Read This Article in EnglishLas distintas zonas climáticas de México dificultan el diseño de sistemas eléctricos. Un ejemplo notable es la Península de Yucatán, con su relativamente alta incidencia de descargas atmosféricas, que no solo son estacionales, sino que también pueden variar significativamente de un año a otro. Por lo tanto, la planificación para una variabilidad tan amplia domina las políticas de diseño y mantenimiento de las líneas de transmisión regionales, así como de los sistemas de puesta a tierra.
Esta contribución editada de INMR por el Dr. Carlos Ramírez Pacheco, de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), analiza cómo el Sistema de Transmisión de la Red (SRT) de México ha aplicado una estrategia de adaptación basada en el monitoreo de datos meteorológicos para garantizar la confiabilidad en esta zona económica clave.
La alta incidencia de descargas atmosféricas en líneas de transmisión es una de las causas principales de salidas de operación por falla, su impacto afecta la integridad física de las redes y la confiabilidad del suministro. Uno de los parámetros que más relevancia tiene en el análisis del desempeño de las líneas de transmisión es evidentemente la actividad atmosférica de la región en la cual se ubican, por otro lado la estimación del comportamiento de las redes de transmisión ante descargas eléctricas atmosféricas, se realiza con el procedimiento de diseño, tanto del sistema de puesta a tierra como del blindaje a través del cable de guarda de las líneas, lo anterior es realizado evaluando el impacto en la tasa de salidas de la línea por causa de rayos y mejorando el desempeño de la línea con la implementación de medidas técnicamente viables y científicamente justificadas con un conjunto de herramientas para la toma de decisiones que adicionalmente permitan soportar técnico-económicamente las medidas correctivas que se implementen.
Las descargas Atmosféricas son las causantes de la mayoría de las salidas de las líneas de transmisión de 400, 230 y 115 kV en países ubicados en la zona intertropical, estudios anteriores muestran que entre el 40% y el 70% de las fallas en los sistemas de transmisión de energía son causadas por rayos [1], una de las razones es que tradicionalmente la protección contra rayos de estas líneas han incorporado procedimientos generalizados que no consideran la zona intertropical y las variaciones de las tormentas estacionales año con año como lo muestra la figura 1 para la República Mexicana de los años 2006-2016.
Variabilidad de las descargas atmosféricas en la península de Yucatán
Se puede observar que en agosto y septiembre se concentra la mayor incidencia de descargas atmosféricas durante el año en la república mexicana, lo anterior debido a que en estos meses son los de mayor precipitación pluvial durante el año.
Adicionalmente a la información de densidad de descargas atmosféricas de la figura 1, la CFE en colaboración con el Instituto Nacional de Energías Limpias (antes IIE) desarrolló un mapa de densidad de descargas atmosféricas a tierra en un periodo que abarcó entre los años de 1983 y 1993 usando contadores de rayos tipo CIGRE con lo cual se logro el primer mapa de isodensidad de la República Mexicana (ver figura 2).
Aunque la información de la figura 2 proporciona una buena aproximación del comportamiento de las descargas atmosféricas, se observa que comparado con la figura 1, tenemos discordancias importantes en la península de Yucatán.
Debido a lo anterior en 1998 la CFE elaboró en conjunto con el INEL un mapa de isodensidad basado en los datos obtenidos de los sensores de la NASA ILS de los años 1997 a 2002, OTD de los años 1985 a 1997 y OLS de los años 1973 a 1985 resultando en el mapa de la figura 3 .
Como se puede observar en la figura 3 existe correspondencia de las zonas de alta densidad de descargas atmosféricas comparado al mapa de la figura 2, sin embargo, corresponden a periodos de tiempo promedios durante varios años y hay una variabilidad debido a que los sensores ILS, OTD y OTS consideran también descargas intranube y de nube a nube.
Una mejor aproximación al mapa de la figura 3 es el mapa creado por la compañía colombiana Keraunos con la red LINET en el año de 2019 como se muestra en la figura 4.
