INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

ACADEMIA DE POTENCIA

TECNICAS DE LAS ALTAS TENSIONES I

DESCARGAS ATMOSFERICAS

PROF. CARLOS RAMIREZ PACHECO

RESUMEN DE TEMAS DE LA UNIDAD 3

3.1. Origen de las descargas (nube tierra, nube, polaridad de las descargas)

3.2. Teoria de formación de la descarga.

3.3. Modelado de la descarga atmosférica.

3.4. Descargas de línea.

3.4.1. Componentes de las líneas de transmisión.

a) Estructuras b) Conductores de fase c) Aisladores d) Hilos de guarda

3.4.2. Descargas en la torre.

3.4.3. Descargas en los conductores de fase.

3.4.4. Descarga en los cables de guarda.

3.4.5. Factores de acoplamiento.

3.4.6. Descargas directa e inversa.

3.1. Origen de las descargas (nube tierra, nube, polaridad de las descargas)

En la antigüedad el rayo representaba una evento mitológico que estaba asociado con poderes supernaturales y con deidades a las cuales se les rendia tributo.Hoy día el hombre trata de explicar este fenómeno con técnicas de experimentación en lugar de solo explicaciones intuitivas. El afan de explicarlo se debe a los efectos que la descarga causa tanto en el ambiente como en los seres humanos. Sin embargo muchos de sus efectos permanecen sin una explicación convincente.

Con el avance de la tecnología, la importancia que el conocimiento de la descarga atmosférica es aun mayor, ya que sus efectos inciden en dispositivos hoy en dia de uso común tales como:

• Satélites• Sistemas de comunicación• Radares• Instalaciones con equipo electrónico sensible• Transporte de todo tipo

Por esta razón existen alrededor del mundo instituciones cuyo fin específico es la observación y estudio de las descargas atmosféricas con herramientas tecnológicas de punta, tales como:

• NASA• NOAA• ESA• Laboratorios científicos

Desarrollo histórico.

Benjamin Franklin fue el primero en realizar un estudio sistemático y científico de la descarga atmosférica, en la segunda mitad del siglo XVIII.

Previo a esto, el avance al respecto consistía en la separación de cargas positivas y negativas mediante la fricción de dos materiales y almacenándolas en un dispositivo llamado jarras de Leyden en donde se generaban y observaban las descargas por chispa.

Aunque se observo una similaridad entre chispas y rayo, Franklin fue el primero en realizar un experimento para demostrar la naturaleza eléctrica del rayo asumiendo que las nubes poseían carga eléctrica.

Dicho experimento consistió en pararse en una plataforma metálica, sosteniendo una varilla con una mano para obtener una descarga entre la otra mano y tierra, si las nubes estaban cargadas entonces también se deberían verse chispas entre la varilla y un cable a aterrizado (sostenido por una vela).

Dicho experimento resulto cierto para un científico francés llamado Francois D´Alibard en Mayo de 1752 durante una tormenta.

G. W. Richmann un físico Sueco, trabajando en Rusia probo que las nubes de tormenta contienen carga eléctrica en 1753, pero fue muerto cuando un rayo cayo sobre él.

Franklin logro mejorar su experimento origina remplazando la varilla por un cometa, el cual proveía un mayor potencial con respecto a tierra. Su experimento tuvo lugar durante una tormenta en Pennsilvanya 1752, en donde hizo volar la que probablemente es la cometa más famosa del mundo, las chispas comenzaron a saltar de la cuerda del comenta a la mano aislada de Franklin el cual se encontraba por supuesto a un potencial menor.

Además de demostrar que las nubes eran cargadas eléctricamente, Franklin pudo inferir la polaridad de la misma, asumiendo que la parte inferior de las nubes tenían carga negativa.

Poco se hizo hasta el siglo XIX cuando se pudo fotografiar la descarga y usar espectografia para investigación.

Pockels de Alemania (1897-1900) pudo estimar la corriente del rayo mediante la medición de su campo magnético, también en esa época se pudieron identificar descargas individuales que forman el canal principal.

C.T.R. Wilson fue el primero en estudiar mediante mediciones de campo eléctrico la estructura de las cargas de tormenta que intervienen en la formación del rayo, Wilson es conocido por sus aportaciones a el conocimiento fundamental de la descarga atmosférica.

