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El presente trabajo consiste en el estudio del comportamiento de puesta a tierra frente a altas frecuencias aplicado a descargas atmosféricas. Por lo que se realiza una investigación teórica de los aspectos importantes del sistema de puesta a tierra, terreno, electrodos y del modelo híbrido formado por la combinación de la teoría de circuitos y campo electromagnético. Además, se emplea la herramienta computacional Matlab© para desarrollar el modelo híbrido y determinar la impedancia de los electrodos de la malla a tierra en función de la frecuencia. En segunda instancia, se valida el modelo con los parámetros base del suelo (𝜇𝑟 = 1, 𝜀𝑟 = 9, 𝜌 = 1000 [Ω𝑚]) y la malla cuadrada (𝑟 = 7 [𝑚𝑚], h = 0.5[𝑚], 𝑛 = 10 [𝑚]) de 10, 20, 30, 60 y 120 metros cuadrados definidos por los Señores Grcev y Heimbach. Por consiguiente, se realizan varias simulaciones alterando los parámetros del suelo mencionados y el calibre del conductor del electrodo con el propósito de observar variaciones en la impedancia de la malla. Cuando se altera el valor de resistividad del suelo entre 100 a 1500 [Ωm] la impedancia no supera los 100 [Ω]; Sin embargo, si presenta materiales ferromagnéticos la magnitud de la impedancia cambia drásticamente, el cual puede deteriorar a la malla. Por lo tanto, se debe toman en cuentas estas consideraciones para observar el rendimiento de la conexión de puesta a tierra. The present work consists of the study of the grounding behavior against high frequencies applied to atmospheric discharges. Therefore, a theoretical investigation of the important aspects of the grounding system, ground, electrodes and the hybrid model formed by the combination of circuit theory and electromagnetic field is carried out. In addition, the M and C type languages are used through the Matlab computational tool to develop the hybrid model and be able to determine the impedance of the electrodes of the mesh to ground as a function of frequency. In the second instance, the model is validated with the base soil parameters (𝜇𝑟 = 1, ε𝑟 = 9, ρ = 1000 [Ωm]) and the square mesh (r = 7 [mm], h = 0.5[m], n = 10 [m]) of 10, 20, 30, 60 and 120 square meters defined by Messrs. Grcev and Heimbach. Therefore, several simulations are carried out altering the mentioned soil parameters and the diameter of the electrode conductor to observe that the magnitude of the impedance of the mesh represents changes less than 30 ohms when the relative permittivity or the diameter of the conductor is manipulated. When the soil resistivity value is altered between 100 and 1500 [Ωm], the impedance does not exceed 100 [Ω]; However, if ferromagnetic materials are present, the magnitude of the impedance changes drastically, which can deteriorate the mesh. Therefore, these considerations must be taken into account to observe the performance of the ground connection.

Este artículo tiene por objetivo mejorar la coordinación de aislamiento de una subestación eléctrica por medio de la viabilidad en la reducción de Basic Insulation Level o el correspondiente Standart Lightning Impulse Withstand Voltage definido en IEC 60071. El mejoramiento se lo realizó a una subestación de 230 kV a partir de la metodología desarrollada en IEC 60071 (1 y 2) con un solo descargador de sobretensión por fase. Dado lo anterior, algunos de estos equipos deben cumplir requerimientos de tipo gama II. Bajo la misma metodología se realizó el cálculo de una coordinación de aislamiento mejorada, la cual implicó la modificación del diseño de bahía en los parámetros asociados a un segundo descargador de sobretensión añadido con las mismas características que el inicial. Así, se obtuvo una mejora en las tensiones requeridas soportadas en los equipos mencionados, reduciendo los niveles de BIL. Se tiene como resultado, una factibilidad de ejecución del proyecto tanto técnica como financiera; evidenciando una reducción de las tensiones. This article aims to improve the insulation coordination of an electrical substation through the feasibility of reducing the Basic Insulation Level or the corresponding Standard Lightning Impulse Withstand Voltage defined in IEC 60071. The upgrade was made to a 230 kV substation based on the methodology developed in IEC 60071 (1 and 2) with a single surge arrester per phase. Given the above, some of these equipment must meet type II requirements. Under the same methodology, the calculation of an improved insulation coordination was carried out, which implied the modification of the bay design in the parameters associated with a second added surge arrester with the same characteristics as the initial one. Thus, an improvement was obtained in the required tensions supported in the aforementioned equipment, reducing the BIL levels. The result is a feasibility of both technical and financial project execution; evidencing a reduction in tensions.

