Técnicas de localización y medición de parámetros de rayos Horacio Torres Sanchez Profesor Emerito UN - Socio ACIEM – Asesor cientifico Keraunos
Hipótesis de inves4gación “Las magnitudes de los parámetros de los rayos u4lizados en aplicaciones en ingeniería varían espacial y temporalmente. ”
Torres, H. “El Rayo”, Ed. UNIBIBLOS, Bogotá, 2002
1. 2. 3. 4. 5.
Nivel Ceráunico Densidad de Descargas a Tierra Polaridad Mul;plicidad 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)
-
+
+ 10 km
-
g
-45ยบ C -
+
Colisiones
Transferencia de calor Por convecciรณn
+ ++++ ++ ++ + +++ +
P
E ____
_ __
N
_ _ _ _ _ _ +++ +
P
___
dB/dt Trueno
Relรกmpago
∂ 2u (t ) ∂ 2u (t ) = LC (C13 ∂x 2 ∂t 2 ∂ 2i (t ) ∂ 2i (t ) = LC (C14 ∂x 2 ∂t 2
+ - - - - + - - - - - + - - - - - - - - - + - + +++ ++ + + ++ ++ + + ++ D +
+++++ ++
A - - - Iones positivos
+++ +++ - - - - - + + + +
- _ -_ - - - + ++ ++ + C + +
+ +-
-
+ + ++ + + +
- - - + +
F
electrones
+
- +
+ + -
Fotón -
+
B
+++++++ +++++++ +++++++ - + +++ ++ + + -+ ++ + ++ + + ++ ++ + - + + +++ + ++ ++ + + + ++ Par de iones ++ por + fotoionización + + + + + E + Fotón -
-
+++++ ++
A - - - Iones positivos
+++ +++ - - - - - + + + +
- _ -_ - - - + ++ ++ + C + +
- - - + +
electrones
+ - - - - + - - - - - + - - - - - - - - - + - + +++ ++ + + ++ ++ + + ++ D +
F + +-
-
+ + ++ + + +
+
- +
+ + -
Fotón -
+
B
+++++++ +++++++ +++++++ - + +++ ++ + + -+ ++ + ++ + + ++ ++ + - + + +++ + ++ ++ + + + ++ Par de iones ++ por + fotoionización + + + + + E + Fotón -
-
-
+ ++ +++ ++ + - - - - - - - -- - - - - -
-
-
++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ + + + ++ +++ ++ +++ ++ + ------- - -
-
-
++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ +++ -+ + ++ +++ ++ +++ ++ ++ - ++ - -- ---- - - - - -
+
++ -+ - + ++-+ + +- +- - + + - ++ ++ - - + - + ++ +--+ +++ - + + ++ +--+ +++ - + - + + - + ++ +++ - ++ - +++ ++ - ++ - ++ + - - - -
- + - + - + + - + - + - + - Región pasiva - - - + + - + - + ++ Cabeza del ++ - + penacho + - ++ +++
-
Avalancha de electrones
-
-
Región activa > 26 kV/cm
Que es un rayo? Rayo Nube-ionosfera (CI) + + + + +- ++ ++ + +++ +
P_ _ _ _
Rayo Intranube
+ + + + +- ++ ++ +
+ ++ + +++ + ++ _ __
N
_ _ _ _ _ _ +++ +
+++ +
___
+ ++ + +++ + ++
P_ _ _ _
Rayo Nube-Nube (CC)
P
N
_ _ _ _ _ _ +++ +
Rayo Nube-Tierra (CG)
_ __
P
___
El rayo: fuente de perturbaciones EM
La Irradiaciรณn dB/dt es cercana a la velocidad de la luz
Los rayos irradian energía electromagné4ca en un amplio rango de frecuencias: Very Low Frequency (VLF), Low Frequency (LF) y Very High Frequency (VHF). En el momento en que se produce el rayo, ocasiona fuertes emisiones de VHF. VHF (~30 – 300 MHz) LF (~30 – 300 kHz) VLF (~3 – 30 kHz) Tanto los rayos nube-nube (CC) y nube-4erra (CG) son detectables en cualquiera de los espectros VHF o LF, teniendo en cuenta las técnicas de detección para cada 4po de señal. Las técnicas más empleadas para este propósito son: Dirección de llegada (DF) y Tiempo de Arribo (TOA).
