Caracterización y predicción de tormentas Sigma Abstract— Este artículo presenta el desarrollo de metodologías de predicción de actividad de rayos, a partir de la caracterización en terreno plano y alta montaña de tormentas eléctricas en Colombia, empleando información de localización de rayos y mediciones de campo electrostático ambiental. El objetivo principal se centra en la ejecución oportuna de acciones preventivas frente a tormentas eléctricas como, la suspensión de actividades al aire libre, la desconexión programada de equipos, dispositivos o sistemas altamente costosos, la puesta en marcha de sistemas auxiliares de energía, la programación optima de flujos de carga entre otros.

I.

INTRODUCCIÓN

Colombia, debido a su ubicación geográfica intertropical, presenta una de las más altas densidades de descargas a tierra DDT registradas a nivel mundial, superando valores de 60 rayos/km2 año [20]. Esta condición hace mayor el grado de vulnerabilidad, nivel de riesgo, accidentalidad e incrementa los problemas de compatibilidad electromagnética. Por lo anterior, resulta justificable que en el país se reporte un número considerable de incidentes a causa de los rayos en sistemas eléctricos de potencia: plantas generadoras, subestaciones eléctricas, líneas de transporte de energía, consumidores finales entre otros. Diversos reportes de fallas en redes de distribución, muestran que el fenómeno del rayo es el mayor causante de deterioro, daño y salidas no programadas, generando cuantiosas pérdidas económicas, que se incrementan al incluir el costo por penalidad impuestos por el ente regulación y control, al no cumplir los indicadores de calidad en el servicio [21]. Lo anterior pasa a un segundo plano cuando se compromete la integridad de los seres humanos. Por ejemplo, en el año 2010 en Colombia, se reportaron en medios de comunicación al menos 50 accidentes entre lesiones y fatalidades a causa de este fenómeno natural [1]. Lo anterior refleja la necesidad de la predicción oportuna de las tormentas eléctricas como fundamento de prevención, protección y seguridad en personas, sistemas y dispositivos. Dicha predicción se realiza mediante la emisión de alarmas tempranas que ayuden a la ejecución de acciones, como la toma de decisiones, la suspensión de actividades al aire libre, la puesta en marcha de sistemas alternos de energía, la desconexión programada de dispositivos altamente sensibles, la distribución óptima de flujos de carga y demás aspectos que en primera medida ayuden a salvaguardar la vida de las personas, contribuyan a la reducción de daños técnicos y reduzca las pérdidas económicas. A pesar que en Colombia la normatividad local estipule en los sistemas de protección contra rayos la implementación de sistemas de alarmas preventivas [19], este no es desarrollado en gran parte de los casos, debido principalmente a la falta de conciencia en vulnerabilidad frente a los rayos, seguido por el desconocimiento al ser una disciplina reciente y finalmente por los costos en la implementación.

La primera parte de esta investigación aborda la caracterización espacial y temporal de las tormentas eléctricas mediante mediciones de campo electrostático ambiental utilizando la estación de medida ubicada en la Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín. La segunda parte emplea redes de localización de rayos para caracterizar el desplazamiento de la actividad atmosférica sobre regiones de alta montaña y terreno plano. Finalmente, gracias a los resultados de la caracterización, la tercera parte se basa en la aplicación de una metodología predictiva de tormentas eléctricas, mediante la formulación de una serie de criterios de activación de alarmas tempranas. II.

