Rayos en el Trópico Horacio Torres-Sánchez Profesor Titular Programa de Investigación sobre Adquisición y Análisis de Señales: PAAS-UN Universidad Nacional de Colombia www.paas.unal.edu.co VII JORNADA ELECTROTÉCNICA II TALLER DE EMC DEL CEC VII JORNADA II TALLER
Circuito Eléctrico Global de Wilson
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Potencial Ionosférico y Campo Eléctrico
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Como se distribuyen los rayos alrededor de la Tierra “La contribución al circuito global está dominado por una superposición de efectos de las tres mayores zonas de convección: Suramérica Tropical, Centro de África y el Continente Marítimo” (Wilson – Brooks - Whipple, 1920 – 1930)
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Variación Global de la actividad de rayos
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Diariamente se presentan sobre la tierra cerca de ocho millones de rayos (100 rayos/segundo) desde 44.000 centros de tormenta.
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“ Las magnitudes de los parámetros del Rayo varían espacial y temporalmente ”
H. Torres, PAAS-UN, Colombia, 1990
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Perspectiva Espacial : • Global • Regional • Local
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Perspectiva Temporal :
• Diaria • Mensual (Latitudes Tropicales) • Estacional (Latitudes Templadas) • Multianual
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• Espacio +
• Probabilidad
• Tiempo
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Tiempo Atmosférico + Clima •Caracterización del clima •Clasificación de las regiones del planeta en categorías
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Clasificación regional del fenómeno del Rayo Cuando los investigadores en física del Rayo procedieron a clasificar las diferentes regiones de la tierra, solo tuvieron en cuenta los datos de mediciones locales en latitudes Templadas y los generalizaron para todo el planeta
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Altura sobre el terreno, Km.
12 10 8 6 4
+ + + +- +- + ++ + + + + + + +++ + ++ +++ + ____ _ __
P
N
_ _ ___ _ _ _ _ +++ +
P
- 55 - 45 - 33 - 18 -7
2
15
0
30
Temperatura del aire alrededor, °C
Distribución de carga en la nube
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Que es un rayo
+ + + -+ + - + ++ + + + + ++ +++ + ++ +++ +_ _ _ _ _ _ _
P
N
___ _ _ _ _ _ _ +++ +
P
+ + + -+ + - + ++ + + + + ++ +++ + ++ +++ +_ _ _ _ _ _ _
P
N
_ _ ___ _ _ _ _ +++ +
P
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Rayos nube-nube y nube-tierra
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Red Sprites – Blue Jets
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R + + + + +
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Descarga Eléctrica Atmosférica
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Tipos de rayos _
_
_ __
_ L_
L_
R + +
+ + +
_ _ _
L + + + + + +
+ + +
+ L +
L +
_
_ _
R
L_ _ _ _ _
R
+ +
R
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Nube
_
Canal sin efecto corona
h2 Canal con efecto corona h1 Punto de acople Tierra
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Onda rayo Ilyapa
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Parámetros del rayo para aplicaciones en ingeniería 1 Nivel Ceráunico 2 Densidad de Descargas a Tierra 3 Polaridad 4 Multiplicidad 5 Amplitud de la corriente de Retorno 6 Forma de impulso de la corriente de retorno
Espacio y Tiempo (CIGRE 2000)
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Nivel Ceráunico - Definición “Para obtener resultados que permitan comparación, se recomienda contar solamente como Días de Tormenta aquellos en los cuales un trueno es oído y un relámpago es observado” (International Meteorological Committee, Vienna, 1873)
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Probabilidad de registrar una tormenta ps(r)
ps (r ) = 1 − (1 − pf (r ))
n VII JORNADA II TALLER
Densidad de Descargas a Tierra DDT Número de descargas a Tierra por kilómetro cuadrado - año Determinado por: • Ecuaciones empíricas • Mediciones directas
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Corriente de retorno del rayo Uno de los parámetros más importante para aplicaciones en ingeniería Determinado por: • Modelos matemáticos • Mediciones directas
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Ecuaciones y Modelos de Amplitud de la Corriente de Retorno del Rayo • Modelo Modificado de Línea de Transmisión (MTL):
2π c ε 0 D Ip = Ev v Ecuación de Rakov-Willet (R-W): 2
•
I p = 15 . − 0.037 D ⋅E v •
Ecuación de Rakov- Dulzon (R-D):
•
Modelo de Cooray:
I p = ( 27.0 − 26.5 e
−0 , 07⋅ D
) ⋅ D ⋅ Ev
I p = 0.053 ⋅ ( D ⋅ E v )
0 , 928 VII JORNADA II TALLER
NC - Francia
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NC - USA
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NC - Minas Gerais, Brasil
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R E C M A Red Colombiana de Medición y Localización de Descargas Eléctricas Atmosféricas
ISA - U.N EEPPM VII JORNADA II TALLER
Variación Regional de la actividad de rayos
Julio - Agosto
Abril - Mayo
Vientos Alisios
Octubre - Novbre.