En 1960 el estudio de la descarga toma un nuevo impulso debido a los vehículos aeroespaciales y la electrónica de estado sólido usada en equipo sensible.

El estudio continúa hoy día con el estudio de problemas de compatibilidad electromagnética.

Definición de la descarga atmosférica:

La descarga atmosférica (rayo) es un destello luminoso en el cielo que proviene de una nube tipo cumulonimbus durante una tormenta. El fenómeno se debe a la cantidad de carga eléctrica de diferente polaridad almacenada en diferentes partes de dicha nube.

¿Qué es una nube cumulonimbus?

Es un cúmulo extremadamente denso que se desarrolla de forma vertical y con un extremo superior en formade glacial.

Se extiende por más de 40 km

Forma tormentas

Tipos de descargas atmosféricas:

Nube a tierra:

Nube a tierra con tornado:

Intra-nube:

¿Que tipo de nube que ocasiona este tipo de descarga?

Nube tipo sábana Descargas intra-nube

Descargas cohete (anvil crawlers)

Nube a nube:

Descarga volcánica:

Descarga nuclear:

Descarga en cuerpos de agua:

Descargas en otros planetas (Júpiter):

Descargas en la alta atmósfera:

¿Que es un blue jet?

Los blue jets son descargas luminiscentes que son expulsadas de la parte alta de una nube de tormenta.

Se propagan en forma de cono muy delgados.

Tienen una velocidad vertical de 100 Km/s

Se propagan y desaparecen a una altitud entre 30 – 40 Km

Blue jets:

¿Qué es un red sprite?

Son destellos luminosos que aparecen en la parte superior de las nubes de tormenta

Ocurren cuando se presentan descargas intra-nube o nube a tierra

Suceden como puntos sencillos o agrupados con extrusiones arriba y abajo

Se extienden de la parte superior de la nube hasta más de 95 Km

Alcanza su mayor brillantez entre los 65 –75 Km

Por debajo de la regio roja se pueden apreciar zonas azules trazos azules que se extienden hacia abajo por 40 Km

Red sprite

http://www-star.stanford.edu/~vlf/

¿Que es un Elve?

Emisión de una frecuencia ligera y muy baja

Duración de 1/1000 s

Ocurre en la base de la ionosfera

Se expande rápidamente radialmente y en forma de disco horizontal con un diámetro hasta de 500 Km

Se forma cuando un pulso electromagnético se propaga a través de la ionosfera

Pueden venir acompañadas por sprites pero su origen es diferente

Elve

Algunos datos interesantes de las descargas:

Viajan a velocidades superiores a los 60000 metros por segundos y distancias de más de 100 Km

La columna de la descarga en su parte mas caliente puede alcanzar temperaturas de más de 300000 C (¡5 veces más caliente que en el sol!)

La longitud de la descarga puede alcanzar 190 Km con cerca de 5 cm de diámetro

Una descarga negativa puede alcanzar 30x106 Volts y 100 kA la energía suficiente para encender un foco de 100 W por 3 meses

Una descarga positiva puede disipar energía suficiente para encender un foco de 100W por ¡95 años!

Una tormenta eléctrica tiene más energía que una bomba atómica

Teoría de formación de la descarga

Cuando las partículas de agua empiezan a interactuar por los efectos del viento en una cumulolimbus estas empiezan a colisionar se fracturan y separan bajo la influencia de corrientes ascendentes y la fuerza de la gravedad

Se acumulan en la parte inferior de la nube granizo y copos de nieve cargados eléctricamente

Partículas más ligeras de cristales de hielo y gotas de agua supercongeladas cargadas positivamente se acumulan en la parte superior de la nube

Esta separación de carga produce un campo eléctrico dentro de la nube y en las regiones de la nube con cargas de polaridad opuesta

Una vez que el campo eléctrico alcanza una rigidez dieléctrica crítica ocurre una descarga

Un canal líder es un canal supercaliente por el cual viajan electrones de la nube a tierra

El canal líder comienza en la base de la nube

Se propaga hacia abajo en intervalos de 50 – 100 mts

Cambia su dirección en intervalos

Con forme el canal líder se acerca a tierra se empieza a formar un canal líder positivo

Este líder es originado desde tierra a la nube y viaja hasta encontrarse con el con el canal líder negativo

