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El grupo de compatibilidad electromagnética Investigación: preguntas de investigación Grupo de Investigación en COMPATIBILIDAD Electromagnética: ¿Tienes dudas? De Una Investigación Francisco José Román Campos
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Ingeniero electricista. Especialización en Técnica de Alta Tensión y Medidas de Alta Tensión, Universitt Fridericiana de Karlsruhe, Alemania. Magister, en Potencia Eléctrica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.FILOSOFIA Licenciatura Examen y Ph.D. en Electricidad, en especial el estudio de transitorios y descargas, Uppsala Universitet, Suecia. Director del Grupo de Investigación en COMPATIBILIDAD Electromagnética EMC-UNC y Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. fjromá
[email protected]
RESUMEN Este documento resume la Nacional de Ingeniería Colombias Departamentos electromagnética Grupo de Investigación Compatibilidad Eléctrica y Electrónica Universidad (EMC-UNC) las actividades durante los últimos 30 años. El grupo ha participado en el desarrollo de herramientas experimentales durante la década de 1980, como la construcción de un aparato de alta tensión, el desarrollo de trabajos prácticos de alta tensión para los estudiantes y la observación de las descargas eléctricas. Estas herramientas permitieron al grupo pasar una década se centró en la solución de uno de los colombianos sectores eléctricos principales problemas de CEM: distribución fracasos transformadores causados por un rayo. Durante casi una década, esta investigación se centra en la comprensión de las causas de que el índice muy elevado de fracaso en las zonas rurales de Colombia, especialmente en la cuenca del Rionegro. El resultado principal de esta investigación fue la reducción en un orden de magnitud en la distribución del transformador de media tasa de fracaso del 10%. Durante este trabajo de investigación se observó un patrón notable de varios cuerpos metálicos aislados eléctricamente inmersos en un campo eléctrico (es decir,electrodos flotantes ). Esto se llevó a iniciar estudios de electrodos flotantes y formular una nueva pregunta científica, ¿Cómo descargas eléctricas corona interactúan con electrodos flotantes? Esta nueva pregunta de investigación fue tratado durante la
segunda mitad de la década de 1990 y la primera década de los años 2000.Esta investigación se relaciona con el uso de carga electrostática acumulada en un electrodo flotante. Esta pregunta se abrió cuatro áreas de investigación: la física de descarga de gas, la generación de impulsos de corriente rápida, la recolección de energía desde el campo eléctrico y la posibilidad de fuentes de corriente de alta impedancia. En este trabajo se ha resumido la obra más relevante realizado por el grupo EMC-UNC sobre estos temas. Este trabajo de investigación electrodo flotante comenzó formulando cuatro patentes. , La interferencia electromagnética intencional (IEMI) estudios de preguntas de investigación frescos para la década de 2010 se relacionan con la medición de pulsos electromagnéticos rayo (LEMP), la medición de impulsos de picosegundos-de subida de tiempo, el agua de limpieza por descarga en corona y la cosecha, la acumulación y el uso de pequeñas cantidades de energía extraídos de campos eléctricos y electromagnéticos. El futuro del grupo EMC-UNC está estrechamente relacionado con la interacción con otros grupos. Palabras clave : Compatibilidad electromagnética, la tecnología de alto voltaje, rayos, fallas de los transformadores de distribución, LEMP, IEMI, electrodo flotante, el impulso generador de corriente, la física de descarga de gas, descarga de corona, de potencia pulsada, microondas de alta potencia.
RESUMEN This article reanudar Las Actividades desarrolladas por El Grupo de Investigación en COMPATIBILIDAD Electromagnética EMC de la Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Durante los ultimos 30 Jahr. A Principios de Los Años Ochenta, y sin Durante lustro, el Grupo sí concentró en el Desarrollo de Herramientas Experimentales Como la construcción de Aparatos de alta tensión, Prácticas Docentes párrafo Estudiantes y Observacion de las DESCARGAS eléctricas. Con ESTAS Herramientas Pudo enfocarse, Durante Una Década, en La Solución de uno de los Mayores Problemas de compatibilidad electromagnética del sector eléctrico colombiano: las fallas de los Transformadores de Distribución causadas porción los rayos. Por Cerca de diez Jahr this Investigación sí EnFoco en entendre las Causas del extremadamente alto indice de fallas de Transformadores de Distribución en las Zonas rurales colombianas, especialmente en la vertiente del río Negro. El director Resultado of this Investigación FUE La Reduccion, En Un Orden de magnitud en la TASA PROMEDIO de falla de
los Transformadores de Distribución, del 10%. In this in English Trabajo sí observó ONU COMPORTAMIENTO notables de DIVERSOS OBJETOS METALICOS electricamente aislados e inmersos en la ONU campo eléctrico, LOS LLAMADOS Electrodos flotantes. ESE FUE el inicio de los Estudios de Electrodos flotantes y la Formulacion De Una pregunta Científica: ? ¿como interactúan las DESCARGAS eléctricas con los Electrodos flotantes sta nueva pregunta sí enfrentó en El Segundo lustro de los Anos Noventa y La Primera Década del 2000. El Estudio ESTABA Relacionado con el USO de la Carga Acumulada En Un electrodo flotante, y la pregunta abrió cuatro áreas de Investigación: Física De La Descarga es invernadero, Generación de impulsos Rápidos, recolección de la Energía Presente en el campo eléctrico y Posibilidades de las fuentes de alta impedancia. En El Presente Trabajo sí retomar lo mas Relevante Hecho por El Grupo EMC-UN es Dichos frentes. La Investigación De Los Electrodos Flotantes sí INICIO Con La Formulacion de Cuatro Patentes. Las Nuevas Tienes dudas? Párr La Decada del 2010 estan Relacionadas con la medicion de impulsos electromagnéticos producidos porción los rayos (LEMP), Estudios en interferencia intencional (IEMI), Medicion de impulsos de Corriente con Tiempos de Ascenso en el Rango de los pico-Segundos, Limpieza De agua MEDIANTE la Aplicación de ozono Generado Por DESCARGAS eléctricas; ÿ ÿ Recolección, Almacenamiento USO De Las Pequeñas Cantidades de Energía extraídas de los Campos Eléctricos Ÿ electromagnéticos. El Futuro del Grupo de compatibilidad Electromagnética no está fuertemente Relacionado con la Interacción con Otros Grupos de Investigación. Palabras clave: COMPATIBILIDAD electromagnética, Tecnología de Alta Tensión, DESCARGAS Eléctricas atmosféricas, fallas de Transformadores de Distribución causadas porción los rayos, LEMP, IEMI, Electrodos flotantes, Generadores de impulsos de Corriente, Física De La Descarga es invernadero, DESCARGAS pisos corona, Generación de ozono, Potencia pulsante, microondas de alta Potencia.
