Por su ubicación ecuatorial, Colombia es uno de los países con mayor actividad de descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en el mundo, condición que se ve reflejada en las estadísticas de las empresas del sector eléctrico, las cuales han determinado que estas son el mayor origen de salidas de operación en sistemas de transmisión y distribución de energía. Este documento presenta un estudio de riesgo eléctrico originado por rayos para los corredores de las líneas de transmisión a 230 y 500 kV, propiedad de Interconexión Eléctrica S.A. - ISA, principal transportador de energía eléctrica en Colombia, a partir de la utilización de la aplicación ZEUS desarrollada sobre Arc-Viewâ 3.0a.

Palabras clave : Descargas Eléctricas Atmosféricas, transporte de energía eléctrica, salidas de línea, Sistemas de Información Geográfica.

Para el sistema Colombiano de transmisión y distribución de energía eléctrica, los rayos originan gran cantidad de perturbaciones, fallas y daños en equipos tales como transformadores, pararrayos, interruptores, equipos de comunicación, etc., con consecuencias en la disminución de la confiabilidad y disponibilidad en el servicio de transporte de energía.

Consciente de esto, Interconexión Eléctrica S.A. E.S.P., con el apoyo académico de la Universidad Nacional, adquirió un sistema de medición y localización de descargas eléctricas atmosféricas, para estudiar este fenómeno natural en gran parte del país. El Sistema comenzó a operar a mediados de 1995 y después de un proceso de ajuste y prueba, reporta las 24 horas del día la información de las descargas detectadas por sus sensores, almacenándola y posteriormente adecuándola para su análisis en la sede de Medellín. Con la información procesada, y utilizando la herramienta S.I.G. Arc-Viewâ 3.0a, se determinaron las zonas con mayor actividad de rayos a partir de la ubicación geográfica y el análisis espacial de parámetros como polaridad, corriente y densidad de descargas. Esta información se correlacionó con el reporte de salidas de operación de líneas de transmisión para determinar los meses, horas y circuitos con mayor riesgo de falla.

Con estos resultados, el Sistema de Información de Descargas Eléctricas Atmosféricas de ISA (SID), trabaja actualmente en el desarrollo de una metodología para la disminución de las salidas de operación de líneas de transmisión apoyada nuevamente en la identificación de sitios críticos y análisis de parámetros con la tecnología S.I.G.

El conocimiento del fenómeno del rayo, es la fundamentación académica del SID, a partir de la investigación y posterior determinación de valores confiables de los parámetros de las descargas, tendientes a prevenir y/o disminuir el riesgo de accidentes que involucren seres humanos, criaturas semovientes y equipos eléctricos y/o electrónicos.

A partir del gran avance tecnológico alcanzado a comienzos de los años 90 se crearon sistemas electrónicos capaces de medir los parámetros de las descargas y localizarlas en mapas georreferenciados.

• Sensores: Son los equipos detectores de la señal de campo eléctrico emitida al producirse un rayo, que junto con la señal de tiempo satelital, son enviados al Analizador Central (CAP) el cual posee un modelo matemático que determina entre otros los parámetros de amplitud y localización.

01 Sabanalarga, 02 Cerromatoso, 03 San Carlos, 04 San Marcos, 05 Torca, 06 Palos.

• Reportes: Por cada sensor se generan dos reportes en formato ASCII, los cuales son almacenados diariamente :

Haciendo la estadística con estos reportes, se conocen características de desempeño del Sistema.

• Línea solución :

Muestra el resultado del procesamiento realizado por el CAP de la información enviada por los sensores.

-) Tiempo :

• Fecha: mes, día y año de ocurrencia.

• Hora, minuto, segundo y milisegundo en que se presentó.

-) Espacio :

Latitud y longitud en coordenadas geográficas.

-) Características Eléctricas:

Amplitud (Magnitud): Valor máximo de la corriente del rayo. Se obtiene a partir del cálculo en una ecuación en función del campo eléctrico.

Polaridad: Es el tipo de carga eléctrica, positiva o negativa, transportada por la descarga principal.

Con base en el procesamiento estadístico de la línea solución, se obtienen los siguientes parámetros :

• Nivel Ceráunico: Se define como el número de días al año en que por lo menos se reporta un rayo. El máximo valor que se puede presentar es de 365.
• Densidad de Descargas a Tierra: Indica el número de descargas que impactan a tierra, en un kilómetro cuadrado durante un año. Este dato es mucho más preciso que el nivel Ceráunico porque tiene mejor valoración de riesgo eléctrico permitiendo una mejor estimación de la probabilidad de ocurrencia en un sitio determinado.
• Multiplicidad: Número de descargas por rayo. Un rayo se compone de una o varias descargas. Una principal seguida de varias descargas subsecuentes. Este parámetro es importante en los cálculos de coordinación de protecciones en sistemas de potencia.

