DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y EFECTOS EN REDES ELÉCTRICAS

8/18/2019 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y EFECTOS EN REDES ELÉCTRICAS

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DESCARGAS ATMOSFÉRICASOrigen, efectos sobre redes eléctricas y protecciones contra estas.

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN

FACULTAD DE INGENIERÍADEPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA SEMINARIO N°1 MATERIALES ELÉCTRICOS

Juan Chávez, ℎ@. , Bastián Garrido, @. , Nicolás Terán, @.

RESUMEN: Se presenta un análisis acerca del f enómeno deDescargas Atmosféricas y cómo afectan a los sistema eléctr icos.Pr imero se describi rá el or igen de las descargas atmosféricas,sus pr in cipal es fases y caracteri sticas, los tipos de descargasatmosféricas y las distancias criti cas hacia éstas.Poster iormente se hablará acerca de cómo af ectan di chasdescargas en el cor recto funci onamiento de las redes eléctr icas.

Luego, se hará una descri pción de los sistemas de protecciónmás uti li zados para pr oteger al Sistema fr ente a estasperturbaciones.

I. INTRODUCCIÓN

Se estima que en el mundo hay en promedio, alrededorde 1800 tormentas eléctricas en cualquier instante dado, dedonde se producen aproximadamente 100 descargas atierra por segundo, es decir, más de 8 millones por día. Asímismo, las tormentas eléctricas son las responsables dealrededor de 1000 muertes y 2500 heridos por año en todoel mundo, más que cualquier otro fenómeno climático.

Por otro lado, las sobretensiones en las redes eléctricasson producidas por diversos motivos, tales comomaniobras por fallas, cambios bruscos de carga,ferroresonancia, desenergización de bancos decondensadores, operación de interruptores, caídas de rayos,etc. Sin embargo, de las anteriores, la más severa de todas,es por la caída de un rayo en el sistema, debido a que losniveles de energía que se producen, son altísimos, y conello, el daño en el sistema puede ser catastrófico si no setienen las protecciones adecuadas, considerando que,según muchos expertos [1], las tormentas eléctricas soncada vez más frecuentes en el mundo, debido al cambioclimático al cual no estamos enfrentando.

II. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Según la teoría de la precipitación, postulada porElster y Geitel en el año 1885 [4], existen dos tipos degotas: Las Grandes, que aceleran hacia la superficieterrestre por gravedad, y las pequeñas, que se mantienen ensuspensión en forma de neblina en la atmosfera. Según loanterior, al precipitar las gotas más grandes, chocan con lasgotitas de neblina, y posiblemente con cristales de hielo enlas altitudes más frías, producen una transferencia de carganeta negativa a las gotas más grandes, luego, al moverse a

altitudes menores, por gravedad, se genera una carga netanegativa en la parte inferior de la nube. Para que esta cargase conserve, es necesario que la parte superior de la nube

esté cargada positivamente, con ello, se tiene unaestructura dipolar en la nube de tormenta. En la Figura 1 semuestra de manera simplificada el proceso.

Figura 1: Proceso de electrificación de una nube: (a) Separación

de las cargas debido a las colisiones; (b) Electrificación de una

nube debido a la precipitación de gotas cargadas.

Según la teoría de la convección [4], la cual se basa enla transferencia de partículas cargadas de un lugar de lanube a otro, por masas de corrientes ascendentes ydescendentes de aire que ocurren dentro de la nube.Además, esta indica que las partículas cargadas se

producen por dos mecanismos:Los rayos cósmicos que inciden en las moléculasde aire y las ionizan, para dar lugar a dos iones,uno cargado positivamente y un cargadonegativamente.Los campos de corriente de gran intensidad que seforman en torno a los objetos afilados que hay enla superficie de la tierra que producen descargasde corona que dan lugar a iones con carga

positiva.

Luego, los iones positivos son elevados por corrientes deaire ascendentes, en cambio los iones negativos seadhieren a las gotas de agua en descenso y a las partículasde hielo que se mueven hacia altitudes más bajas, productode la gravedad o de masas descendentes de aire. Elresultado de lo anterior, es una estructura dipolar, dentrode la nube de una tormenta.

Si bien, ambas teorías podrían tener lugarsimultáneamente, son distintas e independientes. A pesarde que ambas postulan que la nube de tormenta es undipolo con el polo negativo cerca de la tierra, una nuevateoría, más completa que las anteriores [4], ha establecido


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que la nube de tormenta es una estructura tripolar, y no bipolar.