Recibido: 16 de junio de 2010 Aceptado: 16 de julio de 2010 Introducción Las principales actividades realizadas durante tres décadas de investigación se pueden describir de la siguiente manera. El grupo ha participado en el desarrollo de herramientas experimentales para la observación de fenómenos de alta tensión durante la primera parte de la década de 1980. Después de esta etapa inicial de observación, una
década se dedica a la aplicación de las nuevas herramientas para desarrollados en la comprensión y la resolución de un problema específico de EMC de Colombia: fallas de los transformadores de distribución causados por un rayo. La pregunta de investigación para la solución de este tema era, ¿Cómo puede la distribución en Colombia transformadores extremadamente alto índice de fracaso, se entiende ? Esta pregunta se relaciona con la actividad eléctrica en Colombia, las normas de protección contra rayos están utilizando y la protección de dispositivos (un problema de EMC). Una década se dedicó a la investigación, se centró en la comprensión de las causas del índice extremadamente alto las fallas en las zonas rurales de Colombia, especialmente en la cuenca del Rionegro en Cundinamarca (zona central Colombias). Esta cuestión se resolvió con trabajos experimentales y teóricos. El trabajo experimental se dirige hacia la medición de pulsos electromagnéticos rayo (LEMP), mientras que el trabajo teórico se ha centrado en la obtención de modelos numéricos de ambos dispositivos de protección y la interacción LEMP con líneas de transmisión. La reducción de tasa de error en la distribución del transformador al 1% fue el resultado principal de esta investigación (Mejía et al ., 1985). Los resultados de este trabajo fueron reconocidos por COLCIENCIAS como una de las investigaciones más exitosa que funciona con una aplicación práctica (Colciencias, 2006). El grupo ha participado en estudios de electrodos flotantes y su aplicación en varios equipos originales durante la tercera década de investigación (la primera década de los años 2000). Este trabajo se centra principalmente en el desarrollo de diferentes dispositivos basados en las propiedades de los electrodos flotantes, tales como generadores de impulso de corriente, dispositivos de medición de campo eléctrico y fuentes de corriente de alta impedancia. Además, un método fue propuesto para la extracción de energía del campo eléctrico. Este trabajo de investigación ha producido cuatro patentes (Román, 2004, 1999c, 1999b, 1999a, 2001c). Por último, la generación de ozono sobre la base de descargas de corona y radiantes pulsos electromagnéticos generados por los generadores de corriente de impulso para construidas eran el principal foco de la investigación durante la última parte de esta década. Nuevos preguntas de investigación para las década de 2010 están relacionados con la medición y la protección contra los impulsos electromagnéticos, interferencias de compatibilidad electromagnética intencional (IEMI) estudios, la comprensión y la reconstrucción de conducidas y radiadas corriente de impulso en el rango de picosegundos, la recolección y el uso de pequeñas cantidades de energía
de campo eléctrico y la aplicación de ozono en limpieza de agua usando capas dobles dieléctricas. Herramientas de desarrollo para la observación de fenómenos de alta tensión La pregunta de investigación que surgió a principios de este investtigation estaba relacionada con nuestra propia posibilidad de construir dispositivos HV-. La primera actividad realizada por el grupo EMC-UN durante la década de 1980 fue dirigida hacia la resolución de esta cuestión que fue resuelta positivamente por varias piezas de los estudiantes de posgrado de trabajo. Los diferentes componentes de alto voltaje y equipos, tales como los mencionados en las publicaciones, se construyeron como parte de los estudiantes tesis de graduación (Amórteguiet al , 1984;. Melo et al,. 1984; Román et al,. 1985a, 1985b, 1988a, 1988b; Amórtegui y Cano, 1986; Díaz et al,.1987; Luna et al,. 1987; Bohórquez y Zambrano, 1987; Godoy y Tique, 1987; Sánchez et al,. 1987; Román y Cuartas, 1988; Bulla et al,. 1988, Díaz y Pinzón, 1988; Cuartas, 1989, Becerra y García, 1989; Román, 1995b y 1989). Ejemplos serían tensión de impulso (Melo et al,. 1984; Román et al. 1985b; Díaz . et al, 1987), generadores de corriente (Amórtegui et al , 1984;. Román . et al, 1985a), dispositivos de medición (Díaz et al,. 1987; Luna et al,. 1987; Bohórquez y Zambrano, 1987; Godoy y Tique, 1987; Sánchez et al,. 1987; Román . et al, 1988a y 1988b; Cuartas, 1989, Becerra y García, 1989 ; Patiño et al,. 1989; Monsalve y Muñoz, 1989), los contadores de rayos (Román y Cuartas, 1988; Cuartas, 1989), células de prueba para ambas polarizaciones observaciones de descarga corona (Bulla et al , 1988), HV-(resistencias. Díaz y Pinzón, 1988) y los condensadores (Amórtegui y Cano, 1986). Este esfuerzo fue dirigido a reforzar los HV-prueba y la práctica habilidades de los estudiantes en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Estudios realizados desde 1982 (Dams et al,. 1982; Román, 1982b, 1983, 1984, 1986, 1988a, 1995a; Abondano . et al, 1984; Román et al,. 1984, 1988c y 1988d; Solano y Suaza, 1986; Acosta et al , 1986;. Solano et al,. 1988; Torres et al,. 1987; Linares y Pava, 1987; Mosalve y Muñoz, 1989; Fajardo y Forero, 1990) se dirige hacia el desarrollo de un HV-laboratorio. La creación de un laboratorio de alta tensión de enseñanza fue propuesto en una publicación escrita en español, titulado Consideraciones sobre el diseño, el funcionamiento y la seguridad en un laboratorio de enseñanza HV (Román, 1989). Este trabajo terminó desarrollando una HV-laboratorio para el sector colombiano, con el apoyo de ISA y revisado por el CESI, Italia (Interconexión Eléctrica SA, 1988).
