protección contra descargas atmosféricas: 1. física del rayo.• en electrodos punta-placa la...

Protección contra descargas atmosféricas: 1. Física del rayo.

Prof. Eduardo A. Cano Plata. Grupo de Redes de Distribución y Potencia- GREDyP.

Descargas Atmosféricas:2008GREDyP

Contenido

• Inicio de una descarga eléctrica

• Principios de Compatibilidad Electromagnética

• Formación de los Rayos

Inicio de una descarga eléctrica

Distribución de carga en la nube

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

_ _ _ _ _ _ _

_ _ N N _ _ __ _ _

_ + + +

r, °C

Distribución de carga en la nube

Qué es un rayo?

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

_ _ _ _ _ _ _

_ _ N N _ _ __ _ _

_ + + +

+ + + + ++ + + + +

+++ + PP+ +++ ++++ ++

_ _ _ _ _ _ _

_ _ N N _ _ __ _ _

_ + + +

Tipos de rayos:

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

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)

Rayos descendentes

Rayos ascendentes

Red Sprites – Blue Jets

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

• Al incrementarse la tensión aplicada V, el efecto Corona también crece y ocupa una región mayor del espacio entre los dos electrodos

Inicio de la descarga eléctrica: Efecto Corona

El efecto corona se transforma en descarga eléctrica

Efecto CoronaVV

Descarga Eléctrica:Arco Eléctrico

• Tensión: 18,7 kV• Tiempo de Exposición: 4 min.• Fenómeno:

– Punta iluminada,– Efluvio tenue azuloso.– Corona explosivo.

Corona Positivo

– Formación del cono de ionización– Haz de plasma alargado.– Efluvios.

Corona Positivo

– Canal de Plasma más prolongado.– Cono de Ionización Mayor.– Efluvios

Corona Positivo

• Tensión: 76,3 kV• Tiempo de Exposición: 20 sec.• Fenómeno:

– Región interelectródica cubierta por canales positivos predisruptivos

– Plasma en forma de haz.

Corona Positivo

• Tensión: 79,2 kV• Tiempo de Exposición: 5 sec. / disrupción• Fenómeno:

– Lider Stem

Corona Positivo

Corona Negativo

• Tensión: 48,9 kV• Tiempo de Exposición: 3 min• Fenómeno:

– Punta iluminada. Abanico de plasma. Manifestación de pulsos Trichel.

Corona Negativo

• Tensión: 50,8 kV• Tiempo de Exposición: 1,5 min• Fenómeno:

– Nuevos puntos de generación de corona.

Corona Negativo

• Tensión: 60,7 kV• Tiempo de Exposición: 30 sec• Fenómeno:

– Propagación de plasma, efluvios.

Corona Negativo

– La región de plasma es más intensa. Efluvios

Corona Negativo

– Disrupción.

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

23.12.02 / S2930

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

Medición Directa

• Medición Corriente– Transformador Corriente– Resistencia Shunt– Bobina Rowgowsky

• Medición de la Forma Canal– Camaras de Video

• Equipos de Registro– Osciloscopios– Dataloggers

Equipos de adquisición: Bobinas y Resistencias

Medición directa en el mundo

Onda rayo Ilyapa

Técnica DF (Direction Finding)

Sensor de Campo Magnético

α =⎛

⎝⎜

⎠⎟arctan

Tiempo de llegada de las ondas electromagnéticas

t=1h : 05m : 20.0015s

t=1h : 05m : 20.0035s

t=1h : 05m : 20.00015s

t=1h : 05m : 20.00035s t=1h : 05m : 20.00055s

¿Cómo se sabe el punto de impacto cuando los relojes marcan diferentes horas?

Cada diferencia de tiempos de llegada define una hipérbola

Intersección

Un tercer receptor define el punto de impacto como el punto de intersección con la nueva hipérbola.

RREECCMMAA

Red Colombiana de Medición y Localización de Descargas Eléctricas Atmosféricas

ISA ISA -- U.NU.N

Medición Campo ElectrostáticoMedición Campo Electrostático

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

OTD - LIS

Variación de la DDT en Colombia

-78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00-4.00

-76.00 -75.00 -74.00

BOGOTA D.C.