Figura 2: Ilustración de la teoría de convección sobre la

electrificación de la nubes.

Dicha teoría de la tripolaridad, se debe a la llamada“temperatura de inversión de carga”, la que establece que

al chocar partículas de nieve granulosa con cristales dehielo, la carga transferida a una de estas partículas dependede la temperatura. A temperaturas menores a la deinversión de carga (-15° C aproximadamente), la cargatransferida es positiva. Considerando que a 6000 metros dealtitud, la temperatura es aproximadamente 15°C, se podríadeducir que debido al choque de las partículas granulosas ylos cristales de hielo, las nubes de tormenta estaráncargadas negativamente a altitudes mayores a 6000 metrosy positivamente cargada, debajo de los 6000 metros. En lafigura 3 se muestra una ilustración que explica esta teoría.

Figura 3: Explicación de teoría de inversión de carga.

Si unimos la teoría de la precipitación con lainteracción de las partículas de nieve granulosa y loscristales de hielo y nieve, y la temperatura de Inversión deCarga, se pueden explicar de mejor manera los fenómenosocurridos en una nube de tormenta. Este modelo noconsidera las corrientes ascendentes y descendentes dentrode las nubes.

El modelo de convección considera dichas corrientes pero no explica pero no tiene explicación para algunosfenómenos que ocurren dentro de una nube.Según mediciones [4], una nube efectivamente puede serelectrificada de tal manera que haya carga positiva en su

parte superior y negativa en su parte inferior, además, puede haber una carga positiva más pequeña en lasaltitudes más bajas de la nube, como se muestra en lafigura 4.

Figura 4: Nube electrificada tripolarmente.

Estas cargas son las responsables de los rayos.

Podemos mencionar 4 tipos de descarga de rayos:1. Descarga intranube.2. De nube a nube.3. De nube a aire.4. De nube a tierra.

Siendo la de nuestro interés, para fines de ingeniería, sólola última (4.). Esta, puede dividirse en 4 tipos más:

i. Nube a tierra con líder con carga negativaii.

Tierra a nube con líder con carga positiva.iii. Nube a tierra con líder con carga positiva.iv. Tierra a nube con líder con carga negativa.

Figura 5: Tipos de descargas entre Nube y Tierra.

Entiéndase por Líder, a rutas de aire ionizado por lacual se desplaza un rayo. En la figura 5 podemos observar

los 4 tipos de descarga entre nube y tierra mencionadosanteriormente.


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De los anteriores, la más frecuente de todas, es ladescarga Nube a tierra con líder con carga negativa, la cualtiene una tasa de ocurrencia de un 90%, comparándola conlas descargas de nube a tierra, y de un 45% comparándolacon todas las descargas naturales. La diferencia de

potencial entre el líder y la tierra puede exceder los 107 V,

su velocidad supera los 1000 km/h. La descarga nube atierra con líder con carga positiva, es menos frecuente quela anterior, con una frecuencia de un 10% de las descargasa tierra y constituyen un 5% de todas las descargasatmosféricas. Estas poseen una alta corriente que fluctúaen el rango de los 200-300 kA. Son más recurrentes enaltas latitudes y regiones montañosas. Un rayo se generacada vez que la acumulación de carga en una nube detormenta es tal que el campo eléctrico es intenso entre loscentros de carga que se forman dentro de la nube y latierra.

Las descargas atmosféricas son impredecibles.Diferentes estudios y pruebas de campo permiten conocer

algunos datos impresionantes [5]. Por ejemplo, sabemosque la temperatura máxima de un rayo puede alcanzarvalores superiores a 30.000 °C con una duración de unamillonésima de segundo. Esta temperatura supera más decuatro veces la de la superficie del sol.

La energía media disipada por unidad de longitud delcanal de descarga formado por un simple rayo es del ordende 105 J/m, lo que equivale a unos 100 kg de dinamita. Laenergía media total por descarga es de 3·108 J y suduración total se considera que es de aproximadamente 30ms. Así, la potencia media por rayo es de unos 1013 W.

III. EFECTOS EN REDES ELÉCTRICAS

Las descargas atmosféricas que afectan las líneas de lasredes eléctricas son, la influencia electroestática de lasnubes y los rayos, siendo estos últimos los que a través degolpes directos en las líneas los que tienen un mayorimpacto en la red, ya sea por la corriente o por la tensiónque éstos producen.