La figura 4 muestra correspondencia con el mapa de la figura 3 para datos concentrados anuales y considerando descargas de nube a tierra, intranube y nube a nube en la península de Yucatán.
En el 2005 la Gerencia de Ingeniería Civil (GEIC) dependiente de la CFE instaló en la península de Yucatán un sistema de detección de descargas atmosféricas basado en sensores de campo los cuales proporcionaron información muy valiosa para el análisis de la distribución de descargas atmosféricas en la península de Yucatán las figuras 5 y 6 muestran las descargas atmosféricas usando este sistema de detección en el periodo de 2008 a 2011 para el mes de agosto y septiembre respectivamente.
Se puede observar que los periodos de máxima actividad atmosférica (agosto y septiembre) varía en los años del 2008 al 2011, en el año 2011 se presenta la máxima densidad de descargas atmosféricas comparado a los años previos demostrando que el uso de un mapa de densidades de rayo con datos concentrados en un periodo de años no es muy confiable en la planeación del diseño y mantenimiento de la red eléctrica.
Relación entre la variabilidad de la distribución de la densidad de descargas atmosféricas y la salida de líneas de transmisión en la península de Yucatán
El sistema eléctrico en la península de Yucatán consta de líneas de transmisión y subtransmisión de 400, 230 y 115 kV, debido a los grandes centros de consumo, medios de transporte y la actividad turística, la confiabilidad debe ser asegurada, uno de los mayores retos para lograr esto es la protección del sistema de transmisión contra descargas atmosféricas debido a que como se discutió anteriormente y como se puede ver en la figura 7 [6], dichas líneas de transmisión recorren trayectos con una alta densidad atmosférica y zonas difíciles de acceder al estar directamente en zonas de jungla.
El comportamiento de las salidas por descargas atmosféricas (línea roja) de líneas de transmisión en la península de Yucatán se puede observar en la figura 8 para el periodo de 2001 al 2011.
Como se puede observar en las figuras 5 y 6 existe una correspondencia de aumento en los años de 2010 y 2011 de densidad de descargas atmosféricas con el número de salidas de líneas de transmisión en la península de Yucatán para esos mismos años. Datos más recientes de salida de líneas de para todo el territorio nacional en líneas de transmisión de 400, 230 y 115 kV (ver figura 9) [7,8], muestran que en los últimos años la causa principal continúa siendo fallas por descargas atmosféricas.
Evaluación del comportamiento de la incidencia de descargas atmosféricas usando un sistema de detección y localización de descargas atmosféricas con sensores de campo
Debido a la problemática analizada anteriormente, en el año 2014 comenzó el proyecto para la instalación de una red de sensores de descargas atmosféricas (Lightning Location System) de la compañía Nowcast [9], la cual permite el análisis de los parámetros de rayos y su localización, la figura 10 muestra la localización de los sensores en la Península de Yucatán.
La configuración de los sensores instalados en subestaciones de la red eléctrica de la Península de Yucatán permite una cobertura del 100 %, el sistema LLS basa su visualización de descargas en una plataforma web con información de estampa de tiempo y parámetros del rayo como se muestra en la figura 11.
Adicionalmente al sistema LLS se instaló en diferentes líneas de transmisión un sistema I3CM [10] para la visualización de transitorios electromagnéticos y descargas atmosféricas sincronizando información y tiempo con GPS y software propietario, el sistema tanto para el área central como para el área peninsular estuvo funcional hasta agosto del 2020 dando valiosos resultados para el análisis del comportamiento de las descargas atmosféricas sus parámetros y su distribución en las áreas de cobertura así como el análisis de fallas.
Uso de datos del sistema LLS para el mejoramiento de la confiablidad de las líneas de transmisión en la península de Yucatán
Uno de los resultados más importantes del uso del sistema LLS e I3CM fue el análisis histórico de fallas y su distribución a lo largo de líneas de transmisión, un ejemplo se muestra en la figura 12, donde se muestra una línea monitoreada de 230 kV la cual tiene una longitud aproximada de 235 km y cuenta con la peculiaridad de pasar por zonas difícilmente accesibles y con una alta densidad de descargas atmosféricas como se discutió anteriormente.
