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Page 1: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

REPÚBLICA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN

SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE VALENCIA

PNF INGENIERIA EN ELECTRICIDAD

ASIGNATURA: TECNICAS DE ALTA TENSION

ESTUDIO DE LA MEDICION DE LAS DESCARGAS

ATMOSFERICAS

Realizado por:

Alvarado Manuel

7.560.719

Moreno Luis

11.630.523

Sección 03an

Facilitador:

Ing. Luciano Santaella

Valencia, Octubre 2012

Page 2: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

INTRODUCCION La descarga eléctrica atmosférica, popularmente conocida como “rayo”, es un

fenómeno natural observado y temido por el ser humano desde el mismo comienzo del

uso de la razón por parte de la especie.

La representación más antigua que se conoce del rayo data del año 2200 A.C., y se le

atribuye a un paje de Bursin, rey de la ciudad de Isin, en la antigua Mesopotamia. Ya

para el año 700 antes de Cristo se observa la representación del rayo en la cultura

griega, y así sucesivamente hasta nuestros días.

Desde una óptica más técnica recordamos a Benjamín Franklin, quien en junio de

1752 registra el salto chispas producto de una descarga atmosférica ocurrida a su

celebre cometa. Otras crónicas de la época relatan daños a diversas infraestructuras y

objetos, tales como edificios, embarcaciones, silos y graneros y más específicamente,

a seres humanos, lo que despertó un gran interés de científicos e investigadores por

este hasta entonces peculiar fenómeno.

El estudio sistemático del rayo y sus efectos se inicia formalmente a partir de 1924 en

Suecia, debido primordialmente a la afectación de las líneas de transmisión de la

época. Se podría decir que este hecho es la génesis de los estudios serios sobre el

fenómeno de la Alta Tensión y sus posteriores aplicaciones en la Industria eléctrica.

Por el ambiente donde ocurren los rayos, la atmósfera terrestre y por las causas que

les dan origen, ellos presentan las características propias de un fenómeno climático,

es decir con estacionalidad del momento del año en el que pueden ocurrir con mayor

probabilidad, pero con mucha variabilidad en cuanto a tipo, cantidad o intensidad de

sus descargas. En términos generales podemos afirmar que el rayo es un fenómeno

frecuente e inevitable como el viento, la lluvia o la nevada.

Si bien existen síntomas claros que preceden la ocurrencia de descargas

atmosféricas, no resulta posible predecir con certeza, el momento, el lugar de impacto

ni la intensidad de sus parámetros Todas las mediciones realizadas sirven para ser

acumuladas y analizadas en términos estadísticos, permitiendo luego hablar sobre

probabilidad de la ocurrencia de tal o cual tipo de descarga.

Page 3: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

El fenómeno rayo está estudiado seriamente desde hace más de un siglo, habiéndose

llegado a determinar y medir, en los últimos treinta años, con un alto grado de

minuciosidad, las características de las descargas eléctricas en la atmósfera. Aunque

todos se parecen, no existen dos rayos que sean iguales, y son muchos los que

ocurren sobre el planeta tierra. A modo de ejemplo se puede citar [Charoy 1992] que

en el territorio de Francia ocurren (estimativamente, según el modo de conteo) 1,6

millones de descargas anuales, algo así como 3 descargas por kilómetro cuadrado y

por año. Debe señalarse sin embargo que existe una enorme dispersión en los

valores, respecto de este promedio, para las diferentes regiones del país.

NATURALEZA Y ORIGEN DEL RAYO: LA NUBE DE TORMENTA

El estudio de las descargas atmosféricas posee diversos autores, sin embargo todos

ellos coinciden en que el mismo tiene origen en lo que se conoce como “nube de

tormenta”, la cual denota una constitución bipolar de cargas positivas posesionadas

sobre cargas negativas.

Fig. 1. Configuración típica de una nube de tormenta.

TEORIA DE SIMPSON

Cuando se desintegran gotas de lluvia por la acción de una fuerte corriente de aire, las

partículas así formadas denotan una carga positiva, el aire contiene a su vez cargas

negativas de muy poca masa y de gran movilidad. Esto denota el transporte de iones

negativos por las corrientes de aire hacia la parte superior de la nube donde se

combinan con las partículas de agua. Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento también son llevadas hacia arriba por el viento que al cesar producen

la unión de estas gotas volviendo a caer y aumentando la carga positiva al volverse a

desintegrar por los fuertes vientos encontrados en la parte inferior.

