5Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-340155Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónModelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitorios asociados a descargas atmosféricas sobre líneas de transmisiónRecibido (08/07/21), Aceptado (10/08/21) Resumen: Este trabajo tiene como propósito presentar un modelo conformado por una metodología basada en la Electromagnética computacional y el Análisis vectorial, desarrollado con la nalidad de aportar soluciones al problema del estudio de los transitorios electromagnéticos debidos a descargas atmosféricas o rayos sobre líneas de transmisión. La metodología consiste en la aplicación en conjunto del modelo electromagnético de las ecuaciones de Maxwell-Heaviside para describir la propagación de onda electromagnética generada por el rayo, el método de diferencia nita en el dominio del tiempo (FDTD) con condiciones de fronteras absorbentes de Liao (ABC-Liao) para obtener las magnitudes de los campos eléctricos y magnéticos irradiados; como también el acople del campo electromagnético con la línea por medio del modelo del conductor delgado (TWM) para así obtener las magnitudes de las subidas de tensión y corriente que se generan. En este sentido se implementa un código computacional en MATLAB basado en dicha metodología para simular ciertos casos relacionados con impactos directos e indirectos de rayos sobre torres y líneas de transmisión. Además, se estimó a través de comparaciones hechas con el modelo hibrido electromagnético (HEM) que la herramienta computacional creada es un recurso adecuado para el análisis de transitorios en sistemas de transmisión de energía eléctrica.Palabras Clave: Descargas atmosféricas, Ecuaciones de Maxwell-Heaviside, FDTD, ABC-Liao, Thin-Wire Model, Líneas de transmisión.Electromagnetic model for the study of transitory phenomena associated with atmospheric discharges on transmission lines Abstract: e analysis of a research work developed in the company C.V.G CARBONORCA of Venezuela is presented, which has two gas purication plants for the cooking area, designed to purify the gas that comes from the cooking ovens. Each plant is made up of solenoid valves, pneumatic valves, transmitters, process mimic panel and a supervisory system. All these elements are governed by a SIEMENS S5-115U PLC which is in a state of obsolescence, which is why the replacement of these automata by ALLEN BRADLEY ContolLogix automata was designed, in order to guarantee continuity in operations in plant. e research was done with a descriptive design of the eld experimental type. A code for each gas treatment plant was obtained in RSLOGIX 5000 v17.00.00 and the update of the database of the supervisory system. e operation of the program was also veried through a simulation of the plant in a supervisory system, the deployment of which was designed for this purpose.Keywords: Automation, Modernization, ControlLogix, Supervisory System, Mimic PanelOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosJuan Toledo https://orcid.org/0000-0002-0327-3050Toledo.juan@gmail.comCORPOELECEdo. Bolívar, VenezuelaATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419DOI: 10.47460/athenea.V2I5.22Adrián Olivo https://orcid.org/0000-0003-0676-7619aolivo@unexpo.edu.veDpto. de Matemáticas. Dirección de Investigación y Postgrado, UNEXPO, Vice Rectorado Puerto OrdazEstado Bolívar, Venezuela.
6Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-340166Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónI.INTRODUCCIÓNLos investigadores del efecto electromagnético causado por rayos sobre líneas de transmisión coinciden que uno de los fenómenos que más afecta negativamente a los sistemas de distribución de energía son las subidas de tensión y corriente debidas a descargas atmosféricas que impactan de forma directa o indirecta sobre torres y líneas de transmisión aéreas. Este problema se ha tratado en diversos estudios que arrojan conclusiones generales como: 1. La etapa de la descarga de retorno es la que puede producir las magnitudes más altas en las subidas de tensión y corriente. 