Como se puede observar en la figura 12 a lo largo de la línea existen zonas de alta incidencia de descargas atmosféricas como en las zonas cercanas a la subestación Ticul (parte superior), así mismo a esas zonas le corresponde una alta salida por descargas atmosféricas, con la información anterior se procede mediante análisis de los datos en programas de mantenimientos posteriores a mejorar el blindaje de la línea y la colocación selectiva de apartarrayos así como el mejoramiento de los sistemas de tierra.
Another important outcome from using the LLS and I3CM systems has involved the ability to identify and analyze shielding failures. The shaded area in Fig. 13 for example shows the event of a broken overhead shield wire which coincided with an area of high lightning density on the line. Because it was confirmed that this incident was caused by atmospheric discharges, analysis was carried out to avoid recurrence by improving the shielding and grounding systems.
Otro análisis importante usando el sistema LLS e I3CM es el análisis de fallas de blindaje, en la figura 13 se observa el sombreado el evento de rotura de un cable de guarda el cual coincide con una zona de alta densidad de rayos sobre la línea de transmisión, debido a que este caso fue confirmado como causado por descarga atmosférica, se realizó el análisis para evitar la recurrencia del evento y mejorar las características del blindaje y sistemas de tierra
Un análisis similar de falla causada por descarga atmosférica es el realizado usando la interfaz web de NOWCAST como se puede observar en la figura 14, en donde se detectó una falla en una línea de transmisión de 115 kV en la ciudad de Cancún coincidiendo con una descarga atmosférica de considerable magnitud (173 kA) y que ocasionó una falla de aislamiento múltiple en una torre multicircuitos, en este caso también se procede a realizar modificaciones al blindaje de la línea, y por estar en una zona urbana también a revisar los sistemas de tierra y al estudio de la colocación selectiva de apartarrayos.
Discusión
El análisis relativo a la variabilidad de la distribución de la densidad de descargas atmosféricas en la península de Yucatán impone para el operador de la red eléctrica (CFE) retos importantes para el mejoramiento en el blindaje de las líneas de transmisión y la colocación de apartarrayos de manera selectiva observando los datos disponibles del sistema LLS. Una consideración adicional a lo anterior es el análisis de los sistemas de tierra a lo largo de la trayectoria de las líneas debido a que el tipo de suelo en la mayor parte de la península de Yucatán tiene una historia de formación de millones de años [11], la figura 15 muestra que la planicie es un suelo del tipo Kárstico, es decir, en su mayor parte compuesto de piedra caliza lo que lo hace altamente permeable al agua y de una alta resistividad.
La composición del suelo hace que también los sistemas de tierras a lo largo de la línea sean selectivos debido al costo de inversión que se tiene que realizar para el mejoramiento de la resistividad con agregados químicos cada año, (ver figura 16), lo anterior se logra también observando la variabilidad de la densidad de descargas atmosféricas en el trayecto de la línea.
Como se ha demostrado con la discusión anterior, la forma en la que varía la densidad de las descargas en la península de Yucatán depende de las condiciones de formación de nubes de tormentas en la temporada de lluvia la cual no es la misma año tras año, con la observación de los datos del sistema LLS y los datos históricos de salida de líneas se puede observar de manera empírica que existe una fuerte correlación entre la actividad solar y la densidad de descargas atmosféricas en la península de Yucatán en especial en los años de 2001, 2011 y 2015 como se observa en la figura 17.
Aunque se ha estudiado el efecto de la actividad solar en la formación de nubes, lo anterior por supuesto, no explica de manera conclusiva la variabilidad y distribución de las descargas atmosféricas en la península de Yucatán debido a la influencia de otros factores ambientales y sociales.