El líder negativo y el líder positivo se conectan electrones de carga negativa fluyen de la nube a tierra (carga positiva)

Esta descarga es conocida como descarga o rayo de retorno

Una o más descargas pueden ocurrir de manera inmediata sobre el canal previamente ionizado y son llamadas descargas dardo

http://environment.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/lightning-interactive.html

El efecto luminoso se percibe en ese instante ya que se propaga a la velocidad de la luz (VLuz = 300 x 10 6 m/s). El efecto sonoro es percibido posteriormente, después del tiempo de propagación de la onda sonora hasta el observador, que se procesa a una velocidad mucho menor (VSonido = 343 m/s) y se puede escuchar a distancias usualmente limitadas, del orden de 10 Km.

DESCARGA NEGATIVADESCENDENTE

DESCARGA NEGATIVAASCENDENTE

DESCARGA NEGATIVADESCENDENTE

DESCARGA NEGATIVAASCENDENTE

CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS NUBE - SUELO PO R SU POLARIDAD

En las evaluaciones relativas a la protección contra descargas atmosféricas, ciertamente, la primera información cuyo conocimiento se requiere de inmediato, consiste en que tan frecuente un sitio o local es solicitado o sometido a esfuerzo dieléctrico por el fenómeno.

El parámetro que cuantifica esta frecuencia es la densidad de descargas en el sitio.

En los estudios de impulsos atmosféricos en las redes eléctricas, solo interesan las descargas con trayectoria de corriente entre la nube y tierra, no habiendo interés con las descargas entre nubes.

La densidad de descargas se representa por el índice Ng y establece una medida del número medio de descargas que inciden en el suelo por año, estando expresado en descargas/Km2/año, el índice se refiere al número de descargas atmosféricas plenas.

Muchos parámetros influencian el valor de este parámetro, sobre todo la distribución de las lluvias en la región, la latitud, y el relieve del sitio. Las regiones montañas y altas tienden a presentar índices más elevados de densidades de descargas atmosféricas con relación a las regiones bajas adyacentes, lo mismo ocurre con las áreas de alto índice de precipitación pluvial, condición que esta muy influenciada por la distribución de las corrientes de aire en el globo terrestre.

Por consiguiente, el índice de densidad varía de una región a otra. En la tabla siguiente se muestran algunos valores de densidad de descargas en algunas regiones del planeta.

Índices típicos de la densidad de las descargas en algunas regiones(datos estimados a partir del sistema de detección y localización de

descargas

Sitio Valor típico de Ng rango desc./Km2/año

Alemania Austria Francia Italia

Australia África del sur

Estados unidos México Brasil

1 – 1.5 1.5(1 – 6)

1.7 (0.5 – 5) 1.5( 1 –5)

0.2 –4 4.0 (0.5 – 14) 2.0(0.1 – 14)

1 – 10 1 - 12

Otra forma de expresar la intensidad de la actividad atmosférica, es por medio de los mapas ceraúnicos que representan las zonas geográficas con un número promedio de días con tormenta anual, se han desarrollado algunas relaciones empíricas que relacionan la densidad de rayos a tierra con el nivel ceráunico como la siguiente que es la más usada.

Donde:

DT = Nivel ceráunicoNg = Densidad de rayos a tierra

La información de la densidad de rayos a tierra o del nivel ceraúnico se presenta por lo general en MAPAS del país o la región del país como referencia.

25.1DT 04.0Ng

Amplitud de la corriente del rayo

La amplitud de la corriente de descarga, referida como valor poco o de cresta de la onda de corriente corresponde al valor máximo alcanzado por la corriente. Usualmente las ondas de la primera corriente corresponden al valor de descarga negativa y presentan dos picos, siendo en la mayoría de las veces el segundo superior al primero.

En la perspectiva de la aplicación en Ingeniería para la protección de sistemas eléctricos contra descargas atmosféricas, por lo general este es el parámetro físico de la corriente de descarga o del rayo, considerando de mayor interés, ya que determina los niveles máximos de solicitación impuesta por la corriente del rayo a las componentes del sistema, como ejemplo se pueden mencionar las sobretensiones en los aisladores de una línea de transmisión alcanzada por un rayo y la máxima elevación de potencial en el suelo. Estas dos cantidades son prácticamente proporcionales al valor pico de la corriente, por lo que es un parámetro crítico para el dimensionamiento del aislamiento. En la siguiente figura se muestra una curva de distribución probabilística del módulo de la corriente cresta para distintas polaridades.

