EQUIPO ELéCTRICO QUE GUARDA LA ENERGIA GENERADA POR UN RAYO ELéCTRICO

SECTOR TéCNICO.

La presente Invención se refiere a un Equipo Eléctrico que permite que cuando cae a tierra una descarga eléctrica ó rayo ó se produzca un corto circuito de alta tensión, se guarde Ia energía generada en este equipo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN,

El objetivo principal de las mallas de tierra es el de garantizar Ia seguridad al personal durante las descargas eléctricas o fallas eléctricas, se deben tener en cuenta Ia magnitud de corriente a disipar, Ia duración de Ia falla y Ia resistividad del terreno como el tamaño y forma de Ia malla.

La historia de Ia Norma IEEE 80 "Guide for safety in A.C. substation grounding", ha sido bastante difícil de manejar por su gran porcentaje de empirismo presentado, por ejemplo en 1961 Walter Koch escribió una versión de Ia norma y propuso uno de los términos más confusos y discutidos, el factor de irregularidad Ki el cual trata de considerar que las corrientes

de malla no se reparten proporcional mente sino que tienen Ia tendencia de presentar mayores densidades de corriente en las esquinas, después surgieron los problemas de Ks, Km, no solo porque no se dispone de suficientes datos sobre las condiciones en que Koch había trabajado sino porque Ia aplicación de las fórmulas frecuentemente lleva a imposibilidades físicas ó contradicciones de diseño,

Otro problema que surge es el valor de Ia corriente que deberá disipar Ia malla. Los valores usados por las compañías variaban en forma más o menos arbitraria entre el 30% y el

100% de Ia corriente de falla encontrada usando técnicas convencionales de cortocircuito. Debido a que Ia cantidad de conductor requerido es proporcional a Ia corriente, el costo y Ia seguridad variaban mucho.

En los años 70 aparecen innumerables artículos en Ia literatura de puesta de tierra cuestionando los vacíos, teorías y técnicas desarrolladas en Ia norma y se puso de moda mostrar inconsistencias físicas en Ia aplicación de Ia misma. La norma fue revisada en 1974 pero no se hizo ninguna modificación importante y Ia guía de 1976 quedó prácticamente igual.

En 1978 Ia IEEE creó un grupo de trabajo con Ia intención de clarificar los misterios que se pueden resumir así:

1. Confusiones acerca de Ki, Ks, Km.

2. Establecer límites de aplicación a las ecuaciones.

3. Establecer metodologías para el cálculo de Ia corriente que debe disipar Ia malla. 4. Considerar Ia influencia de las varillas en el comportamiento de Ia malla.

5. Ampliar Ia aplicación a suelos no uniformes.

6. Revisar Ia influencia de la capa de cascajo en las tensiones tolerables por el hombre. 7. Examinar el posible uso de otros materiales distintos del cobre en Ia malla. 8. Tratar de sistematizar los análisis de mallas a tierra.

El grupo pretendió repetir los experimentos de Koch pero por limitaciones económicas a principios de los 80 debió incluir activamente Ia participación del EPRI quienes en compañía de Ia Universidad de Ohio construyeron modelos a escala para terrenos de dos capas y propusieron una metodología de cálculo,

Otro grupo de trabajo sobre las medidas de resistividad usando métodos de tres y cuatro electrodos. La Georgia Tech produjo una serie de programas de computador para determinar Ia división de las corrientes de falla, procesar medidas de resistividad y diseñar Ia malla. La última revisión de Ia norma en 1986 no alcanzó a incluir gran parte de los resultados de

estos estudios por limitaciones de tiempo, sin embargo, se espera que esta valiosa información esté en nuevas ediciones de Ia norma.

El trabajo no se ha terminado y en especial se está investigando todavía sobre los efectos de las corrientes en el cuerpo, el entendimiento de las diversas capas del suelo, el desarrollo de programas de cómputo cada vez más precisos y con menos limitaciones e inclusive sobre consideraciones estadísticas de probabilidades que sin duda impactarán futuras ediciones de Ia norma.

En julio de 1999, en Ia Universidad Nacional en Bogotá, se llevo a cabo un Seminario Internacional de Puesta a Tierra y se llego a las siguientes conclusiones:

1. El tema de las mallas a tierra es aún hoy en día uno de los más dinámicos de Ia ingeniería.

2. Los principales problemas que subsisten en el diseño de Ia malla a tierra son Ia caracterización del terreno, Ia determinación de Ia corriente que debe disipar Ia malla y el cálculo de los potenciales de paso, toque y transferidos.

3. El método simplificado de Ia norma produce resultados seguros (aunque muy conservativos) cuando se respetan sus limitaciones de aplicabilidad.