En relación a las corrientes producidas por losgolpes directos de los rayos en las líneas podemos decirque, estas corrientes además del elevado valor en módulo,también poseen una frecuencia muy alta, provocando así:

Un gran aumento en la temperatura, pudiendo producir fusión en los puntos en los que el rayo

impactó la línea, debido al efecto Joule.Ruptura o deformaciones mecánicas en los cables quecomponen las líneas debido a las fuerzas de atraccióno repulsión generadas por el nivel de las corrientesque circulan por conductores paralelos.

Hablando ahora acerca de las tensiones producidas por la caída de rayos, ya sea directamente o nosobre las líneas podemos decir que, al igual que lascorrientes, las tensiones son grandes tanto en módulo comoen frecuencia, provocando así:

Sobretensiones conducidas a raíz de impactosdirectos sobre las líneas del sistema.

Sobretensiones inducidas debido a la radiaciónelectromagnética del rayo.Al caer un rayo al suelo eleva el potencial de la tierra.

Debido a que las sobretensiones son las fallas máscomunes en las líneas a consecuencia de descargasatmosféricas, en especial rayos, nos adentraremos más enestas, estudiando los efectos de los rayos sobre la redeléctrica.

A consecuencia de la caída de rayos, las líneas

pueden resultar dañadas y/o alteradas ya sea física oeléctricamente.Al caer un rayo directamente sobre una línea los

aisladores de estas podrían no soportar tal nivel desobretensión y por consiguiente formar arcos eléctricossobre los aisladores. Estos arcos eléctricos sobre losaisladores podrían perdurar aun cuando la sobretensión enla línea haya desaparecido, esto obedece a que la tensiónde servicio en líneas de alta y media tensión es suficiente

para mantenerlo en el canal del aire ionizado. Si losaisladores de las líneas no están equipados con las

protecciones necesarias para extinguir el arco eléctrico, latemperatura generada por estos podría llegar a ser capaz de

destrozar los aisladores. Cabe mencionar que en sistemasen los cuales el punto neutro está aterrizado directamenteel arco eléctrico sobre los aisladores produce uncortocircuito monofásico a tierra. Ahora bien, en sistemascon el punto neutro aislado, el arco eléctrico sobre losaisladores no genera cortocircuitos, pero si generacorrientes de mediana intensidad que degeneran el arco

pudiendo así destruir más rápidamente el aislador.Para saber el efecto de estas descargas

atmosféricas sobre los sistemas eléctricos, por lo general setoman en cuenta cuatro factores primordiales para elanálisis. Los factores a tener en cuenta son:

Magnitud de la descarga. Este factor es unos de los

más importantes debido a que el nivel de sobretensióninducida a raíz de una descarga atmosférica esdirectamente proporcional a la magnitud de ladescarga.

Tipo de impacto. Esto obedece a una clasificaciónsegún el sitio en donde la descarga atmosféricaimpacta. Impacto a tierra. Se refiere a cuando la

descarga atmosférica cae directamente a latierra en las cercanías de la línea, sin que seaatraída por el conductor de guarda ni por losconductores de las fases del circuito. Aun

cuando la descarga atmosférica no impactedirectamente la línea esta puede generar unasobretensión en la línea ante mencionada.

Impacto al conductor de guarda y/oestructura. Se dice que cuando ocurre este tipode impacto aunque los conductores estén

perfectamente apantallados, no es extraño queocurran fallas, debido a que las descargas

puedan superar el critical flashover de losaisladores, pudiendo así ocasionar una fallamonofásica a tierra, como fue mencionadoanteriormente.

Impacto a conductor fase. Aunque es difícil

que ocurra, debido a que para esto el conductorfase no debe encontrarse bajo el


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apantallamiento del conductor de guarda. Enlos casos en que la descarga atmosféricaimpacte directamente al conductor fase, existeuna probabilidad muy alta de que la descarga“bote” del sistema la línea en cuestión.

Tiempo de frente. El valor de la tensión inducidadepende del tiempo de frente que presente la descargade retorno, es por ello que la combinación de estacaracterística junto con la magnitud de la descarga losconvierte en los factores determinantes para lavariación de la tensión inducida. El tiempo de frente esinversamente proporcional con la magnitud de latensión inducida, es decir, para una magnitud dedescarga dada, se observa que a menor tiempo de frentemayor es el valor de la tensión inducida.

