Parámetros del rayo. Localización y medición satelital Vs Medición terrestre

Técnicas de localización y medición de parámetros de rayos Horacio Torres Sanchez Profesor Emerito UN - Socio ACIEM – Asesor cientifico Keraunos

Hipótesis de inves4gación “Las magnitudes de los parámetros de los rayos u4lizados en aplicaciones en ingeniería varían espacial y temporalmente. ”

Torres, H. “El Rayo”, Ed. UNIBIBLOS, Bogotá, 2002

1.

2.

3.

4.

5.

Nivel Ceráunico Densidad de Descargas a Tierra Polaridad Mul;plicidad Amplitud de la corriente de Retorno del rayo.

6. Forma de impulso de la corriente de retorno del rayo.

7. Energía específica del rayo.

E s p a c i o y T i e m p o (CIGRE1999)

-

+

+ 10 km

-

g

-45ยบ C -

+

Colisiones

Transferencia de calor Por convecciรณn

+ ++++ ++ ++ + +++ +

P

E ____

_ __

N

_ _ _ _ _ _ +++ +

P

___

dB/dt Trueno

Relรกmpago

∂ 2u (t ) ∂ 2u (t ) = LC (C13 ∂x 2 ∂t 2 ∂ 2i (t ) ∂ 2i (t ) = LC (C14 ∂x 2 ∂t 2

+ - - - - + - - - - - + - - - - - - - - - + - + +++ ++ + + ++ ++ + + ++ D +

+++++ ++

A - - - Iones positivos

+++ +++ - - - - - + + + +

- _ -_ - - - + ++ ++ + C + +

+ +-

-

+ + ++ + + +

- - - + +

F

electrones

+

- +

+ + -

Fotón -

+

B

+++++++ +++++++ +++++++ - + +++ ++ + + -+ ++ + ++ + + ++ ++ + - + + +++ + ++ ++ + + + ++ Par de iones ++ por + fotoionización + + + + + E + Fotón -

-

+++++ ++

A - - - Iones positivos

+++ +++ - - - - - + + + +

- _ -_ - - - + ++ ++ + C + +

- - - + +

electrones

+ - - - - + - - - - - + - - - - - - - - - + - + +++ ++ + + ++ ++ + + ++ D +

F + +-

-

+ + ++ + + +

+

- +

+ + -

Fotón -

+

B

+++++++ +++++++ +++++++ - + +++ ++ + + -+ ++ + ++ + + ++ ++ + - + + +++ + ++ ++ + + + ++ Par de iones ++ por + fotoionización + + + + + E + Fotón -

-

-

+ ++ +++ ++ + - - - - - - - -- - - - - -

-

-

++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ + + + ++ +++ ++ +++ ++ + ------- - -

-

-

++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ +++ -+ + ++ +++ ++ +++ ++ ++ - ++ - -- ---- - - - - -

+

++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ +++ - + + ++ +--+ +++ - + - + + - + ++ +++ - ++ - +++ ++ - ++ - ++ + - - - -

- + - + - + + - + - + - + - Región pasiva - - - + + - + - + ++ Cabeza del ++ - + penacho + - ++ +++

-

Avalancha de electrones

-

-

Región activa > 26 kV/cm

Que es un rayo?

Rayo Nube-ionosfera (CI) + + + + +- ++ ++ + +++ +

P_ _ _ _

Rayo Intranube

+ + + + +- ++ ++ +

+ ++ + +++ + ++ _ __

N

_ _ _ _ _ _ +++ +

+++ +

___

+ ++ + +++ + ++

P_ _ _ _

Rayo Nube-Nube (CC)

P

N

_ _ _ _ _ _ +++ +

Rayo Nube-Tierra (CG)

_ __

P

___

El rayo: fuente de perturbaciones EM

La Irradiaciรณn dB/dt es cercana a la velocidad de la luz

Los rayos irradian energía electromagné4ca en un amplio rango de frecuencias: Very Low Frequency (VLF), Low Frequency (LF) y Very High Frequency (VHF). En el momento en que se produce el rayo, ocasiona fuertes emisiones de VHF.