2. Se asume una distribución espacial y temporal de la corriente del rayo a lo largo del canal y 3. Se necesita plantear matemáticamente el mecanismo de acople del campo electromagnético producido por la descarga de retorno con la línea. Dentro de los estudios pioneros que destacan son los realizados por Uman, Mclain y Krider [1], Agrawal, Price & Gurbaxani [2], Nucci et. al. [3] y Thottappillil & Uman [4], que arro-jan resultados relacionados con el cálculo del campo electromagnético irradiado por el rayo y comparaciones entre modelos de descarga y técnicas de acople del campo electromagnético con la línea, respectivamente. Estos representan una metodología simplificada para el estudio del fenómeno y limitada al modelo transversal eléctrico (MTE) y transversal magnético (MTM) de la onda, que son características propias de modelos de ingeniería y de línea de transmisión. Por lo tanto, se propone una metodología físico-matemática de onda completa MAXWE-LL-FDTD-TWM desarrollada por varios investigadores de la electromagnética computacional como Yee [5], Taflove & Hagness [6], Elsherbeni & Demir [7], y otros que han aplicado esta metodología en el campo de la ingeniería como Silva [8], Noda & Yokoyama [9], Chamié Filho [10], Jiménez [11], entre otros. Con base a esto, se desarrollará un algoritmo computacional a través del cual se realizarán simulaciones relacionadas con los transitorios electromagnéticos generados por rayos sobre torres y líneas de transmisión de energía.En consecuencia, este trabajo se divide en la forma siguiente: en la sección II: Formulación del modelo del canal de descarga del rayo, sección III: Discretización espacio-temporal de las ecuaciones de Maxwell-Heaviside, sección IV: Aplicación de ABC-Liao, sección V: Formulación TWM, VI: Flujograma para el cálculo de tensión y corriente, sección VII: Criterio de estabilidad FDTD-TWM, sección VIII: Simulaciones y Resultados, sección IX: Conclusiones y sección X: Referencias. II.FORMULACIÓN DEL MODELO DEL CANAL DE DESCARGA DEL RAYODentro de los modelos existentes, sin considerar la geometría real tortuosa de una descarga atmosférica nu-be-tierra, se elige el modelo electromagnético, debido a que este ofrece una aproximación más real a las medicio-nes experimentales sobre el campo electromagnético asociado a una descarga atmosférica, Visacro [12], Herrera [13] , McAfee [14] y otros. Este modelo está basado en una aproximación del canal de descarga a partir de una antena finita con pérdidas, considerando el canal recto y vertical por el cual circula la corriente de retorno I_z, como lo muestra la figura 1.Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
7Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-340177Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 1. Modelo físico de la descarga de retorno (Adaptado de [14])Cuando el rayo impacta en cierto lugar donde se ubica una estructura metálica, las ondas electromagnéticas se propagan en muy breves instantes de tiempo induciendo campos de fuerza eléctrica y magnética muy intensos que impregnan a toda la región espacial que envuelve la estructura, entonces se hace necesario conocer cómo se alteró la región utilizando el modelo matemático de las ecuaciones de Maxwell-Heaviside, las cuales describen la propagación de los campos en el espacio y tiempo.A. Ecuaciones de Maxwell-HeavisideLas ecuaciones de Maxwell-Heaviside en el dominio del tiempo, en un medio isotrópico y no dispersivo y con pérdidas, establecen que: (1) (2)DondeATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419×=−∂∂+×=∂∂+ +⃗E: Intensidad de campo eléctrico, [A] H: Intensidad de campo magnético, [A/m] J : Densidad de corriente eléctrica, [A/m2] M : Densidad de corriente magnética, [V/m2] ε=8.854x1012F/m: Permitividad eléctrica μ=4πx107H/m: Permeabilidad magnética σe: Conductividad eléctrica, [S/m] σm: Conductividad magnética, [Ω/m]
8Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-340188Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónEn las ecuaciones (1) y (2) se expanden los rotacionales de los campos eléctricos y magnéticos, e igualando respectivamente cada componente vectorial se obtiene un sistema de 3 ecuaciones diferenciales parciales (EDP) escalares para el campo eléctrico y otras 3 para el campo magnético respectivamente. (3) (4)III.DISCRETIZACIÓN ESPACIO-TEMPORAL DE ECUACIONESLos sistemas de EDP, (3) y (4) no poseen solución exacta o analítica, por lo tanto es indispensable hallar solu-ciones numéricas que aproximen los cálculos a resultados más realistas, esto se logra transformando el dominio continuo del sistema EDP en un dominio discreto a través de la celda de Yee.Yee, introduce la notación para un punto o nodo espacial de una celda cúbica y una función evaluada en ese punto discreto en un instante dado.Luego se aproximan las derivadas parciales en el espacio y tiempo que aparecen en las ecuaciones (3) y (4) utilizando diferencias finitas centrales de segundo orden:Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419E: Intensidad de campo eléctrico, [A] H: Intensidad de campo magnético, [A/m] J : Densidad de corriente eléctrica, [A/m2] M : Densidad de corriente magnética, [V/m2] ε=8.854x1012F/m: Permitividad eléctrica μ=4πx107H/m: Permeabilidad magnética σe: Conductividad eléctrica, [S/m] σm: Conductividad magnética, [Ω/m] (,,,)=(∆,∆,∆)∆,∆,∆,∆=,,∆,∆,∆,∆+12,,12,,∆
9Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-340199Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosLos campos eléctricos se calculan en posiciones enteras del espacio (n∆x), mientras que los campos magnéticos en posiciones intermedias (n∆x/2) Adicionalmente el campo magnético se calcula en instantes medios de tiempo , mientras que el campo eléctrico lo hace en instantes enteros 0,∆t,2∆t,…,n∆t.El algoritmo de Yee a través del método FDTD divide una región del espacio en una grilla espacial, llamada celda de Yee, en la cual los campos eléctrico y magnético se ubican en posiciones discretas, como lo ilustra la figura 2.Fig. 2. Celda de Yee en coordenadas rectangularesPartiendo del conjunto de ecuaciones (3), se hace y , debido a que la onda electromagnética generada por el rayo se propaga en el espacio libre. Aplicando diferencias finitas centrales en los puntos de la cara de la celda de Yee correspondiente, se obtiene la discretización en diferencias de la componentes del campo magnético y se despeja los términos: que permiten calcular el avance del campo magnético en el espacio y el tiempo. (5)ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419∆,∆,∆,∆+,,,,∆12∆,32∆,…,+12∆=0=0Hxn+, Hyn+,Hzn+
10Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011010Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producción (6) (7)Con: Considerando el conjunto de ecuaciones (4), aplicando diferencias finitas centrales en los puntos de la cara de la celda de Yee correspondiente, se obtiene la discretización en diferencia finita de las componentes del campo eléctrico y se despejan los términos: respectivamente.Con:Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419=∆Exn+1, Eyn+1,Ezn+1∂∂=1∂∂∂∂−− =+12,,+1+12,,++12,,2
11Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011111Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitorios (8)Con: (9)Con:ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419∂∂=1∂∂∂∂−− =,+,,,,,,,+12,,+12+,,+122
12Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011212Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producción (10)Con:IV.APLICACIÓN DE CONDICIONES DE FRONTERA ABSORBENTES DE LIAOEl método FDTD proporciona soluciones en un dominio de simulación ilimitado, para limitar la región de simulación se hace necesario introducir condiciones de fronteras absorbentes (ABC) que acotan la región, además de evitar reflexiones espurias de las ondas que contaminen el cálculo de los campos.El fin de aplicar una ABC consiste en envolver el contorno del dominio del problema con un medio sin re-flexiones, de tal manera que se busca:Para ello, se aplica la ABC-Liao, ya que se ha demostrado que es la que mejor resultados aporta a un menor costo computacional. Dado un punto en la frontera (NDX, t) del dominio. Es importante conocer el valor del campo desconocido en la frontera u(NDX+1,t+1) del dominio de simulación, a través de valores anteriores del mismo, como lo ilustra la figura 3, con la ecuación:Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419=2−∆2+∆ =2∆2+∆ +1,+1=0,+1−1,−1+2−2,−2++−,−+1,+1=0,+1−1,−1+2−2,−2++−,−
13Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011313Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 3. Onda unidimensional u(x,t) propagandose a una velocidad constante V_p. (Adaptada de Jiménez [11])Utilizando la expresión anterior y aplicando la fórmula del coeficiente binomial de Newton para determinar los coeficientes A0,A1,A2,…,An se obtiene:(ABC-Liao de segundo orden)V.FORMULACIÓN DEL MODELO DEL CONDUCTOR DELGADO (TWM)El modelo de conductor delgado consiste en el cálculo tanto de los campos electromagnéticos como de co-rrientes y tensiones por medio de un método numérico como el FDTD. En este sentido, un conductor delgado es definido como un hilo cuyo radio es menor que el tamaño de la celda de simulación modelada. En este método, los campos eléctricos a lo largo de la línea son llevados a cero y los parámetros de permitividad ( ) y permeabilidad (μ) alrededor del conductor, se van actualizando de manera diferente que el resto del espacio de simulación, como se ilustra en la figura 4.Fig. 4. Configuración de conductores a través de TWMATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419+1,+1=2,−1−1,−1
14Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011414Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónSe introduce para ello, un radio intrínseco r0 , para el cual la distribución del campo eléctrico y magnético al-rededor del conductor de radio r0 es igual a la de un conductor real de radio r a través de la capacitancia de estos, obteniéndose cierta constante m que es el factor utilizado para actualizar los valores de los campos eléctricos y magnéticos mediante los nuevos parámetros eléctricos del conductor, como lo muestra la figura 5.Fig. 5. Reconfiguración del campo electromagnético en torno al conductor delgadoA. Ecuaciones del Modelo del Conductor DelgadoAl emplear el teorema de Stokes en electromagnetismo se obtienen la Ley de Faraday y Amper en su forma integral:ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419=ln10.23ln∆0=ln∆0ln10.23=10.23∆0∫.=∬×. (  )∮.=−∬. (  )∮.=∬.+∬. (  é) Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitorios
15Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011515Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosAl aplicar la ley de Faraday sobre el contorno que encierra el área adyacente al conductor delgado, cuyo centro coincide con la circunvalación de una espira amperiana de las componentes del campo magnético, como lo señala la figura 6. Fig. 6. Configuración del conductor delgado para la ley de Faraday (Adaptada de Jiménez [11])Se obtienen las componentes del campo magnético en función de los nuevos parámetros eléctricos actualiza-dos:B. Cálculo de Tensión y Corriente en el SistemaEl cálculo de tensión y corriente en una determinada región de simulación requiere de la integración de los campos eléctricos y magnéticos en los puntos de interés. En un espacio discretizado, las integraciones son susti-tuidas por sumatorias conforme a las siguientes ecuaciones, según el sentido de integración. ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
16Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011616Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónEl cálculo de tensión y corriente se realiza a través de una línea de transmisión virtual acoplada mediante la técnica FDTD-TWMVI.FLUJOGRAMA DEL ALGORITMO FDTD-TWMFig. 7. Flujograma del algoritmoOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
17Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011717Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosVIICRITERIO DE ESTABILIDADPara tener resultados significativos (precisos y estables), la dimensión de la celda deberá ser una fracción de la longitud de onda . Se recomienda en general un mallado con un paso menor . Para asegurar la estabilidad del algoritmo, ∆t se obtiene aplicando el criterio de Courant-Friedrichs-Levy (CFL), que establece la condición: . Siendo: C: La velocidad de la onda en el medio.L: Longitud de la celda. ∆t: Intervalo de tiempo.El criterio de estabilidad CFL generalizado para tres dimensiones es:El factor Cf, llamado factor Courant, se utiliza para mantener razonable la cuantización del error.VIII.SIMULACIONES Y RESULTADOSCaso1: Conductor horizontal (Línea aérea)De Noda y Yokoyama [10], en la figura se observa un conductor de radio 1.5 cm y longitud 4 m sobre una placa de cobre de 10 cm de grosor, a una altura de 50 cm. El conductor horinzontal es alimentado por un gene-rador de pulsos con una resistencia interna de 50 Ω, que es conectado con el conductor horizontal mediante un conductor vertical de radio 10 mm, como lo muestra la figura 8.Fig. 8. Arreglo de conductor horizontal (Adaptado de Noda y Yokoyama [9])ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 2737641910.∆<1∆≤11∆2+∆2+∆2
18Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011818Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónParámetros de simulaciónA continuación, en las figuras 8, 9, 10, 11, 12 y 13 se muestran los resultados de las simulaciones realizadas sobre el experimentoIX.CONCLUSIONESFig. 9. Pulso de tensión de entrada medido por Noda y Yokoyama [9]Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021(pp. 0528)ISSN 27376419Espacio de simulaciónTiempo de simulación2 6 2Tensión en el conductor: ≅65 Corriente en la fuente: ≅67 Tamaño de celda∆=∆=∆=∆=0.05Onda de tensión aplicada al sistemaFunción de tensión:=+;  0 ≤;  > Amplitud: = 60 =+Tiempo de frente: =10109Tiempo de inicio: =1109Resistencia de Fuente: =50 ΩABC aplicadaFronteradeLiaodesegundoorden
19Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34011919Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 10. Tensión aproximada al pulso experimental obtenida por el autorFigura 11. Tensión al final de la línea medida por Noda y Yokoyama [9]Fig. 12. Tensión al inicio y final de la línea obtenida por el autorATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
20Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012020Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónFig. 13. Corriente en la línea medida por Noda y Yokoyama [9]Fig. 14. Corriente en la línea obtenida por el autorA. Estabilidad e Inestabilidad Numérica en FDTD-TWMAplicando la condición CFL al resultado anterior, para un factor courant: C_f=1,00025 la solución comienza a divergir para un ∆t≥35 ns, de tal manera que cumple con tal criterio lo que evidencia el buen desempeño del algoritmo implementado en FDTD, como lo señala la figura 15.Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
21Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012121Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 15. Inestabilidad en el cálculo a través de FDTD-TWMCaso II: Torre y Líneas de TransmisiónModelo de torre de transmisión sugerido por Silva [8] extraído de Thang et. al. [4]. En el sistema se consi-dera tres torres de 36 m separadas 25 m. Las tres fases son de radio r=4mm, posicionadas a una distancia de 3 m de las torres a una altura de 34.5 m, 31.5 m y 28.5 m, como lo señala la figura 16.Fig. 16. Sistema de torres adyacentesATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
22Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012222Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónParámetros de la simulaciónEn las figuras 17 a la 21 se muestran los resultados de las simulaciones realizadas sobre el caso. Se presen-tan unas comparaciones entre FDTD y el Modelo Hibrido Electromagnético (HEM) de Visacro y Soares [10], considerado más realista, debido a que utiliza técnicas analíticas considerando la tortuosidad del canal del rayo.Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419Espacio de simulaciónTamaño de celda Tiempo de simulación 66 6 50∆=∆=∆=∆=1 Corriente en el sistema: 22 minTensión en aislador: 54,55 minTensión en línea de fase: 22 minTensión en torre: 56,7 minCorriente de descarga inyectada al sistemaFuncióncorrientederetorno:Doblerampa=τ;  0 ≤τ1−2; >τAmplitud:= 1000 Tiempo de frente: =1Tiempo medio: =50Resistencia de Fuente: =110ΩResistencias de aterramientoDe torre = 20ΩDe conductor de fase = 530ΩDe pararrayos = 543,37 ΩABCaplicadaFronteradeLiaodesegundoorden
23Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012323Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 17. Corriente en el sistema: Descarga, Canal, Torre y PararrayosFig. 18. Tensión en la torre central a ∆s=2mATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
24Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012424Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónFig. 19. Tensión en la torre central a ∆s=1.5mFig. 20. Tensión en la torre central a ∆s=1mOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
25Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012525Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 21. Tensión en línea de fase a ∆s=1mFig. 22. Tensión en aislador a ∆s=1mCaso III: Tensiones inducidas en líneas de transmisiónSe estudia un modelo de tensión inducida sobre una línea de transmisión urbana presentado por Chamié Filho et. al. [10], estos sugieren la metodología definida por FDTD, ABC-UPML, Thin-Wire Model y procesos de computación paralela.ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
26Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012626Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónParámetros de la simulaciónEn las figuras 23 y 24 se muestra el resultado de la simulación sobre el caso en estudioOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419Espacio de simulaciónTamaño de celda uniformeTiempo de simulación840 50 30∆=∆=∆=∆=1 horaCorriente de descarga inyectada a la torre cilíndricaFuncióncorrientederetorno:Doblerampa=τ;  0 ≤τ1−2; >τAmplitud:= 1000 Tiempo:=1y=50ResistenciasDe Fuente: =110ΩDelíneaneutro=80ΩABCaplicadaFronteradeLiaodesegundoorden
27Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012727Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónOlivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosFig. 23. Tensiones inducidas por torre cilíndrica sobre líneas de transmisión urbanas obtenida por Cha-mié Filho et. al. [10]Fig. 24. Tensión inducida por torre cilíndrica sobre línea neutro, obtenida por el autorLa figura anterior señala la tensión inducida sobre la línea neutro, que en comparación con los resultados dados por Chamié Filho et. al. [10] son muy próximos a estos, lo cual evidencia que también esta metodología es aplicable para el caso de tensiones inducidas.Nota: Todas las simulaciones fueron realizadas con el software MATLAB en un PC con procesador AMD APU-A10 3.5 GHz 4 núcleos, 8GB de RAM en Windows 10 64 bit.X.CONCLUSIONESLa metodología empleada en conjunto por FDTD, ABC-Liao y Thin-Wire Model, resultó eficiente para el estudio de subidas de tension y corrientes asociadas a descargas atmosféricas sobre líneas de transmision; pero a un costo computacional considerable en memoria RAM para simulaciones de dominios volumetricos compu-tacionales muy grandes. Las comparaciones y validaciones hechas con resultados presentes en artículos como los dados por Noda y Yokoyama [9], Chamié Filho et. al. [10], Jiménez [11] y Silva [8], fueron útiles para la ATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419