Angulo de incidencia. El ángulo de incidencia de ladescarga atmosférica trae efectos directos en los

valores de la tensión inducida. Para este tipo deestudios la mayoría de los autores asumen que lasdescargas inciden en forma perpendicular a la tierra.

En redes eléctricas las descargas atmosféricas no sóloafectan a las líneas de transmisión, sino que tambiénafectan a las líneas de distribución. Se distinguen tres tiposde sobretensiones en líneas de distribución en función aimpactos de descargas atmosféricas.

Sobretensiones transitorias conducidas. Cuando unadescarga atmosférica impacta directamente una línea dedistribución crea una onda de corriente que se propaga

por ambas partes del punto de impacto. Estasobretensión puede propagarse significativamente,acabará llegando a equipos de los usuarios yderivándose a tierra mediante estos equipos, los que

podrá averiar o destruir.

Sobretensiones transitorias inducidas. Una descargaatmosférica sobre un poste, árbol o directamente en elsuelo, será equivalente a una antena de gran longitudque emite un campo electromagnético muy elevado. Laradiación emitida induce corrientes transitorias en laslíneas transmitiéndolas al interior de la instalación

pudiendo provocar averías o destrucción en los

equipos.

Sobretensiones transitorias debidas al aumento delpotencial de tierra. La caída de un rayo sobre elterreno o en un pararrayos provoca una fuerte elevacióndel potencial de tierra en una zona de algunoskilómetros (si el rayo cae en un pararrayos, el potencialde tierra aumentará cuando éste dirija la corriente atierra). Este aumento de potencial puede inducirsobretensiones elevadas en los cables subterráneos y

provocar la elevación de la tensión de las conexiones atierra.

IV. MECANISMOS DE PROTECCIÓN

Jaula de faraday

Para una protección completa contra descargasatmosféricas se puede obtener si se envuelve a lo que se

desea proteger con una cubierta de metal o malla de metal,a estas configuraciones se les denomina jaulas de Faraday,las que resulta un esquema óptimo para la protección deelementos sensibles a las radiaciones electromagnéticas.La desventaja de este método de protección es que unaverdadera jaula de Faraday es de difícil construcción y solose justifica económicamente para elementos cuyofuncionamiento sea crítico y sensible a pequeñas

perturbaciones (alto nivel de protección).

Cables de guarda

Son cables desnudos que se fijan sobre una estructura,formando una red que actúa como blindaje, utilizado para

proteger una subestación o líneas de energía de descargasdirectas de los rayos. Generalmente los cables son de acerogalvanizado con una sección no inferior a los 50 2 ,aunque también pueden ser de aluminio, cobre, aceroinoxidable, acero protegido con cobre revestido o aluminiorevestido. La conexión con la estructura es a través deconectores y a tierra es por lo menos en dos puntos comomínimo donde también se usa cable de acero galvanizadocon una sección no inferior a 50 2.

Pararrayos Tipo Franklin

Figura 6: poste adherido a pararrayo tipo franklin.

El pararrayo al igual que el cable de guarda pretende laintercepción de los rayos, entregando un camino de bajaresistencia al impulso de sobretensión, consiste en una

pieza o en partes separadas, como pueden ser; punta,conductor de elevación y base. Las características

principales son que no pueden ser de un largo menor a 254mm y los materiales que generalmente se utilizan son

cobre, aleación de aluminio o aleación de cobre.


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Algunos de los métodos de ubicación de pararrayos

-Método de los ángulos fijos

Este método consiste en la utilización de ángulos verticales para determinar la posición la altura y el número de

pararrayos a utilizar.

Figura 7: Método de los ángulos fijos

Los ángulos que normalmente se usan son 45° y 35°[8]respectivamente, con este ángulo y la distancia conocidadel objeto a proteger se puede calcular cual es lacolocación y altura del pararrayo.

-Método de la esfera rodante.

Figura 8: Ejemplo de método de esferas rodantes.

Es una variación del modelo electrogeométrico[8], yconsiste una esfera de cierto radio típicamente 45m quedebemos hacerla pasar rodeando las instalaciones quequeremos proteger de manera el área formado debajo delas esferas que recorren las instalaciones estarán protegidassi y solo si colocamos pararrayos en las interseccionesentre esferas, en la siguiente figura se ilustra lo explicado.