MEDICIÓN DE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA

Las tormentas eléctricas se componen de diferentes procesos físicos asociados a su ciclo de vida. Varían en escalas de espacio y tiempo, además presentan diferentes rangos de frecuencias y se propagan de diferentes formas [9]. Actualmente, existe una gama de dispositivos empleados para registrar el comportamiento de la actividad atmosférica. La norma Europea EN 50536 [15], clasifica los sistemas de detección de tormentas eléctricas en cuatro clases diferentes dependiendo de su ciclo de vida: Clase I: Capaz de detectar el ciclo de vida completo de una tormenta eléctrica. Clase II: Capaz de detectar la actividad total de rayos: rayos a tierra (CG) y rayos intra-nube (IC). Clase III: Solo detecta la actividad de rayos a tierra (CG). Clase IV: Detecta rayos CG y otras perturbaciones electromagnéticas con eficiencia muy limitada. Para el desarrollo de esta investigación, se utilizarán las tecnologías de información Clase I y Clase III. A. El campo electrostático ambiental Las primeras mediciones experimentales de campo electrostático ambiental fueron realizadas por Wilson en 1920 [22]. Fue el primero en sugerir que mediante diversas medidas del cambio en la componente vertical del campo eléctrico, puede obtenerse una medida de la descarga eléctrica. Gracias a este planteamiento, Wilson fue el primero en aportar en el entendimiento físico de la estructura y distribución de las cargas eléctricas al interior de las nubes. Cronológicamente, autores como Scholand [23], Wormell [24], Workman [25], Reinolds [26], Krider et al [27] y recientemente Montañá [16] y Aranguren [28], han aportado al entendimiento físico de las tormentas eléctricas gracias a su caracterización mediante extensas campañas de medición en diferentes latitudes, y también han desarrollado una evolución en las técnicas de medida. Científicamente se ha encontrado que en condiciones de buen tiempo, es decir, sin precipitación, buena visibilidad y poca presencia de vientos, el campo eléctrico ambiental sobre regiones planas alcanza valores positivos cercanos a 120 / .

Una vez las condiciones ambientales cambien por la proximidad de nubes de tormenta, físicamente la densidad volumétrica de carga eléctrica se intensifica, amentando la magnitud del campo eléctrico e invirtiendo su polaridad, debido a la cercanía de los centros de carga eléctrica negativa con la superficie terrestre, tal como se muestra en la Figura 1.

Universidad Nacional de Colombia sede Medellín (Figura 2). El molino de campo hace parte del último prototipo diseñado por el PAAS – UN.

Molino de Campo Eléctrico

Figura 2. Estación de medición de campo electrostático-UNAL

B. Detección y localización de rayos

Figura 1. Variación del campo eléctrico ambiental en presencia de nubes de tormentas eléctricas (tomado de [16]).

1) Medición del campo Electrostático Ambiental - Sistema de Medida Clase I. Comúnmente, los Molinos de Campo Eléctrico (Electric Field Mill - EFM) son utilizados en tierra para registrar las variaciones del campo eléctrico ambiental. Se componen de una superficie conductora expuesta y cubierta al ambiente por medio de una hélice de apantallamiento conectada a tierra. El radio de acción de los molinos de campo eléctrico es limitado, aproximadamente 30 km, pero su alta fiabilidad en detección, hace que dicho dispositivo de medida sea catalogado como uno de los más eficientes, al registrar todo el ciclo de vida de una tormenta eléctrica [15][29]. En Colombia, durante los últimos años, el grupo de investigación PAAS–UN de la Universidad Nacional, ha logrado avances en la caracterización de los parámetros del rayo con alcances internacionales [30][31]. Entre proyectos de investigación, trabajos de pregrado y posgrado, se destaca el diseño y construcción de dispositivos de medición indirecta de actividad atmosférica como, los Molinos de Campo Eléctrico. Estos dispositivos conformaron la primera red de medición ubicada en la ciudad de Bogotá con cinco estaciones. De esta manera se obtuvo la primera caracterización espacial y temporal de las nubes de tormenta en la ciudad de Bogotá [32]. Gracias a esta experiencia, y al apoyo del Departamento Administrativo de Ciencias, Tecnología e Innovación – COLCIENCIAS, se implementó la ejecución del Sistema Colombiano de Información de Tormentas Eléctricas –SCITE [34], mediante la instalación de tres redes locales de molinos de campo eléctrico distribuidos en las ciudades de Bogotá, Medellín y Manizales. Lográndose implementar la primera red de medición de campo electrostático ambiental que ayudó a caracterizar el comportamiento de la actividad de tormentas en regiones de terreno plano y alta montaña [1][34]. Debido que el SCITE está en proceso de actualización, este trabajo investigativo emplea la información de un molino de campo eléctrico instalado en la Facultad de Minas de la