Enero - Febrero
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Variación Regional de la actividad de rayos
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Rosa Ceráunica Bogotá N NW
NE
W
E 10 20
SW
SE
30
S
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Rosa Ceráunica Medellín N NW
NE
W
E 10
SW
20 30
SE VII JORNADA II TALLER
Rosa Ceráunica Cali N NW
NE
W
E 10
SW
20 30
SE VII JORNADA II TALLER
Variación temporal NC Francia
Dias Tormntosos Año
35
31
30 28 25 23
21 20
15 14 2
y = -2,5707x
10
+ 10197x - 1E+07
2
R = 0,9778 5
0 1980
0 1981
1982
1983
1984
1985
Año NC
Polinomica
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90
Variación temporal NC MG (Brasil)
85
85
84
2
y = 0,176x
- 698,12x + 692240
75
80
R 2 = 0,6164
70
72 68
69
68
67
65
66 64
64
63
60
64
63
59
55
57
56
55
54
50
Dias Tormentosos Año
87
1970
1972
1974
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
Año NC
Polinomica
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Variación Temporal NC Bogotá 105
99
95
94
90 80 75 60
81
78
78
76
73
70 65
93
92 78
74
81
78 68
66
62
61
55 2
45
88
87
85
53
64
57 55
y = -0,1536x + 608,9x - 603482 2 R = 0,5864
35
29 28
25
1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Días Tormentosos Año
107
105 105
Año
Nivel Ceráuneo
TENDENCIA
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Hora de presentación de rayos 200 180 160 Medellín
Días Tormentosos - Año
140 120 100 80
Cali
60 40 20 Bogotá 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Hora
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Variación local: Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O) 3000
2000
1500
1000
500
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
0 1
Número de Rayos
2500
Horas
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Ecuaciones de DDT en función de NC Ecuación Propuesta
Autor
DDT, NC=57 ( 1995)
DDT, NC=68 (1994)
DDT, NC=88 (1993)
DDT medido en Bogotá
-
0.6
1.2
2.4
0.053*(NC)1.17
Eriksson, Africa
6
7.4
10
0.04*(NC)1.25
Eriksson, IEEE
6.3
7.8
10.8
0.15*(NC)
Brown, USA
8.6
10.2
13.2
0.1*(NC)
Aiya, India, IEC
5.7
6.8
8.8
0.14*(NC)
Anderson
8
9.5
12.3
0.17*(NC)
Horn, U.S.A
9.7
11.6
15
0.0017.NC1.5
Torres, Colombia
0.93
1.22
1.83 VII JORNADA II TALLER
Correlacion DDT y NC log( DDT ) = α + β ⋅ log( LAT ) + δ ⋅ log( NC )
Ecuación Costa log( DDT ) = 0.79 − 2.44 ⋅ log( LAT ) + 1.19 ⋅ log( NC ) DDT = 2.2 ⋅ LAT −2.4 ⋅ NC 2
Ecuación Montaña log( DDT ) = −9.9 + 0.585 ⋅ log( LAT ) + 1.97 ⋅ log( NC ) DDT = 5 ⋅ 10 −5 ⋅ LAT 0.6 ⋅ NC 2
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Correlación DDT y NC
DDT = 0.024.NC 1.12 México DDT =0,0030.NC 1,12 Brazil DDT =0,0017.NC1,56 Colombia
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Correlación DDT y NC
DIFERENCIA ERROR DIFERENCIA ERROR ECUACION PROMEDIO PROMEDIO PROMEDIO PROMEDIO COSTA COSTA MONTAÑA MONTAÑA 0.78 41% 0.56 41% COLOMBIA 10.61 1568% 7.14 651% CIGRE/IEEE/IEC 7.26 1065% 4.16 434% ERIKSSON
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Proposal IEC 62305-2 “NOTE- If the map of Ng is not available, it may be estimated in several ways: The GFD for temperate regions may be estimated from the keraunic level using equation: Ng = 0.04*Td1.25 (IEEE) Ng = 0,1Td (IEC) In the case of tropical regions, the GFD may be estimated from the keraunic level using the results found in mountainous regions of Mexico, Brazil and Colombia as follows: Ng = 0.024× Td 1.12 México Ng =0,0030.Td 1,12 Brazil Ng =0,0017.Td1,56 Colombia Where Td is the number of thunderstorm days per year (the keraunic level)” VII JORNADA II TALLER
Polaridad – Análisis Espacial 89,9
84,2 73,7
76,9
68,8
70,5
60,0 40,0 23,1
31,2 29,5
26,3
15,8
POSITIVOS NEGATIVOS CIUDAD
BQUILLA
MAGANGUE
NECHI
EL BAGRE
PTO BERRIO
10,1 SAMANA
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
BOGOTA
PORCENTAJE [%]
POLARIDADES PROMEDIO CIUDADES
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Corriente – Análisis Temporal AME POSITIVOS NEGATIVOS
1997 1998 1999 2000 2001 18 19 19 17 21 35 31 31 29 33
BQUILLA POSITIVOS NEGATIVOS
1997 1998 1999 2000 2001 22 31 26 28 34 39 47 43 41 36
NECHI POSITIVOS NEGATIVOS
1997 1998 1999 2000 2001 8 8 7 7 8 22 21 22 24 25 VII JORNADA II TALLER
Variación Regional: Corriente de rayo 1 0 0 ,0 %
8 0 ,0 %
Probabilidad
6 0 ,0 %
4 0 ,0 %
2 0 ,0 %
0 ,0 % 1
10
C o r r ie n te P ic o d e la D e sc a r g a C IG R E (1 9 7 9 ) P A A S , C O L O M B IA (1 9 9 5 )
C a c h im b o , B R A Z IL (1 9 9 6 )
100
[k A ] L ee, M A L A Y S IA (1 9 7 9 )
A n d erso n , R H O D E S IA (1 9 5 4 )
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...hasta el presente la mayoría de la información disponible sobre las características y magnitudes de los Rayos están basadas en estudios llevados a cabo en zonas Semitropicales o Templadas, pero muy pocos en Zonas Tropicales… VII JORNADA II TALLER
… por razones de confiabilidad, economía y seguridad, es recomendable que la magnitud de los parámetros del Rayo, estimados regionalmente en Zonas Templadas (Normas internacionales), no sean directamente aplicados a Zonas Tropicales, sino los que se vienen encontrando por investigaciones locales…
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