.Otro dato a tomar en cuenta es que el radio de la esfera

dependerá de la corriente pico de la descarga atmosférica ala cual se quiere proteger, como se especifica en lasiguiente tabla

Tabla 1: Diferentes radios de esferas para las distintas corrientes

pico del rayo

Pararrayos No convencionales

Pararrayos tipo CTS

Figura 9: Pararrayo Tipo CTS

El nombre CTS viene de Charge transfer system o sistemade transferencia de carga, se trata de un esquema de

protección cuyo objetivo es evitar la formación del rayosobre la estructura modificando las condiciones eléctricasde la nube. El CTS utiliza las cargas eléctricas que salen deconductores en punta en el campo eléctrico en condicionesde tormenta, se intenta formar una carga espacial de

características tales que la hagan capaz de modificar lascondiciones eléctricas en la atmosfera con la finalidad deimpedir la descarga de un rayo [3]

Pararrayos tipo ESE (Pararrayo activo)

La sigla ESE viene de Early Streamer Emission o emisióntemprana de trazador, se trata de un tipo de pararrayovertical pero equipado con un dispositivo en la puntadestinado a aumentar significativamente el área de

protección generada en comparación a un pararrayovertical convencional.


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Los pararrayos ESE inician un trazador ascendente uncierto tiempo ∆, con lo que se obtendría una “emisióntemprana”, en otras palabras el trazador anticipado consiste

en una descarga que se propaga con un campo eléctricosignificativamente menor que en el caso de una puntaconvencional

Esta ventaja temporal puede traducirse a una ventajalongitudinal como

∆ = ∆ (1)

Donde v es la velocidad pretendida de propagación deltrazador ascendente generado, que se toma como un valormedio de 1 /µ [3].Por lo tanto la distancia de impacto aun pararrayo ESE se toma como ∆ + , siendo ladistancia de impacto de un pararrayo convencional

Figura 10: Zona de Protección del pararrayo tipo ESE

Como vemos en la figura la zona AB o que protege el pararrayo se puede calcular con la ayuda del teorema dePitágoras como:

= √ (∆ + )2 + ( − ℎ)2 (2)

Arrester /Supresores

De por si el supresor es un instrumento de protección parasobretensiones, por lo que es muy utilizado como

complemento a todos los mencionados anteriormente, elsupresor actúa cuando en las líneas se inducensobretensiones. Su principio de funcionamiento básico esser una especie de resistencia no lineal, que cuando elvoltaje es el de régimen, tenga una resistencia infinita, ycuando exista sobrevoltaje en la línea, este se cortocircuitea tierra. Entre las características generales que debe tenerun supresor destacamos; el entrar a conducción almomento en que sobrepasa su tensión de régimen (Ratedvoltage), mantener el nivel de voltaje sin cambiar en el

periodo de transiente y dejar de conducir o disminuirsustancialmente la conducción cuando la onda de voltaje sereduzca a valores a los de la tensión de régimen [7].

V. CONCLUSIONES

Las sobretensiones en los sistemas de potencias, songeneralmente producidas por descargas de rayos. Generanun transiente alta frecuencia (aprox 100kHz) que dependede factores como por ejemplo, impedancia de la línea,

puesta a tierra de la estructura, contorneo de los aisladores,etc. Para proteger los sistemas eléctricos de estosfenómenos, es necesario hacer un estudio exhaustivo parano hacer sobredimensionamiento, lo que encarecería el

proyecto.Uno de los dispositivos más utilizado en

transmisión para estas aplicaciones, son el arrester(supresor de sobretensiones), el cable guardia y el

pararrayos.Además, en los sistemas de distribución no se

invierte en este tipo de protecciones, ya que el alto costo deestos, y la muy baja probabilidad de ocurrencia de estos,hechos, hace que no se consideren es dichos proyectos.

VI. REFERENCIAS

[1] ¿Por qué los rayos causan cada vez más víctimas?, Navin Singh Khadka, BBC NOTICIAS.

[2] Power Distribution Engineering. Fundamentals andApplications – James J. Burke

[3]Pararrayos No Convencionales – Prof Cesar BriozzoProf. Maria Simon, Senior Member,IEEE.

[4] Standard Handbook of Electrical Engineering – Donald G. Fink, H. Wayne Beaty.

[5] Sobretensiones transitorias de origen atmosférico -Schneider Electric

[6] MT: Estudio y Simulación De Sobrevoltajes EnSistemas Eléctricos De Potencia – Sergio DavidZamora.

[7] Notas Técnicas, empresa RUEL S.A - Sistemas dePuesta a Tierra.

[8] MT: Protección de Sistemas Eléctricos ContraDescargas Atmosféricas - Carlos Aillón Ávila.

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