También fue necesario el desarrollo de herramientas numéricas para responder a la pregunta de investigación antes mencionado. Los primeros intentos realizados por el grupo EMC-UN en el modelado de fenómenos eléctricos y circuitos y componentes eléctricos se informaron en el trabajo del estudiante y tesis de grado (Román, 1982a, 1982c; Fajardo et al,. 1983; Castañeda et al,. 1984; Angarita, 1988; Monsalve y Muñoz, 1989). Diferencia finita y los programas de ordenador de elementos finitos se usaron en estos cálculos. Aplicaciones del programa ATP en los estudios de alta tensión fueron investigados por el grupo en las siguientes publicaciones: Rincón . et al (1999), Arias y Bernal (1999), Muñoz y Velázquez (1999) y Román (1997c). Un libro titulado, dispositivo de protección de modelado con ATP ( Román, 1997c) fue publicado en español en 2008. Observación de las descargas eléctricas fue un primer paso en la comprensión de la física de descarga de gas y descargas eléctricas. La tecnología HV permite la observación de las diferencias entre las descargas de gases de positivos, negativos o de CA. Figura 1 muestra algunos ejemplos de registros fotográficos de descargas de corona realizadas en Fajardo y Forero (1990). Figura 1 muestra una) una descarga corona positiva, 1 b) una corona negativa de descarga y 1 c) una descarga de corona de CA. Estos ejemplos de las llamadas descargas de corona o descargas parciales externos eran el primer enfoque hacia la comprensión de la teoría de electrodos flotantes y sus aplicaciones industriales.
Otro tema en el que el grupo EMC-UNC participó fue relacionada a la contaminación causada por los campos eléctricos y magnéticos de baja frecuencia. Ejemplos de este trabajo se dan en la Jaimez et al. (1987), Román et al . (1987), Méndez y Román (1996), Rincón et al. (1999, 2001), Ramos et al. (2005) y Ramos (2006). El proceso para el desarrollo de un detector de campo eléctrico para la protección humana se menciona en Ramos (2006) y Ramos et al. (2005). Este dispositivo fue construido por el grupo EMC-UNC para la Compañía de Electricidad de Cundinamarca (Empresa de Energía de Cundinamarca SAESP). Una interesante relación entre los campos magnéticos de baja frecuencia y alteraciones electrocardiográficas en sujetos expuestos a este tipo de campos durante varios años en las subestaciones eléctricas se menciona en Méndez et al. (1996). Además, los accidentes causados por la iluminación de alta fue otro de los temas de interés para el grupo, visto desde la perspectiva de EMC de la interacción entre las corrientes eléctricas y las víctimas, como se menciona en Román y Ltberg (2000),
Román et al. (2005), Santamaría et al . (2006c y 2008). Figura 2muestra los principales resultados de una investigación para la comprensión de la interacción entre la descarga de un rayo y la víctima. Figura 2 muestra los zapatos de fútbol destruidos por el impacto de un rayo directo en la víctima (a), mientras que los rastros dejados por la corriente de rayo en el suelo y en las botas de fútbol se muestran (b). Números 1-3 en la figura 2 b) muestra cómo la trayectoria de la corriente se convirtió divide en varios caminos. El pasto quemado alrededor de los zapatos probablemente fue causada por descargas de corona impulsivas. Figura 2 c) es una fotografía tomada durante un experimento de laboratorio en un 16 kA como relámpagos actual se inyectó a una bota de líder. Varios chispas se pueden ver en esta fotografía, lo que indica que la corriente aplicada puede seguir varios caminos en su camino hacia el suelo. El modelo de cuerpo humano utilizado en los cálculos numéricos para entender el accidente rayo se presenta en la Figura 2 d). Esta investigación EMC en un accidente de un rayo dirigido a demostrar que la corriente del rayo golpeando un cuerpo a tierra puede dividirse en varios circuitos de corriente individuales. Desde el punto de vista de EMC, este resultado puede ser entendido como un acoplamiento resistivo entre la corriente del rayo y la víctima, causada por los zapatos de las víctimas resistencia de puesta a tierra. Explicaciones de este efecto de acoplamiento resistivo se dan en los documentos (Sánchez y Román, 2000; Díaz y Román (2005b), Santamaria et al,. 2005b, 2006a; Arévaloet al ., 2006). Fallas de los transformadores de distribución El número de fallas de los transformadores de distribución en la mayoría de los países es muy baja durante casi tres décadas (desde 1960 hasta la década de 1990) en comparación con las mismas cifras para Colombia. Las primeras estadísticas de fallas de transformadores de distribución en Colombia se presentaron a la comunidad internacional por Román (1990). En comparación con las estadísticas presentadas por Mundim y Zubludowaki (1990), las cifras en Colombia son extremadamente altos, el índice de falla en el transformador de distribución fue mayor del 51% en algunas zonas de Colombia en 1990 (zona occidental de Cundinamarca), 43% (Cundinamarca, Pacho ), 16% (Santander, Barbosa). Estas cifras fueron inferiores a 0,8% en los EE.UU., 1974 (REA, 1961). Esta situación crítica se estudió inicialmente por el grupo CEM-UNC en Torres et al. (1987), Román et al. (1988c), Román y Cuartas (1988), Patiño et al. (1989), Jiménez et al. (1992 ), Catañeda y Lemus (1991) y Castañeda y Villamil (1992).
