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Meteorología Colombiana
N2
pp. 3 – 8
Octubre, 2000
Santa Fe de Bogotá D.C.
ISSN-0124-6984
HIPOTESIS DE INVESTIGACIONES SOBRE VARIACION ESPACIAL Y TEMPORAL EN
LOS PARAMETROS DEL RAYO(*) (**).
¡Error! Marcador no definido.
HORACIO TORRES
Profesor Titular-Facultad de Ingeniería-Universidad Nacional de Colombia
DANNY AVILA
Asistente de Investigación, Programa PASS, Universidad Nacional de Colombia
Torres, H. & D. Avila. (2000): Hipótesis de investigación sobre variación espacial y temporal en los parámetros del rayo.
Meteorol. Colomb. 2:3-8. ISSN 0124-6984. Santa Fe de Bogotá, D.C. – Colombia.
RESUMEN
El presente artículo tiene como objetivo principal presentar resumidamente una hipótesis de
investigación y sus aplicaciones en ingeniería, acerca de la variación espacial y temporal en la
magnitud de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica o Rayo. La hipótesis ha estado
implícita en todos los trabajos del Programa de investigación P.A.A.S., y se fundamenta en los
principios científicos planteados por Wilson en 1920 y Whipple en 1929, sobre el Circuito
Eléctrico Global y la contribución dominante, por una superposición de efectos, de las tres
mayores zonas de Convección Profunda Tropical del planeta: Sur América Tropical, Centro de
Africa y el Continente Marítimo (Sur Este de Asia y Australia).
ABSTRACT
The principal objective of this paper is to present both a brief explanation of a research hypothesis
about the spatial and temporal magnitude variability of the parameters related with the
atmospheric
electrical discharge (lightning) and their applications in engineering. Such
hypothesis has been envolved in every work of the research program and is founded on the
scientific principles about the global electrical circuit and the dominant contribution of the three
mayor zones of tropical deep convection of the earth: Tropical South America, Central Africa and
Marine Continent (Southeast Asia and Australia).
(*) Versión corregida del articulo publicado en Meteorología Colombiana 1:75-82. 2000
(**)Trabajo realizado dentro del marco del Programa de investigación en Adquisición y análisis de Señales – PAAS, del Departamento
de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de Colombia, reconocido por Colciencias como Grupo Excelencia 1997 – 1998, desarrolla
varios proyectos de investigación y tesis de pre y posgrado en el campo de las señales electromagnéticas y meteorológicas. Uno de los
proyectos de investigación del programa P.A.A.s es el de la “Caracterización Espacio – Temporal de las Descargas Eléctricas
Atmosférica en Zona Tropical”
4
TORRES & AVILA: HIPOTESIS SOBRE VARIACION ESPACIAL Y TEMPORAL PARAMETROS DEL RAYO
1. INTRODUCCION
Si bien las zonas de Convección Profunda Tropical
fueron identificadas al principio del presente siglo como
de alta actividad eléctrica atmosférica, hasta el 0
eléctricas, diseño de apantallamientos en líneas de
transmisión, para cualquier parte del mundo. Esta práctica
sería equivalente a clasificar climatológicamente la región
Colombiana, según el científico alemán Köppen, como
bosque húmedo tropical y, con base en ello, diseñar un
equipo de aire acondicionado para un edificio en la ciudad
de Bogotá.
Con el parámetro de Densidad de Descargas a Tierra
sucede algo similar. La literatura especializada y las
normas internacionales recomiendan ecuaciones en
función del Nivel Ceráunico que han sido desarrolladas
para un sitio específico, pero se pretende generalizarlas
para todo el mundo. Adicionalmente, podrían esperarse
en el trópico (escala global) valores de Densidad más
bajos que en el subtrópico, pero, para propósitos de
aplicaciones en ingeniería (escala local), los efectos
1
orográficos locales , pueden jugar un papel tan
importante que las magnitudes de Densidad de
Descargas a Tierra llegan a ser muy altas.
Para propósitos de aplicación a la ingeniería de protección
contra Rayos esta generalización trae como consecuencia
diseños y construcciones de equipos y sistemas no
apropiados
al
entorno,
ni
compatibles
2
electromagnéticamente
con
las
condiciones
electromagnéticas locales generadas por la actividad de
rayos.
