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Rayos en el TrpicoHoracio Torres-Snchez Profesor Titular Programa de Investigacin sobre Adquisicin y Anlisis de Seales: PAAS-UN Universidad Nacional de Colombia www.paas.unal.edu.coVII JORNADA ELECTROTCNICA II TALLER DE EMC DEL CECVII JORNADA II TALLER
Circuito Elctrico Global de Wilson
VII JORNADA II TALLER
Potencial Ionosfrico y Campo Elctrico
VII JORNADA II TALLER
Como se distribuyen los rayos alrededor de la TierraLa contribucin al circuito global est dominado por una superposicin de efectos de las tres mayores zonas de conveccin: Suramrica Tropical, Centro de frica y el Continente Martimo (Wilson Brooks - Whipple, 1920 1930)
VII JORNADA II TALLER
Variacin Global de la actividad de rayos
VII JORNADA II TALLER
Diariamente se presentan sobre la tierra cerca de ocho millones de rayos (100 rayos/segundo) desde 44.000 centros de tormenta.
VII JORNADA II TALLER
Las magnitudes de los parmetros del Rayo varan espacial y temporalmente
H. Torres, PAAS-UN, Colombia, 1990
VII JORNADA II TALLER
Perspectiva Espacial : Global Regional Local
VII JORNADA II TALLER
Perspectiva Temporal :
Diaria Mensual (Latitudes Tropicales) Estacional (Latitudes Templadas) Multianual
VII JORNADA II TALLER
Espacio + Tiempo Probabilidad
VII JORNADA II TALLER
Tiempo Atmosfrico + ClimaCaracterizacin del clima Clasificacin de las regiones del planeta en categoras
VII JORNADA II TALLER
Clasificacin regional del fenmeno del RayoCuando los investigadores en fsica 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
VII JORNADA II TALLER
Distribucin de carga en la nubeTemperatura del aire alrededor, C VII JORNADA II TALLER 12 Altura sobre el terreno, Km. 10 8 6 4 2 0
+ + + + +- + ++ + + + + + + +++ + ++ +++ + ____ _ __
- 55 - 45 - 33 - 18 -7 15 30
P
_ _ ___ _ _ _ _ +++ +
N
P
Que es un rayo+ + + -+ + + ++ + + + + ++ +++ + ++ +++ + _ _ _ _ _ _ _
+ + + -+ + + ++ + + + + ++ +++ + ++ +++ + _ _ _ _ _ _ _
P
___ _ _ _ _ _ _ +++ +
N
P
_ _ ___ _ _ _ _ +++ +
N
P
P
VII JORNADA II TALLER
Rayos nube-nube y nube-tierra
VII JORNADA II TALLER
Red Sprites Blue Jets
VII JORNADA II TALLER
R + + + + + VII JORNADA II TALLER
Descarga Elctrica Atmosfrica
VII JORNADA II TALLER
Tipos de rayos_ _ __ _ L L + + + + + + + L + _ L _ _ _ _ _ _ _ _
L _
R+ + + + + L +
R
+ + +
+ +
_
_ _ _
R
R
VII JORNADA II TALLER
_
Nube
Canal sin efecto corona
h2 Canal con efecto corona h1 Punto de acople Tierra VII JORNADA II TALLER
Onda rayo Ilyapa
VII JORNADA II TALLER
Parmetros del rayo para aplicaciones en ingeniera1 Nivel Cerunico 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)
VII JORNADA II TALLER
Nivel Cerunico - DefinicinPara obtener resultados que permitan comparacin, se recomienda contar solamente como Das de Tormenta aquellos en los cuales un trueno es odo y un relmpago es observado(International Meteorological Committee, Vienna, 1873)
VII JORNADA II TALLER
Probabilidad de registrar una tormenta ps(r)
ps (r ) = 1 (1 pf (r ))
nVII JORNADA II TALLER
Densidad de Descargas a Tierra DDTNmero de descargas a Tierra por kilmetro cuadrado - ao Determinado por: Ecuaciones empricas Mediciones directas
VII JORNADA II TALLER
Corriente de retorno del rayoUno de los parmetros ms importante para aplicaciones en ingeniera Determinado por: Modelos matemticos Mediciones directas
VII JORNADA II TALLER
Ecuaciones y Modelos de Amplitud de la Corriente de Retorno del Rayo Modelo Modificado de Lnea de Transmisin (MTL):
2 c 0 D Ip = Ev v Ecuacin de Rakov-Willet (R-W):2Ecuacin de Rakov- Dulzon (R-D):
I p = 15 0.037 D E v .
I p = ( 27.0 26.5 e
0 , 07 D
) D Ev0 , 928VII JORNADA II TALLER
Modelo de Cooray:
I p = 0.053 ( D E v )
NC - Francia
VII JORNADA II TALLER
NC - USA
VII JORNADA II TALLER
NC - Minas Gerais, Brasil
VII JORNADA II TALLER
R E C M ARed Colombiana de Medicin y Localizacin de Descargas Elctricas Atmosfricas
ISA - U.N EEPPMVII JORNADA II TALLER
Variacin Regional de la actividad de rayos
Julio - Agosto
Abril - Mayo Octubre - Novbre.