Desde un comienzo fue necesario crear una metodología que permitiera manipular el gran volumen de información generado por el Sistema.

Consistió en realizar una conversión de formato texto a base de datos [1] donde el ordenamiento era cronológico, luego se dividió el país en 516 zonas cuadradas de 50 kilómetros de lado y se escogieron los datos inscritos dentro de cada zona por medio del campo latitud y longitud. En cada una de estas zonas se hallaron los valores máximos, mínimos y promedios para la amplitud y el valor de densidad, los cuales eran graficados en hojas de cálculo.

La ventaja más importante de este proceso era observar los sitios aproximados donde impactaron mayor y menor cantidad de descargas y su valor promedio de amplitud.

Las desventajas por su parte eran mayores:

-) Tiempos de procesamiento largos: Para poder realizar esto se necesitaba aproximadamente un mes hasta la realización del informe con el análisis.

-) Análisis fijos y poco dinámicos: Las áreas de análisis eran definidas en forma de cuadrados, y para algunos estudios resultaban demasiado grandes, impidiendo observar variaciones en zonas de menor área y con otra forma.

-) Errores de interpretación: Al ser una ilustración y no un mapa georreferenciado, aumentaba el error de interpretación en la localización de los sitios de interés.

-) Bajo nivel de detalle : Solo era posible obtener análisis a nivel de cuadrículas con área de 2500 km², lo cual no permitía observar detalles en sitios de menor extensión, perdiéndose la calidad en localización que ofrece el sistema.

Al presentarse esta situación y aprovechando la incorporación en ISA de la tecnología de los sistemas de información geográfica, se mejoró el proceso mediante la creación de la aplicación ZEUS.

APLICACIÓN ZEUS

Fue diseñada como una extensión del software de Esri® ArcView 3.0a y está basada en la combinación de la funcionalidad que ofrecen ArcView y la extensión Spatial Analyst para el manejo de información georreferenciada, que permiten llevar a cabo las diferentes actividades que componen el proceso de captura, preparación y análisis de la información registrada por los sensores. Para agilizar este proceso, ZEUS ofrece rutinas especiales de automatización desarrolladas utilizando el lenguaje de programación AVENUE con el que cuenta ArcView.

Las etapas que se llevaron a cabo en el desarrollo de la aplicación se enuncian a continuación:

1. Preparación de la Información
2. Selección (Espacio-Tiempo)
3. Análisis Espacial
4. Evaluación � Matrices de Riesgo
5. Generación Gráficas y Estadísticas

Durante este proceso se desarrollan las opciones necesarias para la depuración de los datos provenientes de los archivos generados por el Analizador Central de la red de Descargas de ISA. Se realizan las siguientes actividades:

-) Filtrado : Se seleccionan las línea solución que no contienen caracteres erróneos generados por el proceso de comunicaciones, que se encuentran dentro del territorio Colombiano mas un buffer de 100 km.

-) Adición de Campos: Se realiza la adición automática de los siguientes campos necesarios para las operaciones posteriores de análisis:

-) Creación del Tema: Una vez preparados los datos y realizada la selección de tiempo para el análisis, se genera un tema de puntos.

Sobre el tema generado, se elige la zona geográfica y el periodo a evaluar.

-) Consulta por rango de tiempo: Se escogen, por medio de una caja de diálogo, los datos de las descargas ocurridas en un periodo de tiempo determinado, el cual puede ser diario, semanal, mensual o anual.

Consiste en la generación de superficies e isocurvas para evaluar y analizar el comportamiento del fenómeno.

-) Superficie de Magnitud: Después de evaluar los diferente métodos de interpolación se definió que IDW (Inverse Distance Weighted) es el método indicado para la creación de la superficie de magnitud absoluta, la cual puede ser reclasificada mediante la selección del número de intervalos deseados.

-) Curvas de Isomagnitud: Genera curvas de igual valor a partir de la interpolación de las magnitudes absolutas, con la posibilidad de ser reclasificadas.

-) Cantidad de Descargas : Crea una superficie que calcula la densidad de descargas en un área de 100 km, mediante escogencia por superposición de una malla de celdas cuadradas de 10 km de lado que cubre todo Colombia.

-) Polaridad: Se clasifican las descargas de acuerdo con su polaridad y se genera una gráfica donde se representan sus valores.

-) Curvas de Isoceraunicidad: Estas curvas son generadas a partir de una superficie que representa los valores de ceraunicidad calculados para la malla que cubre todo el territorio Colombiano.

Mediante la incorporación de una fórmula empírica, obtenida dentro de la investigación [2], se combinan las superficies de densidad y corriente que dan como resultado la superficie de riesgo por descarga eléctrica atmosférica.