28Tolentino S. y Caraballo S. Simulación numérica del ujo de aire.UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 21, Nº 82 Marzo 2017 (pp. 4-15)ISSN 2542-34012828Juan Segura1, Franyelit Suàrez2, Juan Casierra2 .Salomón et al., Productividad del proceso minero, mas allá de la producciónvalidación del código desarrollado en MATLAB, dejando una clara aplicabilidad de la herramienta para el cálculo de sobretensiones de origen atmosférico. Así mismo, el estudio de convergencia entre FDTD y HEM mostró en términos generales buena concordancia, sobre todo en la forma de la onda y las magnitudes obtenidas en el tiempo de subida y bajada de la misma; pero no así en los valores máximos alcanzados para un tiempo de frente de 1μs donde ocurrieron las divergencias más notables, debido a que no se pudo refinar a un tamaño menor de 1m la longitud de la celda; ya que requeriría más recursos en memoria de sistema no disponibles. Por otra parte, la ventaja practica de utilizar esta metodología, radica en que cualquier interesado en el tema puede analizar problemas de transitorios electromagnéticos en un PC de medianos recursos, desde su hogar, sin la necesidad de utilizar grandes laboratorios de electromagnética computacional ubicados en centros universitarios o empresas.REFERENCIAS[1]M. Uman, D. Mclain and P. Krider. “The Electromagnetic Radiation from a finite antenna” AJP, vol. 43, 1975. 1975.[2]A. Agrawal, H. Price and S. Gurbaxani. “Transient response of multiconductor transmission lines excited by a no uni-form electromagnetic field”. IEEE Transactions on electromagnetic compatibility, (2), 119-129. 1980.[3]C. Nucci, F. Rachidi, M. Ianoz and C. Mazzetti. “Comparison of two coupling models for lightning-induced overvoltage calculations”. IEEE Transactions on power delivery, 10(1), 330-339. 1995.[4]R. Thottappillil and M. Uman. “Comparison of lightning return‐stroke models”. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 98(D12), 22903-22914. 1993.[5]K. Yee. “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-14, no. 3, pp. 302–307, May 1966. 1966.[6]A. Taflove and S. Hagness. “Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method”. Bos-ton-London: 2005.[7]A. Elsherbeni and V. Demir. “The finite-difference time-domain method for electromagnetics with MATLAB simula-tions”. The Institution of Engineering and Technology. 2016.[8]V. Silva. “Aplicação do método FDTD para avaliação da resposta de linhas de transmissão e aterramentos elétricos frente a descargas atmosféricas”. Dissertação de Mestrado, Universidade federal de minas gerais. Belo Horizonte, Brasil. 2017.[9]T. Noda and S. Yokoyama. “Thin wire representation in finite difference time domain surge simulation”. IEEE Transac-tions on Power Delivery, 17(3), 840-847. 2002.[10]R. Chamié-Filho. Análise de tensões induzidas em linhas de distribuição de baixa tensão frente a uma descarga atmos-férica. 2009.[11]R. Jiménez. “Lightning Induced Voltages on Overhead Lines above Non-Uniform and Non-Homogeneous Ground” Doctoral dissertation, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín. 2014. [12]S. Visacro and A. Soares. “HEM: A model for simulation of lightning-related engineering problems”. IEEE Transac-tions on power delivery, 20(2), 1206-1208. 2005.[13]J. Herrera. “Nuevas aproximaciones en el cálculo de tensiones inducidas por descargas eléctricas atmosféricas”. Pro-grama de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 128 . 2006.[14]C. McAfee. “Lightning return stroke electromagnetics-time domain evaluation and application” Doctoral dissertation. 2016. [15] S. Gedney. “Introduction to the finite-difference time-domain (FDTD) method for electromagnetics”. Synthesis Lectu-res on Computational Electromagnetics, 6(1), 1-250. 2011.[16]Y. Taniguchi, Y. Baba, N. Nagaoka and A. Ametani. “An improved thin wire representation for FDTD computations”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 56(10), 3248-3252. 2008.[17]E. Soto. “Cálculo de campo electromagnético producido por rayo para terreno no plano y su efecto en las tensiones inducidas en líneas de distribución”. Tesis de Maestría, Universidad Nacional de Colombia. Manizales, Colombia. 2010. [18]D. Sullivan. “Electromagnetic simulation using the FDTD method”. John Wiley & Sons. 2013Olivo et al., Modelo electromagnético para el estudio de fenómenos transitoriosATHENEA JOURNAL IN ENGINEERING SCIENCES Vol. 2, Nº 5 September 2021 (pp. 0528)ISSN 27376419