Vientos Alisios
Enero - Febrero
VII JORNADA II TALLER
Variacin Regional de la actividad de rayos
VII JORNADA II TALLER
Rosa Cerunica BogotN NW
NE
W10
E
SW30
20
SE SVII JORNADA II TALLER
Rosa Cerunica MedellnN NW NE
W10
E
SW
20 30
SEVII JORNADA II TALLER
Rosa Cerunica CaliN NW NE
W10
E
SW
20 30
SEVII JORNADA II TALLER
Variacin temporal NC Francia
35
Dias Tormntosos Ao
30 28 25 23
31
21 20
15 142 2
10
y = -2,5707x
+ 10197x - 1E+07
R = 0,9778 5
0 1980
0 1981 1982 1983 1984 1985
AoNC Polinomica
VII JORNADA II TALLER
Variacin temporal NC MG (Brasil)90
87
Dias Tormentosos Ao
85
84
85
y = 0,176x
2
- 698,12x + 692240
R 2 = 0,6164
75
80
72 70 68 65 68 66 64 64 63 59 57 55 55 56 54 64 69 67 63
50 1970
60
1972
1974
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
AoNC Polinomica
VII JORNADA II TALLER
Variacin Temporal NC Bogot105 95 90 85 80Das Tormentosos Ao
105 105 94 87 81 73 61 78 78 76
107 99 93 78 92 78 66 53 68 62 57 55 88 81 74
75 70 65 60 55 45 35 25
64
y = -0,1536x + 608,9x - 603482 2 R = 0,5864 29 28 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 2001Ao
2
Nivel Ceruneo
TENDENCIA
VII JORNADA II TALLER
Hora de presentacin de rayos200 180 160 140 Das Tormentosos - Ao 120 100 80 60 40 20 Bogot0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Medelln
Cali
Hora
VII JORNADA II TALLER
Variacin local: Magdalena Medio, Colombia (50N, 750O)3000
2500
Nmero de Rayos
2000
1500
1000
500
0 14 15 16 17 18 10 11 12 13 19 7 8 9 20 21 22 1 2 3 4 5 6 23
Horas
24
VII JORNADA II TALLER
Ecuaciones de DDT en funcin de NCEcuacin Propuesta DDT medido en Bogot 0.053*(NC)1.17 0.04*(NC)1.25 0.15*(NC) 0.1*(NC) 0.14*(NC) 0.17*(NC) 0.0017.NC1.5 Autor DDT, NC=57 ( 1995) 0.6 6 6.3 8.6 5.7 8 9.7 0.93 DDT, NC=68 (1994) 1.2 7.4 7.8 10.2 6.8 9.5 11.6 1.22 DDT, NC=88 (1993) 2.4 10 10.8 13.2 8.8 12.3 15 1.83VII JORNADA II TALLER
Eriksson, Africa Eriksson, IEEE Brown, USA Aiya, India, IEC Anderson Horn, U.S.A Torres, Colombia
Correlacion DDT y NClog( DDT ) = + log( LAT ) + log( NC )
Ecuacin Costalog( DDT ) = 0.79 2.44 log( LAT ) + 1.19 log( NC ) DDT = 2.2 LAT 2.4 NC 2
Ecuacin Montaalog( DDT ) = 9.9 + 0.585 log( LAT ) + 1.97 log( NC ) DDT = 5 10 5 LAT 0.6 NC 2
VII JORNADA II TALLER
Correlacin DDT y NC
DDT = 0.024.NC 1.12 Mxico DDT =0,0030.NC 1,12 Brazil DDT =0,0017.NC1,56 Colombia
VII JORNADA II TALLER
Correlacin DDT y NC
DIFERENCIA ERROR DIFERENCIA ERROR ECUACION PROMEDIO PROMEDIO PROMEDIO PROMEDIO COSTA COSTA MONTAA MONTAA 0.78 41% 0.56 41% COLOMBIA 10.61 1568% 7.14 651% CIGRE/IEEE/IEC 7.26 1065% 4.16 434% ERIKSSON
VII JORNADA II TALLER
Proposal IEC 62305-2NOTE- 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 Mxico 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 Anlisis EspacialPOLARIDADES PROMEDIO CIUDADES 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 89,9 76,9 73,7 68,8 60,0 40,0 23,1 10,1 SAMANA MAGANGUE BOGOTA PTO BERRIO EL BAGRE BQUILLA NECHI 26,3 31,2 29,5 15,8 70,5 84,2
PORCENTAJE [%]
POSITIVOS NEGATIVOS CIUDAD
VII JORNADA II TALLER
Corriente Anlisis TemporalAME 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 25VII JORNADA II TALLER
Variacin Regional: Corriente de rayo1 0 0 ,0 %
8 0 ,0 %
6 0 ,0 % Probabilidad
4 0 ,0 %
2 0 ,0 %
0 ,0 % 1 10 100
C o r r ie n te P ic o d e la D e sc a r g aC IG R E (1 9 7 9 )P A A S , C O L O M B IA (1 9 9 5 )
[k A ]L ee, M A L A Y S IA (1 9 7 9 )
C a c h im b o , B R A Z IL (1 9 9 6 )A n d erso n , R H O D E S IA (1 9 5 4 )
VII JORNADA II TALLER
...hasta el presente la mayora de la informacin disponible sobre las caractersticas y magnitudes de los Rayos estn basadas en estudios llevados a cabo en zonas Semitropicales o Templadas, pero muy pocos en Zonas TropicalesVII JORNADA II TALLER
por razones de confiabilidad, economa y seguridad, es recomendable que la magnitud de los parmetros 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
VII JORNADA II TALLER