DETECCIÓN Y ANÁLISIS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS, SUS APLICACIONES Y UTILIDADES Ana María Barrantes Segura Capítulo de Energía y Cambio Climático ECC. ABarrantesS@ice.go.cr ABSTRACT El estudio de descargas atmosféricas (conocidas como rayos) es un campo de la ingeniería poco conocido y la información generada está siendo desaprovechada. Sin embargo, desde que en Costa Rica se instaló la Red Nacional de Detección y Análisis de Descargas Atmosféricas se han ido encontrando nuevos usos para la información adquirida y su beneficio es enorme. Monitoreando los fenómenos atmosféricos se detectan los cambios climáticos. Cada año se crean mapas que muestran información importante, como la cantidad de descargas por área y otros. Con este monitoreo en el futuro se podrán empezar a detectar los ciclos y cambios en los ciclos del comportamiento de los rayos en la zona monitoreada. Aún no se tienen suficientes años de estudios para establecer patrones y cambios en el comportamiento del fenómeno atmosférico, pero los datos se están almacenando y se espera en el futuro utilizarlos en realizar investigaciones de este tipo. INFORMACIÓN GENERADA POR EL SISTEMA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y SU UTILIDAD En la actualidad se cuenta con sistemas que detectan los rayos de manera directa, captando la corriente eléctrica con enormes y robustas antenas haciendo que las mediciones sean 1
sumamente escasas. También se puede realizar la medición de manera indirecta a través de la detección de la onda del campo electromagnético generado por este evento atmosférico. Analizando este campo se obtiene gran cantidad de información sobre las características físicas y de ubicación en tiempo y espacio del rayo. La cantidad de eventos que se pueden medir con este método indirecto hace que una enorme cantidad de ellos puedan ser medidos y situados. El Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), institución costarricense dedicada a la generación, transmisión y distribución de electricidad y telecomunicaciones trabaja con uno de estos sistemas con los que se puede observar el comportamiento de las descargas atmosféricas sobre territorio costarricense y Panamá. El sistema consta de cinco sensores instalados en Costa Rica y dos en Panamá. Cada sensor tiene una cobertura de 360 km de radio. El sistema provee información sobre: 1. El lugar de impacto del rayo, la posición se da en paralelos y meridianos. 2. La corriente eléctrica en Amperios. 3. El día, hora, minuto y segundo. 4. La velocidad con que avanza una tormenta eléctrica. 5. La dirección en que avanza una tormenta eléctrica. 6. La multiplicidad que es la cantidad de descargas eléctricas dentro de una misma descarga atmosférica. 7. El tipo de descarga producida (nube-tierra, nube-nube o intranube). 8. El tipo de polaridad (transporte de cargas positivas o negativas). 9. Etc. Con la información anterior se puede: 1. Realizar diseños de protecciones eléctricas mejorados. 2
2. Diseñar de mejor manera la forma de las estructuras de las obras civiles según el nivel de riesgo en que van a ser construidas. 3. Estudiar adecuadamente la ubicación de cualquier tipo de construcciones. 4. Preparar estudios estadísticos para establecer cuales zonas del territorio sensado y en que épocas del año son las más afectadas. 5. Encontrar focos importantes que necesite especial protección, para tomar así las precauciones pertinentes para: a. Evitar instalar equipo sensible (electrónico, eléctrico, mecánico, etc.) en áreas afectadas fuertemente por los rayos. b. Instalar los sistemas de protección correctos a los equipos dependiendo de que tan afectadas son las zonas donde estos se encuentran ya instalados para evitar, entre otras cosas, el desperdicio de materiales contaminantes. 6. Proveer información concreta de una descarga atmosférica que pudo ser la causante de una falla de un sistema específico. 7. Proveer información temprana sobre el peligro de aproximación de una tormenta eléctrica en sitios donde se encuentra personal trabajando en condiciones de riesgo, para que estos puedan abandonar la zona en cuanto se dé la voz de alarma. 8. Realizar un análisis conjunto con otros países de la zona tropical sobre el comportamiento de las descargas atmosféricas en la zona. 9. Realizar estudios sobre ciclos repetitivos de densidad de descargas por tiempo y zona. 10. Monitorear para la realización de estudios de cambio climático. Actualmente los datos que provee el sistema se han incluido en el diseño de las líneas de transmisión de energía del ICE. Esto permite utilizar los materiales y protecciones correctas en cada una de ellas, según la zona en que deben ser construidas. Esto permite el ahorro de elementos y equipos eléctricos y electrónicos. Así, sabiendo y conociendo el nivel de riesgo que presenta una zona estudiada se seleccionan de la manera más exacta los componentes adecuados, evitando el desperdicio. 3