2 4 5 7 2 4 5 7 2 4 5 710 0 10 1 10 2

MÓDULO D E ICRE STA (KA)

2

3

1

1.- DESCARGA NEGATIVA ÚN ICA O PRIMERA

2.- DESCARGA NEGATIVA SUBSECUENTE A LA PRIMER A

3.- DESCARGA POSITIVA

99

95

80

50

20

5

1

%

VALO R DE CRESTA DE LA CO RRIENTE DE DESCARGA

M APA ISO CERÁUNIC O DEL M UNDOLOS NÚ MERO S M UESTRAN EL PROMEDIO DE DÍAS CON TORMENTAS POR AÑO

99.99

99.9599.9099.8099.5098.0097.00

95.00

90.00

80.00

70.00

60.0050.0040.00

30.00

20.00

10.00

5.00

2.00

1.00

0.200.10

0.01 1 10 100

CIGREP

OR

CE

NTA

JE

DE

RA

YO

S C

ON

VA

LO

R P

ICO

DE

CO

RR

IEN

TE

MA

YO

R Q

UE

LA

AB

CIS

A

1p (kA)

CURVA DE FRECUENCIA ACUMULATIVA DEL VALOR PICODE LA CORRIENTE DE RETORNO CON POLARIDAD NEGATIVA

Líneas de transmisión

Las líneas de transmisión constituyen una parte fundamental en la transmisión de potencia de ahí que los factores que afectan cada uno de sus componentes sean bien conocidos

Tipos de torresPor su función:

• Torres de remate• Torres de tensión• Torres de suspensión• Torres de flexión• Torres de transposición• Estructuras de emergencia ERS

Por su material de construcción:

• Madera• Concreto• Tubo de acero• Celosía de acero • Tubo de acero relleno de concreto

Por su arreglo de conductores:

• Portal• Delta• Nivel sencillo• Dos niveles• Tres niveles• Barril

Por su construcción:• Autosoportadas de celosía (estructurales)• Autosoportadas tubulares• Con retenidas• Modulares

20

7,00

1,75

5,70

2,3

19,7

1,8

1,5016

,7

3,8

13,7

24,1

3

0,7

1,753,50

0,7

4,90

0,2

1,7

NIV -3

NIV +0

NIV +0+0

0,3

1,3

1.80

1,3

15° 15°

1,4

1.4

0,7

9°

3,50

TORRE TIPO 1YR1DR 115 KV

TOMEXSA

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

26,6

219

,96 17

,7

13,7

2,96

3

14,70

0,7

7.96

05.

086

3.61

4

3,20

1

0,8

1,35 2,807,35

8,7

1,820

2,7

4,4

0.5

1.6

2.50 30°

NIV +0+0

NIV +0

NIV -4

TORRE TIPO 2B1 BM 230 Kv UN CIRCUITO

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

69,82

46,0

36,7

20.84

9.045

8,82

23,82

31,70

2,4

2.75

6,72

26,70

25,00

3,78

21,70

16,70

9.045

2,1

16,0

1,5

1,5

11,0

4,15

7,26

17,27

4,45

2,6

10,01

NIVEL +15

NIVEL +10

NIVEL +0+0

NIVEL +0

NIVEL +5

NIVEL -5

1,5

1,5

NIVEL +15+0

1,5

0,3

3,5

0,7

24,0

3,258,82

1

Ext. -2

Ext. -1

Ext. +0

Ext. +1

Ext. +2

Ext. +3

Ext. +4Ext. +5

Ext. +6

3.25

40°

0.37

50.45

90°

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

45 cm

TORRE TIPO 4EA2 400KVTRIBASA

DIM ENSIO NES TIPO DE TO RRE RETENIDA PARA 400 kV

ACOT. EN m

186.22 cm

144.32 cm

41.90cm

41.90cm

7.62 cm 131.4 cm

5.3 cm

CABLE ACSRDE 900 MCM

48.5 cm

CALAVERA OJO

GRAPA DE TENSIÓNAISLADORES DESUSPENSIÓN ESTÁNDARDE VIDRIO, CLASE 52-5

HORQUILLA-BOLAYBC-30

D E T A L L E (OPCIO NAL)