El presente documento tiene como objetivo principal precisar el modelo de un sistema de puesta a tierra y un sistema de pararrayos para la empresa Royal Master Group, mediante el análisis de las características propias del proyecto como resistividad del terreno, características del transformador por medio del cual la empresa se abastece del suministro eléctrico; valoración del nivel de riesgo de descargas atmosféricas debido a la ubicación del proyecto; diseños enmarcados dentro de normativas específicas que nos servirán como guía como la IEEE Std 80-2000, con el objetivo de obtener tensiones de paso y de toque aceptables, valores necesarios para el dimensionamiento de la malla, la IEEE Std 81-1983, norma que nos permite tener un criterio de valores recomendados para la resistencia de puesta a tierra, tomando como base los valores obtenidos en las mediciones de resistividad del terreno bajo estudio, y el IEC 62305-2011, para el diseño de protecciones contra descargas atmosféricas, mediante el cual estableceremos los niveles de protección contra rayos o LPL (Lightning Protection Level) y su correlación con los niveles de protección a implementar o LPS (Lightning Protecion System), además aplicaremos el método de la esfera rodante, que es un modelo electrogeométrico de una esfera que muestra los puntos susceptibles de recibir una descarga y cuyo radio se obtiene en función del nivel de protección. The main objective of this document is to specify the model of a grounding system and a lightning rod system for the company Royal Master Group, through the analysis of the characteristics of the project such as soil resistivity, characteristics of the transformer through which the company is supplied with electricity, evaluation of the risk level of atmospheric discharges due to the location of the project; designs framed within specific standards that will serve as a guide such as the IEEE std 80-2000 with the objective of obtaining admissible touch and step voltages, values necessary for the sizing of the mesh, the IEEE std 81-1983, a standard that allows us to have a criterion of recommended values for grounding resistance, based on the values obtained in the resistivity measurements of the study ground, and the IEC 62305-2011, for the design of lightning protection, through which we will establish the lightning protection levels or LPL (Lightning Protection Level) and its correlation with the protection levels to be implemented or LPS (Lightning Protection System), in addition we will apply the rolling sphere method, which is an electrogeometric model of a sphere that shows the points susceptible to receive a discharge and whose radius is obtained as a function of the protection level.

Las líneas de transmisión son una parte fundamental y físicamente la parte más extensa del sistema eléctrico de potencia. Es de suma importancia mantener la confiabilidad en las líneas independientemente de las condiciones ambientales del sector por el cual atraviesan las mismas. El estudio de la coordinación del aislamiento y el análisis de los transitorios ocasionados por las descargas atmosféricas en líneas de trasmisión, son de mucha importancia para el correcto funcionamiento del sistema, para de esa manera cumplir con los requerimientos de la demanda. Para el estudio del comportamiento que tienen los elementos que conforman las líneas de transmisión frente a descargas atmosféricas, se realizó el modelamiento de torres de trasmisión de 138, 230 y 500 kV en base a la representación de sus estructuras por medio de impedancias de cono y cilindro. Para este estudio se realizó el modelamiento de una descarga atmosférica cuando esta impacta directamente en el cable de guarda. Finalmente se realizó el análisis de las sobretensiones y las formas de onda de corriente reflejadas en cada uno de los elementos verificando que pare este caso de estudio no existen fallas en el aislamiento de las torres de transmisión. Transmission lines are a fundamental part and physically the most extensive part of the electrical power system. It is very important to maintain the reliability of the lines regardless of the environmental conditions of the sector which they pass. The study of the coordination of the isolation and the analysis of the transients caused by the atmospheric lightning in transmission lines are of most important for the correct operation of the system in order to comply with the demand requirements. For the study of the behavior of the elements that make up the transmission lines against atmospheric lightning, the transmission towers of 138, 230 and 500 kV were modeled based on the representation of their structures by means of cone and cylinder impedances. For this study, the modeling of an atmospheric lightning was carried out when it impacts directly on the guard wire. Finally, the analysis of the overvoltage and the current waveforms reflected in each of the elements was carried out, verifying that for this case study there are no faults in the insulation of the transmission towers.