4. Cuando la malla a tierra no presenta las características requeridas para Ia utilización del método simplificado, ó cuando se desea hacer un diseño optimizado se recomienda el uso del modelo de las dos capas. 5. incluso el método de las dos capas presenta limitaciones importantes cuando el terreno no puede caracterizarse perfectamente como de dos capas, por Io que un adecuado criterio de ingeniería debe aplicarse para ajustarlo. 6. Todavía quedan muchas cuestiones por resolver en Ia norma IEEE 80 relacionadas con Ia soportabilidad de corriente del hombre, Ia caracterización de terrenos de más de dos capas, las limitaciones del método de las dos capas, otras consideraciones sobre Ia resistividad de Ia capa de cascajo en tiempo húmedo, consideraciones probabilísticas sobre Ia resistividad, Ia probabilidad de ocurrencia de las peores fallas y su simultaneidad con Ia presencia de personal en Ia subestación, Ia ubicación inadecuada de Ia persona afectada y Ia no operación oportuna de las protecciones, consideraciones que deben llevar a un diseño más óptimo.

Por las anteriores conclusiones, vemos que el siglo XX tuvo problemas para diseñar mallas a tierra, hay muchos problemas sin resolver sobre el tema de puesta a tierra, todos los escritos coinciden en que un buen diseño de tierra es muy importante para Ia operación del sistema y protección del personal, en

condiciones de falla el flujo de corriente a tierra produce tensiones dentro y fuera de los equipos a proteger, se sabe que los gradientes de potencial pueden ser tan grandes que ocasionan un grave peligro a las personas que estén caminando en el área. "Debe recalcarse que una subestación con baja resistencia no es de por sí una garantía de seguridad, el producto de IR en donde 1 es Ia máxima corriente de corto circuito que fluye y R Ia resistencia, debe ser bastante baja para que haya seguridad en el área".

En Colombia, en un lapso de 20 años Ia mayor causa de perturbaciones (58%) en Ia red de interconexión eléctrica ISA, fue originada por descargas eléctricas atmosféricas. La Empresa de Energía de Bogotá gastó en reposición de transformadores de distribución una cantidad anual de US $2'500.00 durante el período de 1994 a 1996. En otro estudio realizado en otra empresa de energía, luego de examinar 205 transformadores de distribución rural se encontró que solo el 8% presentaban una resistencia de tierra de 5 ohmios. Igualmente las primas que actualmente paga el sector asegurador por estos conceptos son muy elevadas,

A nivel mundial de los 55 grandes incendios de tanques petroleros 52 fueron causados por rayos eléctricos.

Otro de los graneles problemas actualmente son las puestas a tierra de los sistemas de comunicaciones.

En Colombia se cuenta con Ia norma técnica colombiana de protección contra rayos NTC 4552 de 1993. Se dice que más de 2000 tormentas se encuentran activas simultáneamente produciendo aproximadamente 100 descargas eléctricas por segundo. Los rayos eléctricos causaron el 47% en 1996 y el

69% en 1997 de salidas de líneas de transmisión de 230 KV y 500 KV, el promedio de muertes es de 100 personas por año.

En los últimos 20 años se han desarrollado técnicas y elementos que mejoran el comportamiento del sistema de puesta a tierra como: blindajes, apantallamientos, electrodos para el aterrizamiento y materiales químicos para el tratamiento del suelo que permiten reducir Ia resistividad.

Actualmente las puestas a tierra de alta tensión y de sistemas de comunicaciones se realizan colocando varillas o enmallados de cobre con el objetivo de reducir Ia resistencia de tierra al ideal de cero ohmios o utilizando Ia teoría de equipotencialidad, según Ia cual en el momento en el que se presenta una descarga eléctrica a tierra o "rayo" se produce un efecto transitorio de alto voltaje que, por Ia disposición de diseño físico, hace que todos los equipos y personas que se

encuentren en Ia zona equipotencial tengan el mismo voltaje y quedan protegidos en esa zona solamente.

La primera técnica descrita tiene Ia desventaja que se producen sobre tensiones que causan daños a los equipos y personas que se encuentren en Ia zona de descarga.

La segunda técnica (equipotencialidad) tiene Ia desventaja que se pueden producir diferencias de voltaje en Ia zona protegida y por Io tanto producir daños.

VENTAJAS DE LA INVENCIóN.

El equipo eléctrico que guarda Ia energía generada por un rayo eléctrico, presenta las siguientes ventajas con relación a los sistemas del estado de Ia técnica como son:

> Con el equipo de Ia invención se logra una completa protección de los equipos y personas que se encuentren en Ia zona afectada por el rayo eléctrico o un corto circuito; puesto que no se producirán sobre tensiones ni sobre corriente en dicha zona, por Io cual con el equipo eléctrico de Ia invención se obtiene una protección del 100%.