Page 4: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

La teoría de Simpson ha podido ser verificada en la práctica mediante el uso de globos

sonda. Se ha determinado un gradiente de temperatura que va desde -32ºC en la

parte superior hasta -4ºC en la parte inferior, lo que favorece, según la Ley de

Paschen a la descarga atmosférica con orientación terrestre.

Fig.2. Nube de tormenta según Simpson

Según Simpson las primeras gotas de lluvia denotan un comportamiento

electropositivo, verificado por los pluviómetros. Estas proceden del foco de tormenta

señalado en la fig. 2. Las gotas siguientes solo denotan un comportamiento

electronegativo y sólo en avanzados estados de tormenta es cuando vuelven a

observarse gotas electropositivas. Se supone estas vienen de los estratos superiores

de la nube.

TEORIA DE LA INFLUENCIA ELECTRICA DE EISTER Y GEITEL

En la nube encontramos gotas de diversos tamaños, las de mayor volumen se

precipitan y las minúsculas son conducidas por los vientos hacia arriba. Las gotas se

polarizan por la acción del campo eléctrico existente el cual posee orientación

terrestre. Esto conduce a la formación de cargas positivas en la parte inferior de la

gota y a cargas negativas en la parte superior de la misma. El roce de una gota grande

con una pequeña al caer produce un intercambio de cargas.

En la gota pequeña predomina la carga entonces la carga positiva mientras en la

grande predomina la negativa. Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto,

provocando en la nube acumulación de cargas positivas en la parte superior y

negativas en la parte inferior. El campo eléctrico que así se forma favorece la

separación de cargas por influencia.

Page 5: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Fig.3. Gota de lluvia según Eister y Geitel

Estudios recientes le han restado importancia a esta teoría en lo relativo la distribución

espacial de las cargas eléctricas. No así en los estudios meteorológicos.

TEORIA DE LA IONIZACION DE LA GOTA DE LLUVIA. (WILSON)

Esta teoría al igual que la anterior, admite la influencia del campo eléctrico en la

formación de la gota. Wilson cambia la acción de la gota pequeña por la de iones, de

manera que, en la gota que cae se separan las cargas eléctricas por la acción del

campo eléctrico existente. La parte superior de la gota acusa carga positiva mientras

que la parte inferior acusa negativa. Simultáneamente, el viento conduce iones hacia

la nube, donde los negativos son atraídos por los positivos de la parte inferior de gota,

la masa de aire impide a los iones positivos combinarse con los negativos de la parte

superior de la gota y llevándolos a la parte superior de la nube, mientras que la mitad

negativa de la gota continua su caída, polarizando la nube positivamente en su techo y

negativamente en su extremo inferior.

Fig. 4. Fundamento de la teoría de Wilson

Investigaciones posteriores le restaron fuerza a esta teoría en lo relativo a la pequeña

magnitud de la formación de las cargas por espacio de tiempo muy prolongado por la

acción de un gradiente eléctrico determinado, a pesar del aporte de la misma en la

explicación de la distribución d cargas eléctricas en la nube.

Page 6: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

EL GRADIENTE ELECTRICO

El valor del gradiente eléctrico, en la proximidad de la Tierra, oscila alrededor de los 5

V/m, para incrementarse vertiginosamente en la proximidad de las líneas de

transmisión a mas de 5kV/m y bajo focos de tormenta a más de 15kV/m.

Fig.5. Orientación del gradiente eléctrico terrestre.

La Tierra hace el papel de electrodo negativo de un gran campo eléctrico cuyo

electrodo positivo es una capa concéntrica situada a unos 120 km de distancia (capa

de Heaviside Kennelly). A unos 250 km está situada otra capa, más fuertemente

ionizada con polaridad positiva que la anterior (capa de Appleton). Ambas capas le

confieren al gradiente eléctrico una dirección terrestre.(Fig.5)

Si se mide el gradiente eléctrico en la superficie de la Tierra se observa que este

cambia de dirección al aproximarse una nube de tormenta, para volver a su polaridad

original debajo del foco de tormenta, ya que este denota una fuerte polaridad positiva.

Este comportamiento ha podido ser verificado en la práctica, con la ayuda de un

osciloscopio de rayos catódicos.