Para esta investigación, la información espacial y temporal de la actividad de rayos nube - tierra, es la principal tecnología de información en la caracterización del desplazamiento de las celdas de tormenta en alta montaña y terreno plano. Por lo tanto, a continuación se hace una breve descripción del sistema de localización rayos empleado. 1) Sistema de Información de Descargas Eléctricas - SID. Sistema de Medida Clase III. En el año de 1995, la empresa Interconexión Eléctrica S.A E.S.P – ISA, adquiere el primer sistema de localización de rayos conocido como la Red Colombiana de Medición y Localización de Descargas Eléctricas Atmosférica – RECMA. Este sistema de localización se conformó mediante la instalación de seis sensores LF y tecnología LPATS – Lightning Position and Tacking System, distribuidos en la zona centro de Colombia [31]. Luego de un par de años en operación, la RECMA fue reemplazada por el Sistema de Información de Descargas Atmosféricas– SID, mediante la actualización del sistema LPATS por equipos de medición de baja frecuencia LS 7000 (Lightning Sensor 7000). Actualmente el SID cuenta con seis dispositivos de medición tal como se muestra en la Figura 3. Una mayor descripción del SID, es abordada por Correa et al [35] y Gallego [20].

Figura 3. Sistema de Información de Descargas Eléctricas - SID, propiedad de la empresa ISA. E.S.P

III.

CARACTERÍSTICAS DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO EN TERRENO NO PLANO

La caracterización de las tormentas eléctricas mediante registros de campo electrostático ambiental, se realizó para el área urbana de la ciudad de Medellín, la cual presenta una condición orográfica poco homogénea al estar situada sobre un extenso valle de la cordillera central en los Andes colombianos, con altitudes variables entre 1000 msnm y 2500 msnm. Características como variaciones instantáneas de campo eléctrico, umbrales, inversiones de polaridad, duración temporal de la actividad atmosférica entre otras, son abordadas estadísticamente, y servirán para la implementación de metodologías de predicción de tormentas eléctricas discutidas en las siguientes secciones.

resulta justificable asociarlo con la contaminación ambiental como lo propuso Gordillo [36]. No obstante, es necesario realizar un estudio más profundo sobre este comportamiento. Continuando con el análisis, se aprecia que el estado de crecimiento de la actividad atmosférica se caracteriza por el incremento del umbral de campo eléctrico, tal como se observa en la Figura 5 a partir de las 15:40 horas, seguido de la inversión de polaridad que marca el inicio del estado de maduración, el cual está acompañado por fuertes variaciones rápidas "∆E" del campo eléctrico que asocian descargas eléctricas. Por último, el estado de disipación, se identifica por una serie de oscilaciones en la señal de campo eléctrico, tal como se observa a partir de las 16:35 horas. 4

1

x 10

Variaciones rápidas "∆E"

1) Campo eléctrico ambiental bajo tormenta eléctrica En la Figura 4, se muestra el comportamiento del campo electrostático bajo actividad atmosférica típica registrada el 18 de diciembre de 2010. En esta se identifica el ciclo de vida de la actividad atmosférica: crecimiento, maduración y cese. 4

Campo Eléctrico [V/m]

1

x 10

0.5

0

0.5

Incremento de Campo Eléctrico

0

-0.5

Inversión de polaridad Maduración

-1

15:45

16:00

16:15 Tiempo [h:m]