RESUMEN Este articulo presenta un estudio comparativo de la impedancia de un electrodo vertical enterrado en un suelo homogéneo donde los parámetros eléctricos (resistividad y permisibilidad) son dependientes de la frecuencia en relación con las impedancias obtenidas con los parámetros del suelo constantes. Este estudio, considera que el electrodo vertical se modela como una línea de transmisión (LT) corta cuyos parámetros eléctricos (resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia) se distribuyen a lo largo de su longitud. De esta manera, la impedancia del electrodo se calcula como la impedancia armónica de la LT en función de la frecuencia. Una vez que se obtienen las impedancias de aterramiento del electrodo, y utilizando la técnica del Vector Fitting, circuitos eléctricos equivalentes son obtenidos directamente en el dominio del tiempo. La ventaja de usar este tipo de representación es que el circuito equivalente puede insertarse fácilmente en software de tipo EMTP, para realizar análisis de los transitorios electromagnéticos. De esta manera, se pueden calcular la elevación del potencial en el aterramiento para una descarga atmosférica incidente en el electrodo. Adicionalmente, se inyecta una descarga atmosférica en la parte superior de la torre de transmisión cuyo sistema de puesta a tierra está compuesto por un electrodo vertical, y se calculan las tensiones transitorias en los brazos y la base de la torre. Los resultados muestran que las tensiones se modifican significativamente por la presencia del suelo con parámetros dependientes de la frecuencia, especialmente en los picos, y que un análisis preciso de los transitorios electromagnéticos en los sistemas eléctricos debe tener en cuenta este fenómeno. ABSTRACT This paper presents a comparative analysis of the electrode impedance for a vertical rod buried in a homogeneous ground where the soil electrical parameters (resistivity and permittivity) are frequency-dependent in relation to the impedances obtained with frequency-constant parameters. In this study, it is taken into account that vertical rod can be seen as a short transmission line whose electrical parameters (resistance, inductance, capacitance and conductance) are distributed along its length. Thus, the rod impedance is computed as being the harmonic impedance of the transmission line as a function of frequency. Once the rod impedances are obtained, and using the Vector Fitting technique, equivalent electrical circuits are obtained directly in time domain. The advantage of this type of representation is that equivalent circuit can be easily incorporated into EMTP-type programs for the electromagnetic transient analysis. In this model, the grounding potential rise (GPR) generated due to a lightning stroke at the rod can be calculated. Additionally, an impulsive current source, representing a lightning stroke, is injected at the top of a transmission tower whose the grounding system is composed by a vertical rod, and the transient voltages at the cross-arms and tower base are calculated. The results show that the voltages are significantly modified by the presence of the soil with frequency-dependent parameters, especially their voltage peaks, and that an accurate analysis of the transient in power systems must take this phenomenon into account.

