Impactos de rayos en estructuras elevadas localizadas en zonas de alta actividad de rayos en Colombia

Abstract

Las descargas eléctricas atmosféricas son un fenómeno de alta frecuencia, que se caracterizan por transportar altas corrientes y pueden ocurrir en cualquier parte del mundo. Según varios estudios, las zonas con mayor densidad de rayos se localización en la región tropical del globo terrestre, debido a varios factores, por ejemplo, una mayor exposición a la radiación solar, topografía, frecuencia de lluvias, etc. Las mediciones que registran estos resultados se han basado principalmente en la medición de campos eléctricos y magnéticos que se derivan de la ocurrencia de rayos, no obstante, la implementación de estas tecnologías tienen un costo elevado de adquisición y mantenimiento. Esta tesis presenta el análisis de un conjunto de registros de rayos ocurridos principalmente en la región de Santander en Colombia, y una discusión acerca de diferentes técnicas para el procesamiento de la información. Para facilitar la comprensión del estudio, inicialmente se presenta la medición e información de las redes de localización y detección de rayos CTLDS y COLMA, usadas en el estudio, ilustrando sus ventajas y desventajas. Estas mediciones permitieron analizar la distribución de 6 millones de strokes en la zona de estudio, así mismo, permitió comparar los parámetros temporales, de comportamiento y error de los equipos de medición. Así mismo, se utilizo una técnica de comparación de 473 registros de strokes CG y 38.702 fuentes de lideres medidos durante una tormenta severa del mes de Noviembre del año 2018 con una duración aproximada de ocho horas. Estas comparaciones permitieron identificar los procesos de propagación del rayo que mide cada técnica de detección y mostraron que la red CTDLs detectó más del 64 % de los flashes COLLMA. Tambien, el 32 % de los flashes detectados por la red COLLMA, posee al menos un cloud-to ground return strokes acompañado por IC return strokes y en el 91 % de los casos la precisión de ubicación es menor a 5 km. Por otra parte, se propone una metodología que utiliza algoritmos computacionales para el agrupamiento de zonas Hotspot, que se caracterizan por tener alta densidad de rayos. La prueba y validación de la metodología se comprueba en el comportamiento de los rayos ocurridos en un periodo de siete años (2012 a 2018) y se evalúa el agrupamiento por mes para aliviar el procesamiento. Finalmente, se presenta la evaluación de impactos de rayos en estructuras elevadas que puedan ser localizadas en la región de estudio.

Atmospheric electrical discharges are a high frequency phenomenon and are characterized by carrying high currents. Lightning strikes frequently occur anywhere in the world. According to several studies, the regions of the terrestrial tropics are areas with a higher density of lightnings, due to several factors, such as: greater exposure to solar radiation, topography, frequency of rains, etc. The previous hypothesis was determined with the measurement of electric and magnetic fields that occur when exist an electrical storm, however, the implementation of these technologies has a high cost of acquisition and maintenance. This thesis presents the analysis of a set of lightning records that occurred mainly in the Santander region in Colombia. Also, this document presents a discussion about different techniques for information processing. To understand the study, initially the measurement and information of the lightning detection and location networks called CTLDS and COLMA are presented. Also, the advantages and disadvantages of measurement networks are named. Thanks to the databases with lightning measurements, it was possible to analyze the distribution of 6 million strokes in the study area, likewise, it was possible to compare the temporal parameters and error of the measurement equipment. During this project, a comparison was made of 473 CG strokes records and 38,702 sources of leaders measured during a severe storm in November 2018. The storm lasted approximately eight hours. The comparisons made it possible to identify the lightning propagation processes measured by each detection technique and showed that the CTDLs network detected more than 64 % of the COLLMA flashes. It was also calculated that 32 % of the flashes detected by the COLLMA network have at least one cloud-to ground return strokes accompanied by IC return strokes and in 91 % of the cases the location precision is less than 5 km . On the other hand, a methodology is proposed that uses computational algorithms for Hotspot clustering. Hotspots are areas with high lightning density. The methodology was verified in the analysis of a database of lightning strikes that occurred in a period of seven years (2012 to 2018). For the analysis, it was necessary to group in records of lightning strikes per month. Finally, the evaluation of lightning strikes on elevated structures is presented. The possibility of lightning impact on structures located in the study region was evaluated.