La mejor manera de consolidar un gran volúmen de datos es simplificarlo mediante la utilización de gráficos y cálculos estadísticos. En este caso se hace uso de las herramientas de ArcView, como son el cálculo de la cantidad, sumatoria, valor máximo, valor mínimo, rango, varianza y desviación estándar, gráficos de barras, de círculos y líneas para cualquier campo de la base de datos.

ZEUS genera además un histograma con la curva de probabilidad acumulada de magnitud muy utilizada para representar este parámetro del rayo.

Se ha encontrado que la mayor concentración de descargas en Colombia ocurre en el valle del rio Magdalena, situada al final de las coordilleras central y occidental. Esta alta actividad es debida probablemente al choque de los vientos cálidos del norte con la cordillera Andina, que propicia la acumulación de cargas eléctricas en las nubes. Por la posición ecuatorial de Colombia, de acuerdo con la hipótesis que enuncia una gran actividad en la zona ecuatorial del planeta [3], es muy posible que estas regiones correspondan a las zonas del planeta con más alta actividad.

Las regiones oscuras corresponden a los máximos valores de densidad ocurridos durante 1996 y 1997. Las líneas representan los circuitos a 230 y 500 kV y los puntos las descargas que originaron salidas de operación. El mayor valor de densidad registrado fue de 67 descargas por kilómetro cuadrado en la parte norte del Sistema de Transmisión, como se muestra en la Ilustración 6.

Conclusiones

Con la incorporación de la tecnología de los sistemas de información geográfica, el tiempo de ejecución de los informes analíticos disminuyó en un 80%, centrándose en el análisis de la información y no en su manipulación.

Gracias a la aplicación se encontró que la mayor parte del Sistema de Transmisión de ISA está localizado sobre zonas consideradas de riesgo alto y medio de ser impactadas por descarga. Estos resultados, son actualmente, el comienzo en la elaboración de la metodología para la disminución de las salidas de líneas de transmisión

Utilizando la aplicación ZEUS se maneja fácilmente la información para obtener el mapa de riesgo eléctrico originado por rayos. Adicionalmente, se combina con distintos temas, como relieve, zonas mineras, tipos de suelos, para establecer las interrelaciones de estas otras características geográficas sobre el comportamiento de las descargas.

Los modelos estadísticos utilizados en el Spatial Analyst son reconocidos mundialmente y aportan confiabilidad en el manejo de la información obtenida porque son un reflejo muy aproximado a la realidad del comportamiento del fenómeno.

El nivel de detalle en las celdas permite realizar análisis a zonas específicas con formas irregulares con gran precisión, dando a conocer el error en localización del Sistema.

Para optimizar los tiempos de procesamiento cuando se presentan épocas del año con alta actividad se desarrollarán aplicaciones en otros manejadores de base de datos más rápidos, que entregarán a ZEUS la información lista para analizar, además del uso en tiempo real, donde se podrán observar y realizar análisis sencillos de la actividad eléctrica atmosférica que se presente en determinado momento.

Con la aplicación ZEUS fue posible introducir el fenómeno del rayo como una capa más dentro del Sistema de Información Geográfica Corporativo de ISA, en el que están localizadas sus líneas y subestaciones actuales y futuras, convirtiéndose en herramienta esencial en el diseño, operación y mantenimiento del Sistema de Transmisión optimizando la relación costo-beneficio de la empresa.

Adriana Sánchez Nació en Medellín en 1969. Recibió el titulo de Ingeniera de Sistemas otorgado por la Universidad Antioquia de Medellín en 1995. Actualmente se desempeña como Ingeniera Especialista en Prosis S.A

Ana Maria Trejos Nació en Medellín en 1969. Recibió el titulo de Ingeniera de Sistemas otorgado por la Universidad EAFIT de Medellín en 1993. Actualmente se desempeña como Ingeniera Especialista en Prosis S.A

Leonardo Fabio Porras nació en Santafé de Bogotá, Colombia, el 7 de julio de 1970. Recibió el título de ingeniero electricista de la Universidad Nacional en 1996, y desde ese año hasta el momento labora en Interconexión Eléctrica S.A E.S.P. (ISA), en el Equipo de Desarrollo de Mantenimiento, Gerencia Transporte de Energía, con sede en la ciudad de Medellín. Algunas de sus responsabilidades incluyen supervisar y mantener el Sistema de Información de Descargas Eléctricas Atmosféricas, además de desarrollar estudios para disminuir el riesgo eléctrico por descarga en la infraestructura corporativa de ISA. Ha participado en el comité de la norma nacional de protección contra descargas del Instituto Colombiano de Normas Técnicas (ICONTEC) y en la investigación de los parámetros del rayo en Colombia.

William Briceño Gamba : Nació en Santafé de Bogotá en 1972. Recibió el titulo de Ingeniero Electricista otorgado por la Universidad Nacional en 1996. Actualmente se desempeña como Analista de Planeación y Desarrollo en Interconexión Eléctrica S.A. E.S.P. ISA.