPD ( Surge Protection Device)• Equipotencialización
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Mecanismo de Acoplamiento
2. Incrementar el nivel de inmunidad del equipo
3. Coordinación de la instalación y de la capacidad de soporte del equipo y su configuración.LPS
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