Page 7: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

En la nube de tormenta, el gradiente eléctrico alcanza valores de 1kV/m en el seno de

la nube, para subir a 5kV/cm antes de que se inicie la descarga atmosférica. Luego se

recupera, primero rápida y luego lentamente, de forma que se restablece la carga

eléctrica en la nube, cuya concentración, tanto positiva como negativa, denota una

altura de 2.5 a 4km.

EL CICLO DE LA TORMENTA ELECTRICA

Todas las teorías relacionadas con este punto coinciden en que una descarga

atmosférica procede de la concentración de cargas negativas, cuando la parte superior

de la nube llega a la línea isoterma de -30ºC, acusando la parte inferior de la misma

temperaturas por encima de 0ºC (aproximadamente +4ºC). Esta afirmación lo

corrobora el hecho de que las primeras descargas eléctricas hacia la tierra tienen

comportamiento electronegativo.

Tales circunstancias permiten resumir el ciclo de una tormenta eléctrica como sigue:

1. Durante el crecimiento de la nube se observa la presencia de fueres vientos

ascendentes, esto ocurre dentro de un periodo de 10 a 15 minutos ante de la

presencia de las primeras gotas de agua.

2. Una vez constituida la nube se aprecian vientos descendentes, en especial en

su parte inferior, así como descargas atmosféricas y precipitaciones. Esta fase

intermedia dura de 15 a 30 minutos.

3. Durante el desmoronamiento de la nube, en un lapso de 30 minutos, se

observan leves vientos descendentes a través de todo el volumen ocupado por

la nube, al igual que una ligera atenuación de las descargas atmosféricas y de

la precipitación.

La duración aproximada de una nube de tormenta es por lo tanto de una hora,

prolongándose si se forman nuevos focos de la misma.

TIPOS DE DESCARGAS

Una descarga eléctrica en el aire de la atmósfera puede ocurrir dentro de una misma

nube, o de una nube a otra, en este caso la identificamos como intra nube. Si la

descarga tiene lugar entre la nube y el suelo toma el nombre de “rayo”. Existe la

posibilidad que la descarga ocurra en un sentido o en el otro y que la carga migrante

Page 8: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

pueda ser positiva o negativa. Sin embargo, por opinión concordante de distintos

autores, entre las descargas nube a suelo, hay prevalencia de las que transportan

carga negativa. Se considera que sólo 10 % de los rayos son del tipo positivo es decir

transportan carga eléctrica positiva. A los fines de lograr protección contra los efectos

destructivos o dañinos para las instalaciones, conviene orientar los estudios a los

rayos antes que a otros tipos de descargas. La nube que se carga eléctricamente

como para originar el rayo es el “cumulus nimbus”, que tiene forma reconocible vista a

la distancia, es detectable por los radares meteorológicos y muestra un color gris muy

oscuro, casi negro, en su parte baja que impide el paso de la luz solar, oscureciendo

llamativamente en pleno día, toda la región bajo su influencia. Las cargas acumuladas

por la nube pueden alcanzar una altura del orden de 10 km, situándose su parte baja a

unos 3 km del suelo.

La intensidad del campo eléctrico, a nivel del suelo y con buen tiempo es del orden de

200 V/m. Este campo está originado por la ionosfera, capa con partículas cargadas

eléctricamente que se sitúa a una altura de 50 ó 60 kilómetros del suelo.

Considerando el sistema tierra-ionosfera como un gran condensador esférico cuyo

electrodo central es la tierra, se estima que la corriente total de fuga de este

condensador es del orden de 2kA.

En tiempo tormentoso, el campo eléctrico a nivel del suelo (en planicie), antes de la

caída de un rayo alcanza valores entre 10 kV/m y 20 kV/m. Teniendo en cuenta estas

cifras y la distancia del orden de 5 km entre el suelo y la parte baja de la nube, es

posible estimar que la diferencia de potencial entre ambos alcance valores de hasta

100 MV. Producida la descarga disruptiva bajo estas condiciones es relativamente fácil

aceptar que el sistema electrostático se comporte como una fuente de corriente casi

ideal, de tipo impulsiva, capaz de inyectar su corriente en forma independiente de la

resistencia que intercalemos en su camino hacia la tierra.