Disipación 16:30

16:45

Figura 5. Registro de campo electrostático ambiental. Tormenta típica al ciclo de vida. Actividad reportada el 2010-12-18. Primer grupo

La tormenta mostrada en la Figura 5, resume el comportamiento del campo eléctrico del primer grupo característico, el cual es similar al segundo grupo de análisis, con excepción de la múltiple actividad reportada en el mismo día y en diferentes horas, tal como se muestra en la Figura 6. 4

2

x 10

1.5 1 Campo Eléctrico [V/m]

En esta investigación, la caracterización de las tormentas eléctricas se llevó a cabo empleando 20 mediciones de campo electrostático entre diciembre de 2010 y marzo de 2011. Las 20 mediciones se clasificaron en dos grupos característicos. El primero, incluye los registros que presentaron un comportamiento típico al ciclo de vida de una tormenta eléctrica, de los cuales 10 registros se ciñen a estas características. El segundo, se caracterizó por la múltiple actividad atmosférica reportada en diferentes horas del mismo día, de los cuales se ajustaron 10 mediciones. Los 20 episodios de tormenta representaron la manipulación de al menos diez millones de datos, al igual que el desarrollo de bases de datos para el almacenamiento y manejo eficiente de la información, y un arduo trabajo en el desarrollo de algoritmos.

Campo Eléctrico [V/m]

A. Campo eléctrico ambiental en Medellín - Colombia

0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2

Condición de buen tiempo

-2.5

Crecimiento

Disipación

00:00

06:00

09:00 Tiempo [h:m]

12:00

15:00

18:00

Figura 6. Registro de campo electrostático ambiental. Tormenta con múltiple actividad de rayos reportada el 2011-03-20. Segundo grupo.

-0.5

-1 00:00

03:00

B. Variables derivadas del campo eléctrico ambiental

Maduración 06:00

12:00 Tiempo [h:m]

18:00

00:00

Figura 4. Registro de campo electrostático ambiental. Tormenta típica del 2010-12-18

La señal de campo eléctrico mostrada en la Figura 4, se caracteriza por la presencia de leves oscilaciones con polaridad positiva e inferiores a 200 / , típico en condiciones de buen tiempo. Posteriormente, a partir de las 6:00 horas, la amplitud de campo eléctrico sufre un incremento, tomando magnitudes inferiores a 1 / con polaridad positiva y de forma oscilante. Este incremento es probable que se deba al efecto topográfico ejercido por la alta montaña en la medición del campo eléctrico tal como lo propone Aranguren [28], también

El comportamiento de las tormentas eléctricas mediante mediciones del campo electrostático ambiental, se logró establecer para ambos grupo de análisis mediante una serie de variables derivadas de dicha medición, las cuales reflejan el comportamiento espacial y temporal de la actividad de tormentas sobre la ciudad de Medellín. Dichas variables se resumen a continuación. 1) Campo eléctrico previo a su variación rápida Para todas las variaciones rápidas del primer y segundo grupo, se encontró que aproximadamente el 70 % de dichas variaciones, fueron precedidas por umbrales de campo eléctrico

Porcentaje acumulado [%]

con polaridad negativa tal como se muestra en la Figura 7. Además, el 90 % de todas las variaciones rápidas fueron precedidas por umbrales mayores a ± 2 / . Este indicador resulta clave para el ajuste de los parámetros empleados en la activación de alarmas tempranas.

ΔE =

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -25

-20

-15 -10 -5 0 5 10 15 Campo eléctrico previo a su variación instantánea [kV/m]

20

25

Figura 7. Distribución acumulada del umbral de campo eléctrico previo a su variación abrupta: Primer grupo (línea roja), segundo grupo (línea negra).

