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Los rayos, cada vez más medidos

Por estar en la zona tropical de la Tierra, Colombia es uno de los países donde más rayos caen en el mundo, lo que ha causado, en promedio, 150 muertes cada año, al tiempo que afecta seriamente el funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos.

Frente a este panorama los expertos han estado diseñando sistemas de información oportuna y programas de prevención, que contrarresten la ausencia de educación relacionada con el fenómeno de los rayos y los riesgos que comporta la presencia abundante del fenómeno.

En una investigación que analizó el comportamiento –en tiempo y frecuencia– de 509 flashes (las descargas eléctricas completas) registrados en la Sabana de Bogotá, Colombia, y en la provincia de Weligatta, Sri Lanka, Herbert Enrique Rojas, doctor en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de Colombia (UN), logró establecer un sistema novedoso de medición que puede contribuir a mejorar la protección de los sistemas eléctricos, electrónicos y de telecomunicaciones que están supeditados a la presencia de descargas eléctricas atmosféricas.

La base de datos construida en el trabajo doctoral del ingeniero Rojas permitió identificar, por ejemplo, que en Colombia algunos rayos generan campos eléctricos que se relacionan con corrientes de 40 kiloamperios o más, un indicador de magnitud importante que aporta información para diseñar sistemas de protección contra rayos.

Zonas como el Magdalena Medio, el Catatumbo o municipios como Cáceres (Antioquia), con 172 flashes por km² o El Tarra, Norte de Santander, con 138 flashes por km² son considerados como algunos de los puntos más “calientes” de actividad de rayos en Colombia. Esto es significativo si se tiene en cuenta que la media en el país está por debajo de los 40 o 50 flashes por km², y dichos puntos de alta actividad de rayos ocurren en regiones con gran accidentalidad geográfica, en los que se presenta represamiento de la nubosidad entre las cordilleras.

Ajustando el dispositivo

Una de las principales contribuciones del trabajo del ingeniero Rojas es que permite analizar mejor los rayos a partir del factor orográfico (el relieve terrestre) de donde ocurren. Este factor es uno de los tres elementos que se consideran a la hora de entender el fenómeno de las descargas eléctricas. Los otros dos son el sistema de vientos (factor meteorológico) y la presencia de minerales en el subsuelo, que es del que menos evidencia existe en las investigaciones.

Estos trabajos son relevantes porque los impactos de alta corriente pueden interrumpir la operación de redes de distribución, sistemas de comunicación, aeronaves, dispositivos eléctricos y electrónicos sensibles, y su impacto (directo o indirecto) puede ocasionar graves lesiones en los seres humanos y hasta la muerte.

El investigador estudió el espectro en frecuencia de los campos eléctricos y magnéticos radiados durante la descarga, a partir de un nuevo sistema de medición y varias etapas de procesamiento de señales. Esto permitió reducir el ruido de las mediciones por la presencia de señales de televisión, comunicaciones, radio y ruido electrónico, entre otros.

El doctor Rojas explica que el principal insumo para el procesamiento fueron los registros obtenidos a partir de dos métodos: el directo y el indirecto. Este último fue el trabajado en su investigación, por su bajo costo, los pocos requerimientos de infraestructura, y porque con apoyo del grupo de investigación EMC-UN se diseñó y construyó una estación de medición remota compuesta por sensores especiales para registrar los campos electromagnéticos de las descargas de retorno.

El investigador explica que “la medición indirecta se hace analizando los campos eléctricos y magnéticos generados durante la descarga completa (flash), gracias a la implementación de sistemas de medición remota que utilizan antenas para registrar las señales radiadas que se propagan durante la descarga. Este proceso es mucho más sencillo que la medición directa, ya que requiere de torres instrumentadas o de cohetes dirigidos hacia la nube para registrar el rayo, infraestructura con la que no se cuenta actualmente en Colombia”.

Sin embargo, estos registros de campo eléctrico y magnético siempre están distorsionados por cuenta del ruido, lo cual afecta la correcta interpretación de la forma de onda y dificultan su caracterización en el dominio del tiempo y de la frecuencia. En ese sentido, el ingeniero Rojas propuso –ante todo para mitigar el efecto del ruido– mejorar la estación de medición indirecta de rayos con la que la Universidad Nacional de Colombia trabaja hace más de 10 años, para obtener información confiable de las descargas.

La estación está ubicada en el complejo de oficinas de la Unidad Camilo Torres, a 400 m del campus de la UN Sede Bogotá. Está compuesta por tres sistemas de medición: el primero mide el componente vertical del campo eléctrico; el segundo utiliza un arreglo de loops para medir las componentes perpendiculares del campo magnético, y el tercero es un molino de campo que mide el campo eléctrico ambiental.

Sistema rediseñado

Aunque para la medición del campo eléctrico se utilizó la misma antena de placas paralelas usada en el primer prototipo de 2006, se diseñó, construyó y validó un nuevo circuito electrónico que reemplaza el circuito típico usado desde hace 35 años, y además se modificó la configuración de los cables coaxiales y se emplearon equipos de adquisición y registro con mayor capacidad.