DESCRIPCION DE LA DESCARGA

Considerando la nube cargada negativamente con respecto al suelo, una vez

alcanzados los valores suficientemente altos de la intensidad de campo eléctrico en

V/m, dentro de la nube de tormenta se inicia una descarga precursora (leader), poco

luminosa, con débil corriente eléctrica, que progresa a saltos de algunas decenas de

metros, siguiendo caminos erráticos pero con avance neto hacia el suelo. El campo

Page 9: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

eléctrico a nivel del suelo aumenta, siendo más intenso (hasta 500 kV/m) en las partes

sobresalientes de la superficie, edificio en altura, árbol, antena, etc., por el “efecto de

punta”. Desde allí parte una descarga ascendente también débil inicialmente.

Cuando la distancia entre ambos precursores llega a valores entre 50 y 100 metros se

establece el contacto entre ambos por ruptura de la rigidez dieléctrica del aire

iniciándose la conducción por corriente intensa, las cargas fluyen bruscamente al suelo

a través del “canal ionizado” que vincula eléctricamente la nube con el suelo, como

camino conductor. Este canal ionizado es de una trayectoria bastante rectilínea.

Resulta muy visible por su luminosidad y muy audible por el estruendo ensordecedor

que produce.

Los autores mencionan velocidades de progreso de la descarga dentro del canal

ionizado del orden de 105 m/s con temperaturas que llegarían a valores de 15.000 ó

20.000 ºC. Con estos indicadores se puede considerar al proceso dentro del canal

ionizado como una expansión adiabática, es decir sin intercambio de calor con el

medio que lo rodea. La brusca expansión del aire sería responsable de la onda

mecánica audible como trueno, que llega a nuestros oídos con posterioridad a la

percepción del destello luminoso. Tanto mayor es el tiempo de retardo entre ambas

percepciones, cuanto mayor sea la distancia entre el observador y el lugar de caída

del rayo.

Esta primera descarga negativa tiene una duración tal que, en el orden de 10 μs, la

corriente alcanza su valor máximo y luego decae más lentamente para llegar a un 50

% del valor pico en un tiempo de aproximadamente 50 μs contados desde el inicio. La

corriente luego decae a cero o mantiene un valor continuo del orden de una centena

de amperes. Esta corriente persistente, por su duración de algunas decenas de

milisegundos transporta más carga que el impulso de corriente inicial.

VALORES QUE PUEDEN OBTENERSE DE LA MEDICION DE UNA DESCARGA

Tomemos como ejemplo de esta primera descarga, la representación de la corriente

en función del tiempo que se observa en la figura 6:

Page 10: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Fig.6. Primer impulso de una descarga atmosférica (rayo).

Los valores que se pueden observar en la gráfica son:

IMÁX = 19 kA

Tiempo para llegar a IMÁX , t1 10 µs

Pendiente máxima (primer frente) ΔI Δt = 14 kA/2,5 µ µ

IMÁX, t2 54 µs

Tiempo hasta que I llega al valor aproximado de 200 a t3 2,2 ms

Carga eléctrica transportada en t1, QS1 = I dt 7 C

Energía específica (entre 0 y 1300 s), W/R = I2 dt 41.500 W/Ω

Es bastante frecuente que el impulso no sea único sino que aparezcan varios impulsos

posteriores, de menor valor máximo, llamados “arcos subsiguientes”. Pueden llegar a

contabilizase, con baja probabilidad de ocurrencia, hasta diez impulsos en un solo

rayo. Un valor de probabilidad media puede ser de cinco impulsos por descarga. La

carga total transportada, entre todos los impulsos, puede estar en el orden de unos 20

ó 25 culombio.

También son posibles las descargas denominadas anormales o raras, sólo por ser

menos frecuentes:

Se propagan del suelo hacia la nube.

Page 11: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Tienen impulso de polaridad positiva.

Se producen desde un suelo casi sin nubes.

Otros fenómenos relacionados con cargas eléctricas en la atmósfera, tal como el

de las centellas, fueron constatados mediante numerosos testimonios pero no

estudiados científicamente.

FORMA TEORICA DEL IMPULSO DE CORRIENTE

En ingeniería para el análisis del comportamiento de fenómenos naturales se trata de

establecer un modelo, siempre de validez restringida y resulta muy agradable

finalmente poder explicitar el comportamiento de ese modelo mediante una expresión

matemática. El modelo servirá finalmente de simulador para sacar conclusiones y

adoptar medidas que permitan aprovechar las buenas consecuencias del fenómeno y

evitar o atenuar las malas consecuencias.

