MATERIAL TENSIOACTIVO PARA SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
La presente invención se refiere a una composición de material tensioactivo para sistemas de puesta tierra, Ia cual se caracteriza en sus componentes por una mayor proporción de material aglutinante, el cual puede variar entre en 50 y un 80% y en donde el resto de la composición está entre un 20 y un 50% caracterizada por una mezcla de óxidos, sulfatos e hidróxidos que producen el efecto tensioactivo.
Los sistemas de puesta a tierra cumplen varios objetivos, ya sea estableciendo un medio de balance para las corrientes de desbalance, ya sea también estableciendo una referencia de energía eléctrica potencial interna o externa captable por el sistema eléctrico, o también para establecer un medio de transporte de cargas electrostáticas inducidas en las estructuras metálicas de dichas instalaciones.
Por lo general estos sistemas de puesta a tierra se basan en una instalación a manera de un pozo que lleva un elemento metálico altamente conductor (cobre) y una composición o material tensioactivo, en donde dicho elemento metálico conductor va empotrado en un bloque de madera configurando el suelo artificial a manera de un condensador axial.
Cuando se trabaja con suelos con características como:
Baja capacidad de retención de agua; baja saturación de sodio y sales; baja capacidad de polarización; tendencia alcalina y arcillosa; mala conductividad y almacenamiento de energía no relevante,
Los sistemas de puesta tierra tradicionales ante una descarga de 50 KA en 100 microsegundos como ejemplo,
son propensos a presentar choques térmicos que calientan la superficie de contacto, por Io que la tierra, queda aislada transitoriamente hasta volver a saturarse de agua; esto es debido a que entre el suelo y el cobre se presenta el fenómeno llamado doble capa, que produce la corrosión catódica, haciendo que el suelo se comporte como un divisor de control volumétrico/resistivo .
Con el fin de solucionar estas diferencias se ha intentado mejorar los sistemas de puesta a tierra, por medio de la adición de sales y sustancias de menor resistividad , pero se ha demostrado que estas sustancias no son útiles y que algunas al alcanzar temperaturas superiores a 60°C cambian su estructura molecular.
En general las composiciones o materiales tensioactivos usados tradicionalmente solo logran controlar la energía eléctrica en desbalance por conversión de calor, pero el material propuesto logra además, dominar la energía, pues la composición tensioactiva propuesta hace posible que la energía eléctrica estacionaria se almacene conformando un condensador.
Además esta composición tensioactiva hace que la energía distribuida en el pozo del sistema de puesta a tierra busque el camino de menor resistencia y por ello se distribuye con mayor intensidad en el fondo, en tanto que en la superficie la disipación se efectúa en menor cantidad,
DESCRIPCIÓN Y FIGURAS
La invención presentada sobre el material tensioactivo se ilustra bajo las siguientes figuras:
FIGURA 1:
Gráfica que muestra el intervalo porcentual entre el aglutinante y el resto de la composición. En la Figura 1 se observa el mínimo de contenido de elemento aglutinante, 50% de la composición; y el restante 50%, porcentaje distribuido entren óxidos, sulfatos e hidróxidos.
FIGURA 2:
Gráfica que muestra el intervalo porcentual entre el aglutinante y el resto de la composición. En la Figura 2 se observa el máximo de contenido de elemento aglutinante, 80% de la composición; y el restante 20%, porcentaje distribuido entren óxidos, sulfatos e hidróxidos.
FIGURA 3 :
Muestra el circuito RC que conforma el pozo que se ha fabricado con el material tensioactivo; en donde se observa que la energía que proviene de la descarga atmosférica es posible almacenarla.
FIGURA 4 :
Ilustración de la ubicación del material tensioactivo en un sistema de puesta a tierra.
FIGURA 5:
Muestra el comportamiento de la distribución de la corriente en función de la profundidad del sistema de
puesta a tierra en donde se use el material tensioactivo.
FIGURA 6;
Muestra el comportamiento de la distribución del voltaje en función de la profundidad del sistema de puesta a tierra en donde se use el material tensioactivo.
En las figuras 1 y 2 se observa la composición tensioactiva objeto de la presente invención, la composición tensioactiva presenta un alto porcentaje de un elementio aglutinante (10) cuyo valor porcentual en la mezcla va desde un 50% (11) a un 80% (12), en tanto que el resto porcentual de dicha composición está constituido por una mezcla de óxidos (13), sulfates (14) e hidróxidos (15), elementos que contribuyen en el efecto tensioactivo.
Las figuras 3 y 4 presentan la ubicación del material tensioactivo (20) compuesto de un aglutinante (10), óxidos (13), sulfatos (14) e hidróxidos (15); y su correspondiente circuito RC (figura 3).
Por medio de este material tensioactivo (20), que se observa como se distribuye en un pozo (figura 4), se puede almacenar la energía no estacionaria mediante un condensador no tradicional a través de un circuito RC (figura 3), el cual logra transformar la energía potencial cinemática a energía potencial y luego a energía de vibración.
