“Medición y caracterización de transitorios electromagnéticos en conductores eléctricos”

Abstract

El estudio de transitorios electromagnéticos (EM) producidos tanto por descargas parciales atmosféricas como por maniobras de libranzas o toma de carga de la red en sistemas eléctricos de potencia comenzó aproximadamente en 1920. Básicamente, los primeros reportes de investigación de estos fenómenos basaban sus principios en la toma de mediciones de bajo y alto voltaje para tratar de evidenciar la naturaleza impredecible de este fenómeno. Años más tarde en 1969, H. Dommel planteó una solución numérica para computadora digital basada en resolver ecuaciones diferenciales en dominio del tiempo (ecuaciones en diferencias), del modelo equivalente para plantear las variables instantáneas de voltajes y corrientes al extremo receptor de un equipo ó sistema de transmisión. Este trabajo redituó años mas tarde en uno de los programas de simulación profesional de transitorios EM más utilizados en el mundo, el EMTP.

A partir de la comercialización del EMTP han surgido un sin-número de programas de simulación de transitorios que emplean técnicas modernas de optimización numérica, pero que en esencia basan sus principios en un mismo origen, el análisis en dominio del tiempo.

Otros grupos de investigación que se dedican al área de síntesis de transitorios han concentrado sus esfuerzos en desarrollar técnicas alternativas de estudio para este interesante fenómeno como las que son basadas en el dominio de la frecuencia.

Aunque la técnica de superposición de fasores evaluados para diferentes frecuencias tiene ciertas ventajas como: 1) la inclusión directa de la dependencia frecuencial de parámetros, 2) la evaluación de ecuaciones algebraicas en lugar de diferenciales y 3) la solución de simples productos de funciones en lugar de resolver convoluciones, cada vez es menos utilizada. Probablemente el desinterés se deba en parte a la falta de una validación formal de los métodos del dominio de la frecuencia para su aplicación práctica.

Es aquí donde la técnica de la transformada numérica de Laplace presenta serias ventajas porque permite el control del error numérico en la magnitud de funciones ya que puede evaluar funciones con magnitud creciente como es el caso de los transitorios EM.

Paradójicamente, las mediciones que permitieron la identificación del fenómeno real del transitorio EM en años pasados, vuelven a ser de mucha ayuda para intentar validar las técnicas numéricas actuales de cálculo de transitorios en el dominio de la frecuencia o de simulación en el domino del tiempo.

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En este trabajo se busca la validación cualitativa formal de la técnica de síntesis y análisis de la transformada numérica de Laplace (NLT por sus siglas en Ingles, The Numerical Laplace Transform), aplicada a señales de voltaje obtenidas por mediciones en laboratorio de experimentos escalados o prototipo. Dichas mediciones fueron realizadas con un osciloscopio de fosforo digital de 1GHz de ancho de banda y velocidad de muestreo de 5 giga muestras por segundo (GS/s) con gran capacidad de almacenamiento de información, sin embargo evitando la necesidad de emplear la fuerza bruta requiriendo la máxima capacidad de muestreo del equipo mediante una buena sintonización con una ventana de datos de 10k y 1k de muestras.