2) Tasa máxima de ocurrencia de variaciones rápidas/min

7 6 5 4 3 2

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

1 0 60

120

180 240 300 360 Tiempo actividad atmosférica [min]

420

480

2

4

6

8 10 12 14 Distancia de impacto [km]

16

18

20

540

Figura 8. Máxima ocurrencia de variaciones rápidas/min primer grupo

De forma similar, para los 10 registros del segundo grupo, se encontraron dos ventanas de tiempo con fuerte actividad de rayos. La primera, registró en promedio 2 / en la primera media hora. Posteriormente alcanzó 4 / llegando a su etapa de maduración en la primera hora de actividad. Finalmente, en la etapa de disipación, las variaciones instantáneas no superaron una frecuencia de 2 / .

Para la segunda actividad, se registró en promedio 2 / durante la primera media hora, aumentando gradualmente hasta llegar en los siguientes 30 minutos a 6 / , y finalizando con 2 / . En ambos grupo de análisis, la máxima cantidad de variaciones instantáneas se presentaron en la primera hora de evolución de la actividad atmosférica. 3) Relación

(1)

Por lo anterior, se diseño un algoritmo capaz de calcular cada variación rápida del campo eléctrico ΔE, y la respectiva distancia de impacto del rayo D al punto de medición sobre los 20 episodios de campo eléctrico registrados. El resultado de la relación ΔE &/' (, se muestra en la curva de la Figura 9, la cual se obtuvo mediante una suavización lineal localmente ponderada de los datos.

8

0



2∆QH 4πε (H + D )$/

De la expresión 1, H representa la altura de la carga puntual y D es la distancia horizontal entre el punto de medición y la carga puntual ∆% . En esta expresión, se observa que la amplitud de es directamente proporcional al valor de ∆%, y disminuye en función de la distancia D entre ∆% y el punto de medida en forma cúbica, lo cual implica una mayor dependencia de con la distancia de impacto D.

DE [kV/m]

Como un indicador asociado a la intensidad de la actividad atmosférica sobre la ciudad de Medellín, se registró en el primer grupo de análisis un promedio de 2 / en los primeros 30 minutos una vez iniciada la actividad de rayos, aumentando a 8 / en la siguiente media hora, alcanzando el estado de maduración. Posteriormente la actividad decrece hasta generar menos de 2 variaciones por minuto en la siguiente hora tal como se muestra en la Figura 8. Cantidad máxima de variaciones instantáneas/min

investigación la relación v/s D, se utilizó como un indicador de relación de proximidad de las tormentas eléctricas al punto de medición, tal como lo propuso Wilson con el modelo de carga puntual expresado por la Ecuación 1.

y distancia de impacto del rayo D

Investigaciones realizadas en torno a las variaciones abruptas del campo electrostático ∆ y la respectiva distancia de impacto del rayo al punto de medición D, han contribuido en la cuantificación de la carga eléctrica neutralizada, al igual que la ubicación y cálculo de los momentos de carga eléctrica al interior de las nubes [16][22][27]. No obstante, en esta

Figura 9. Curva de ajuste entre

y la respectiva distancia de impacto.

En la Figura 9, se aprecia que impactos de rayos ocurridos en un radio inferior a 4 desde el punto de medición, generan variaciones instantáneas del campo eléctrico alrededor de 5 / . A su vez, distancias entre 5 ) 10 , las variaciones rápidas oscilan entre 4.5 / ) 3 / . Y para impactos ocurridos a distancias superiores de 15 , las variaciones rápidas tienden a concentrarse en valores inferiores a 1 / . La curva hallada, representa un estimativo de proximidad de las tormentas en Medellín al molino de campo eléctrico, y cuyo ajuste servirá como parámetro de entrada en los criterios de emisión de alarmas preventivas. IV.

CARACTERIZACIÓN DE LAS CELDAS DE TORMENTA EN ALTA MONTAÑA Y TERRENO PLANO EMPLEANDO EL SID.