En el caso de la corriente impulsiva en una descarga atmosférica, la expresión

matemática propuesta para graficar sus valores en función del tiempo es:

Fig. 7. Impulso de corriente. (Teórico)

Por supuesto que la forma real de la corriente debido a una descarga atmosférica

difiere de este modelo matemático, pudiéndose constatar en los registros

Page 12: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

oscilográficos la superposición de oscilaciones de mayor frecuencia y amplitud variable

sobre esta forma pura de exponencial con doble constante de tiempo. Sin tener en

cuenta las oscilaciones de alta frecuencia se puede apreciar un primer frente de

elevada pendiente de la corriente, con una duración de algunos μs (hasta 20 μs como

máximo). Una vez alcanzado el valor máximo la corriente decrece en forma

exponencial con una constante de tiempo mayor, durante un tiempo de algunas

decenas de microsegundos ( hasta 100 ó 150 μs como máximo). La banda espectral

asociada se extiende desde unos 10 kHz hasta varios MHz.

VALORES MASPROBABLES DE CORRIENTE MAXIMA Y PENDIENTE MAXIMA.

Dada la gran variabilidad de cada uno de los parámetros eléctricos de una descarga,

se recurre a representaciones que indican el % de probabilidad que tal valor sea

superado en función de una escala de valores.

Tomamos como ejemplo los valores que propone la CIGRE (Conferencia Internacional

de Grandes Redes Eléctricas), y el IEEE, para dos magnitudes muy significativas en la

“caída de un rayo”:

a) El valor máximo de corriente de cresta (kA)

Ley de repartición de la corriente de cresta (Según CIGRE)

Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (Según Anderson y Erikson)

Page 13: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (Según IEEE).

Se notan discrepancias entre valores propuestos por distintos autores, atribuibles muy

posiblemente a las distintas experiencias que sirvieron como fuente de datos. De

cualquier forma estos valores sirven como marco de referencia para aceptar valores,

que uno mismo pueda obtener, en las mediciones que realice dentro de sus propias

experiencias de campo.

ENERGIA DEL RAYO La energía total que transporta un rayo puede llegar a estimarse en el orden de

1,25x109 joules, es decir unos 350 kWh.

descarga que es muy pequeño, unas décimas de milisegundo.

La forma de evaluar los daños que puede producir un rayo en los materiales que

conducen la corriente a tierra, es evaluar la magnitud (I2 t) en [A2 s], o más

precisamente la integral i2dt que se puede interpretar como energía específica por

unidad de resistencia.

i2dt [A2 s] = W/R [J/Ω]

Esta energía específica es la responsable del calentamiento de las partes conductoras

y del esfuerzo electrodinámico entre conductores.

Si la resistencia del conductor de bajada a tierra de la descarga tiene un valor de

resistencia en corriente continua RCC , la energía transferida a ese conductor será:

Page 14: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

EW = RCC.(W/R) [J]

Este razonamiento simple nos muestra que cuanto más bajo sea el valor de RCC en el

conductor de bajada, menor será la energía aportada por lo tanto menor será la

posibilidad fusión y destrucción del conductor por aporte de calor.

De acuerdo con [Charoy 1992] puede afirmarse que, excepto en el propio lugar de

impacto los rayos, en general, no pueden hacer fundir más que hilos conductores finos

por efecto de su corriente.

LA PENDIENTE DEL IMPULSO DE LA CORRIENTE

En el impulso de corriente debido a una descarga atmosférica, un valor muy

importante a tener en cuenta es el crecimiento de la corriente o sea la pendiente Δi/Δt .

Esta variación de corriente en el tiempo es la responsable de la tensión inducida en

cualquier lazo conductor (abierto o cerrado) que se encuentre en las proximidades del

camino de la corriente “i”. La relación que se establece entre dos circuitos acoplados

magnéticamente pueden expresarse como:

U2 = M1,2 ΔI1/Δt

U2 = tensión inducida en una espira o lazo ( circuito secundario) [V]

I1 = corriente en el circuito primario [A]

M1,2 = inductancia mutua entre circuitos [H]

t = tiempo [s]

Esta tensión inducida es consecuencia de la variación del campo magnético asociado

a ΔI1.