Una pregunta de investigación fue propuesto para explicar el gran número de fallas de los transformadores de distribución. La hipótesis fue llamado la teoría inductivo-bucles (Román, 1990, 1991a, 1991b, 1991c, 1991d; Fajardo y Forero, 1990). El gran número de fallos de distribución podría haber sido explicado por las largas distancias que quedan entre descargadores de iluminación y transformadores. Debido a un efecto inductivo, una gran corriente de rayo derivado podría producir una caída de gran tensión en los cables de conexión de pararrayos y transformadores. Especificaciones de montaje de transformadores de distribución en Colombia se basan en reglamentos extranjeros:. EE.UU. Administración de Electrificación Rural (REA) regulaciones (1961) Figura 3 . muestra un ejemplo típico de la aplicación de la norma citada REA Figura 3 a) muestra la gran distancia que queda entre el pararrayos ( indicado por las flechas) y el transformador de distribución. El bucle formado por los largos conductores entre descargador y el transformador se llama un bucle inductivo . Estos bucles magnéticos son responsables de la generación de sobretensiones en los bobinados del transformador, por encima de su nivel básico de aislamiento (BIL). La solución a este problema fue sólo para instalar los pararrayos cerca del transformador casquillos, como se indica en la figura 3 b). La normativa REA (1961) menciona que la distribución de transformadores protegidos por pararrayos falla menos de 0,51% de las veces cada año, en función del número de días de tormenta y la intensidad de tormenta. Este no fue el caso de Colombia, un país con más de 110 días de tormenta por año en algunas zonas como la cuenca del Rionegro.
Grupos EMC-UNC funcionan como objetivo resolver el problema de transformador de distribución inicialmente fue reportado por Román (1993b) para la Compañía de Electricidad de Bogotá2 . Las conclusiones finales se presentaron en los informes finales de COLCIENCIAS por Mejía y Román (2002a, 2002b). Era necesario medir las corrientes eléctricas a prueba la teoría de la bobina de inducción. Tensión inducida V L en los bucles de inducción se puede calcular utilizando la ecuación (1):
Dónde:
Lis la inductancia de los bucles inductivos. Un valor típico de Lis 4 al 6 μH. di / dt es la derivada de corrientes de rayo. La di / dt valor rayo debe ser tomado de la literatura conocida o determinada por mediciones en una línea de transmisión experimental. Este fue el origen de tres proyectos financiados por Colciencias y la Universidad Nacional de Colombia (Mejía, Román y Román 1993, 2002a, 2002b). Dispositivos de medición Lightning tuvo que ser desarrollado para este trabajo: contadores relámpago (Román y Cuartas, 1988; Cuartas, 1989), detectores de amplitud de corriente de rayo (Luna et al , 1987.) y dispositivos de medición di / dt (Roncery y Cortés, 1991 ). Un contador relámpago CGR3 desarrollado por Mackerras y Darveniza (1986) también se utilizó en este proyecto. Las actividades que se realizan en la línea experimental y las estadísticas para medir la corriente del rayo se presentaron en los documentos (Román, 1992a, 1992b, 1993; Román y Mejía, 1992; Castro y Bello, 1992; Gonzálezet al,. 1992; Páez y Román, 1997 ; Román et al,. 1998c). Las principales conclusiones de este cuerpo de investigación se resumen a continuación: 1 - teoría de bucles inductivos podría explicar varios modos de fallas de los transformadores de distribución, tales como cortocircuitos en tres vueltas; 2 - Como se deriva de la teoría de los bucles inductivos, las normas para la instalación de transformadores de distribución utilizados en Colombia e inspirado por las normas REA no eran factibles para Colombia debido a las grandes bucles de inducción; 3 - Las mediciones realizadas en la línea de distribución experimentales mostraron que inducen sobre-tensiones podrían operar descargadores de transformadores de distribución. Actividad de tormentas frecuentes y violentos en Colombia podría explicar la vida reducida de pararrayos en esta región principalmente rural; 4 - Por su ubicación geográfica, Colombia podría ser clasificado como un país de truenos de tormenta; 5 - Varios productos surgieron de esta investigación. Algunos de ellos estaban relacionados con estudios sobre pararrayos (Lizarazo y Vega, 1991; Páez y Román, 1997; Román et al,. 1998c, 2001c, 2003a, 2003b, 2003c, 2003d, 2007; Román 1998a, 2000a, 2001b; Ramírez et al , 1998, 1999;. Muñoz et al. , 1999; Arias et al,. 1999; Arias y Bernal,
1999; Arias y Román, 2001a, 2001b; Ortiz y Román, 2001, 2003a, 2003b; Alarcón et al. , 2001, 2002, Román y Arias, 2001; Acero y Muñoz, 2003, 2004, Becerra et al. 2003a, 2003b, 2003c; Acero et al,. 2004, 2006; Montaño et al,. 2004; Díaz y Román, 2005a, 2005b, 2006, 2007; Ortíz et al , 2006;. Alarcón y Román, 2007; Ortíz, 2005c; Arévalo, 2005; Mejía y Román, 2002b). El libro por Arias et al ., (2008) resume varios resultados obtenidos durante este período.
