Estudio de las tensiones inducidas por rayos en redes de distribución aéreas ubicadas sobre terrenos no planos

Abstract

Esta tesis se enmarca dentro de la protección de sistemas eléctricos contra los efectos del rayo. Se pretende estudiar el efecto que tienen las montañas en la magnitud y forma de onda de las tensiones inducidas por rayo en redes de distribución. Para esto, primero, se hizo una revisión rigurosa de la literatura en el campo de tensiones inducidas de rayo. Se encontró que la mayoría de los trabajos hechos sobre el tema habían sido realizados para terreno plano. La primera aproximación propuesta para calcular tensiones inducidas por rayo sobre terrenos no planos fue el m\'{e}todo de diferencias finitas (FDTD, por sus siglas en inglés) en 2D en coordenadas cilíndricas. Así, se simularon terrenos cónicos con líneas aéreas paralelas a estos terrenos. El resultado fue un considerable incremento de las tensiones inducidas especialmente cuando la pendiente era mayor y la conductividad del terreno baja. Para considerar configuraciones mías realistas, se programó el método FDTD en 3D. Con este se simularon 3 configuraciones de terreno no plano. Para este caso se usaron dos metodologías: el modelo de línea de transmisión y el modelo de conductor delgado. Con el fin de validar los códigos numéricos desarrollados, se construyó un modelo a escala reducido, basado en la experiencia internacional, pero en este caso cambiando la geometría del terreno, para considerar su influencia. Se encontró para las configuraciones construidas en el modelo a escala reducida un buen ajuste entre mediciones y simulaciones, lo cual valida los códigos numéricos desarrollados. Con el fin de medir tensiones inducidas en redes de distribución sobre montañas, se construyó un dispositivo autónomo de energía con conexión a internet para medir tensiones inducidas por rayo en una línea de distribución cercana a la torre instrumentada de la estación del Morro do Cachimbo de la Universidad Federal de Minas Gerais en Brasil. Finalmente, una línea de distribución real en Colombia fue escogida para analizarse el efecto de las montañas en las tensiones inducidas en estas líneas. Se encontró que las tensiones sobre los relieves más típicamente encontrados en estos circuitos son enormemente afectadas por la pendiente y el perfil de la línea. Las magnitudes de las tensiones inducidas de acuerdo a las simulaciones hechas están entre 3.7 y 5.1 veces los valores típicos encontrados para terreno plano. Se recomienda incluir el efecto del terreno en un estudio analítico como el de Montecarlo desarrollado en el estándar IEEE 1410

Abstract : This thesis is related with the protection of electrical systems against the effect of lightning. The purpose is to analyse the effect of the mountains on the magnitude and wave-shape of lightning induced voltages on distribution networks. First, a revision of the literature in the field of lightning induced voltages is done. It is found that the majority of the works available on literature consider flat ground. The first approximation proposed in this thesis to calculate lightning induced voltages on non-flat terrains is based on the Finite Difference Time domain method (FDTD) in 2D dimensional cylindrical coordinates. For this reason, conic terrains accompanied of overhead lines parallels to this terrains were simulated. The result was a considerable increase of the induced voltage specially when the slope of the terrain is higher and the conductivity smaller. In order to consider more realistic topographies, a 3D-FDTD method was programmed. Three configurations of non-flat terrains were simulated. In this case, two methodologies were employed: transmission line model (TLM) and Full Wave analysis (FWA). With the aim to validate the developed numerical codes, a reduced scale model was constructed, based on the international experience, but in this case changing the geometry of the terrain, in order to consider its influence. It was found for the built configurations in the reduced scale model a good agreement between simulations and measurements, which validates the developed numerical codes. With the aim to measure lightning induced voltages on distribution networks located on mountains, an autonomous of energy and connected to internet device was designed and constructed with the aim to measure lightning induced voltages caused by direct strikes to the instrumented tower at Morro do Cachimbo Station of the Federal University of Minas Gerais - Brazil. Finally, a real distribution circuit in Colombia was chosen to analyse the effect of the mountains on lightning induced voltages on this lines. It was found that the induced voltages on the relief more typically found in those circuits are significantly affected by the slope and the profile of the terrain. The magnitudes of the induced voltages according to the performed simulations were between 3.7 and 5.1 times the typical values found for flat-terrains simulations. A recommendation is made to include the effect of the terrain in an analytical study as the Montecarlo method developed in the IEEE 1410 Standard