La inductancia mutua será tanto mayor cuanto mayor sea la superficie de la espira

expuesta a la acción del campo y cuando su posición respecto al circuito primario sea

tal que concatene la mayor cantidad de líneas de campo magnético generadas por el

circuito de la corriente. En compatibilidad electromagnética se acostumbra identificar

como “circuito víctima” al secundario.

Para reducir U2, no podemos hacer nada sobre la variación I1/ t, este valor está

impuesto por el rayo, que actúa como fuente de corriente. Si podemos disminuir M1,2

reduciendo el área encerrada por la espira del circuito secundario.

Page 15: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

MEDICIONES DE DESCARGAS ATMOSFERICAS

Las estaciones encargadas de la detección de descargas nube – suelo deben estar

concebidas para medir por recepción de las ondas electromagnéticas que emiten las

descargas, la siguiente información:

Ubicación del punto de impacto

Momento de ocurrencia (fecha y hora con precisión de 1 ms)

Amplitud de la onda ( 0 a n kA )

Número de arcos que componen la descarga

Toda esta información se puede extraer de los registros si se lleva a cabo un

monitoreo permanente del área en estudio y se realiza el procesamiento simultáneo de

datos aportados por diferentes estaciones ubicadas estratégicamente en el territorio

donde se desea estudiar las características eléctricas del fenómeno.

Las mediciones realizadas en estas estaciones deben aportar datos para el diseño de

protección de instalaciones de todo tipo, contra los efectos de la caída de rayos. Dos

son los valores que primariamente interesan en este sentido:

El nivel ceráunico NK

La densidad de caídas de rayo N

El nivel ceráunico es el número de días al año que una tormenta eléctrica (con

descargas atmosféricas) afecta a una zona definida. Esta información es siempre muy

aproximada pero resulta muy útil. Según [Metz-Noblat 1998] en el territorio de Francia

NK = 20 con un mínimo de 10 en planicie y un máximo de 30 en zona montañosa.

La densidad de caídas de rayo expresa la cantidad de rayos que caen por kilómetro

cuadrado de territorio y por año. N = Cdr / (km2 – año).

Según [Metz-Noblat 1998] en Francia N varía de 2 a 6. Una relación práctica entre los

dos parámetros suele ser: NK/ N = 7

Page 16: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

COMO MEDIR LOS PARAMETROS DE UN RAYO

El rayo por ser una corriente eléctrica variable produce un campo electromagnético

irradiado. Este campo aparece como perturbador de los sistemas que presentan lazos

o bucles de conducción.

La frecuencia equivalente del campo se ubica en la gama de las ondas largas por tal

motivo es difícil de producir un blindaje para evitar su acción. Los receptores de radio,

de amplitud modulada, recepcionan las ondas de este campo aún dentro de los

edificios.

Una forma de medir los parámetros del rayo es aprovechar este campo

electromagnético, captándolo y registrándolo como oscilografía con una base de

tiempo exacta y precisa que permita la discriminación de variaciones en una décima

de microsegundo (10-7 s ).

La antena de donde parte el campo electromagnético es el canal ionizado, que en el

caso de las descargas nube–suelo, se puede asimilar a un conductor rectilíneo

aproximadamente vertical de gran longitud ( 3 ó 4 km ).

En una aproximación simplificada, podemos aceptar que para una distancia “d”

suficientemente alejada del lugar de impacto, la intensidad de campo magnético

H[A/m] está dada por la ley de Ampère:

H = I/(2πr) (1)

a una distancia r [m] de un alambre rectilíneo infinitamente largo, por el que circula la corriente I [A].

Page 17: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Fig. 8. Campo magnético generado por la corriente de un rayo.

Si la descarga es vertical, el campo será esencialmente horizontal. El lazo o espira que

concatene las líneas de este campo debe ser vertical y pertenecer a un plano que

contiene a la recta del canal ionizado. En esas condiciones la tensión inducida según

la ley de Lenz será:

U = S µO ΔH/Δt (2)

Reemplazando (1) en (2) resulta:

U = 200 (S/r) (ΔI/Δt) donde:

U = tensión inducida en [V]

S = superficie de la espira en [m2]

r = distancia de la espira al canal ionizado en [m]

t = pendiente máx. de la corriente del rayo en [kA/µs]

Ejemplo: El rayo cae a mil metros de la estación donde está la espira cuya superficie

es de 1[m2].

La pendiente máxima del rayo esperada es ΔI/Δt = 40 [kA/µs].

