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versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.2 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000200013 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°2-2005, págs.: 81-90

ARTÍCULOS VARIOS

Criterio del Líder Anticipado de Conexión para Terminales Aéreas de Intercepción utilizadas en la Protección contra Rayos

Analysis of the Effectiveness of the Anticipated Upward Connecting Leader Criterion for Air Terminals used in Lightning Protection

A. Galván, J.J. Salcido y O.H. de la Torre
Instituto de Investigaciones Eléctricas, Reforma 113,
Colonia Palmira, 62490 Cuernavaca,
Morelos - México (e-mail: agalvan@iie.org.mx)


Resumen

El objetivo de este trabajo fue la determinación de la efectividad del criterio del líder anticipado de conexión para terminales aéreas de intercepción utilizadas en los sistemas de protección contra impacto directo de rayos. La efectividad fue determinada mediante un análisis por computadora del fenómeno físico electrostático generado en la punta de la terminal aérea debido a la cercanía del líder descendente del rayo. Se consideró un lanzamiento anticipado hipotético de la primera sección del líder ascendente de conexión generado en la punta de la terminal aérea. Los resultados mostraron que la efectividad de la terminal aérea de intercepción, cuando se aplica el criterio del líder anticipado de conexión, tiene un aumento importante únicamente para pequeñas cargas eléctricas del rayo. Esto representa una ventaja marginal para aplicaciones en la protección contra rayos.


Abstract

The aim of this work was the determination of the effectiveness of the anticipated upward connecting leader criteria for air terminals used in direct-hit lightning protection systems. A computer program was used to analyze the effectiveness of the electrostatic physical phenomena generated at the tip of the air terminal caused by the closeness of the downward stepped leader. An hypothetical condition of launching a section of an anticipated upward connecting leader was considered. The results showed that the increase in the effectiveness of the air terminal when using the anticipated upward connecting leader is important only for small lightning flash charges. This represents a marginal advantage for lightning protection applications.

Keywords: lightning protection system, air terminals, anticipated leader criterion, streamers


 

INTRODUCCIÓN

El fenómeno de la descarga atmosférica, comúnmente conocido como rayo, se lleva a cabo mediante procesos físicos que inician en un medio caracterizado por el acumulamiento de cargas eléctricas, como son la nube de tormenta, tormentas de arena, erupciones volcánicas, tornados y explosiones nucleares. Por su efecto destructivo, las descargas atmosféricas de mayor interés son las generadas por las nubes de tormenta, particularmente aquellas que conectan la celda cargada de la nube con un objeto sobre tierra (rayo de nube a tierra), transportando carga negativa (Uman, 2001).

El proceso físico que se presenta en un rayo de nube a tierra (Uman, 2001) es el siguiente: (1) generación de descargas preliminares dentro de la nube, (2) salida de estas descargas preliminares fuera de la nube e inicio de una descarga eléctrica de mayor magnitud, (3) formación y avance del líder escalonado descendente hacia tierra o algún objeto sobre tierra, por medio de pasos discretos y discontinuos, (4) contacto final con la tierra o algún objeto sobre tierra.

En su trayectoria a tierra, el líder escalonado descendente genera un incremento en el campo eléctrico alrededor de los objetos sobre tierra, particularmente en todas aquellas partes irregulares o puntiagudas. Cuando el líder escalonado descendente llega a estar lo suficientemente cerca del objeto, la intensidad del campo eléctrico generalmente permite la generación de un líder ascendente a partir del objeto que pudiera conectar con el líder escalonado descendente, como se indica en la figura 1.

 

Fig. 1: Generación de líderes ascendentes de conexión en la aproximación de un líder escalonado descendente negativo.

 

El criterio universalmente aceptado para evitar la incidencia de un rayo de nube a tierra sobre un objeto sobre tierra es interceptar al rayo por medio de terminales aéreas, basado en los trabajos realizados por Benjamín Franklin (Franklin, 1774), como se indica en la figura 2. En esta figura se muestra el proceso simplificado de conexión entre los dos líderes: (a) inicio del líder ascendente de conexión en el tiempo t1, (b) desarrollo del líder ascendente en el tiempo t2 y (c) conexión entre ambos líderes en el tiempo t3, conocido como último paso de la descarga. Una vez realizada la conexión entre los dos líderes, se genera lo que se conoce como rayo de retorno, el cual representa la fase final de neutralización de la carga de la nube, manifestándose como una corriente de gran magnitud y corta duración.