La descarga eléctrica atmosférica y sus parámetros
asociados, son un fenómeno meteorológico que, como
tal, se manifiesta de una manera aleatoria. En sus
aplicaciones en la protección, diseño, operación y
mantenimiento de equipos y sistemas eléctricos o
electrónicos, es necesario considerar, entonces, la
dimensión estadística y la probabilidad de sus valores, es
decir, explicitar la condición aleatoria del fenómeno.
2. LA PRACTICA EN INGENIERIA
Típicamente, más de 2000 tormentas están activas
alrededor del globo terráqueo en un momento dado,
produciendo aproximadamente 100 descargas por
segundo. Debido a que nuestra sociedad es cada día
más dependiente de los equipos de cómputo, de las
redes de energía eléctrica, de las redes de información y,
en general, de los equipos eléctricos y electrónicos, el
diseño y la protección de estos contra perturbaciones
electromagnéticas se hace esencial.
1. Avila D & G. Avila, (1997): “Correlación vientos orografía con
descargas eléctricas atmosféricas”, tesis de grado, UN.
2. La Compatibilidad Electromagnética (EMC por sus siglas en
inglés) se define como la capacidad de un equipo o sistema
eléctrico o electrónico para operar satisfactoriamente en un
entorno electromagnético.
Para lograr un eficaz, económico y confiable
funcionamiento de tales equipos, es necesario
incrementar el conocimiento de nuestro entorno
electromagnético, en especial el conocimiento de las
descargas eléctricas atmosféricas, para saber cuando,
donde, como y porque ocurren.
Los Rayos son la causa más significativa de las
perturbaciones en los modernos sistemas de transmisión
y distribución de energía eléctrica en el mundo. En los
Estados Unidos, por ejemplo, los Rayos representan el
57% de las causas de fallas en las líneas de transmisión.
En Japón, los Rayos causaron entre el 60 y 70% de las
salidas de las líneas de transmisión entre 1966 y 1988.
Para Dinamarca las causas de salidas de los sistemas de
transmisión de energía eléctrica son comparables con las
de los Estados Unidos.
En Colombia, los Rayos causaron el 47% (1996) y el 69%
(1997) de las salidas de las líneas de transmisión de 230
y 500 kv., de acuerdo con la correlación hecha entre el
Centro Nacional de Despacho de Interconexión Eléctrica
S.A.E.S.P - ISA y los datos del Sistema de Información
de Descargas, de propiedad de ISA
Para los sistemas de transmisión de energía eléctrica las
interrupciones del servicio traen consecuencias directas de
baja confiabilidad y calidad del servicio y costos de
millones de dólares por quema de equipos y no venta de
energía. Así mismo, los equipos y sistemas basados en
microelectrónica (televisores, teléfonos, equipos de
comunicación, etc.) son fuertemente afectados por las
3
Interferencias Electromagnéticas , originadas por la
incidencia de variaciones de campos electromagnéticos
generados por Rayos.
Ha sido práctica usual de la Ingeniería Eléctrica al nivel
de diseño de protecciones y apantallamiento contra
descargas eléctricas atmosféricas utilizar parámetros
como el Nivel Ceráunico, la Densidad de Rayos a Tierra
o la Corriente de Retorno del Rayo, mediante valores
determinísticos o semiprobables. Para estos diseños en
Colombia, nuestros resultados le permiten al ingeniero
utilizar valores de curvas de probabilidad acumulada,
propios de nuestro entorno tropical, que tienen en cuenta
la aleatoriedad del fenómeno y su variación local.
En el diseño de protección de sistemas de distribución de
energía eléctrica con descargadores de sobretensión, por
ejemplo, la práctica de ingeniería considera valores de
normas internacionales o normas técnicas colombianas,
que no reflejan la realidad del entorno electromagnético
tropical Colombiano en cuanto a magnitud de parámetros
del Rayo y su variación en el espacio y en el tiempo.
En la Norma Técnica Colombiana de Protección contra
Rayos de 1998, elaborada en conjunto con el Instituto
Colombiano de Normas Técnicas - ICONTEC hemos
3. La Interferencia Electromagnética (EMI por sus siglas en
inglés) se define como cualquier perturbación electromagnética
que se manifiesta en la degradación de la operación, el mal
funcionamiento o la falla del equipo eléctrico o electrónico
METEOROLOGIA COLOMBIANA N1, MARZO DEL 2000
introducido y lo continuaremos haciendo, conceptos
básicos y valores de parámetros propios del entorno
tropical Colombiano, para aplicaciones en la protección
de seres vivos, equipos y sistemas eléctricos y
electrónicos contra descargas eléctricas atmosféricas.