No solamente las líneas de transmisión deben ser protegidas apropiadamente, toda obra gris y el equipo instalado en ellas deben contar con un sistema de protección eléctrica correcta de forma que no se sobrepase ni sea ésta insuficiente, pues en cualquiera de los dos casos se estarían malgastando materiales contaminantes para el ambiente. Visto que las estructuras de todo proyecto urbano (no solamente la parte eléctrica) están en riesgo de ser impactadas y sufrir daños por una descarga atmosférica, deben ser ubicadas debidamente, dependiendo de la actividad para la que va a ser utilizada, en zonas que no sean de alto riesgo para esa determinada actividad o bien instalarlas en estas zonas pero tomando las medidas preventivas necesarias en el momento del diseño de la obra. Todo lo anteriormente mencionado permite el ahorro de tiempo, dinero, y para la protección del ambiente, ahorro de materiales. ESTUDIOS ESPECÍFICOS Y GENERALES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Las siguientes imágenes muestran ejemplos de dos estudios para localizar fallas en líneas de transmisión: Figura 1. Estudio realizado durante un período de media hora, en un radio de 1 km para verificar de un daño causado Figura 2. Estudio realizado durante un período de 40 minutos, en un radio de 3 km para verificar un daño causado aparentemente por una descarga aparentemente por una descarga atmosférica sobre una parte de una línea atmosférica sobre una parte de una línea de transmisión. 4 de transmisión.
Las siguientes imágenes muestran ejemplos de estudios generales para monitoreo climático e investigación estadística: Figura 3. Distribución espacial y amplitud de las descargas atmosféricas durante un período de 24 horas durante un día del mes de Octubre del 2009, realizado por el personal especialista en meteorología de la Red Nacional de Detección y Análisis de Descargas Atmosféricas En la figura anterior se muestra las zonas probables (círculos de colores) donde se dio el impacto de la descarga atmosférica. Los diferentes colores indican diferentes amplitudes (Amperios) de corriente eléctrica. Figura 4. Mapa de Densidad de Descargas Atmosféricas durante un periodo de una semana del mes de octubre de 2009, realizado por el personal especialista en meteorología de la Red Detección y Análisis de Descargas Atmosféricas. 5
El mapa anterior identifica la identifica la densidad por colores, La densidad se da en cantidad de impactos por Km² al año. INTERFACES GRÁFICAS El monitoreo del avance de una tormenta eléctrica se puede observar por medio de interfaces gráficas como el LTRAX: Figura 5. Interface gráfica LTRAX que se encuentra en el Centro de Control del Instituto Costarricense de Electricidad y en el Proyecto Hidroeléctrico Cariblanco (Costa Rica). En esta interface gráfica, se puede por medio de zonas de alarmas (círculos en rojo y azul), seleccionar áreas de interés. Cuando una tormenta eléctrica se está acercando a una de estas áreas, la alarma se activa y se da la voz de alerta. Esto se hace importante sobre todo si se encuentra personal trabajando en el campo. La anterior es solamente un ejemplo de las interfaces gráficas para monitoreo de tormentas eléctricas. 6
En la siguiente imagen en el Intersect View se puede observar que sensores localizan una misma descarga en el momento que la están detectando. Se logra ver la triangulación generada por los sensores. Figura 6. Descarga detectada por 4 sensores el día 25 de agosto del 2005 a las 3:20 p.m. en la provincia de Guanacaste. BIBLIOGRAFÍA [1] Global Atmospherics; Inc. IMPACT ESP Advanced Lightning Direction Finder, User`s Guide. Arizona, USA. 2000, pp [2] Global Atmospherics; Lightning Processor 2000. User`s Guide. Arizona, USA. 2002, pp D-5 [3] Global Atmospherics; LTRAX, The Real-Time Lightning Tracking Windows Application, User s Manual, Version 1.2, USA 2001, pp 45 [4] Mora Segura, I. Estudio de salida de la línea de transmisión Cachí-Angostura. 2005 7
[5] Mora Segura, I. Estudio de salida de la línea de transmisión Barranca-Lindora. 2005 [6] Mora Segura, I. UEN PySA, C. S. Estudios Básicos de Ingeniería Área de Hidrología, Descargas Atmosféricas, Descargas Atmosféricas, Boletín N 15. Semana del 05 al 11 de Octubre del 2009. COPYRIGHT Copyright 2010. Ana María Barrantes Segura: El autor delega a UADI/CAI la licencia para reproducir este documento para los fines del Congreso ya sea que este artículo se publique de forma completa, abreviada o editada en la página web del congreso, en un CD o en un documento impreso de las ponencias del Congreso Mundial y Exposición INGENIERÍA 2010-ARGENTINA. 8