Una hipótesis que se ha manejado en las últimas décadas y que ha generado una gran controversia a nivel mundial es mejorar la efectividad de la operación de la terminal aérea de intercepción, mediante el lanzamiento del líder ascendente de conexión en forma anticipada (Van Brunt et al., 2000), el cual es producido por un incremento artificial en los niveles de ionización en la punta de la terminal aérea de intercepción (Tobias et. al 2001), con el objeto de aumentar la cobertura de protección (Gruet, 2001).

El objetivo de este trabajo fue la determinación de la efectividad del criterio del líder anticipado de conexión, mediante un programa de computadora, analizando el fenómeno físico electrostático generado en la punta de la terminal aérea, cuando se compara con las condiciones naturales presentadas en una terminal aérea convencional.

 

Fig. 2: Conexión entre el líder escalonado descendente y el líder ascendente de conexión de una terminal aérea de intercepción.

 

METODO UTILIZADO

La hipótesis del criterio del líder anticipado de conexión está basado en los tres fenómenos siguientes: (a) generar una intensificación en la ionización en la punta de la terminal aérea mediante un proceso forzado, (b) generar en forma anticipada la primera sección del líder ascendente de conexión mediante dicha intensificación y (c) satisfacer las condiciones de campo eléctrico en la trayectoria de la primera sección del líder anticipado en su trayectoria ascendente hacia el líder escalonado descendente después de salir del área de influencia del campo eléctrico proporcionado por la punta de la terminal aérea, hacia zonas de campo eléctrico más débiles.

En su función de protección, la efectividad de la operación de las terminales aéreas de intercepción depende de los siguientes procesos físicos (Bazelyan y Raizer, 1997), los cuales fueron utilizados en este trabajo para las simulaciones por computadora: (a) generación de micro descargas en la punta de la terminal aérea, debido a la intensificación del campo eléctrico causado por la aproximación del líder escalonado descendente del rayo; condición 1, (b) la transformación de estas micro descargas en un líder ascendente de conexión a partir de la punta de la terminal aérea; condición 2, (c) la propagación del líder ascendente de conexión, determinada por los niveles de campo eléctrico en su trayectoria; condición 3, y (d) la conexión entre los dos líderes; condición 4.

Los procesos físicos indicados sobre la efectividad de la terminal aérea de intercepción no necesariamente se cumplen en el orden indicado. Es posible que la condición 2 se satisfaga antes de la condición 1, lo que indica que tan pronto se genera la micro descarga, ésta se convierte en el líder ascendente de conexión. Por el contrario, el campo eléctrico generado en la punta de la terminal aérea puede ser de tal magnitud que genere la micro descarga, pero puede ser insuficiente mas allá de la punta de la terminal aérea para crear la transición de micro descargas a líder. En este caso, la punta del líder escalonado descendente deberá seguir avanzando hasta que se realice la transición de micro descarga a líder.

Es importante mencionar que la formación de avalanchas de electrones en la punta de la terminal aérea de intercepción debido al efecto de proximidad del líder escalonado descendente necesita un retardo de tiempo cuyo comportamiento es estadístico, y representa un factor importante para la generación de las micro descargas.

La descarga atmosférica es un proceso dinámico. El líder escalonado descendente se propaga hacia tierra mediante una serie de pasos o escalones, con pausas promedio de 50 ms (Uman, 2001). En la formación de cada paso o escalón, existe una distribución temporal del campo eléctrico en la punta de la terminal aérea debido al fenómeno transitorio en la formación del escalón. Cuanto más cerca se encuentre el líder escalonado descendente de la punta de la terminal aérea, más rápido experimentará este fenómeno transitorio del campo eléctrico en su punta, lo que indica que el tiempo total de la pausa o escalón es suficiente para considerar una distribución de campo estable al final de la pausa.

Este proceso físico permite utilizar un modelo electrostático en el análisis propuesto, el cual representa una simplificación del fenómeno real con el propósito de obtener resultados indicativos. El método utilizado para las simulaciones puede considerarse como un líder escalonado descendente que se aproxima a una terminal aérea de intercepción, captado justo en el momento de una pausa. Esta simplificación se considera válida únicamente para la parte electrostática analizada.