TRABE 1.44 m

1.44 m

9 AISLADORES DESUSPENSIÓNESTÁNDAR

CONECTOR PARALELO

BAJADA A CUCHILLAS

CALAVERA OJOTIPO SA-10-13

YUGO TIPO YPW

HORQUILLA BOLA

CLEMA DE SUSPENSIÓN

CALAVERA-HORQUILLAEN “Y”

ANCLA-0J0

DETALLE DE USO DE HERRAJES PARA AISLADORES TIPO SUSPENSIÓ N

Hilos de guarda

Estructuras de emergencia

Módulos de aluminio 7, 14 y 21 ft

Software

Hardware

Descargas en las líneas de transmisión

Factores que intervienen en la descarga de rayos en las líneas de transmisión

• Probabilidad del número de descargas en una lt.

• Topografía del terreno

• Conexión a tierra

Probabilidad del número de descargas en una lt.

El número de descargas que alcanzan o impactan una línea de transmisión se puede estimar por la siguiente relación empírica.

Donde:

 

NL = Número de descargas a la línea/año/Km2

h = Altura media de los cables de guarda (m)

b = Separación horizontal entre los cables de guarda (m)

)4(10

09.1hbNg

NL

Topografía y características del suelo La ruta de una línea de transmisión puede ser sometida a una variedad de condiciones topográficas con distintas familias de torres para garantizar la altura mínima de los conductores al suelo. Dependiendo del perfil del terreno, se pueden tener conductores con una altura media más o menos elevada, y consecuentemente se obtiene una incidencia de rayos mayor o menor en los conductores, dependiendo de la altura. Se clasifica el terreno en tres tipos: a)    Terreno plano, con una altura media del conductor igual a su altura en la torre menos dos tercios de la flecha.b)    Terreno ondulado con una altura media igual a la altura de los conductores en la torre.c)    Terreno montañoso con una altura media a la altura en la torre. En este caso, es conveniente un detalle del perfil del terreno.

Conexión a tierra

Las necesidad de trasportar grandes cantidades de energía desde las grandes plantas generadoras hacia los centros de consumo implica que las líneas de transmisión sean diseñadas no solo para trabajar con diferentes tipos de perfiles topográficos, sino también con variados tipos de terrenos, tales como rocosos, arenosos, de cultivo, áridos, etc., los cuales presentan diferentes valores de resistencia y por lo tanto diferente respuesta ante la corriente de descarga. Ante una descarga atmosférica, la primera línea de protección en una línea de transmisión es el blindaje, el cual es proporcionado por los hilos de guarda, los cuales al ser impactados por un rayo brindan a la onda de impulso un camino directo a tierra en cada torre (bajada de hilo de guarda en cada torre) las cuales a su vez se encuentran debidamente aterrizadas a tierra con varillas dispuestas en forma horizontal a cierta profundidad, cuando las condiciones para la instalación de líneas de transmisión no son las más favorables, esto es el tipo de terreno no presenta una resistencia favorable, entonces se pueden tomar medidas para si mejoramiento como son:

• instalación de contrantenas• mejoramiento de la resistividad del terreno• uso de apartarrayos 

Instalación de contrantenas

Las contraantenas es una red de tierras compuesta por varillas enterradas a una profundidad la cual es función de la resistencia del terreno y que son extendidas a partir de los soportes de la estructura, la longitud es función de la resistividad, condiciones del terreno y la disponibilidad de derecho de vía.

La resistencia de dispersión de una varilla enterrada considerando corrientes de baja frecuencia, se puede calcular de acuerdo con la ecuación:  

Donde: r = Radio del electrodo o varilla. = Resistividad del suelo en - m = Longitud de la varilla El comportamiento resistivo de la conexión a tierra es característico para corrientes con bajas frecuencias, como el régimen permanente a la frecuencia industrial o del sistema. Un modelo que se aplica al caso de varillas o cables contraantenas cortos, para conexiones a tierra de pequeña extensión, con un diámetro efectivo máximo de 30 m, haciendo notar el alto grado de incertidumbre en el suelo es: 

r

2n

2R

2/1

g1RRi

2R2

PEgg