VHF (~30 – 300 MHz) LF (~30 – 300 kHz) VLF (~3 – 30 kHz)

Tanto los rayos nube-nube (CC) y nube-4erra (CG) son detectables en cualquiera de los espectros VHF o LF, teniendo en cuenta las técnicas de detección para cada 4po de señal.

Las técnicas más empleadas para este propósito son: Dirección de llegada (DF) y Tiempo de Arribo (TOA).

Espectro Electromagné4co

Energía Electrica:60Hz

FM: 90- TV: 30- 107MHz 3000MHz

Rango frecuencia rayos: 3kHz-300MHZ

Rayos X: 3000PHz

Técnica de Dirección de Llegada DF (Direc4on Finding)

dB/dt

dB/dt = f (va,vb)

α

β

va

va’

vb

vb’

α = arctan (va/vb) β = arctan (va’/vb’)

D

TĂŠcnica del Tiempo de Arribo TOA (Time Of Arrival) tc

m

dB/dt

ta - tb = k tc - tb = m

k ta

Todos los puntos que tienen una diferencia constante en distancia de dos puntos fijos forman una hipĂŠrbola.

tb

Sistema LINET-TOA La técnica TOA fue perfeccionada y patentada

por la firma Nowcast en Alemania. No solo diferencia entre los rayos CC sino que también determina la altura de los rayos dentro de la nube.

No es necesario descartar ninguna señal de rayo porque no es fácil idenSficar su forma de onda. Con antena de lazos ortogonales y la técnica TOA da como resultado una información adicional de rayos medidos.

En varias invesSgaciones, LINET capturó y localizó correctamente rayos CG menores a 4 kA que otros sistemas no pudieron detectar. Usando registros visuales de cámaras, los rayos se idenSficaron claramente como rayos CG. La precisión de la ubicación de las antenas LINET permite la delimitación clara de las celdas de tormenta. No solo es excelente la precisión estadísSca de 75 metros, sino que la dispersión también es extremadamente baja.

LINET- técnica TOA Sensor 1

Sensor 2 Sensor 4 Sensor 3

Sensor 5

Sensor 6

• Señal llega a cada sensor a diferente tiempo.

• Tiempo medido en cada sitio; resolución: una diezmillonésima de segundo.

• Se necesitan mínimo reportes de tres sensores para una solución.

Ventajas TOA

• •

•

•

•

Precisión del Sempo muy superior En LINET con técnica TOA, la detección y el seguimiento de las celdas de tormenta, en detalle, solo se puede resolver con la ayuda de un algoritmo sofisScado.

El algoritmo calcula las celdas de tormenta en Sempo real. Con cada nuevo impacto de rayo, la celda se actualiza con respecto a todos sus parámetros, que están disponibles en Sempo real.

Eliminación de ruido inducido sobre el sensor gracias a un hardware más sencillo, USlización de sensores para observar rayos en LF y VLF (descargas CG) y descargas en HF y VHF (descargas CC).

Sistema WWLLN ¨

¨

¨

Requiere el Sempo o momento de llegada del grupo (TOGA, Sme of group arrival) de al menos 5 sensores de la red.

Típicamente, sólo del 15% al 30% de los rayos son detectados por 5 o más detectores, correspondiendo a los rayos más intensos.

La exacStud de la red se sitúa entre los 10 y 15 km. El umbral de detección de la red se encuentra entre el 5 y el 10% de todas las descargas con corrientes de pico mayores a 45 kA .

Cubrir el mundo entero por estaciones detectoras espaciadas uniformemente con cerca de 1.000 km., de separación requeriría unos 500 sensores.

Lightning Mapping Array LMA El Lightning Mapping Array (LMA) es una red de antenas, receptores GPS y sistemas de procesamiento que detectan el total de rayos: nube-nube (CC), nube-Serra (CG), nube-ionosfera (CI); El sistema puede determinar la ubicación y el Sempo de descarga del rayo en función del Sempo que tarda la señal de muy alta frecuencia (VHF) irradiada por la descarga en llegar a las disSntas estaciones de antena. Las antenas LMA VHF detectan la señal dentro de una banda de telecomunicaciones VHF. Estas estaciones de antena se colocan fpicamente a una distancia de 15 a 20 km en una región de 60 a 80 km de diámetro. Inicialmente la red LMA estuvo instalada en los alrededores de Santa Marta y actualmente en los alrededores de la estación Dabeiba en Barrancabermeja