 

HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN

Una de las herramientas más utilizadas hoy en día para la investigación son las simulaciones por computadora, las cuales permiten analizar el comportamiento cualitativo y cuantitativo de los procesos físicos de interés.

El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) desarrolló en el año 1986 un programa de cómputo para analizar campos electromagnéticos en dos dimensiones, estáticos y dinámicos,  el cual aplica el método de elemento finito con elementos de primer orden cuya principal aplicación ha sido en el campo del diseño y análisis de máquinas eléctricas rotatorias y de transformadores de potencia e instrumento (De la Torre, 1996).

Este programa, denominado CALIIE_2D, ha sido aplicado con éxito en este trabajo en el análisis del último paso de la descarga atmosférica, considerando las dos condiciones siguientes de conexión: a) utilizando terminales aéreas de intercepción bajo el fenómeno natural y b) utilizando terminales aéreas con el criterio del líder ascendente anticipado. El programa está formado por 5 módulos fundamentales:

Reticali.- se utiliza para la generación gráfica del modelo, en el cual se específica la geometría y se genera la malla de elementos triangulares necesaria para la solución del problema.

Probcali.- aquí se indica la naturaleza eléctrica o magnética del problema, las características de los materiales, las fuentes presentes y las condiciones de las fronteras.

Solvcali.- este módulo aplica la técnica del elemento finito a la solución de ecuaciones diferenciales utilizando elementos triangulares de primer orden. Consta de tres submódulos: Statcali que resuelve problemas de tipo estático modelando la ecuación de Poisson para campos eléctricos o magnéticos; Senocali se utiliza si el problema es de campos en estado estable senoidal;  Tmpocali se utiliza en la solución de problemas dependientes del tiempo.

Curvcali.- si las propiedades de los materiales no son lineales, entonces se especifican mediante este módulo que realiza un ajuste a la curva característica del material.

Postcali.- este módulo permite el despliegue de líneas equipotenciales y mapas de campo. Es posible solicitar información del potencial eléctrico o magnético en cualquier nodo de la malla. Además posee un potente calculador vectorial con el cual se pueden determinar cantidades eléctricas derivadas de las variables básicas como campo eléctrico y potencial magnético.

 

MODELO DE SIMULACIÓN

Una simulación detallada de la descarga atmosférica es prácticamente imposible de realizar debido a la extrema complejidad del fenómeno. Algunos de los factores físicos que hacen difícil la simulación del rayo son: su estructura ramificada, su extensa longitud y su posición relativa a la terminal aérea de intercepción durante su trayectoria descendente.

Lo anterior obliga a utilizar parámetros simplificados para obtener un equilibrio entre precisión,  rapidez y factibilidad, los cuales se indican a continuación:

1. La aproximación del líder escalonado descendente se realiza en forma vertical y en línea con el eje de la terminal aérea de intercepción. Esto significa que no se considera la tortuosidad del rayo

2. Los líderes y la terminal aérea de intercepción se consideran como conductores perfectos.

3. No se consideran ramificaciones del líder escalonado descendente.

4. La ventana de simulación se limita a 5 km de alto por 10 km de ancho.

5. Se ignora el tiempo estadístico de retardo de las avalanchas de electrones en la generación de la micro descarga.

El modelo utilizado en esta investigación se muestra en la figura 3, el cual posee una simetría axial. Los contornos de línea continua indican las fronteras de la región del problema, cuyo potencial es conocido (condición de Dirichlet). En este caso la nube y el líder descendente se encuentran a un potencial pre-establecido y la superficie de tierra en conjunto con la terminal aérea se encuentran  a un potencial de cero Volts. Las líneas discontinuas indican las fronteras del problema donde las líneas equipotenciales incidirán en dirección normal a éstas (condición de Neumann).

La geometría del modelo utilizado está basado en el trabajo realizado por Akyuz y Cooray (2001).

 

Fig. 3: Geometría del modelo utilizado

 

En este modelo la nube se representa mediante una placa horizontal con carga negativa que se encuentra a un potencial predeterminado, y a una altura de 5 km sobre el nivel de tierra, cuya extensión horizontal es de 10 km, lo que permite una distribución uniforme del campo entre la nube y la superficie de tierra

El líder escalonado descendente se representa mediante un conductor perfecto de forma cilíndrica, con un radio de 2 cm y una punta semiesférica de igual radio, su potencial es el mismo que el de la nube y se ubica justo por encima de la terminal aérea de intercepción, coincidiendo sus ejes con el eje y. La altura del líder es medida desde la superficie de tierra hasta la punta semiesférica del líder.