El diseño de transformadores de distribución tiene en
cuenta, para la escogencia del nivel de aislamiento de los
devanados, valores de parámetros del Rayo que se
basan en mediciones realizadas en Latitudes no
tropicales. El proyecto de investigación que se inició en
4
Marzo de 1998 , desarrollará un prototipo de
Transformador de distribución apropiado, óptimo y
compatible para las condiciones electromagnéticas del
entorno tropical, con base en la hipótesis de investigación
planteada en este ensayo.
La operación y el mantenimiento de sistemas y equipo
eléctrico en Colombia, en muy pocas ocasiones tiene en
cuenta la variación diaria, mensual o multianual de la
actividad eléctrica atmosférica, presentándose altos
riesgos de accidentalidad por Rayos. En contratos con
empresas petroleras multinacionales que laboran en
Colombia, hemos introducido estos conceptos en diseños
y manuales de seguridad personal durante tormentas
eléctricas, lográndose de esta forma mitigar la
accidentalidad por Rayos en zonas de perforación.
Para aplicaciones en el planeamiento y diseño de
protección contra Rayos en Colombia, hemos
desarrollado el concepto “Nivel de Riesgo por Rayos” el
cual permite definir Zonas de Compatibilidad
5
Electromagnética y evaluar espacialmente, mediante
mapas regionales o locales, el riesgo que tiene un sitio
debido a la actividad eléctrica atmosférica, para
personas, semovientes, estructuras o equipos.
En resumen, por razones de confiabilidad, economía y
seguridad, es decir, Calidad del Servicio de Energía, y
basados en la hipótesis planteada, es recomendable que
la magnitud de los parámetros de la descarga eléctrica
Para los sistemas de transmisión de energía eléctrica las
interrupciones del servicio traen consecuencias directas de
baja confiabilidad y calidad del servicio y costos de
millones de dólares por quema de equipos y no venta de
energía. Así mismo, los equipos y sistemas basados en
microelectrónica (televisores, teléfonos, equipos de
comunicación, etc.) son fuertemente afectados por las
6
Interferencias Electromagnéticas , originadas por la
4. "Diseño y Construcción de Transformadores de Distribución
Apropiados y Optimos para Zona Tropical - Proyecto Illapa”,
cofinanciado por Colciencias - Banco Interamericano de
Desarrollo - BID, Empresa de Energía de Bogotá - EEB,
Siemens y la Universidad Nacional de Colombia
5. Se define Zona de Compatibilidad Electromagnética aquella
dentro de la cual se ubican equipos o sistemas diseñados para
las mismas condiciones electromagnéticas. El mapa de Riesgo
por Rayos para el estudio de fallas de transformadores,
presentado en la sección 3, es un ejemplo de aplicación.
6. La Interferencia Electromagnética (EMI por sus siglas en
inglés) se define como cualquier perturbación electromagnética
5
incidencia de variaciones de campos electromagnéticos
generados por Rayos.
3. ACTUALIZACION DE LOS PARAMETROS DEL
RAYO
Una de las tareas que se ha propuesto el WG33.01
7
“Lightning” del Comité CIGRE es actualizar los valores
de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica,
particularmente para la protección de sistemas eléctricos
de potencia. Como miembro permanente de este Comité
desde 1994, se han presentado varios documentos sobre
la necesidad, para el diseño, operación y mantenimiento
en ingeniería, de tener en cuenta la variación espacial y
temporal en la actualización de los parámetros, ya que en
el pasado solamente se han considerado las mediciones
realizadas en latitudes Norte (USA y Europa) y algunas
de latitud Sur (Sur Africa y Australia), pero ninguna de
latitudes tropicales.
Gracias al avance del Programa de investigación en los
últimos 15 años y de otras muy importantes
investigaciones que llevan a cabo otros grupos, como por
8
9
ejemplo la NASA con su Misión TRMM , el Instituto MIT
en USA, con investigaciones sobre Convección Tropical,
en Brasil con la red de localización de Rayos de
10
CEMIG , y México, con investigaciones sobre Rayos en
11
el IIE , se puede presentar a la comunidad internacional
sólidos argumentos en favor de la hipótesis de variación
espacial y temporal en los valores de los parámetros de
la descarga eléctrica atmosférica en la Zona Tropical
terrestre.