Espectro Electromagné4co
Energía Electrica:60Hz
FM: 90- TV: 30- 107MHz 3000MHz
Rango frecuencia rayos: 3kHz-300MHZ
Rayos X: 3000PHz
Técnica de Dirección de Llegada DF (Direc4on Finding)
dB/dt
dB/dt = f (va,vb)
α
β
va
va’
vb
vb’
α = arctan (va/vb) β = arctan (va’/vb’)
D
TĂŠcnica del Tiempo de Arribo TOA (Time Of Arrival) tc
m
dB/dt
ta - tb = k tc - tb = m
k ta
Todos los puntos que tienen una diferencia constante en distancia de dos puntos fijos forman una hipĂŠrbola.
tb
Sistema LINET-TOA La técnica TOA fue perfeccionada y patentada
por la firma Nowcast en Alemania. No solo diferencia entre los rayos CC sino que también determina la altura de los rayos dentro de la nube. No es necesario descartar ninguna señal de rayo porque no es fácil idenSficar su forma de onda. Con antena de lazos ortogonales y la técnica TOA da como resultado una información adicional de rayos medidos. En varias invesSgaciones, LINET capturó y localizó correctamente rayos CG menores a 4 kA que otros sistemas no pudieron detectar. Usando registros visuales de cámaras, los rayos se idenSficaron claramente como rayos CG. La precisión de la ubicación de las antenas LINET permite la delimitación clara de las celdas de tormenta. No solo es excelente la precisión estadísSca de 75 metros, sino que la dispersión también es extremadamente baja.
LINET- técnica TOA Sensor 1
Sensor 2 Sensor 4 Sensor 3
Sensor 5
Sensor 6
• Señal llega a cada sensor a diferente tiempo. • Tiempo medido en cada sitio; resolución: una diezmillonésima de segundo. • Se necesitan mínimo reportes de tres sensores para una solución.
Ventajas TOA
• •
•
•
•
Precisión del Sempo muy superior En LINET con técnica TOA, la detección y el seguimiento de las celdas de tormenta, en detalle, solo se puede resolver con la ayuda de un algoritmo sofisScado. El algoritmo calcula las celdas de tormenta en Sempo real. Con cada nuevo impacto de rayo, la celda se actualiza con respecto a todos sus parámetros, que están disponibles en Sempo real. Eliminación de ruido inducido sobre el sensor gracias a un hardware más sencillo, USlización de sensores para observar rayos en LF y VLF (descargas CG) y descargas en HF y VHF (descargas CC).
Sistema WWLLN ¨
¨
¨
Requiere el Sempo o momento de llegada del grupo (TOGA, Sme of group arrival) de al menos 5 sensores de la red. Típicamente, sólo del 15% al 30% de los rayos son detectados por 5 o más detectores, correspondiendo a los rayos más intensos. La exacStud de la red se sitúa entre los 10 y 15 km. El umbral de detección de la red se encuentra entre el 5 y el 10% de todas las descargas con corrientes de pico mayores a 45 kA . Cubrir el mundo entero por estaciones detectoras espaciadas uniformemente con cerca de 1.000 km., de separación requeriría unos 500 sensores.
Lightning Mapping Array LMA El Lightning Mapping Array (LMA) es una red de antenas, receptores GPS y sistemas de procesamiento que detectan el total de rayos: nube-nube (CC), nube-Serra (CG), nube-ionosfera (CI); El sistema puede determinar la ubicación y el Sempo de descarga del rayo en función del Sempo que tarda la señal de muy alta frecuencia (VHF) irradiada por la descarga en llegar a las disSntas estaciones de antena. Las antenas LMA VHF detectan la señal dentro de una banda de telecomunicaciones VHF. Estas estaciones de antena se colocan fpicamente a una distancia de 15 a 20 km en una región de 60 a 80 km de diámetro. Inicialmente la red LMA estuvo instalada en los alrededores de Santa Marta y actualmente en los alrededores de la estación Dabeiba en Barrancabermeja
Molino de Campo Eléctrico MCE para predicción de rayos E = f(Q,A) V = kE Campo E
Aportes al conocimiento: Criterios de predicción derivados de Medición de dE/dt: • Umbral de E • Cambio de polaridad • Derivada de E (corrientes de Maxwell) Medición fpica durante una tormenta (Bogotá, Noviembre 4, 2004)
Relación Empresa-Universidad, empresa Spin-O
Red La4noamericana de localizaciรณn y predicciรณn de rayos
Red La4noamericana Propiedad de Keraunos
Estacion experimental Illyapa Colombia # m 3
3
m
#
00
0#m
-3
30
m
m
60
#m
#
60
País! Ubicación!