La terminal aérea de intercepción se representa por medio de un cilindro conductor de radio y altura variables para las distintas simulaciones, utilizando 3 formas para la punta del electrodo: esférica, cónica y plana o truncada.

El potencial de la terminal aérea es cero, al igual que toda la superficie de tierra. La permitividad del aire se considera igual a la del vacío. La simetría axial y condiciones frontera permiten que el problema se circunscriba únicamente  a la especificación del potencial en los contornos de la nube, tierra, los líderes y la punta de la terminal aérea.

La condición 1 se satisface cuando el campo eléctrico es capaz de provocar un ritmo elevado de ionización. En este estudio electrostático, esta condición se satisface cuando el campo eléctrico tiene un valor de 3 MV/m o mayor en la punta de la terminal aérea. Este valor es el aceptado para descargas en aire con entrehierros muy grandes, como el que se presenta en una descarga atmosférica (Hutzler et. al, 1978), (Galimberti, 1979), (Eriksson, 1987).

Experimentos de laboratorio (Les Renardieres Group,1977,1981) han demostrado que cuando un grupo de micro descargas positivas logra una longitud de 3 m, dichas micro descargas tienen las condiciones necesarias para transformarse en la primera sección del líder ascendente de conexión. Por otro lado, la condición para que una micro descarga positiva  pueda propagarse y lograr los 3 m de longitud es que el campo eléctrico en dicha longitud sea de 500 kV/m o mayor (Les Renardieres Group,1977,1981), (Rizk, 1989).

Por lo tanto, una vez lograda la condición 1, se investiga el valor del campo eléctrico a una distancia de 3 m a partir de la punta de la terminal aérea para conocer si se satisface la condición 2; si no se satisface, se agrega una nueva sección del líder escalonado descendente, reduciendo la distancia con respecto a la terminal aérea de intercepción y a tierra. La altura del líder escalonado descendente con respecto al nivel de tierra a la cual se satisfacen las condiciones 1 y 2 se referirá en este trabajo como altura crítica. La distancia de rompimiento o último paso de la descarga es la diferencia entre la altura crítica y la altura de la terminal aérea de intercepción.

Se analizó la influencia que tiene la punta de la terminal aérea de intercepción en la distribución del campo eléctrico inducido por la aproximación del líder escalonado descendente. Una forma de evaluar los resultados del programa de computadora desarrollado en el IIE y utilizado para analizar el fenómeno del rayo, y al mismo tiempo confirmar el efecto conocido de la forma de la punta, fue realizar una investigación con tres diferentes geometrías de la punta de la terminal aérea: (a) plana o truncada, (b) cónica o puntiaguda y (c) semiesférica.

Las condiciones de las simulaciones para el efecto de la punta de la terminal aérea de intercepción son las siguientes: se especifica un potencial para la nube y el líder descendente de –15 MV, la altura del líder descendente es de 100 m, la terminal aérea tiene un radio de 1.5 cm y una altura de 10 m. El campo eléctrico medido en la punta debe ser mayor o igual al valor crítico para la ionización del aire (3 MV/m).

El procedimiento utilizado para el análisis de la punta de la terminal aérea con el criterio del líder anticipado de conexión es el siguiente: Se aplica un potencial negativo (–10 a –150 MV) para la nube y el líder descendente. La altura inicial del líder escalonado descendente negativo es de 500 m, a partir del cual se verifica el cumplimiento de la condición 1; si no es satisfecha, se adiciona al líder descendente una nueva sección que lo hace descender entre 20 y 50 m. Una vez satisfecha la condición 1, se verifica el campo eléctrico a una distancia de 3 m en dirección vertical a partir de la punta de la terminal aérea de intercepción; si la condición 2 no es satisfecha, se agrega una nueva sección al líder escalonado descendente y se repite el análisis correspondiente con las nuevas condiciones de campo eléctrico.