Molino de Campo Eléctrico MCE para predicción de rayos E = f(Q,A) V = kE Campo E

Aportes al conocimiento: Criterios de predicción derivados de Medición de dE/dt: • Umbral de E • Cambio de polaridad • Derivada de E (corrientes de Maxwell) Medición fpica durante una tormenta (Bogotá, Noviembre 4, 2004)

Relación Empresa-Universidad, empresa Spin-O

Red La4noamericana de localizaciรณn y predicciรณn de rayos

Red La4noamericana Propiedad de Keraunos

Estacion experimental Illyapa Colombia # m 3

3

m

#

00

0#m

-3

30

m

m

60

#m

#

60

País!

Ubicación!

CANADA! CANADA

ASNM/(m)!

IP//(kA)!

Puesta/en/ Marcha!

ASNM (m)

43° 38' 0!38 ´N 43 UBICACION 79° 23'N! W 0!23´W! 79 ASNM (m)235

IP (k A)

IP (k A) 4.7

UBICACION

235!

T - 10 (µs)

T - 10 (µs) --

S -10 (kA/µs)

15 S -10 (kA/µs)

PUESTA EN MARCHA

PUESTA1978 EN MARCHA

4,7!

1978!

USA!

Janischewsky!

4.7

13

--

0.32

15

34

105!

13

13!

0.32

--

34

22

20°00' S 5°26' N 0!20°00' N S 25 50´S!45°59' 59´N! W 45 43°58' 74°56' W 8°57'43°58' E W 280!0´E! 914 1400 80!57´E! 175 914 1400 1000

1990!

1991 - 1990 1978

41

30 41 primera primera 12.3 su bse cuente

primera 4.5

-7!

175!

914!

43.1 30 43.1 44 - 53 * primera primera primera 12.3 12 12 16.5 16.5 su bse cuente su bse cuente su bse cuente su bse cuente su bse cuente 5.6

5.6

primera primera primera 4.5 primera 5.6 primera 5.6 -0.6 0.8 su bse cuente 0.6 su bse cuente 0.8 su bse cuente 0.7 su bse cuente su bse cuente su bse cuente 0.7

5.0 22

primera

1978!

su bse cuente

1978 1991 - 1990

Fischer!

Rakov!

(UF)!

N 25°50'45°59' S 0!

28°0' E8°57' E

7 699!

7

primera

1978 1973

5.0 primera primera

15.4

41!

5.0

5.0 primera primera 15

15.4 1973!

su bse cuente su bse cuente

1973 1943

ANDERSON R. & ANDERSON R. & FUCHS F. BERG ER K. ERIKSSO & ZUNDL T. N A. ERIKSSO N A.

Ruchs!

U!Munich!

30!

5.6

15 18.6

su bse cuente su bse cuente

1943 1985 LACERDA M. BERG ERCEMIG K.

Anderson!

primera

5.6

-18.6 su bse cuente

1943!

BRASIL!

COLO MBIA

200!00´S! 430!58´W! 1000

5°26' N 74°56' W

#m

#

COLOMBIA! 50!26´N! 740!23´W!

44 - 53 *

1400!

71!

--

45,3!

42,9!

1985!

1998!

--

1985 1998

1998

TO RRES LACERDA M. - H. CEMIGPAAS

TO RRES H. PAAS

Berger!

60

m

#

CO MPA RACIO N DE SISTEM AS DE M EDICIO N DIRECTA D E RAYO S NATURALES U .N . 200 0

SUIZA SUDAF RICA

N S 0!

28°40'47°49' N 47°49'25°50' N 28 40´N! 49´N! E 47 11°05' 28°0' E 80°39'11°05' W E 800!39´W! 110!699 05´E! 175 235 105 105 699

Valor estimado a partirValor de registros t omados estación, de un impacto a 149 mde deun ella . estimado a partiren delaregistros t omados en la estación, impacto a 149 m de ella .