CANADA! CANADA
ASNM/(m)! IP//(kA)! Puesta/en/ Marcha!
ASNM (m)
43° 38' 0!38 ´N 43 UBICACION 79° 23'N! W 0!23´W! 79 ASNM (m)235
IP (k A)
IP (k A) 4.7
UBICACION
235!
T - 10 (µs)
T - 10 (µs) --
S -10 (kA/µs)
15 S -10 (kA/µs)
PUESTA EN MARCHA
PUESTA1978 EN MARCHA
4,7!
1978!
USA!
Janischewsky!
4.7
13
--
0.32
15
34
105!
13
13!
0.32
--
34
22
20°00' S 5°26' N 0!20°00' N S 25 50´S!45°59' 59´N! W 45 43°58' 74°56' W 8°57'43°58' E W 280!0´E! 914 1400 80!57´E! 175 914 1400 1000
1990!
1991 - 1990 1978
41
30 41 primera primera 12.3 su bse cuente
primera 4.5
-7!
175!
914!
43.1 30 43.1 44 - 53 * primera primera primera 12.3 12 12 16.5 16.5 su bse cuente su bse cuente su bse cuente su bse cuente su bse cuente 5.6
5.6
primera primera primera 4.5 primera 5.6 primera 5.6 -0.6 0.8 su bse cuente 0.6 su bse cuente 0.8 su bse cuente 0.7 su bse cuente su bse cuente su bse cuente 0.7
5.0 22
primera
1978!
su bse cuente
1978 1991 - 1990
Fischer! Rakov! (UF)!
N 25°50'45°59' S 0! 28°0' E8°57' E
7 699!
7
primera
1978 1973
5.0 primera primera
15.4
41!
5.0
5.0 primera primera 15
15.4 1973!
su bse cuente su bse cuente
1973 1943
ANDERSON R. & ANDERSON R. & FUCHS F. BERG ER K. ERIKSSO & ZUNDL T. N A. ERIKSSO N A.
Ruchs! U!Munich!
30!
5.6
15 18.6
su bse cuente su bse cuente
1943 1985 LACERDA M. BERG ERCEMIG K.
Anderson!
primera
5.6
-18.6 su bse cuente
1943!
BRASIL!
COLO MBIA
200!00´S! 430!58´W! 1000
5°26' N 74°56' W
#m
#
COLOMBIA! 50!26´N! 740!23´W!
44 - 53 *
1400!
71!
--
45,3!
42,9!
1985!
1998!
--
1985 1998
1998
TO RRES LACERDA M. - H. CEMIGPAAS
TO RRES H. PAAS
Berger!
60
m
#
CO MPA RACIO N DE SISTEM AS DE M EDICIO N DIRECTA D E RAYO S NATURALES U .N . 200 0
SUIZA SUDAF RICA
N S 0! 28°40'47°49' N 47°49'25°50' N 28 40´N! 49´N! E 47 11°05' 28°0' E 80°39'11°05' W E 800!39´W! 110!699 05´E! 175 235 105 105 699
Valor estimado a partirValor de registros t omados estación, de un impacto a 149 mde deun ella . estimado a partiren delaregistros t omados en la estación, impacto a 149 m de ella .
*
SURAFRICA! SUIZA! COLO MBIA SUIZABRASIL BRASIL
ALABAMA Y LA ALABAMA Y LA ALEMANIA CANADA FLORIDA FLORIDA N0! 43° 38'28°40' N W 79° 23'80°39' W
JANISCHEW SKYJJANISCHEW FISHER R. & SKYJ FISHERFUCHS R. & F. INVESTIGADOR INVESTIGADOR W. & HUSSEIN A. W. & HUSSEIN SCHNET A. ZER G . SCHNET&ZER ZUNDL G . T.
Inves;gador! *
© CO MPA RACIO N DE SISTEM AS DE© M EDICIO N DIRECTA D E RAYO S NATURALES U .N . 200 0
ALEMANIA! SUDAF RICA ALEMANIA
#m
30
30
m
60
#
60
#m
60
m 60
60
60
m
# m
0#m m
16
16
0
0
m
#16
60
m
0&
0
0
-3
00
m
55
55
20
20
20
3#m
m
#56
Visacro! CEMIG!
Torres! PAAS!