El líder anticipado se modeló de la siguiente manera: se considera una terminal aérea de intercepción convencional, de altura y radio variables con punta semiesférica. A partir de la altura del líder escalonado descendente en la cual se satisface la condición 1, se agrega un canal de plasma idealizado de conductividad perfecta, 3 cm de radio y una altura de 3 m, como se muestra en la figura 4. Este canal se agrega en cada paso o escalón del líder escalonado descendente en su trayectoria a tierra.

Este canal idealizado representa la transformación de las micro descargas en un líder ascendente de conexión. Es importante mencionar que este modelo considera que, en cada paso o escalón adicional del líder escalonado descendente, se cumplen las condiciones para la generación del líder ascendente de conexión.

Posteriormente, la punta del canal idealizado se somete a las mismas condiciones 1 y 2  con el fin de evaluar si se satisfacen las condiciones para su propagación; en el momento en que se satisfacen, se considera que el líder ascendente conectará al líder escalonado descendente.

Un elemento adicional en el estudio fue la altura de la terminal aérea, ya que los niveles de campo eléctrico en la punta de la terminal aérea, así como los niveles de campo eléctrico en la vecindad de la punta son diferentes para diferentes alturas.

 

Fig. 4: Modelo de una terminal aérea con un líder ascendente anticipado.

 

RESULTADOS

Influencia de la punta

La figura 5 muestra la distribución de las líneas equipotenciales para las tres formas de punta, en donde puede apreciarse la diferencia que existe en la distribución del campo para las distintas puntas. En general, el campo eléctrico decae rápidamente con la distancia, como se indica en la figura 6. Para una distancia de 100 m entre la punta del líder escalonado descendente y el nivel del suelo, el campo eléctrico en la punta de la terminal aérea con forma cónica es siempre mayor que en las otras dos geometrías.

Sin embargo, la rapidez de decaimiento es mayor con la distancia. A pesar de que el campo eléctrico es menor justo en la punta de la terminal aérea con geometría truncada, su rapidez de decaimiento con la distancia es menor, logrando mantener un mayor campo eléctrico a mayores distancias.

Influencia del radio

El radio de la terminal aérea de intercepción representa un parámetro fundamental para satisfacer las condiciones 1 y 2. La figura 7 muestra la relación entre la altura del líder escalonado descendente (necesaria para satisfacer las condiciones 1 y 2) y el radio de la terminal aérea. El punto de unión entre ambas curvas corresponde al llamado radio crítico de la terminal aérea.

 


(a)


(b)


(c)

Fig. 5: Distribución del campo eléctrico alrededor de la punta de la terminal aérea para una forma (a) truncada, (b) cónica y (c) semiesférica. El radio r es de 1.5 cm.

 

Fig. 6: Magnitud del campo eléctrico con la distancia para las diferentes formas o geometrías de la punta de la terminal aérea. La altura de la terminal aérea es de 10 m. El potencial de la nube es de -15 MV. El radio de la terminal aérea es de 1.5 cm.

 

Puede observarse que para valores menores al radio crítico, la condición 1 se satisface antes que la condición 2.

Por ejemplo, para un radio de 10 cm, se generan las micro descargas en la punta de la terminal cuando el líder descendente se encuentra a una altura de 200 m, pero no tienen las condiciones suficientes para convertirse en un líder ascendente, las cuales se cumplen hasta que la altura del líder escalonado descendente es de 40 m. Esto significa que todas las micro descargas que se lleguen a generar en la punta de la terminal aérea durante el movimiento del líder escalonado descendente desde los 200 hasta los 40 m cesarán antes de poder convertirse en la primera sección del líder ascendente.

Cuando el radio de la terminal aérea es de aproximadamente 37 cm (radio crítico), las condiciones 1 y 2 se satisfacen al mismo tiempo.

 

Fig. 7: Condiciones 1 y 2 en función del radio de la terminal aérea de intercepción. La altura de la terminal aérea es de 10 m. El potencial de la nube es de -50 MV. El arreglo es para una punta semiesférica.

 

Esto significa que las micro descargas se transforman directamente en la primera sección del líder. Para radios mayores a 37 cm, la condición 2 se satisface antes que la condición 1. Esto indica que a una cierta altura del líder descendente, se satisfacen las condiciones de campo eléctrico para lograr la transformación de las micro descargas en el líder ascendente. Sin embargo, el campo eléctrico en la punta de la terminal aérea es insuficiente para generar las micro descargas.