*

SURAFRICA! SUIZA! COLO MBIA SUIZABRASIL BRASIL

ALABAMA Y LA ALABAMA Y LA ALEMANIA CANADA FLORIDA FLORIDA N0!

43° 38'28°40' N W 79° 23'80°39' W

JANISCHEW SKYJJANISCHEW FISHER R. & SKYJ FISHERFUCHS R. & F. INVESTIGADOR INVESTIGADOR W. & HUSSEIN A. W. & HUSSEIN SCHNET A. ZER G . SCHNET&ZER ZUNDL G . T.

Inves;gador! *

© CO MPA RACIO N DE SISTEM AS DE© M EDICIO N DIRECTA D E RAYO S NATURALES U .N . 200 0

ALEMANIA! SUDAF RICA ALEMANIA

#m

30

30

m

60

#

60

#m

60

m 60

60

60

m

# m

0#m m

16

16

0

0

m

#16

60

m

0&

0

0

-3

00

m

55

55

20

20

20

3#m

m

#56

Visacro!

CEMIG!

Torres!

PAAS!

Ejemplo de resultados Forma de Onda Resistencia Shunt 10 7.7 kA

8 6.93 kA 6 3.85 kA 4 2.31 kA

5.7 us

2

86 us

0.77 kA

3.7 us

0

Corriente [kA]

-5

0

5

10

15

20

25

-2

35

40

45

50

55

60

65

70

5.6

1.72 kA

7.2 us

-4 -6

30

13 us

5.16 [kA] -8 8.6 [kA]

21.2 us

-10 -12 -14 -16 -18

15.471 [kA] 17.19 [kA]

Tiempo [us]

75

80

85

90

95 100 105 110 115 120 125 130

Sistemas satelitales

Solución de muestreo satelital

El satélite TRMM recorre una distancia de 7 kilómetros cada segundo a medida que orbita o la Tierra, lo que 23 N permite al LIS observar un punto de la 23oS Tierra una nube durante casi 90 segundos a medida que pasa por encima.

Futuro: Rayos nube ionosfera o Efecto Luminoso Transitorio (TLE) Ionosfera

Rayos nube-ionosfera Vp

Rayos nube-tierra

Tierra

R

ASIM (Atmosphere Space Interac4on Monitor)

ASIM Lanzamiento abril 2/2018

Acople Estación Espacial Internacional

UNPeriodico, Ciencia y tecnología, No 217, p.12, abril 20 de 2018 Bogotá D.C. “A la caza de “duendes” energé4cos en el espacio”

Rayos nube-ionosfera, primeros resultados LMA Lightning Mapping Array

Red LINET

ISS

LINET

El futuro: Estación de inves4gación DABEIBA Estación experimental sobre rayos – DABEIBA, Barranca, Santander, Colombia.

• UN, UIS, Keraunos, UPC, U Gainesville, ASIM, NASA, Grupos de inves;gación…

• Información: EEI, MCE, LMA, red LINET, Antenas de placas…

PROYECTOS: • Sistema de radio sonda para medir campos eléctricos en el interior de las tormentas en el rango del LMA • Medida de corrientes de rayos en estructuras elevadas.

• Interacción de rayos en estructuras altas en regiones tropicales y las implicaciones que tendrá en la protección de aerogeneradores.

• Medición de resonancia Schumann. Potencial ionosférico en el trópico.

•

Tecnicas de medicion y localizacion de rayos

1.

2.

3.

4.

NOWCAST - LINET VAISALA WWLLN LMA

5. Satélites 6. MCE 7. Torres de medición directa

DF o TOA dB/dt

Luz, dE/dt o medición directa

Resumen Técnica

País

Principal obje4vo a medir

Aplicación

TOA/DF

USA, Alemania

Localización (Tiempo-espacio), I, polaridad, medición indirecta por dB/dt. Buena precisión (>85%) y exac4tud (apr. 500m)

Protección

WWLLN

USA

Localización (Tiempo-espacio), I, polaridad, medición indirecta por dB/dT. Baja precisión (apr. 15%) y exac4tud (apr. 15km)

Protección

MCE

Colombia

Predicción (>90%). dE/dt

Predicción y protección

Satélite

USA

Muestreo, Estadís4ca, comparación espacial. No importa precisión

Soporte y nuevas inves4gaciones

LMA

USA

Rayos total: CC, CG, CI

Nuevas inves4gaciones

Torres

Canadá, USA, Alem., Suráfr., Suiza Brasil, Colombia

Medición directa parámetros I, di/dt, polaridad. Muy costosas.