Ejemplo de resultados Forma de Onda Resistencia Shunt 10 7.7 kA
8 6.93 kA 6 3.85 kA 4 2.31 kA
5.7 us
2
86 us
0.77 kA
3.7 us
0
Corriente [kA]
-5
0
5
10
15
20
25
-2
35
40
45
50
55
60
65
70
5.6
1.72 kA
7.2 us
-4 -6
30
13 us
5.16 [kA] -8 8.6 [kA]
21.2 us
-10 -12 -14 -16 -18
15.471 [kA] 17.19 [kA]
Tiempo [us]
75
80
85
90
95 100 105 110 115 120 125 130
Sistemas satelitales
Solución de muestreo satelital
El satélite TRMM recorre una distancia de 7 kilómetros cada segundo a medida que orbita o la Tierra, lo que 23 N permite al LIS observar un punto de la 23oS Tierra una nube durante casi 90 segundos a medida que pasa por encima.
Futuro: Rayos nube ionosfera o Efecto Luminoso Transitorio (TLE) Ionosfera
Rayos nube-ionosfera Vp
Rayos nube-tierra
Tierra
R
ASIM (Atmosphere Space Interac4on Monitor)
ASIM Lanzamiento abril 2/2018
Acople Estación Espacial Internacional
UNPeriodico, Ciencia y tecnología, No 217, p.12, abril 20 de 2018 Bogotá D.C. “A la caza de “duendes” energé4cos en el espacio”
Rayos nube-ionosfera, primeros resultados LMA Lightning Mapping Array
Red LINET
ISS
LINET
El futuro: Estación de inves4gación DABEIBA Estación experimental sobre rayos – DABEIBA, Barranca, Santander, Colombia. • UN, UIS, Keraunos, UPC, U Gainesville, ASIM, NASA, Grupos de inves;gación… • Información: EEI, MCE, 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. •
Tecnicas de medicion y localizacion de rayos
1. 2. 3. 4.
NOWCAST - LINET VAISALA WWLLN LMA
5. Satélites 6. MCE 7. Torres de medición directa
DF o TOA dB/dt
Luz, dE/dt o medición directa
Resumen Técnica
País
Principal obje4vo a medir
Aplicación
TOA/DF
USA, Alemania
Localización (Tiempo-espacio), I, polaridad, medición indirecta por dB/dt. Buena precisión (>85%) y exac4tud (apr. 500m)
Protección
WWLLN
USA
Localización (Tiempo-espacio), I, polaridad, medición indirecta por dB/dT. Baja precisión (apr. 15%) y exac4tud (apr. 15km)
Protección
MCE
Colombia
Predicción (>90%). dE/dt
Predicción y protección
Satélite
USA
Muestreo, Estadís4ca, comparación espacial. No importa precisión
Soporte y nuevas inves4gaciones
LMA
USA
Rayos total: CC, CG, CI
Nuevas inves4gaciones
Torres
Canadá, USA, Alem., Suráfr., Suiza Brasil, Colombia
Medición directa parámetros I, di/dt, polaridad. Muy costosas.
Inves4gaciones para mejor conocimiento del rayo y soporte a otras técnicas
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 la4tudes templadas (Europa, Asia, USA) esta en promedio en los 30kA.
Probabilidad
Parámetros probabilis4cos 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
15
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 inves4gar cienfficamente el FEM del rayo:
1.
2.
3.
Diseños de ingeniería para protección contra rayos mas adecuados al entorno geográfico. Mi;gación 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 Dra3 Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead DistribuHon Lines: “Torres et al [B24] noted that this expression has errors of up to 1568% in tropical areas, recommending the alternaSve expressions for EquaSon (1):” “There are also regional variaSons in the raSo 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.”
Conjunción de un sistema de inves4gación: Empresa-Universidad
• • • • • •
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
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 inves;gación y la aplicación a casos reales. Aplicación de desarrollos inves;ga;vos colombianos (estudios, equipos, datos) a la promoción de la Normalización Técnica en Colombia.
Alianzas y Consultorias q
q
Con grupos de inves;gación pares de Colombia, Alemania, Italia, España, Suecia, USA, Brasil, Venezuela, México, Chile, Cuba, para desarrollo conjunto de inves;gaciones. Ecopetrol, CHEC, ISA, EEB, EPM, Codensa, ICE, EDELCA, BP, Brasil, Centroamérica, Venezuela, Bolivia.
Muchas gracias por su atención‌