SAMANÁQUIBDO

MEDELLIN

PUERTO BERRIOREMEDIOS

EL BAGREBMANGA

NECHIMONTERIA

MAGANGUE

SABANALARGA

• Colombia tiene en sus registros las densidades de rayos a tierra más altas reportadas a nivel mundial

Actividad de rayos temporal en Colombia

VientosAlisios

Julio Julio --

AgostoAgosto

Abril Abril --

MayoMayo

Octubre Octubre --

NovbreNovbre.

Enero Enero --

FebreroFebrero

Variación temporal local : Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O)

30001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Variación Regional corriente de rayo

100,0%

1 10 100

Corriente

Pico de la Descarga

CIGRE (1979) Cachimbo, BRAZIL (1996) Lee, MALAYSIA (1979)PAAS, COLOMBIA (1995) Anderson, RHODESIA (1954)

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

Impactos Directos

• Impacto en la Torre, Línea o Cable de guarda

Impactos Directos

• Impactos en la Línea

Impactos Directos

• Inyección de Corriente

I(z,t)

Impactos Directos

• Impactos Directos

I(t)/2I(t)/2

Impactos Directos

• Falla Aislamiento

I(z,t)/2

• 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

• El asilamiento se puede simular como interruptores controlados por tensión

• El modelo de flameo puede ser programado en MODELS

I(t)/2

Modelamiento

Impactos Directos

• Impacto en la Torre

Modelamiento

• La sobretensión en la Torre depende de la Zc de la Torre y de la puesta a tierra

• Flameo Inverso

Modelamiento

• El asilamiento se puede simular como interruptores controlados por tensión

• El modelo de flameo puede ser programado en MODELS

Interruptor Controlado por Tensión

Impactos Indirectos

i (z,t) E, B V,I

Impactos Indirectos

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

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

Descargador de Sobretensión

Vnominal

Vresidual

Vnominal

Sobretensión

Vnominal

Sobretensión sin Descargador

Sobretensión con Descargador

Vnominal

Principios de

Compatibilidad Electromagnética

•Protección contra

Rayos• La sombrilla-pararrayos de Barbeau

Duborg, utilizada a finales del siglo

XVIII.

•¿Es ésta una buena

protección contra

rayos?• ¿Qué le sucede a la persona si cae

una rayo?

• ¿Qué produce la Alta corriente del

• Arco eléctrico:

Vaporización del metal

Partículas a altísima temperatura

Luz intensa

Vapores tóxicos

Onda de presión

• Falla la protección

contra Rayos

• Arco eléctrico:

Quemaduras en la piel

Problemas en los ojos

Problemas respiratorios

La víctima cae al suelo

•Transferencia a la

víctima de la corriente

del rayo: Mecanismos

de acople• Acople resistivo

•Mecanismo de

acople• Acople inductivo

•Mecanismo de

Acople:

Transferencia a

la víctima• Acople capacitivo

• Corriente “sale” de la tierra:

Tensión de paso

• Puesta a tierra

¿Cómo proteger la víctima?

Medidas de protección

contra los rayos

•Medidas de

Protección contra

Rayos• Equipotencializar

• Mejorar aislamiento

• Medidas de

protección contra

• Jaula Faraday para

reducir el acople

capacitivo

• Reducción del acople

inductivo

Aumentar el número

de bajantes:

Se reduce la pendiente de la

corriente del rayo

¿Sirven las inductancias serie entre dos tierras?

• Inductancia entre puestas a tierra

• La caída de tensión en la inductancia puede

desviar la I a sitios peligrosos

Compatibilidad Electromagnética

FUENTE DE INTERFERENCIA:

ACOPLAMIENTO:RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

VÍCTIMA: PERSONA

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.

Compatibilidad ElectromagnéticaCompatibilidad Electromagnética

Se entiende por ambiente electromagnético a la totalidad de los fenómenos electromagnéticos que existen en un determinado sitio.

Mecanismo de Acoplamiento

1.Reducción del nivel de Interferencia electromagnética

• Apantallamiento• Filtrado• SPD ( Surge Protection Device)• Equipotencialización

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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