El envejecimiento en descargadores de sobretensión es un tema que actualmente se estudia. Este trabajo propone un método para estudiar en envejecimiento en descargadores empleando una Fuente de Corriente de Alta Impedancia. Usando esta fuente es posible ver el proceso de envejecimiento de los descargadores causado por impulsos de corriente tipo rayo. Tanto el método de envejecimiento acelerado que se propone, como los pasos para su implementación son presentados. Los resultados obtenidos son expuestos y analizados en el presente trabajo de investigación. Abstract Surge arresters Ageing is a topic still under study. This paper proposes a method to study surge arrester ageing employing an Extra High Impedance Current Source. Using this source, it is possible to observe the arrester ageing process caused by current impulses. Both, the methodology used to accelerate the ageing process of the arrester and the steps followed for its implementation are presented in this work. The results obtained are presented and analyzed in the present research work. Maestría

This paper presents a proposal for the development of an automatic system correlation between two variables, one represented by the failures on the electrical distribution lines during a storm process and another one represented by atmospheric discharges (lightning) that happen in this process. Initially, in order to define if the failure is caused directly or indirectly by an electrical impact generated by lightning, a space-time correlation is proposed. With the obtained data a decision matrix is proposed, using an entropy method to assign weights to the failures in order to determine its severity and therefore its priority of attention. On the other hand, taking into account that the time window of observation is perhaps the most relevant parameter in the proposed correlation system, this article shows part of a simulation proposed for its calculation as well as the mathematical bases that were used as a support for it. El presente artículo plantea una propuesta para el desarrollo de un sistema automático de correlación entre dos variables, una representada por las fallas acaecidas en las líneas de distribución eléctrica en un proceso de tormenta y otra representada por las descargas atmosféricas (rayos) presentadas en dicho proceso. Inicialmente, para definir si la falla es causada directa o indirectamente por un impacto eléctrico generado por un rayo, se propone una correlación espacio-temporal. Con los datos obtenidos se propone elaborar una matriz de decisión usando, a su vez, un método de entropía para asignar pesos a las fallas con el fin de determinar su gravedad y por lo tanto su prioridad de atención. Por otro lado, considerando que la ventana de tiempo de observación es quizás el parámetro más relevante en el sistema de correlación propuesto, el artículo muestra parte de una simulación planteada para su cálculo, así como las bases matemáticas utilizadas como soporte de esta simulación.

En este artículo se analiza una red de distribución urbana de 23 kV típica de la zona central de México. El objetivo es determinar la distancia máxima de separación entre apartarrayos de línea que permita reducir las salidas de los circuitos de distribución por descargas atmosféricas directas e indirectas. Con base en las características eléctricas, ambientales, ceráunicas y geográficas de la zona, niveles de cortocircuito y las sobretensiones provocadas por maniobras rutinarias, se selecciona el apartarrayos siempre con el principal objetivo de determinar su espaciamiento adecuado sobre la línea para que éste funcione apropiadamente. La investigación se lleva a cabo con la ayuda del software llamado Alternative Transients Program (ATP) donde se realiza el cálculo de los parámetros de la línea utilizando el modelo de K.C. Lee, las sobretensiones transitorias por onda viajera y por conexión de capacitores también son simuladas. La motivación de este trabajo consiste principalmente en contar con un mayor sustento teórico y técnico (actualmente escueto) para determinar el espaciamiento entre apartarrayos de la red de distribución considerada y así aumentar la calidad del suministro eléctrico de la zona.

En este proyecto se evaluó la magnitud de las tensiones inducidas en los sistemas de transmisión de energía eléctrica usando modelos a escala reducida debido a descargas atmosféricas a tierra: Se construyeron entre otros el canal de descarga del rayo a escala, línea aérea a escala y un generador de impulsos tipo rayo; se realizaron pruebas en planos de tierra metálicos y reales, se midieron las tensiones inducidas en la línea a escala por efecto de la corriente en el canal de rayo construido. Puesto que se usa un modelo a escala reducida es necesario generar señales de impulso eléctricos con valores de tensión de algunos kilovoltios y con frentes de onda rápidos, frentes de onda entre 5 ns y 50 ns. Igualmente se requiere de un sistema de medición adecuado para medir señales de este tipo. Abstract. In this project, is evaluated the magnitude of induced voltages on power systems using reduced scale models due to lightning discharges on earth. Among others, were built scale lightning discharge channel, scale overhead line and a current impulse generator; Tests on earth planes real and metallic were made. Also, it was measured induced voltage on scale overhead line due to current on discharge channel. Since a scale model is used it is necessary to generate electrical pulse signals with voltages of some kilovolts and fast wave fronts, wave fronts from 5 ns and 50 ns. Also requires a suitable measuring system for measuring signals of this type. Maestría