Inves4gaciones para mejor conocimiento del rayo y soporte a otras técnicas

Magnitud de la Corriente de retorno del rayo En regiones tropicales, la magnitud de la corriente media del rayo esta alrededor de los 45 kA, mientras que en la4tudes templadas (Europa, Asia, USA) esta en promedio en los 30kA.

Probabilidad

Parámetros probabilis4cos del rayo, zona tropical, NTC 4552 100 99,9 99,5 90 99 98 80 95

2

90 70

10

12

8

80

13

60 70

14

60

1

50 50

9

40

7

30 40

5

20

11

15

30 10

6

5 20

3

2 110 0,5 0,2 0 0,1 0,1

2

3 4

0

6 8 10 1

2

3 4

1

6 8 10 10

2

3 4

2

6 100 8 10

2

3 4

3

6 1000 8 10

2

3 4

4

610000 8 10

2

3 4

5

6100000 8 10

Valor del parámetro

1. I (1ª -) 2. I (Sub -) 3. I (1ª +) 4. Q (-) 5. Q (+) 6. Q (1ª -) 7. Q (Sub -) 8. Q (1ª +) 9. W/R (1ª -) 10. W/R (Sub -) 11. W/R (1ª +) 12. di/dt (1ª -) 13. di/dt (Sub -) 14. di/dt (1ª +) 15. di/dt 30-90% (Sub -)

Importancia de inves4gar cienfficamente el FEM del rayo:

1.

2.

3.

Diseños de ingeniería para protección contra rayos mas adecuados al entorno geográfico.

Mi;gación del riesgo de perdidas de vidas humanas, bienes culturales o materiales por impactos de rayos.

Elaboración de normas y reglamentos técnicos apropiados. RETIE Art. XVI, NTC4552

Incidencia en normas técnicas internacionales: IEEE P1410™/D4 Dra3 Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead DistribuHon Lines:

“Torres et al [B24] noted that this expression has errors of up to 1568% in tropical areas, recommending the alternaSve expressions for EquaSon (1):”

“There are also regional variaSons in the raSo of ground flashes (CG) to total flashes (CG + IC). A median value of 0,25 ground flashes to total flashes is recommended in temperate regions.”

Conjunción de un sistema de inves4gación: Empresa-Universidad

• • • • • •

Red LINET (Tecnología manejada por la firma Keraunos) Redes de PreThores (Innovacion desarrollada por Keraunos) Torre instrumentada de medición directa de rayos - Ilyapa 4 cámaras de observación de rayos Redes experimentales para medición de tensiones inducidas Laboratorio de alta tensión

El rayo en el trópico

Horacio Torres Sánchez

apuntes mæstros

Resultados Visibles, Comunicables, Contrastables, Validez social

Horacio Torres Sánchez

El rayo en el trópico

ISBN 9789587754544

9 789587 754544

apuntes mæstros

Certezas temporales de investigación sobre el fenómeno del rayo

Normas y reglamentos de Protección contra rayos • • • • • •

NTC 4552-1 Generalidades NTC 4552-2 Riesgo NTC 4552-3 Protección externa NTC 4552-4 Protección interna NTC 4552-5 Alarma temprana RETIE, capitulos 11 y 16

Aportes novedosos respecto a otras normas internacionales, fruto de la inves;gación y la aplicación a casos reales.

Aplicación de desarrollos inves;ga;vos colombianos (estudios, equipos, datos) a la promoción de la Normalización Técnica en Colombia.

Alianzas y Consultorias q

q

Con grupos de inves;gación pares de Colombia, Alemania, Italia, España, Suecia, USA, Brasil, Venezuela, México, Chile, Cuba, para desarrollo conjunto de inves;gaciones.

Ecopetrol, CHEC, ISA, EEB, EPM, Codensa, ICE, EDELCA, BP, Brasil, Centroamérica, Venezuela, Bolivia.

Muchas gracias por su atención‌