El nuevo circuito se validó con un sistema patrón en la Universidad de Colombo, en Sri Lanka, donde el investigador realizó su pasantía doctoral. “Hice una validación experimental con más de 2000 flashes, y mostré que el nuevo circuito no distorsionaba las formas de onda, no agregaba ruido adicional a las señales y podía medir en un rango de distancia más amplio, además de tener un menor consumo de energía y un menor tamaño físico que su antecesor”, dice el ingeniero.

“En cuanto a las técnicas de procesamiento desarrolladas durante el doctorado, estas se basan en teorías muy usadas en el ámbito de la física y la matemática, pero de muy escasa aplicación en lo que respecta a la ingeniería y, de manera particular, a la ingeniería eléctrica. Fue ahí donde vimos que con el trabajo doctoral se podía hacer un aporte tanto a la investigación en rayos, como a la ingeniería en general. Hoy estamos usando las técnicas de procesamiento que desarrolló Herbert en su investigación, no solo en el estudio y análisis de rayos, sino, por ejemplo, para analizar descargas parciales en transformadores y en otros equipos eléctricos de uso común en los sistemas eléctricos de potencia”, explica Camilo Andrés Cortés, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica y director de esta investigación.

Así mismo, el profesor Cortés resalta que este es el primer estudio que se realiza con un número tan importante de registros (más de 300 flashes y 500 return strokes, descargas atmosféricas, negativas) en una región tropical con condiciones montañosas, pues la investigación se realizó con señales capturadas en la Sabana de Bogotá con una altitud promedio de 2.550 msnm, y en un radio de al menos 200 km.

Una medición inédita

Según el doctor Rojas, el único estudio realizado antes de su investigación en una zona montañosa se hizo en China, a 1.900 msnm, pero el centro de estudio estaba ubicado en una región que se encuentra fuera de la zona tropical del planeta.

Además de una caracterización estadística general de los flashes nube-tierra, y teniendo en cuenta que las señales de campo eléctrico cambian en función de la distancia de impacto del rayo, durante el doctorado se pudo hacer una discriminación de los parámetros temporales y espectrales de las return strokes en función de varios rangos de distancia (cercano, intermedio y lejano). Para establecer la distancia de impacto se empleó la información facilitada por Keraunos S.A.S., empresa que administra la red colombiana de detección de rayos.

El doctor Rojas comenta que “algunas de las zonas donde se localizaron los flashes estudiados fueron Cundinamarca, una parte del Meta, Boyacá, Antioquia y Tolima. A partir de esta localización nos dimos cuenta de que la mayoría de las descargas registradas estaban ubicadas hacia la izquierda y centro de la cordillera Oriental, y en dirección hacia el Pacífico, ya que los accidentes geográficos actúan como una pantalla que evita la propagación de los campos eléctricos a través de las montañas”.

A partir de las campañas de medición y del procesamiento (filtrado y análisis de frecuencia instantánea) de 329 flashes capturados en Colombia y 180 flashes medidos en Sri Lanka, más el análisis de 1.385 return strokes capturadas en el rango de 0 a 250 km, se realizaron comparaciones entre los resultados obtenidos en esta investigación y otros estudios conducidos en diferentes regiones del mundo.

Durante esta actividad se evidenció que aunque la Sabana de Bogotá se encuentra localizada en una latitud cerca de la línea del Ecuador, los flashes y las return strokes poseen características diferentes a las reportadas en las regiones tropicales, debido en parte a la influencia de las montañas donde reposa y a sus condiciones climáticas, las cuales son diferentes a las que presentan otros países que están sobre el trópico, como Malasia, Singapur, Indonesia y Sri Lanka.

Más medidas más protección

El doctor Rojas Agrega que una de las conclusiones más importantes es que la altitud y la geografía afectan el número de return strokes. En este caso, los estudios de todo el mundo muestran que los flashes múltiples presentan en promedio entre 4 y 5 descargas individuales, mientras que la Sabana de Bogotá presenta un promedio entre 2 y 3 descargas individuales por flash, lo que significa que las condiciones para que se presenten múltiples strokes (strokes subsecuentes) en un flash son mucho más “hostiles” en la región montañosa que en otras partes del mundo.

Sobre la magnitud de los rayos, el profesor Rojas comenta que “las mediciones de campo eléctrico nos hacen creer que la corriente promedio de un rayo en la región estudiada puede alcanzar hasta 35 kiloamperios (kA) o más, lo cual es relevante si se tiene en cuenta que el valor promedio que se usa en el diseño de sistemas de protección contra rayos es de 20 kA o inferior. Esto concuerda con algunas afirmaciones hechas por investigadores de Keraunos S.A.S., quienes han reportado corrientes hasta de 42 kiloamperios”.

Estos parámetros son importantes porque permiten diseñar sistemas de protección adaptados para Colombia que minimicen pérdidas humanas, las cuales, según una investigación realizada por esta misma empresa, alcanzaron un acumulado total de 1.173 muertes por rayos en el periodo 1997-2014. Esto significa una ocurrencia superior a la de la mayoría de los países del mundo

La investigación del ingeniero Rojas, en definitiva, es un avance en la tecnología para medir y “tomar medidas” contra el impacto de los rayos.

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