Electrodos flotantes
Se observó un patrón notable en varios cuerpos metálicos aislados durante la campaña para la resolución de fallas de los transformadores de distribución. Una casa con un techo de metal aislado fue golpeado por un rayo, matando a una niña pequeña, varias piezas de metal aisladas, como las tapas aisladas de varios transformadores de distribución Conmutadores participaron en las descargas eléctricas del rayo relacionados y un accidente que implica un rayo un soldado armado dejado sin contestar varias preguntas acerca de la interacción de los electrodos flotantes y descargas eléctricas. Las preguntas científicas formuladas a partir de esta era: ¿Cómo es la interacción entre la descarga eléctrica corona y cuerpos metálicos aislados eléctricamente inmerso en un campo eléctrico ?¿Puede un cuerpo metálico atraer una descarga eléctrica ? Estas preguntas llevaron a la investigación de cuerpos metálicos aislados o electrodos flotantes. Un electrodo flotante es un cuerpo metálico eléctricamente aislado inmerso en un campo eléctrico. Figura 4muestran ejemplos de electrodos flotantes. El electrodo esférico se muestra en las Figuras 4 a) y b) tiene su concentración de campo eléctrico en el lado superior e inferior del electrodo flotante. Sin embargo, las cifras 4 c) y d) muestran la concentración del campo eléctrico cuando el electrodo esférico tiene una protuberancia. Aumento del campo eléctrico en la protuberancia crea una fuente de corriente de corona en una región llamada región de brecha primaria (véase la Figura 4 c). Corrientes iónicas de corona de carga del electrodo flotante esférica, aumentando de este modo el campo eléctrico en el espacio secundario región muestran en la Figura 4 c). Una descarga se produce cuando el campo eléctrico en la región brecha secundaria sobrepasa su campo eléctrico avería. Esto forma un interruptor de electrodo flotante.
Una carga electrostática acumulada en un electrodo flotante podría tener aplicaciones prácticas. Esta simple idea llevó a trabajar en las
siguientes cuatro áreas de investigación (Román, 1997c): . física de descarga de gas y las descargas de corona, la generación de impulsos de corriente rápida, el desarrollo de una fuente de corriente de alta impedancia y la recolección de energía de un campo eléctrico Este trabajo resultó en el desarrollo de cuatro dispositivos patentados: un generador de corriente de impulso (Román, 1999b), un dispositivo de medición de campo eléctrico (Román, 1999a; Román et al,. 1997a), una fuente de corriente de alta impedancia (Román, 2001c) y un método para la extracción de energía a partir de un campo eléctrico (Román, 1999c). El trabajo intensivo se inició en la segunda mitad del decenio de 1990 y la primera década de la década de 2000 para resolver cuestiones científicas relacionadas con electrodos flotantes. Las características de los cuerpos metálicos aislados en campos eléctricos muy intensos fueron estudiados en Román et al. (1994, 1995, 1996a, 1996b, 1998b), Román y Scuka (1995), Valencia y Velázquez (1998), Román, (1995b) y Valencia (2009). La física de descarga de gas y las descargas de corona Como se mencionó anteriormente, los estudios de física de descarga de gas se iniciaron mediante la simple observación de los fenómenos eléctricos (Solano y Suaza, 1986, 1988, Román et al , 1988d;. Bulla et al,. 1988; Torres y Zamudio, 1989; Fajardo y Forero, 1990 , Román, 2001a). Posteriormente, se estudió la teoría física de descarga de gas y métodos numéricos para su cálculo (Román, 1982a, 1982b, 1988a; Fajardo et al,. 1983; Castañeda . et al, 1984; Amortegui et al,. 1988; Castillo et al,. 1990; Monsalve y Muñoz, 1989; verbal, 1989; Román y Castillo, 1990; Díaz, 1991; Román et al,. 1994, 1995, 1996a, 1998b, 1999a; Román y Scuka, 1995; Gomeset al,. 1999; Bogoya . et al, 1999a y 1999b; Arévalo et al. 2003a). Este trabajo inicial en la física de descarga de gas conducido a la formulación de una posible forma de calcular la tensión de ruptura en las brechas de largo en el denominado método de estrés sola (SSM) (Román et al,. 1997b, 1998a, 1999b, 2001a, 2001b; Román, 1995b , 1997c, 1998b, 2000b; Becerra et al,. 1998, 1999a, 1999b; Gomes et al,. 1999; Sánchez y Vargas, 1999; Sánchez et al,. 2000;. Becerra y Román, 2002b) Figura 5 muestra cómo este método puede ser aplicado a la investigación de la tensión de ruptura de dos columnas aislantes de vidrio utilizando SSM (Becerra y Román, 2002a). En, Becerra y Román (2003b) demostraron que este método no era viable para la obtención de 50% voltaje de ruptura probabilidad.
Un nuevo cálculo numérico fue iniciado por Becerra en diferentes obras (Becerra y Román, 2002a, 2003a; Moreno . et al, 2003). Cálculos numéricos Corona fueron realizadas por Arévalo en Díaz y Arévalo (2002), Arévalo et al.(2003b, 2003c, 2004, 2005a, 2005b, 2005c, 2005d, 2005e, 2005f, 2006, 2008), Gómez et al. (2005) , Díaz et al.(2007), Román y Arévalo (2007), Román et al . (2008b) y Arévalo (2005) a raíz de estos estudios. Otros esfuerzos se dirigieron hacia la obtención de geometrías canónicas constantes de corrección de voltaje de ruptura en las condiciones atmosféricas correspondientes a Bogotá, Colombia (Bejarano y Romero, 2002; Romero et al,. 2003; Bejarano et al,. 2010; López y Gómez, 2003) . Trabajo experimental Corona fue dirigida hacia la comprensión del comportamiento de las fuentes de corona en los campos eléctricos de alta tensión (Osorio y Rosero, 2003; Rojas et al,. 2005; Forero et al,. 2005; Mora et al , 2007;. Alarcón et al ., 2009, Alarcón, 2010). Este trabajo ha sido dirigido hacia la captura y la acumulación de la energía obtenida a partir del campo eléctrico en las baterías (Rojas, 2010).