Conclusiones
En este trabajo se ha realizado un análisis de las causas de la variabilidad de la densidad de descarga atmosféricas en la península de Yucatán y como ésta afecta la confiabilidad de la operación de las líneas de transmisión. Se puede afirmar que no es recomendable realizar el diseño y mantenimiento de la red eléctrica en información de densidades de descargas atmosféricas basado en un mapa con datos concentrados en un periodo de tiempo, si no que debe observarse de manera histórica, año con año y mes con mes con la ayuda de un sistema de detección descargas y con la observación de los parámetros de las mismas, lo anterior para optimizar los recursos en la aplicación de blindaje de las líneas, sistemas de tierras y aplicación selectiva de apartarrayos. Por otro lado, como se mencionó anteriormente, la causa de la variación de las densidades de rayos en la península de Yucatán puede tener en parte su origen en la actividad solar, sin embargo, lo anterior no es conclusivo y son necesarios más estudios futuros enfocados en redes eléctricas, descargas atmosféricas y el análisis de datos históricos que abarquen periodos de coincidentes con los ciclos solares.
Referencias
[1] Ju-Feng Wang, Dong Wu, “Development of an arc extinguishing lightning protection gap for 35 kV overhead power lines, IET Generation, Transmission & Distribution, 11:11, 2017
[2] Diana Arlette Cordero Devesa, Martín Jimenez Espinoza, Actividad 4-1: Actualización de capas de índice de peligro y riesgo del ANR por ondas cálidas y odas gélidas, CENAPRED, 2021
[3] CFE, IIE. (1993). Proyecto para la determinación de Isolíneas de densidad de descargas de rayos a tierra. Cuernavaca, Morelos: IIE. Comisión Federal de Electricidad. (1986).
[4] C. Ramirez, G.E. Harper, “Improvements to the Protection of Overhead Transmission Lines Using Lightning Detection System in the Mexican Yucatan Peninsula”, International Colloquium on Lightning and Power Systems, Lyon France, 2014
[5] Alberto Braulio Alzate Duque, Tesis de Maestría, “Análisis de la Confiabilidad de Líneas de Transmisión Multicircuito Mayores a 115 kV en Zonas de Alta Incidencia de Descargas Eléctricas Atmosféricas”, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla BUAP, México 2020
[6] CENACE, Diagramas Unifilares del Sistema Eléctrico Nacional 2023-2028, Programa de Ampliación y Modernización 2023.2037, Centro Nacional de Control de la Energía, diciembre 2023
[7] Eduardo Mestizo Sánchez, Tesis de Maestría, “Mantenimiento Predictivo de Líneas de Transmisión con el Uso de Equipos de Onda Viajera”, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla BUAP, México 2022
[8] Gerencia de Líneas de Transmisión CFE, “Estadística de Salidas de Transmisión”, Archivo Gerencia de Líneas de Transmisión, CDMX, 2010-2020.
[9] Holler Harmut, Betz Hans Dieter, Finke Ullrich, Schmidt Kersten, “Lightning Detection”, Atmospheric Physics, Research Topics in Aerospace, ISBN 978-3-642-30182-7. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012, p. 331
[10] T Sadovic, S Sadovic, O. Hadžić, V. Pantić, “Expert System for Transmission Line Lightning Performance Determination”, CIGRE C4 Colloquium on Power Quality and Lightning, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 2012
[11] Ella Vázquez Domínguez, Héctor T. Arita, “The Yucatán Península: biogeographical history 65 million years in the making”, Ecography 33: 212-219, 2010
[12] Francisco Bautista, J. Alfred Zinck, “Construction of an Yucatec Maya Soil classification and comparison with the WEB framework”, Journal of Ethnobiology and Ethnomedicine”, 6:7, 2010
[13] Space Weather Prediction Center, NOAA, https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression
[14] Brian A Tinsley, “Solar Activity, Weather, and Climate: The Elusive Connection”, Bulleting of the American Meteorological Society, 104:12, pp E2171-E2191, 2023