Una evaluación del comportamiento de una terminal aérea con el criterio del líder anticipado, con base en el concepto del radio crítico (Eriksson, 1979, 1987), debe realizarse considerando la probabilidad de generar las condiciones para la transformación de las micro descargas en un líder ascendente para una gran infinidad de configuraciones en la punta de la terminal aérea.

Con el objeto de evitar esta limitación, en este trabajo se considera que la longitud crítica de 3 m para el desarrollo de las micro descargas es independiente de la geometría de la punta de la terminal aérea, como se indica en el trabajo publicado por Les Renardieres Group (1977, 1981)

Condiciones 1 y 2 con la altura

Con el objeto de establecer la altura crítica a la cual se satisfacen las condiciones 1 y 2, se llevó a cabo una serie de simulaciones, aplicando el procedimiento indicado en la sección Modelo de simulación.

La figura 8 muestra los resultados de esta investigación para diferentes potenciales negativos de la nube, para una terminal aérea de intercepción con altura de 10 m y radio de 1.5 cm, con punta en forma semiesférica.

 

Fig. 8: Condiciones 1 y 2 en función de la altura del líder ascendente de conexión.

 

Se observa que la condición 1 se cumple a una altura mucho mayor que la altura necesaria para satisfacer la condición 2. Esto significa que para un potencial específico, la terminal aérea de intercepción inicia la emisión de micro descargas desde su punta mucho antes de que el campo eléctrico ambiental pueda convertirlos en un líder ascendente. Este fenómeno se apoya en el hecho de que cualquier objeto con una cierta geometría en su punta tiene la propiedad de intensificar el campo eléctrico.

Líder anticipado

En el análisis anterior, se consideraron únicamente terminales aéreas de intercepción convencionales, es decir, las condiciones 1 y 2 se satisfacen únicamente debido al acercamiento del líder escalonado descendente, sin ningún forzamiento en la creación de la primera sección del líder ascendente.

Los resultados de este análisis servirán como referencia para evaluar las ventajas en la aplicación del líder anticipado de conexión a partir de la punta de la terminal aérea. La figura 9 muestra los resultados del estudio, considerando la inserción de la primera sección del líder ascendente de conexión.

El parámetro h representa la altura a la cual se cumplen las condiciones 1 y 2 en una terminal aérea convencional, el parámetro Dh es la diferencia calculada entre la altura h y la altura a la cual se cumplen las condiciones 1 y 2 para la sección insertada del líder ascendente de conexión, representada en la figura 9. El porcentaje de ganancia se designa como la relación Dh/h x 100.

Como puede observarse, el porcentaje de ganancia es marginal cuando se consideran elevados potenciales de la nube, y únicamente se considera significativa cuando los potenciales en la nube de tormenta son bajos. Asimismo, el porcentaje de ganancia  llega a ser significativo únicamente cuando se consideran terminales aéreas de intercepción poco elevadas.

 

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Es un hecho probado que la incidencia de un rayo en una terminal aérea de intercepción es el resultado de la unión de dos líderes.

 

Fig. 9: Porcentaje de ganancia (Dh/h x 100) para una terminal aérea con el criterio del líder anticipado.

 

El surgimiento de un líder tiene origen en un grupo de micro descargas que se propaga en el espacio cercano a la punta de la terminal aérea, y que ha logrado un elevado nivel de ionización, suficiente para alcanzar el punto de transición.

La forma de la punta de la terminal aérea de intercepción, tiene la propiedad de intensificar el campo eléctrico en su entorno inmediato, efecto que se acentúa al emplear objetos más puntiagudos. La figura 6 indica que la forma cónica posee la mayor capacidad de magnificación del campo justo en la superficie de la punta, pero el campo eléctrico decae con mayor rapidez al alejarse de la punta. Puede observarse que una distancia de sólo 5 mm es suficiente para que el campo eléctrico magnificado por la punta cónica se reduzca por debajo del valor de campo generado por cualquiera de las otras dos formas de la punta. Por otro lado, el campo eléctrico es muy similar para las tres geometrías en la punta, cuando se evalúa a 5 cm de distancia.

Estos resultados permiten afirmar que la forma de la punta tiene una influencia despreciable en la distribución del campo eléctrico para distancias mayores a los 5 cm, por lo que se justifica la aplicación, en este trabajo de investigación, del concepto de longitud crítica con un valor de 3 m.