Además, la resistencia del canal chispa se investigó inicialmente en el grupo de EMC-UNC en (Rodríguez et al,.1998; Rodríguez y Ospina, 1998). Más tarde, esta obra fue dirigida hacia los interruptores de descarga de gas modelo (Díaz et al,. 2008; Santamaría, 2010). Estructuras de protección contra rayos Uno de los temas de interés en la investigación de falla en el transformador de distribución preocupa cómo caracterizar el entorno electromagnético en la cuenca de Rionegro. Los documentos antes
mencionados, así como las que se mencionan en Román (1988f, 1990, 1991b, 1991d, 1992a), Patarrollo et al . (1988), Torres et al. (1989), Román y Mejía (1992), Castro y Bello (1992), Gonzales et al . (1992), Díaz (1992), Román y Arias (2001), Becerraet al . (2003a) y Mejía y Román (2002a), se orientaron hacia la instrumentación de una línea de transmisión experimental para el estudio de los rayos y la comprensión de la interacción entre el rayo y la falla en el transformador de distribución. Sin embargo, se llevaron a cabo otras actividades para la comprensión de la física de los rayos. Una campaña de medición eléctrica se llevó a cabo en 2005 (Santamaría et al. 2005a), los dispositivos de campo eléctrico se desarrollaron durante esta campaña (Santamaría et al. 2006b). Más tarde, las formas de onda medidas tienen relación con las firmas eléctricas en Sri Lanka (Santamaría et al., 2006b) y Suecia (Santamaría, 2006). Las aplicaciones de esta investigación orientados por Becerra (2007 y 2008) se realizaron en Miranda (2006), Becerra et al. (2006, 2008a y 2008b). Un ejemplo de un cálculo numérico para un canal del rayo utilizando el software desarrollado por Becerra (2008a, 2008b) se presenta en la Figura 6 .
Un nuevo trabajo en este campo corresponde a la reducción de ruido de señales de campo eléctrico del relámpago utilizando wavelets (Santamaría et al., 2009). Impulse generadores de corriente A partir de las ideas originales de generadores de corriente propuestos en Romanos patente (1999b) y en Román (1997c), los nuevos generadores fueron desarrollados como en Muñoz et al. (1999) y Muñoz y Velázquez (1999) para aumentar la amplitud de impulsos generadores de corriente ( Díaz y Román, 2005a, 2005b, 2006;. Díaz, 2005)Figura 7 a) muestran el original 6 A, 3 ns aumento en el tiempo de impulso de corriente generado por un electrodo de impulso generador de corriente flotante similar a la mostrada en la figura 4 d) ( imagen tomada de Román, 1997c). Figura 7 b) muestra un 1200 A, 5 ns Tiempo de subida impulso de corriente producida por el generador de Román (RG) menciona en Román et al. (2003b, 2003c) y Montaño et al. (2004)
. Figura 7 c) muestra una señal de 3,2 kA producida por la versión RG construido por Diaz y se muestra en la figura 7 d) (Díaz, 2005; Forero et al,.2005; Díaz y Román, 2005b, 2006, 2007; Díaz et al., 2008.
Las figuras 8 a) y b) muestran los experimentos realizados por Vega (2010) y Mora (2009) en un detector de gas con aislamiento para obtener un modelo eléctrico de la RG (Mora et al,. 2008; Vega . et al, 2009b). Vega et al.(2009b) y Mora (2009) predijeron que la frecuencia de repetición de impulso RG en su trabajo de tesis mediante el desarrollo de un modelo electromagnética de la fuente en corona (llamado un tubo de corona por este último).
Investigación por Santamaría (2010) tuvo como objetivo comprender el comportamiento dinámico de las descargas eléctricas en micro-espacios se centra en el canal de arco comprensión impedancia dinámica. Tal patrón de canal de descarga se estudió como una función de la distancia entre los electrodos y los dos tipo de gas y la presión. El montaje experimental se muestra en las figuras 9 a), b) y d) se construyó para llevar a cabo esta investigación.Figura 9 a) muestra el generador de corriente coaxial, mientras que b) muestra detalles de la D-punto de conexión de medición de la sonda. Figura 9 c) muestra algunos detalles de la construcción, mientras que d) muestra el circuito equivalente. La
caída de tensión en el interruptor y la corriente en el circuito se midieron para obtener los canales de arco impedancia dinámica. Voltaje de este modo se obtuvo a partir de mediciones de campo eléctrico antes y después de que el interruptor. Un ejemplo de las señales de corriente y tensión de medida se da en las Figuras 10 a) y b). Observe que el tiempo de subida de corriente fue de menos de 1 ns en la Figura 10 a. Figura 10b) muestra la dependencia de tiempo de subida de la presión de gas.
La generación de ozono de descargas de corona Descargas de corona se han utilizado para la generación de ozono. El objetivo de una investigación patrocinada por COLCIENCIAS (Román . et al, 2006) fue optimizar la generación de ozono mediante la producción de las descargas eléctricas en las barreras dieléctricas (Mora, 2010, Rojas, 2010). Figura 11 muestra aspectos de la instalación experimental para la generación de ozono mediante un reactor de barrera dieléctrica doble. Descargas eléctricas Corona se investigaron en una configuración coaxial que tiene diferentes longitudes de cable. Figura 12 muestra una buena correlación entre la corona de corriente y la concentración de ozono. Mora (2010) ha centrado su trabajo en la investigación de la correlación entre la forma actual de la corona y de la concentración de ozono.Estos resultados son de importancia para futuras investigaciones sobre la generación de ozono para el agua de limpieza.
