Descargas Atmosféricas: Origen y efectos sobre redes eléctricas

[pic 1][pic 2]DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Origen, efectos sobre redes eléctricas y protecciones contra estas. 

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN

     FACULTAD DE INGENIERÍA

            DEPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA

SEMINARIO N°1 MATERIALES ELÉCTRICOS

Juan Chávez, [pic 3][pic 4], Bastián  Garrido, [pic 5][pic 6],

Nicolás Terán, [pic 7][pic 8]

RESUMEN:  Se presenta un análisis acerca del fenómeno de Descargas Atmosféricas y cómo afectan a los sistema eléctricos. Primero se describirá el origen de las descargas atmosféricas, sus principales fases y caracteristicas, los tipos de descargas atmosféricas y las distancias criticas hacia éstas. Posteriormente se hablará acerca de cómo afectan dichas descargas en el correcto funcionamiento de las redes eléctricas. Luego, se hará una descripción de los sistemas de protección más utilizados para proteger al Sistema frente a estas perturbaciones.

1. INTRODUCCIÓN

Se estima que en el mundo hay en promedio, alrededor de 1800 tormentas eléctricas en cualquier instante dado, de donde se producen aproximadamente 100 descargas a tierra por segundo, es decir, más de 8 millones por día. Así mismo, las tormentas eléctricas son las responsables de alrededor de 1000 muertes y 2500 heridos por año en todo el mundo, más que cualquier otro fenómeno climático.

Por otro lado, las sobretensiones en las redes eléctricas son producidas por diversos motivos, tales como maniobras por fallas, cambios bruscos de carga, ferroresonancia, desenergización de bancos de condensadores, 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 los niveles de energía que se producen son altísimos, y con ello, el daño en el sistema podría ser catastrófico si no se tienen las protecciones adecuadas, considerando que, según muchos expertos [1], las tormentas eléctricas son cada vez más frecuentes en el mundo, debido al cambio climático al cual no estamos enfrentando.

1. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Según la teoría de la precipitación, postulada por Elster y Geitel en el año 1885 [4],  existen dos tipos de gotas: Las Grandes, que aceleran hacia la superficie terrestre por gravedad, y las pequeñas, que se mantienen en suspensión en forma de neblina en la atmosfera. Según lo anterior, al precipitar las gotas más grandes, chocan con las gotitas de neblina, y posiblemente con cristales de hielo en las altitudes más frías, producen una transferencia de carga neta negativa a las gotas más grandes, luego, al moverse a altitudes menores, por gravedad, se genera una carga neta negativa en la parte inferior de la nube. Para que esta carga se conserve, es necesario  que la parte superior de la nube esté cargada positivamente, con ello, se tiene una estructura dipolar en la nube de tormenta. En la Figura 1 se muestra de manera simplificada el proceso.

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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 en la transferencia de partículas cargadas de un lugar de la nube a otro, por masas de corrientes ascendentes y descendentes 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 moléculas de aire y las ionizan, para dar lugar a dos iones, uno cargado positivamente y un cargado negativamente.
• Los campos de corriente de gran intensidad que se forman en torno a los objetos afilados que hay en la superficie de la tierra que producen descargas de corona que dan lugar a iones con carga positiva.

Luego, los iones positivos son elevados por corrientes de aire ascendentes, en cambio los iones negativos se adhieren a las gotas de agua en descenso y a las partículas de hielo que se mueven hacia altitudes más bajas, producto de la gravedad o de masas descendentes de aire. El resultado de lo anterior, es una estructura dipolar, dentro de la nube de una tormenta.

Si bien, ambas teorías podrían tener lugar simultáneamente, son distintas e independientes. A pesar de que ambas postulan que la nube de tormenta es un dipolo con el polo negativo cerca de la tierra, una nueva teoría, más completa que las anteriores [4], ha establecido que la nube de tormenta es una estructura tripolar, y no bipolar.  

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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 de hielo, la carga transferida a una de estas partículas depende de la temperatura. A temperaturas menores a la de inversión de carga (-15°C aprox.), la carga transferida es positiva. Considerando que a 6000 metros de altitud, la temperatura es aproximadamente -15°C, se podría deducir que debido al choque de las partículas granulosas y los cristales de hielo, las nubes de tormenta estarán cargadas  negativamente a altitudes mayores a 6000 metros y positivamente cargada, debajo de los 6000 metros.  En la figura 3 se muestra una ilustración que explica esta teoría.

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Figura 3: Explicación de teoría de inversión de carga.

Si unimos la teoría de la precipitación con la interacción de las partículas de nieve granulosa y los cristales de hielo y nieve, y la temperatura de Inversión de Carga, se pueden explicar de mejor manera los fenómenos ocurridos en una nube de tormenta. Este modelo no considera las corrientes ascendentes y descendentes dentro de las nubes.

El modelo de convección considera dichas corrientes pero no tiene explicación para algunos fenómenos que ocurren dentro de una nube.

Según mediciones [4], una nube efectivamente puede ser electrificada 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 las altitudes más bajas de la nube, como se muestra en la figura 4.

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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, sólo la última (4.). Esta, puede dividirse en 4 tipos más:

1. Nube a tierra con líder con carga negativa
2. Tierra a nube con líder con carga positiva.
3. Nube a tierra con líder con carga positiva.
4. Tierra a nube con líder con carga negativa.

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Figura 5: Tipos de descargas entre Nube y Tierra.

Entiéndase por Líder, a rutas de aire ionizado por la cual se desplaza un rayo. En la figura 5 podemos observar los 4 tipos de descarga entre nube y tierra mencionados anteriormente.

De los anteriores, la más frecuente de todas, es la descarga Nube a tierra con líder con carga negativa, la cual tiene una tasa de ocurrencia de un 90%, comparándola con las descargas de nube a tierra, y de un 45% comparándola con 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 a tierra con líder con carga positiva, es menos frecuente que la anterior, con una frecuencia de un 10%  de las descargas a tierra y constituyen un 5% de todas las descargas atmosféricas. Estas poseen una alta corriente que puede llegar en algunos casos a los 200 kA. Son más recurrentes en altas latitudes y regiones montañosas. Un rayo se genera cada vez que la acumulación de carga en una nube de tormenta es tal que el campo eléctrico es intenso entre los centros  de carga que se forman dentro de la nube y la tierra.

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

algunos datos impresionantes [5]. Por ejemplo, sabemos que la temperatura máxima de un rayo puede alcanzar valores superiores a 30.000 °C con una duración de una millonésima de segundo. Esta temperatura supera más de cuatro veces la de la superficie del sol.

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

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