4. LA MODERNA INVESTIGACION SOBRE LA FISICA
DEL RAYO
La moderna investigación sobre la física de la descarga
eléctrica atmosférica comenzó hacia principios del
presente siglo con los estudios del físico Inglés C.T.R.
Wilson. En el contexto de un Circuito Eléctrico Global,
que se manifiesta en la degradación de la operación, el mal
funcionamiento o la falla del equipo eléctrico o electrónico.
7. La Conferencia Internacional de Grandes Sistemas Eléctricos
de Alta Tensión (CIGRE por sus siglas en Francés) es una
organización de origen Europeo, con miembros institucionales
en representación de más de 100 países del mundo. Fue
fundada hace más de 80 años en París y agrupa Investigadores
en más de 30 Grupos de Trabajo (Working Groups - WG), que a
su vez se dividen en grupos de investigadores (Task Forces),
con la tarea de desarrollar investigación sobre temas de interés
mundial en Ingeniería de Alta Tensión. El WG 33.01 “Lightning”
es un grupo de aproximadamente 30 investigadores de
diferentes países del mundo, divididos en 3 Task Forces, uno de
los cuales tiene como tarea la actualización de los parámetros
del Rayo. Las reuniones son anuales, generalmente en una
ciudad Europea.
8. Tropical Rainfall Measurement Mission
9. Massachusetts Institute of Technology
10. Companhia Energética de Minas Gerais
11. Instituto de Investigaciones Eléctricas de México
6
TORRES & AVILA: HIPOTESIS SOBRE VARIACION ESPACIAL Y TEMPORAL PARAMETROS DEL RAYO
Wilson fue el primero en sugerir que las descargas
eléctricas atmosféricas eran generadores que mantenían
una diferencia de potencial entre la superficie de la tierra
y la atmósfera superior o ionosfera. Whipple (1929)
encontró evidencias según las cuales la contribución al
Circuito Eléctrico Global, propuesto por Wilson, era
dominada por una superposición de efectos de las tres
mayores zonas de Convección Profunda Tropical del
planeta : Sur América Tropical, Centro de Africa y el
Continente Marítimo (Sudeste de Asia y Australia).
Hasta el presente, la mayoría de la información
disponible sobre las características de los parámetros de
la descarga eléctrica atmosférica está basada en
estudios llevados a cabo en regiones de Latitudes medias
o templadas, norte o sur. Sin embargo, después de la
evidencia del dominio de las tres zonas de Convección
Profunda Tropical, en varios países y centros de
investigación, se ha estudiado la influencia de la latitud y
aspectos orográficos y meteorológicos sobre los
parámetros del Rayo.
5. SISTEMAS LOCALIZADORES DE RAYOS
En general se puede decir que hay dos métodos
ampliamente utilizados para la localización de rayos; el
primero está basado en la tecnología conocida como
Direction Finding (DF) y el segundo en la tecnología Time
of Arrival (TOA).
La firma norteamericana Lightning Location and Protection
(LLP) desarrolló y fabricó el sistema DF y la firma, también
norteamericana, Atmospheric Research Systems Inc.
(ARSI) desarrolló y fabricó el sistema TOA. En el año 1995
estas dos empresas fueron integradas en una sola: Global
Atmospheric Inc. y actualmente cubren más del 95% de los
sistemas de localización de descargas eléctricas
atmosféricas a nivel mundial con el sistema IMPACT que
unió las dos tecnologías
El sistema DF desarrollado por la firma LLP, consta de dos
partes: el Sensor o antena receptora (direction finder) y el
analizador de posición. El sistema puede operar como una
12
estación DF (TSS ) o múltiples estaciones. Para una sola
estación la exactitud angular está en + 2,5 grados.
El Sensor consta de una antena de campo magnético de
lazos ortogonales, una antena de campo eléctrico de
placas y un microprocesador. El ancho de banda del
sistema de sensores es aproximadamente 1-400 kHz., tal
que la forma y polaridad de las ondas electromagnéticas
generadas por el Rayo pueden ser registradas con relativa
buena precisión.
La antena de lazos ortogonales sensa la variación del
campo magnético del Rayo y se induce una tensión en
cada lazo, proporcional a la derivada del campo magnético
multiplicada por el coseno del ángulo entre el plano del
lazo y la dirección de propagación del campo incidente. La
12. Thunderstorm Sensor
relación de la tensión integrada en los lazos ortogonales da
la dirección de la descarga eléctrica atmosférica.