La energía del campo eléctrico
La idea principal en esta investigación fue aplicar descargas de corona a la obtención de la energía del campo eléctrico. A. Rojas y Sánchez (2004) y Rojas (2005) y Mora et al ., (2007) han estudiado el proceso de carga simultánea de 50 pilas recargables AA con una fuente de corona en una configuración llamada fuente de corriente de alta impedancia (la ética en español) (Rojas y Sánchez, 2004; Rojas . et al, 2005 y 2007). Las figuras 12 a) yb) tomadas de Rojas (2004) muestran, respectivamente, el experimental creado para la activación de la fuente de corriente corona y las baterías cargadas (Rojas y Sánchez, 2004). Este trabajo llegó a la conclusión de que esta fuente puede cargar todas las baterías conectadas en serie con la misma cantidad de carga. Esta conclusión es importante para la extrapolación de este resultado a fuentes de campos eléctricos naturales. La Figura 14 muestra una comparación de corriente de corona producida por dos tipos de electrodos de corona.Estos electrodos se pueden usar como una aplicación del experimento se ha explicado anteriormente para la carga de baterías por el campo eléctrico. Ariza et al. (2010) comparó un modelo de electrodo cactus-como a un electrodo de una sola aguja. Se concluyó que ambos tuvieron un comportamiento similar en condiciones de viento similares. Sin embargo, la ventaja de utilizar la primera es su simplicidad de construcción, como puede verse en Ariza et al. (2010). Radiación de energía electromagnética Como se mencionó anteriormente, el Grupo de EMC-UNC ha participado en la generación de impulsos rápidos de corriente y tensión. Los límites alcanzados por el grupo son en términos de amplitud (varios kA) y en términos de aumento de tiempo de los límites actuales es de alrededor de 500 ps. Es bien sabido que los dispositivos en la práctica CEM deben soportar diferentes amplitudes de los campos electromagnéticos radiados. Este fue el origen de una nueva pregunta de investigación y un reto para el grupo EMC-UNC: ¿Podrían ser radiadas los impulsos de corriente generados ? ¿Hay formas eficientes de juego antenas ultraancha (UWA) para el generador, de tal manera que electromagnético generador la energía puede ser irradiada de manera eficiente ? > Varias actividades de investigación se han iniciado para resolver estas cuestiones. Vega (2010) centró su trabajo en el diseño de un sistema de banda ancha de ultra alta potencia con un impulso generador de corriente rápida.Los primeros resultados fueron presentados en URSI 2008 (Vega et al ., 2008) en el diseño de un radiador de energía electromagnética de alta mesoband utilizando un oscilador conmutado y
un generador de corriente corona.Vega et al. (2009a) tiene diseño y simulación de una lente electromagnética por medio de un impulso de radiación de antena para que coincida con la antena para el generador. Además, un UWB antena alimentado por una fuente de corona se puso a prueba como una fuente de interferencia. Figura 15 a) muestra un generador de impulso de banda ancha irradia con mecanismo de carga de corona utilizada para irradiar el impulso de corriente se muestra en la Figura 15 b). Tenga en cuenta que el tiempo de subida de medición eléctrica de campo a 20 m fue de 1,6 ns, mientras que la amplitud fue de 110 V / m (Becerra et al., 2008a.
Sin embargo, Vega (2010) pronto publicará la versión final del sistema se ha desarrollado para irradiar impulsos electromagnéticos que utilizan línea de formación de pulsos (PFL) basados en los tipos de generadores. Ha sido necesario desarrollar una EMC-laboratorio para realizar los estudios de EMC mencionados aquí. Figura 16muestra algunos aspectos de la EMC-lab construidas con el apoyo de las siguientes empresas: Codensa, ECOPETROL, EEB, Emgesa, EPM, ISA, ISAGEN y de la Universidad Nacional de Colombia. Las habitaciones blindadas representan la principal instalación experimental en este laboratorio donde las mediciones se pueden tomar sin ruido electromagnético.
Actividades de investigación futuras Los grupos de futuras actividades de investigación EMC-UNC están relacionados con las solicitudes relativas a la física de descarga de gas y de generación y medición de impulsos de corriente rápida en el rango de picosegundos de potencia pulsada y la interferencia electromagnética intencional (IEMI) problemas. Este tema es de interés para permanecer en contacto con la Universidad de Uppsala. El grupo va a aumentar su capacidad para el desarrollo de sistemas de medición para ayudar a investigar las interferencias electromagnéticas en los sistemas eléctricos y electrónicos como ser aspectos importantes de los problemas de inmunidad CEM. Este tema es de interés para el acuerdo de cooperación internacional con el grupo EMC EPFL en Suiza. La interacción de los equipos de microondas y se investigó también, especialmente mediante el refuerzo de simulaciones experimentales y numéricos de tales irradiando ondas electromagnéticas. Figura 17 muestra un ejemplo de los cálculos realizados por el grupo con respecto a este tema. Este trabajo aumentará la interacción presente con el grupo de investigación
del Prof. GEST Nestor Peña de la Universidad de los Andes en Colombia y el Prof. K. Baum en la Universidad de Nuevo México, EE.UU.. Varias características del rayo electromagnético pulsos (LEMP), en Colombia aún no se conocen, sobre todo los relacionados con relámpagos a gran altura en comparación con un rayo a nivel del mar. La colaboración con grupos de investigación en Uppsala, Estocolmo y Gotemburgo en Suecia, Suiza, Sri Lanka, México y Malasia, y el Dr. Marley Becerra continuará. El producto final de esta investigación es aumentar la capacidad de protección de los sistemas de protección contra rayos. La incorporación de nuevas técnicas como wavelets (Santamaría et al.,2009) y otras técnicas numéricas será investigado en profundidad en el futuro próximo. La investigación sobre la recolección de energía de un campo eléctrico utilizando descargas eléctricas continuará hasta este Technologys posibilidades reales han sido revelados. En el caso de la producción de ozono para el agua de limpieza, el grupo va a aplicar esta tecnología a los casos concretos. Finalmente, se investigó la posibilidad de aumentar la impedancia interna de las fuentes de corriente de alta impedancia para encontrar algunas aplicaciones industriales de este.
