Protección contra rayos

Sistemas de protección contra rayos Una visión científica y holística para aplicación en ingeniería

Horacio Torres Sanchez Profesor Emerito UN - Socio ACIEM

El fenómeno del rayo ha sido inves2gado sistemá2camente en Colombia desde hace aproximadamente cuarenta años con la creación de un grupo de inves2gación (PAAS-UN), mo2vado por la curiosidad cienFfica del fenómeno, con el obje2vo de llevar a cabo un proceso de apropiación, construcción y creación autónoma de conocimiento para beneficio de la sociedad.

El método cien-fico En el proceso realizado de ir de lo par2cular a lo general y luego regresar a lo par2cular se trabajó, fundamentalmente, el método induc2vo, cienFficamente aceptado por la comunidad académica internacional.

El interés inicial fue plantear una hipótesis, para lograr una comprensión cienFfica amplia y profunda del origen, caracterís2cas y variaciones del fenómeno del rayo.

Con base en el desarrollo de la hipótesis planteada se fueron confrontando sus resultados con la realidad concreta. Sin perder de vista que en el método cienFfico no existen verdades absolutas, sino certezas temporales y los resultados 2enen que validarse y ajustarse con2nuamente.

El rayo: fuente de perturbaciones EM

La problemáPca: Índices de mortalidad

Rayo causó muerte a 11 indígenas en la Sierra Nevada de Santa Marta

“Actualmente la tasa de mortalidad por rayos en Australia, Canadá, Europa, Japón y los EE.UU está del orden de 0,3 muertes por millón por año, mientras en Colombia, país tropical, este índice es 6 veces mayor, del orden de 2 muertes por millón de habitantes por año. Entre los años 2000-2012 resultaron afectados por rayos 3955 colombianos .”

(H. Torres. El rayo en el trópico. Ed. UN, Oct. 2015)

¿Que tan frecuentes son los problemas por rayos? (Cummins, Chisholm, Torres)

Aeronaves de las aerolíneas comerciales son impactadas por rayos, en promedio una vez al año a nivel mundial. En Colombia el indice es mucho mayor.

El costo promedio anual de reposición de transformadores de Distribución en Colombia, por impactos de rayo es es2mado en decenas de millones de dolares.

La tasa de fallas anuales en líneas de transmisión eléctrica por causa de rayos en Colombia es superior al 60% Incidentes por rayos en Colombia, incluidas pérdidas de vidas humanas, en promedio mul2anual de 2 muertes/millon habs y perdidas de cientos de barriles en campos petroleros y minas en campo abierto

Tasa mortalidad-rayos Colombia 1997-2017

Hipótesis de Wilson (1920), Brooks, Whipple (1929): Primeras contribuciones cien-ficas al entendimiento del fenómeno del rayo “Las descargas eléctricas atmosféricas son generadores de carga que man2enen la diferencia de potencial entre la 2erra y la atmósfera superior (Circuito eléctrico global)” (1920)

Ionosfera

Rayos nube-ionosfera Vp

R

Rayos nube-tierra

Tierra

“La contribución al circuito eléctrico global está dominado por una superposición de efectos de las tres mayores zonas de convección: Suramérica Tropical, Centro de África y el Con2nente Marí2mo” (1929)

AcPvidad de rayos en el mundo

Sobre la 2erra se presentan 100 rayos cada segundo

Hipótesis de invesPgación “Las magnitudes de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica uPlizados en aplicaciones en ingeniería varían espacial y temporalmente. ”

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

1.

2.

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5.

Nivel Ceráunico Densidad de Descargas a Tierra Polaridad Mul2plicidad 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)

Densidad rayos a Perra DDT/km2 - Colombia

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 laPtudes templadas (Europa, Asia, USA) esta en promedio en los 30kA.

ExplicaciĂłn cien-ďŹ ca Las corrientes de retorno del rayo aumentan cuando la la2tud decrece, debido a que la altura de los centros de carga electrica aumentan cuando la la2tud decrece.

Variaciรณn temporal Bogotรก, La Habana

Probabilidad

Parámetros probabilisPcos 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

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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 invesPgar cien-ficamente el FEM del rayo:

1.

2.

3.

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

Mi2gación 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 Dra- Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead DistribuCon Lines:

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

“There are also regional variaBons in the raBo 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.”

Relación Empresa-Universidad, empresa Spin-O

Conjunción de un sistema de invesPgación: Empresa-Universidad

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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

SIPRA - Tecnología 3P

Sistema Integral de Proteccion contra Rayos SIPRA Innovacion Tecnologica: Tecnologia 3P

Predicción

Prevención

Protección Externa e Interna

SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS (SIPRA)

Predicciรณn

Niveles de Madurez de la Tecnología (Technology Readiness Level – TRL) NIVEL TRL 9 TRL 8

MADUREZ DE LA TECNOLOGIA INNOVACION

TRL 7 TRL 6 TRL 5 TRL 4 TRL 3 TRL 2 TRL 1

DESARROLLO – GESTION TECNOLOGICA

INVESTIGACION

TRL 1: InvesPgación básica.