En esta sección, se presenta una metodología de seguimiento de celdas de tormentas usando la fuente de información SID. La metodología es evaluada en dos regiones orográficamente diferentes, de tal manera que se aprecie la posible dependencia de la orografía con el desplazamiento de las celdas. Ambas regiones presentan un área de 40.000 km2. La primera de ellas cubre la ciudad de Medellín, y se caracterizada por una orografía compleja con altitud variable

entre 200 msnm a 3000 msnm tal como lo muestra la Figura 10.

Para este estudio, la metodología de seguimiento de celdas de tormenta, utiliza la técnica del centroide, la cual fue adaptada de tal manera que emplee la fuente de datos del SID tal como se describe a continuación.

Medellín

Magdalena Medio

Cordillera Occidental

Además de la técnica del centroide, otra metodología empleada para el seguimiento de la actividad atmosférica, se basa en la identificación de traslapos geográficos de celdas [5]. Esta metodología emplea radares meteorológicos y/o imágenes satelitales para estimar el área de mayor traslapo entre dos ventas consecutivas de datos, de tal manera que al cumplirse un traslapo geográfico representativo, su desplazamiento se genera mediante la unión de los centros de cada celda involucrada en el traslapo.

Figura 10. Región con orografía de alta montaña.

La segunda región está localizada cerca a la ciudad de Montería en el departamento de Córdoba, caracterizada por un sistema orográfico poro variable en altitud, hasta 300 msnm (Figura 11). Los datos utilizados en el seguimiento de la actividad atmosférica, comprenden un periodo de 4 años entre 2007 ) 2010 para la región de alta montaña, y para la zona de terreno plano, únicamente se cuenta con los datos del año 2010. Los resultados de la caracterización del desplazamiento de las celdas de tormenta, servirán como aporte al entendimiento físico de las tormentas eléctricas en regiones con orografía diferente, al igual que en el ajuste para la evaluación de criterios en la activación de alarmas.

B. Metodología de seguimiento La metodología de seguimiento, determina el lugar geográfico promedio de los impactos o descargas eléctricas, agrupadas en lapsos de tiempo fijos “∆t” cada 10 minutos. Este promedio o “Centroide”, una vez calculada su posición, la movilidad y rastreo de la actividad atmosférica se establece mediante la unión de cada centroide encontrado en dos ventanas de tiempo subsecuentes. Además, la rutina se restringe al seguimiento de la actividad atmosférica en aquellos casos donde la ocurrencia de descargas a tierra sea representativa, de tal forma que se limite el seguimiento a una . única celda detectada en la región de 40.000 De forma general, la metodología de seguimiento se describe a continuación: 1.

Cada Centroide es calculado cuando en una ventana temporal ocurre al menos 10 rayos.

2.

Con el fin de limitar el seguimiento a celdas con características aisladas, el centroide nuevamente se calcula con la información de rayos ocurridos a menos de 20 km, con base en el centroide previamente encontrado.

3.

Una vez se calcula cada Centroide en su respectiva ventana de tiempo, éstos se unen para representar el desplazamiento de la actividad atmosférica, cuya velocidad está dada por la Ecuación 2.

Departamento de Córdoba

V+, = Figura 11. Región orográficamente plana.

A. Técnicas de seguimiento de la actividad atmosférica En general, el rastreo temporal y espacial de las celdas de tormenta se lleva a cabo mediante la utilización de diversas tecnologías de información, en especial para la predicción de fenómenos atmosféricos[2][3][6]-[8]. Una de las metodologías utilizadas desde hace un par de décadas en aplicaciones de seguimiento de celdas de tormentas, es la técnica del “Centroide” [4]. Esta técnica utiliza información de radares meteorológicos y redes de detección de rayos para el rastreo espacial de las tormentas especialmente en regiones templadas.

-(x+ − x, ) + (y+ − y, ) 1 = 1, . . N )

(i = 1, . . N5 ; j



(2)

Donde 89 , )9 son las coordenadas del centroide " " calculado en el tiempo (1 + 1); 8; , ); son las coordenadas del centroide "