El presente trabajo tiene como objetivo principal la caracterización espectral del impulso electromagnético generado por el rayo atmosférico (LEMP) y su correspondencia con la zona específica del eje cafetero colombiano. En su desarrollo se presentan tres (3) aportes significativos a la investigación en este campo: Primero, un modelado matemático del canal vertical de descarga del rayo como una Estación emisora multibanda de RF; segundo, el diseño e implementación de dos (2) equipos simuladores hardware para generación de un pulso tipo LEMP; y tercero, el diseño e implementación de un Detector-Receptor de LEMP elaborado con tecnología SDR (Software-Defined Radio) lo cual lo convierte en pionero. Además el trabajo incluye algoritmos en software (programas), que combinando técnicas FFT, STFT y Wavelets, permiten realizar el procesado de la señal registrada para obtener su caracterización espectral. Se presentan también los resultados y análisis del funcionamiento de los equipos diseñados, así como de los registros obtenidos del LEMP (mediciones) Abstract : This work has as main purpose the spectral characterization of the Lightning Electro-Magnetic Pulse (LEMP) and their correspondence to the specific zone called “Eje Cafetero Colombiano” (central-western of Colombia). This thesis will present three (3) significant contributions to research in this field: First, a mathematical modeling of the lightning vertical discharge channel as an RF transmission system; second, the design and implementation of two (2) HW generator-simulators of LEMP; and third, the design andimplementation of a lightning detector-receiver developed with Software-Defined Radio (SDR) technology, making it a pioneer. Further this work includes software algorithms (programs), which perform digital processing of the recorded signal to obtain their spectral characterization. The operation of the designed equipment, is evaluated. The results of the spectral characterization of the recorded signals (LEMP measurements) as well as their analysis are also presented Doctorado

En este artículo se presentan distintos generadores de impulsos de alta corriente desarrollados por el LCOE para ensayar aparatos y materiales expuestos a descargas directas de rayos. Los generadores que se presentan corresponden a las ondas 4/10, 8/20, 10/350 y ondas tipo A, B, C y D especificadas en la normativa del sector aeronáutico.

Utilizando GEANT4 se simula el inicio de una descarga atmosférica. Son obtenidas avalanchas autosostenidas de electrones, a partir de electrones semilla que son acelerados por un campo eléctrico exterior, interactuando con los átomos que componen la atmósfera a través de ionizaciones y colisiones elásticas. Se asume que los electrones semilla, con energías iniciales de ∼ 1 keV, son generados por rayos cósmicos. Son tomados campos eléctricos exteriores del orden de los centenares de kV/cm. Las avalanchas de electrones, emisiones γ y emisiones X son caracterizadas. Se exploran las condiciones mínimas necesarias para la transición avalanchastreamer en la formación de un canal de plasma, evaluando principalmente la distribución de electrones, densidad de carga y el campo eléctrico generados a lo largo de la evolución de la avalancha. La presencia de electrones de altas energías en la avalancha (∼ MeV) dan lugar a algunos procesos: Bremsstrahlung que genera emisiones de radiación γ, ionización de capas interiores atómicas que genera emisiones de radiación X, y fotoionización de átomos producto de la interacción de los fotones emitidos en los dos procesos anteriores con la atmósfera. Maestría