Descargas Atmosféricas: Origen y efectos sobre redes eléctricas

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- Nube a tierra con líder con carga negativa

- Tierra a nube con líder con carga positiva.

- Nube a tierra con líder con carga positiva.

- Tierra a nube con líder con carga negativa.

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Figura 5: Tipos de descargas entre Nube y Tierra.

Entiéndase por Líder, a rutas de aire ionizado por la cual se desplaza un rayo. En la figura 5 podemos observar los 4 tipos de descarga entre nube y tierra mencionados anteriormente.

De los anteriores, la más frecuente de todas, es la descarga Nube a tierra con líder con carga negativa, la cual tiene una tasa de ocurrencia de un 90%, comparándola con las descargas de nube a tierra, y de un 45% comparándola con todas las descargas naturales. La diferencia de potencial entre el líder y la tierra puede exceder los 107 V, su velocidad supera los 1000 km/h. La descarga nube a tierra con líder con carga positiva, es menos frecuente que la anterior, con una frecuencia de un 10% de las descargas a tierra y constituyen un 5% de todas las descargas atmosféricas. Estas poseen una alta corriente que puede llegar en algunos casos a los 200 kA. Son más recurrentes en altas latitudes y regiones montañosas. Un rayo se genera cada vez que la acumulación de carga en una nube de tormenta es tal que el campo eléctrico es intenso entre los centros de carga que se forman dentro de la nube y la tierra.

Las descargas atmosféricas son impredecibles. Diferentes estudios y pruebas de campo permiten conocer

algunos datos impresionantes [5]. Por ejemplo, sabemos que la temperatura máxima de un rayo puede alcanzar valores superiores a 30.000 °C con una duración de una millonésima de segundo. Esta temperatura supera más de cuatro veces la de la superficie del sol.

La energía media disipada por unidad de longitud del canal de descarga formado por un simple rayo es del orden de 105 J/m, lo que equivale a unos 100 kg de dinamita. La energía media total por descarga es de 3·108 J y su duración total se considera que es de aproximadamente 30 ms. Así, la potencia media por rayo es de unos 1013 W.

El número promedio de veces que hay tormenta en un año, de un determinado lugar, recibe el nombre de Nivel Isoceráunico, y es éste el que se considera a la hora de proteger más o menos una determinada instalación.

- EFECTOS EN REDES ELÉCTRICAS

Las descargas atmosféricas que afectan las líneas de las redes eléctricas son, la influencia electroestática de las nubes y los rayos, siendo estos últimos los que a través de golpes directos en las líneas los que tienen un mayor impacto en la red, ya sea por la corriente o por la tensión que éstos producen.

En relación a las corrientes producidas por los golpes directos de los rayos en las líneas podemos decir que, estas corrientes además del elevado valor en módulo, también poseen una frecuencia muy alta, provocando así:

- Un gran aumento en la temperatura, pudiendo producir fusión en los puntos en los que el rayo impactó la línea, debido al efecto Joule.

- Ruptura o deformaciones mecánicas en los cables que componen las líneas debido a las fuerzas de atracción o repulsión generadas por el nivel de las corrientes que circulan por conductores paralelos.

Hablando ahora acerca de las tensiones producidas por la caída de rayos, ya sea directamente o no sobre las líneas podemos decir que, al igual que las corrientes, las tensiones son grandes tanto en módulo como en frecuencia, provocando así:

- Sobretensiones conducidas a raíz de impactos directos sobre las líneas del sistema.

- Sobretensiones inducidas debido a la radiación electromagnética del rayo.

- Al caer un rayo al suelo eleva el potencial de la tierra.

Debido a que las sobretensiones son las fallas más comunes en las líneas a consecuencia de descargas atmosféricas, en especial rayos, nos adentraremos más en estas, estudiando los efectos de los rayos sobre la red eléctrica.

A consecuencia de la caída de rayos, las líneas pueden resultar dañadas y/o alteradas ya sea física o eléctricamente.

Al caer un rayo directamente sobre una línea los aisladores de estas podrían no soportar tal nivel de sobretensión y por consiguiente formar arcos eléctricos sobre los aisladores. Estos arcos eléctricos sobre los aisladores podrían perdurar aun cuando la sobretensión en la línea haya desaparecido, esto obedece a que la tensión de servicio en líneas de alta y media tensión es suficiente para mantenerlo en el canal del aire ionizado. Si los aisladores de las líneas no están equipados con las protecciones necesarias para extinguir el arco eléctrico, la temperatura generada por estos podría llegar a ser capaz de destrozar los aisladores. Cabe mencionar que en sistemas en los cuales el punto neutro está aterrizado directamente el arco eléctrico sobre los aisladores produce un cortocircuito monofásico a tierra. Ahora bien, en sistemas con el punto neutro aislado, el arco eléctrico sobre los aisladores no genera cortocircuitos, pero si genera corrientes de mediana intensidad que degeneran el arco pudiendo así destruir más rápidamente el aislador.

Para saber el efecto de estas descargas atmosféricas sobre los sistemas eléctricos, por lo general se toman en cuenta cuatro factores primordiales para el análisis. Los factores a tener en cuenta son:

- Magnitud de la descarga. Este factor es unos de los más importantes debido a que el nivel de sobretensión inducida a raíz de una descarga atmosférica es directamente proporcional a la magnitud de la descarga.

- Tipo de impacto. Esto obedece a una clasificación según el sitio en donde la descarga atmosférica impacta.

- Impacto a tierra. Se refiere a cuando la descarga atmosférica cae directamente a la tierra en las cercanías de la línea, sin que sea atraída por el conductor de guarda ni por los conductores de las fases del circuito. Aun cuando la descarga atmosférica no impacte directamente la línea esta puede generar una sobretensión en la línea ante mencionada.

- Impacto al conductor de guarda y/o estructura. Se dice que cuando ocurre este tipo de impacto aunque los conductores estén perfectamente apantallados, no es extraño que ocurran fallas, debido