> En las zonas donde haya un número grande de caídas eléctricas se obtiene una nueva fuente de energía.

> El equipo eléctrico protege hasta Ia norma IERC 61312, Ia cual define el pulso máximo de corriente más desfavorable en 200 KA y que se producen apenas con posibilidades de 0,1%.

RELACIóN DE FIGURAS ANEXAS.

Figura 1. Perspectiva del Equipo Eléctrico de Ia Invención.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN.

La presente solicitud de patente de invención se refiere a un Equipo eléctrico que guarda Ia energía generada por un rayo eléctrico; dicha invención tiene sustento en ver Ia tierra como una ecuación diferencial y no como una simple resistencia. Este cambio de paradigma permite entrar en conceptos matemáticos de diseño de Ia teoría de control que dice que es posible cambiar los transitorios y las respuestas forzadas de Ia ecuación diferencial a valores que se necesiten.

La tierra presenta resonancia a frecuencias éntrelo Hz y 4 Hz, te que indica que es mínima una ecuación diferencial de segundo orden. Lo anterior permite identificar Ia tierra entre factores de amortiguamiento de 0,1 a 0,7; esto con un equipo experimentad se logró encontrar la ecuación diferencial con la que se diseño el Equipo Eléctrico de Ia presente invención, como sigue:

S + a = 0

Donde a es Ia raíz de Ia ecuación diferencial de primer orden que está comprendida en ios rangos de la transformada de

Laplace entre - ⁰⁰ y cero.

El Equipo Eléctrico de Ia presente invención en dicho rango guarda Ia energía generada por el rayo eléctrico ó por el corto circuito, tal como se aprecia en Ia Figura 1 , se construye colocando en paralelo el condensador 1 con Ia resistencia 2, de este modo el equipo hace las veces de una nueva tierra eléctrica, por Io cual todas las bajantes 3 del equipo ó estructura a proteger se deben llevar a éste equipo, que vienen de un pararrayos 5.

La resistencia que se utiliza tiene un valor menor o igual a 33,67 ω, para un condensador de 30 μF.

A menor resistencia eléctrica en ω que se coloque en el condensador de 30 uF, el equipo diseñado guardará mayor corriente de impulso.

En zonas que requieren mayor protección se coloca una malla de protección conductora 4 de cobre aislada de tierra con aisladores eléctricos 6, que permitirá que los rayos eléctricos o los cortos circuitos que caigan a Ia misma sean absorbidos por el equipo eléctrico de Ia invención, debido a que Ia malla 4 esta conectada al equipo por el conductor 7 de cobre.

El Equipo Eléctrico esta diseñado para guardar corrientes de impulso hasta 200.000 A, está energía no va a tierra sino que queda guardada o disipada en el equipo de Ia invención, en un tiempo máximo de milisegundos, con ello logramos el fin de proteger personas y equipos que estén en tierra, por Io tanto se puede usar como una nueva fuente de energía.

Todo el diseño anterior se basa en Ia Teoría de Control que se ha deducido de Ia experimentación realizada con Ia ecuación diferencial que guarda energía, por Io cual todo equipo eléctrico

que se encuentre en el rango de -°° y cero, raíces de Ia transformada de Laplace forma parte de Ia presente invención.

EJEMPLO 1 DE APLICACIóN.

De acuerdo a Io anterior, aplicando Ia ecuación diferencial de primer orden, cuando se coloca un condensador monofásico de 30 μF, Ia resistencia eléctrica es de 33,67 ω, se tiene:

S + 990 = 0

El condensador eléctrico tiene las siguientes especificaciones: 500 KVAR (kilovoltamperios reactivos), 6640 V.

Valor máximo de voltaje que aguanta el equipo en microsegundos = 200.000 V.

Dimensiones:

Largo: 45 cm Ancho: 14 cm

Alto: 1 m

Peso = 43,1 kg

La resistencia eléctrica se debe construir con un tubo en cerámica alúmina, con diámetro de 8,89 cm y una longitud de 1 m, 95 vueltas de alambre ferro níquel de 1,3 mm de espesor, dejando 1 cm de separación entre espiras; el alambre tiene 9,72 ω/m y obteniéndose una longitud de 29 m.

EJEMPLO 2 DE APLICACIóN.

La ecuación diferencial de primer orden, cuando se coloca un condensador monofásico de 30 uF, Ia resistencia eléctrica es de 1 ω, se tiene:

S + 33333 = 0