TRL 2: Formulación de la tecnología.

TRL 3: Prueba de concepto.

TRL 4: Desarrollo a pequeña escala (laboratorio).

TRL 5: Desarrollo a escala real.

TRL 6: Sistema/protoPpo validado en entorno simulado.

TRL 7: Sistema/protoPpo validado en entorno real.

TRL 8: Primer sistema/protoPpo comercial.

TRL 9: Aplicación comercial.

Innovación.

Prediccion de rayos, Innovacion Tecnologica: El molino de campo eléctrico (PreThor). q

Principio de medición q Principio de inducción de carga superficial q Ventanas de inducción q La frecuencia de medición depende de la frecuencia de giro y del número de ventanas

q

Detección de las señales de variacion (Innovación Tecnológica) q Capacidad variable del instrumento q Señal asimétrica q Reducción de componentes electrónicos q La detección de polaridad se realiza mediante so_ware

2.2 V

-1.8 V

Innovacion Tecnologica: Prediccion

Campo ElectrostáPco

Aportes al conocimiento: Criterios de predicción derivados de Medición de E:

• Umbral de E • Cambio de polaridad • Derivada de E (corrientes de Maxwell)

Medición Fpica durante una tormenta (Bogotá, Noviembre 4, 2004)

Procesamiento de campo eléctrico – innovacion PreThor

Área de interés

Área de Alarma

Campo Electrostá@co

PreThor 20 km

5 km Tormenta inminente Tormenta Cercana

Sin riesgo

Ø Tiempos de predicción (Lead-@me) entre 10 y 30 minutos Ø Probabilidad de Detección (POD) mayor a 95 % Ø Rango 20 – 30 km

Red LaPnoamericana de localización y predicción de rayos LINET – Tecnología TOA

Minas, Colombia, Ejemplo de Prevencion

Prevenciรณn

5 reglas para prevención contra rayos 1. Si planea ac2vidades al aire libre

obtenga previamente la información de pronós2co del 2empo del si2o donde planea ir.

2. U2lice la regla del “30-30” para

buscar una adecuada instalación de protección: consiste en contar los segundos transcurridos entre cuando usted ve el relámpago y oye el trueno.

Si el 2empo es menos de 30 segundos, inmediatamente busque una instalación para protegerse.

5 reglas para prevención contra rayos Tomar medidas adicionales cuando hay amenaza de rayos, por ejemplo evitar salir de una instalación a un espacio al aire libre (pa2os o jardines) y en caso de no encontrar una instalación puede ubicarse dentro de un vehículo metálico.

3.

4. En caso de falla de los consejos

anteriores, evite campos abiertos o árboles aislados y, en caso de solamente encontrar un árbol, ubíquese con los pies juntos, en posición fetal por lo menos a un metro del tronco, sin colocar las manos en el piso.

5. Si ocurrio que una persona fue

impactada por un rayo, aplique los primeros auxilios (RCP) para impactos por rayo.

Primeros auxilios por impacto de rayo: Reanimaciรณn Cardio Pulmonar RCP

Prevenciรณn: Programa gesPรณn de riesgo por rayos para Bogotรก

Protecciรณn

23.12.02 / S2930

Modelo Lineal

_

Nube

Canal sin efecto corona Onda de corriente medida Estación Ilyapa - Colombia

h2

h1

Canal con efecto corona Punto de acople

Fotografía 2

Tierra

∂ 2u (t ) ∂ 2u (t ) = LC (C1 ∂x 2 ∂t 2 ∂ 2i (t ) ∂ 2i (t ) = LC (C1 ∂x 2 ∂t 2

Innovacion: Modelo Bilider

Canales Tortuosos y RamiďŹ cados

El método electro geométrico

rsc = 4.(imin)0,8 NTC 4552-1, 2008

r sc = 10. (imin)0,65 IEC 62305-1, 2006

r sc R + + + + +

DisposiPvos de captación ¨

¨

Puntas Franklin

DisposiPvos de emisión temprana (ESE)

¨

DisposiPvos de transferencia de carga (DAS)

a

Sistema de captaciรณn

Protecciรณn externa

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 inves2gación y la aplicación a casos reales.

Aplicación de desarrollos inves2ga2vos colombianos (estudios, equipos, datos) a la promoción de la Normalización Técnica en Colombia.

Alianzas y Consultorias q

q

Con grupos de inves2gación pares de Colombia, Alemania, Italia, España, Suecia, USA, Brasil, Venezuela, México, Chile, Cuba, Colombia, para desarrollo conjunto de inves2gaciones.

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

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

Rayos nube-ionosfera Vp

Rayos nube-tierra

Tierra

R

ASIM (Atmosphere Space InteracPon Monitor)

Rayos nube-ionosfera, primeros resultados LMA Lightning Mapping Array

Red LINET

ISS

LINET

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

• UN, UIS, Keraunos, UPB, U Gainesville, ASIM, NASA, Grupos de inves2gación…

• Información: EEI, PreThor, 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.

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Muchas gracias por su atención‌

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Horacio Torres e-mail: htorress@gmail.com Keraunos: www.keraunos.co