Toda la actividad del grupo EMC-UNC se transfiere a la educación en los Departamentos Eléctricos y Electrónicos cursos de grado y posgrado en la Universidad Nacional de Colombia. Nuevos libros se escriben en las líneas de investigación mencionadas aquí para aumentar el tipo de actividades. Conclusiones Las muchas actividades de investigación del grupo EMC-UNC que se ha llevado a cabo desde hace casi tres décadas se pueden resumir de la acumulación de conocimientos obtenidos mediante la realización de experimentos, la investigación de los fenómenos eléctricos de gas y resolver algunas preguntas de investigación. Esta investigación se inició con la construcción de herramientas experimentales para la observación de fenómenos de alta tensión: descargas eléctricas en los gases. El inicio hizo con herramientas simples involucradas el registro fotográfico de DC descargas de corona. Más tarde, se desarrollaron herramientas más sofisticadas y se utilizan para la observación de los fenómenos más complicados, tales
como las corrientes inducidas por el rayo. El aumento en la observación complejidad herramienta fue acompañada por el desarrollo de la capacidad de modelado computacional. La primera etapa finalizó mediante el desarrollo de equipos eléctricos HV, tales como fuentes de voltaje, y los componentes de circuito, tales como resistencias, inductores y condensadores. > La segunda etapa consistió en la resolución de problemas concretos de CEM, tales como la destrucción del equipo causado por un rayo. La primera pregunta de investigación planteada fue: ¿Cómo puede el transformador de distribución extremadamente alto índice de fracaso de Colombia se entiende ? Directamente observación unidades dañadas siempre la respuesta, el daño fue causado por altos voltajes. El bucle inductivo hipótesis era la respuesta correcta a esta pregunta, la teoría de los bucles inductivos que implica la reducción de los bucles de inducción fue formulado para resolver este problema. Otra solución era reducir las sobretensiones inducidas mediante descargadores largo de la línea. Las propiedades de la madera se utilizan para extraer estas sobretensiones de las líneas de distribución. Este trabajo finalizó con una reducción de un orden de magnitud en el índice de fallo de los transformadores de distribución. El grupo continúa sus estudios en el rayo de resolver un problema de investigación básica sobre la naturaleza del rayo a gran altura y una pregunta práctica sobre mejores tecnologías de protección contra rayos. Observando electrodos flotantes interactúan con descargas eléctricas siempre que el origen de un segundo grupo de preguntas: ¿Cómo descargas eléctricas corona interactúan con electrodos flotantes? ¿Cómo es la interacción entre las descargas eléctricas de corona y cuerpos metálicos aislados eléctricamente inmersos en un campo eléctrico ? ¿Puede un cuerpo metálico atraer una descarga eléctrica ? Varias hipótesis se han formulado para responder a estas preguntas. La respuesta radica en la comprensión de la física de descarga de gas. La descarga de corona en un electrodo flotante era la razón principal para la interacción entre las descargas eléctricas y órganos aislados. La carga electrostática acumulada en un electrodo flotante podría ser utilizado en varias aplicaciones. Cuatro dispositivos patentados se desarrollaron siguiendo esta idea. La formulación de nuevos generadores de impulso fue el origen de nuevas preguntas de investigación: Podría generado impulsos de corriente será radiada ? ¿Hay maneras eficientes de juego antenas ultra anchos (UWA) a un generador de tal manera que la energía
electromagnética generadores puede ser irradiado de manera eficiente ?Las respuestas a estas cuestiones condujo al desarrollo de sistemas radiantes de impulso y llevó al grupo EMC hacia el campo de la tecnología de potencia pulsada. Un dispositivo basado en el uso de las líneas de formación de pulsos (PFL) se presentará a finales de este año. Otra respuesta llevó a estudiar de recolección de energía de un campo eléctrico. La presente interés en este estudio se encuentra en la evaluación de las posibilidades de esta fuente como una fuente de energía viable. Otra investigación derivada se ha relacionado con la producción de ozono, dirigida relacionada con los conocimientos adquiridos en la física de descarga de gas. La energía que irradia derivada de la tecnología de potencia de impulso ha dirigido el grupo de investigación de EMC-UNC hacia involucrarse en tecnologías de microondas para irradiar la energía de una manera más eficiente. Agradecimientos El autor desea agradecer a la Universidad Nacional de Colombia para apoyar a este grupo de investigación durante casi 30 años. El autor es también muy agradecido a COLCIENCIAS por apoyar este trabajo de investigación casi desde el comienzo temprano y los estudios de doctorado del autor y algunos de sus alumnos. Varias empresas del sector energético han apoyado al grupo durante los últimos cuatro años a través del Proyecto de Cattleya : CODENSA, ECOPETROL, EEB, Emgesa, EPM, ISA, ISAGEN y la Universidad Nacional de Colombia. El autor agradece profundamente a más de 200 alumnos que han colaborado en este trabajo desde 1982, sin embargo, es necesario mencionar los nombres de algunos co-investigadores distinguidos profesores: Antonio Mejía, Néstor Peña, Camilo Cortés, y el Dr. Marley Becerra, PhD candidatos Felix Vega y Francisco Santamaría, estudiantes de maestría Andrea Rojas, Carlos y Nicolás Mora, Orlando Páez, Jairo Arias y EE Rodrigo Jaimes, Oscar Montero, Carlos Rivera, David Ariza, Oscar Escobar y Sandra Bernal. Bibliografía Abondano, A., Santoyo, C., Guzmán, C., Prediseño de la ONU laboratorio de Alta Tensión con multas Hacia la Industria, La docencia y la
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