La antena de campo eléctrico omnidireccional es usada
para determinar la polaridad de la carga transportada por
el Rayo y eliminar la ambigüedad de 180 grados que es
inherente en las mediciones azimut de la antena de lazos
cruzados cuando la dirección de la corriente es
desconocida.
El sistema Lightning Position and Tracking System
(LPATS) para localización de rayos a tierra fue
desarrollado hacia 1980.
Este sistema, descrito por Bent y Lyons en 1984, mide las
diferencias de tiempo de arribo (Time of Arrival TOA) de
una señal de descarga de retorno mediante tres o más
sensores y localiza el sitio de impacto por medio de la
intersección de las correspondientes hipérbolas sobre una
superficie esférica.
Las líneas base de las estaciones varían de 10 a 400 km.,
dependiendo de la sensitividad seleccionada; las
estaciones están conectadas a un analizador central por
medio de canales de comunicación dedicados.
Cada estación consta de una antena omnidireccional de
recepción de descargas de rayo (stroke antenna) y una
antena de sincronización (GPS antenna). Una antena
vertical recibe la señal de referencia de tiempo y la otra
sensa la variación de campo eléctrico del rayo. Para
mantener una buena exactitud (accuracy) en la localización
del rayo, la señal de tiempo de las diferentes estaciones
deberán estar sincronizadas dentro de una fracción de un
microsegundo. Ellas están sincronizadas a una señal de
tiempo referencia común.
El receptor responde a cualquier frecuencia dentro de la
banda de 50 Hz a 500 kHz. Cualquier señal será detectada
por el Sensor en esta banda de frecuencia de una amplitud
suficientemente grande para disparar el umbral (threshold)
del receptor, el cual digitalizará la forma de onda completa
de la señal.
En la digitalización de la forma de onda, el receptor
determinará el pico del stroke, su impresión de tiempo y
determina tiempo de ascenso, rata de ascenso pico y,
usando un proceso ARSI patentado, identifica si el stroke
fue nube - nube o nube - tierra. El mensaje enviado al
analizador central incluye información sobre la polaridad y
amplitud.
El sistema satelital GPS (Global Position System), es el
más utilizado actualmente a nivel mundial para
sincronización de tiempo de los Sensores, por exactitud y
cubrimiento.
El más reciente sistema de localización de Rayos fue
desarrollado por el Centro espacial Marshall de la NASA
en USA, basado en el principio de detección óptica. El
Detector Optico de Transitorios (OTD por sus siglas en
inglés) es un equipo científico montado sobre la estación
METEOROLOGIA COLOMBIANA N1, MARZO DEL 2000
7
6. SISTEMAS LLP - Empresas Públicas de Medellín y
Universidad Nacional de Colombia
satelital MicroLab-1, la cual fue lanzada a órbita por la
NASA en un cohete Pegasus en Abril de 1995. La misión
fundamental de los instrumentos del OTD es mejorar el
entendimiento de la distribución de tormentas, procesos
de formación de nubes y variación de las tormentas,
mediante la detección y localización de la actividad
eléctrica atmosférica sobre grandes áreas de la superficie
de la Tierra.
El Sistema de medición y localización de descargas
eléctricas atmosféricas adquirido en 1994 por Empresas
Públicas de Medellín EE.PP.M, cuenta con cuatro
sensores (Troneras, Río Grande II, La Fe y Playas)
localizados en el departamento de Antioquia.
Interconexión Eléctrica S.A E.S.P -ISA adquirió, en 1994, el
sistema LPATS, el cual consta de seis sensores que se
localizaron en los sitios mostrados en la Figura; estos sitios
se escogieron de acuerdo con las necesidades básicas
para el adecuado funcionamiento de la red.
El sensor TSS-420 de la Universidad Nacional, instalado
en Diciembre de 1990, se encuentra ubicado en predios de
la Ciudad Universitaria de Bogotá y tiene un radio de
cubrimiento de aproximadamente 185 km. La siguiente
figura presenta la ubicación en Colombia.
PROYECTO DE INVESTIGACION ILLAPA
RED COLOMBIANA DE MEDICION Y LOCALIZACION DE DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS - RECMA, SITUACION DE 1997
8
TORRES & AVILA: HIPOTESIS SOBRE VARIACION ESPACIAL Y TEMPORAL PARAMETROS DEL RAYO
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