Los resultados obtenidos en el análisis del radio crítico de la terminal aérea, indicados en la figura 7 muestran, por un lado, que cualquier incremento artificial en la actividad de ionización en la punta de la terminal aérea no garantiza el desarrollo anticipado del líder ascendente de conexión, cuando el radio de la terminal aérea es menor al radio crítico; por otro lado, cuando el radio es mayor que el radio crítico, la distancia a la cual se satisface la condición 2 (antes que la condición 1) no se ve afectada por un aumento artificial en los niveles de ionización para aumentar las micro descargas. Esto significa que el aumento en los niveles de ionización en la punta de la terminal aérea no representa un factor decisivo para generar anticipadamente un líder ascendente de conexión.

La figura 8 indica que, a una altura determinada, el líder descendente puede iniciar el proceso de ionización en la punta de la terminal aérea (condición 1) mucho antes de satisfacer la condición 2. Por ejemplo, cuando la nube de tormenta se encuentra a un potencial de –40 MV, el líder genera, a una altura de 316 m, la condición 1 en la punta de la terminal aérea y la condición 2 a una altura de 29 m. Esto significa que las micro descargas generadas en la punta de la terminal aérea cesarán, cuando el líder se encuentre en el intervalo de 316 m – 29 m de altura, antes de poder proporcionar las condiciones para generar el líder ascendente de conexión, con la posible ganancia en la distancia de protección ofrecida por la terminal aérea.

Considere que, a pesar de que no se cumple la condición 2, se lanza anticipadamente una sección de 3 m de líder ascendente de conexión, como se muestra en la figura 4. Los resultados mostrados en la figura 9 indican que:

a) El porcentaje de ganancia en la altura crítica aumenta para potenciales pequeños de la nube de tormenta; por el contrario, este porcentaje disminuye para potenciales mayores en la nube de tormenta.

b) El porcentaje de ganancia en la altura crítica disminuye cuando aumenta la altura de la terminal aérea de intercepción; por el contrario, este porcentaje aumenta cuando se disminuye la altura de la terminal aérea de intercepción.

Finalmente se sabe que, de acuerdo a la relación corriente de rayo – altura crítica, los potenciales bajos para la nube de tormenta (de -50 MV a -10 MV), que corresponden a la zona de mayor porcentaje de ganancia indicado en la figura 9, representan  corrientes de rayo menores que 5 kA,  y los potenciales de mayor magnitud (de -50 MV a -150 MV), que corresponden a la zona de menor porcentaje de ganancia indicado en la figura 9, representan corrientes de rayo mayores que 5 kA. Considerando que la media de la corriente de rayo, de acuerdo a su distribución logarítmica de ocurrencia, es de 25 kA, el porcentaje de ganancia obtenido con el líder anticipado no representa un valor sustancial para aumentar la efectividad de la terminal aérea de intercepción, para condiciones de mayor severidad de las tormentas eléctricas.

 

CONCLUSIONES

El objetivo principal de este trabajo fue la evaluación del desempeño de las terminales aéreas de intercepción cuando se aplica la hipótesis del líder anticipado, y los resultados fueron obtenidos mediante el análisis de la parte electrostática del fenómeno. Debido al comportamiento dinámico del rayo, es posible que la parte transitoria del fenómeno represente una parte importante en el desempeño real de este tipo de terminales aéreas.

La forma de la punta no representa un parámetro importante en el comportamiento de la terminal aérea de intercepción, cuando el radio de la terminal es menor al radio crítico, ya que la zona de influencia en la intensificación del campo eléctrico decae rápidamente,  antes de ofrecer una ventaja significativa en el lanzamiento de un líder de conexión que genere un radio de cobertura de protección más amplio.

Es posible concluir, con base en este estudio, que el desempeño de una terminal aérea con la inclusión de un líder anticipado no ofrece una ventaja significativa, cuando se pretende aumentar la cobertura de protección a través de un aumento en la altura crítica, proporcionado por el lanzamiento anticipado del líder ascendente de conexión.

Es importante mencionar que un estudio riguroso debe incluir el movimiento dinámico (velocidad) del líder ascendente, así como el comportamiento estadístico de la ionización en la punta del líder.

 

REFERENCIAS

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