Bajo estas condiciones U = 200 (S/r) (ΔI/Δt) = 8[V]. La tensión inducida es de 8[V] en

la espira de 1[m2].

Page 18: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Si nos aproximamos a la caída del rayo a una distancia r =100[m] la tensión máxima

sería de 80[V]. Cualquier distancia menor induciría valores de tensión que podrían ser

peligrosos para los circuitos electrónicos. Por esta razón la tensión inducida por la

caída de un rayo es una seria amenaza para los equipos conectados a la red, por su

cordón de alimentación, aunque ellos estén desenergizados.

Debemos tener en cuenta que en tiempo tormentoso las nubes se cargan y se

desplazan caprichosamente a merced del viento, los campos eléctricos pueden crecer

de tal modo que ocasionen descargas verticales, horizontales o inclinadas en cualquier

dirección con respecto al plano horizontal donde se ubica la estación observadora.

Para poder discernir el tipo de descarga ocurrida debemos disponer mÍnimamente de

tres elementos receptores orientados según un sistema de ejes coordenados para

captar en ellos la información simultáneamente, procesando luego cada información

como una componente para obtener la resultante.

FORMA DE LA CORRIENTE DEL RAYO

Supongamos una espira dispuesta para captar el campo magnético variable debido a

la caída de un rayo. “S” en [m2] es la superficie de la espira, “L” en [H] su inductancia,

“i” en [A] la corriente inducida cuando “I” en [kA] es la corriente del rayo.

La tensión inducida en la espira por la corriente del rayo es:

U = 200 (S/r) (ΔI/Δt)

La tensión inducida en una inductancia

U= L (Δi/Δt)

Igualando ambas expresiones en la misma base de tiempo:

200 (S/r) (ΔI/Δt) = L (Δi/Δt) 10-6

(Δi/ΔI)= 200 (S/r).(1/ L).106

(Δi/ΔI)= k (S/r).(1/ L)

Sí S, r, L son constantes será válida la relación: Δi = KTΔI

La corriente inducida en la espira es así una reproducción fiel de la corriente del rayo.

Se puede obtener en el oscilograma la forma del impulso, su pendiente máxima, su

valor máximo, su duración, etc.

Page 19: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

Todo esto es posible siempre y cuando se pueda despreciar la resistencia del

conductor de la espira frente a su reactancia inductiva, lo que resulta procedente para

frecuencias elevadas, pero las capacidades del circuito atentan contra la simplicidad

del modelo a frecuencias altas.

ESFUERZO ELECTRODINAMICO ENTRE CONDUCTORES DE BAJADA

La fuerza entre conductores circulados por corriente eléctrica es proporcional al

cuadrado de la corriente e inversamente proporcional a la distancia entre conductores.

En el caso de una corriente impulsiva la fuerza también producirá un impulso

mecánico. Puede deducirse una dependencia de este impulso del valor de la integral

i2 dt.

Sí la corriente se divide en dos conductores iguales de bajada, el impulso

electrodinámico se reducirá a la cuarta parte en cada uno de ellos. Esta reducción del

impulso electrodinámico por división de la corriente total en varios caminos de bajada

es un efecto que debe tenerse en cuenta al momento de diseñar la protección de un

edificio contra descarga directa del rayo.

F dt = (10-7/d).(W/R)/4 [Ns/m] donde:

d = distancia entre conductores [m].

(W/R)= Energía específica [J/Ω].

Fig. 9. Esfuerzo electrodinámico entre conductores.

Page 20: DESCARGAS ATMOSFERICAS2

BIBLIOGRAFIA

Methods and Components. Lecture at the UNT, Laboratorio de Alta Tensión. Mes de

Abril.

Charoy Alain 1992 Parasites et Perturbations des Electroniques (Tomo

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Benoîd de Metz-Noblat 1998 “El rayo y las instalaciones Eléctricas en A.T.” Cuaderno

Técnico Nº 168. Schneider Electric. Trad. E. Milá. Versión Original en francés 1993.

Siegert C. Luis A. 2002 Alta tensión y Sistemas de Transmisión. Capitulo 10. Editorial:

Limusa SA de CV, Grupo Noriega Editores, México.

Pando Raúl 2005 Aspectos Básicos de las Descargas Atmosféricas. Departamento de

lectricidad, Electrónica y Computación, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología,

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