Para almacenar la energía eléctrica transitoria se usa la técnica de dominio de energía por almacenamiento, esta técnica consiste en utilizar un material
tensioactivo (20), que se activa a medida que recibe una corriente eléctrica (16). Nuestro material tensioactivo (20), objeto de Ia presente invención, permite cambiar energía eléctrica o descarga (l2dt) (16) a energía potencial y posteriormente a energía de vibración a través de la fabricación del pozo hecho enterrando circuitos RC con una resistencia de miliohmnios (mΩ) (17) y una capacitancia de miIifaradios (mF) (18) . En el pozo se conformará un codensador que presentará una resistencia de 0.20 ohmnios (Ω) y una capacitancia específica de 107 a 108.
El circuito RC de la Figura 3, se conformará en un pozo cavado en tierra natural (21) graficado en la Figura 5, en donde una lámina de cobre (19) se enrolla en forma de espiral en un tronco de madera (22) y alrededor de este sistema se introduce el material tensioactivo (20)
En el circuito RC de la Figura 3 usado para la presente invención, simulando una descarga atmosférica de 5000 A, nos ha demostrado que este circuito sólo alcanza una tensión de 10 voltios, esto quiere decir que Ia energía que proviene de una descarga atmosférica si es posible almacenarla, porque no genera sobre tensiones, lográndose en cierta forma voltajes de paso de la siguiente manera:
V = q/c o ixR (Figura 3)
El análisis matemático realizado a al circuito muestra que simulando una descarga atmosférica de i = Io x e-t/RC, al balance de las energías capacitiva como resistiva nos muestra los siguientes resultados en función del tiempo (microsegundos (μm))
Energía de la resistencia (ER)
Entendiéndose por t (tao) , el tiempo en microsegundos que se gasta en cargar el condensador (t= R x C)
Energía del condensador (Ec)
Donde: Ic = Io x e-t/RC x [1-t/(RxC)]
Los resultados obtenidos a través de Ia aplicación de estas fórmulas matemáticas han demostrado que con el uso de este material tensioactivo (20) en el modelo propuesto, hace que la energía capacitiva sea ocho veces mayor que la energía resistiva, dando como resultado el almacenamiento de energía de descarga atmosférica con un tiempo de microsegundos.
Si se toma como valor de intensidad de corriente inicial Io=50000 A, y se construye un condensador coaxial con las características R=2.26 MW y C=47 MF, la energía almacenada será de:
Ec=4.061.026 (vatios/microsegundos) Y Ia energía calórica será: ER=485.101. (vatios/microsegundos) .
Con lo cual se almacena el 89.3% de Ia energía de la descarga atmosférica y el 10.7% que se convierte en calor , es retenido por la capacidad calórica total del material tensoactívo (20) , entonces no se requiere la participación del suelo natural, porque la energía no se irriga por el suelo (21), por lo tanto no se presenta el choque térmico ya que a un tiempo igual a cero (t=0), la corriente resistiva es cero (IR=0), mientras que la corriente capacitiva es igual a la corriente pico de la descarga. Tampoco se presenta choque mecánico debido a que la velocidad de descarga del circuito tanque es igual a la velocidad de la descarga atmosférica, esto es lo que conoce como un circuito en sintonía.
Los lazos inductivos y la inductancia transitoria de línea son iguales a microhenrios(μH) y el condensador del circuito RC en microfaridios (μf), entonces para una la inductancia transitoria de línea que depende del tiempo (L di/dt), tenemos un condensador del circuito RC que se forma en el mismo tiempo (C dv/dt) , el cual amortigua completamente el lazo inductivo.
Dados los componentes del material tensíoactivo (20), el aglutinante (10) que puede ser un carbonato de Calcio Ca, Hierro Fe, Manganeso Mn o Aluminio Al y presenta la fórmula general:
Aglutinante: R(COn), donde R puede ser Calcio, Hierro, Manganeso o Aluminio (R= Ca, Fe, Mn , Al) y n puede
variar entre 1,2,3 (n * 1,2 ,3) dependiendo de Ia valencia del enlace existente entre los elementos de la composición.
Los demás componentes, óxidos (13), sulfatos (14) e hidróxidos (15) presentan los siguientes intervalos de porcentajes de composición en la mezcla;
óxidos (13): desde un 5 a un 20% Sulfatos (14): desde un 10 a un 25% Hidróxidos (15): desde un 5 a un 10%
Y presentan las siguientes formulas generales:
óxidos (13): ROn, donde R puede ser Calcio, Bario, Manganeso, silicio, Potasio o Hierro, (R=Ca, Ba, Mn, Si, K, Fe) y n puede variar entre 1,2,3 (n = 1,2,3) dependiendo de la valencia del enlace existente entre los elementos de la composición.
Sulfatos (14): R (SOn), donde R puede ser Calcio, Potasio o Hierro, (R=Ca, K, Fe) y n puede variar entre 1,2,3,4 (n = 1,2,3,4) dependiendo de la valencia del enlace existente entre los elementos de la composición .
Hidróxidos (15): R (OH) n, donde R puede ser Carbono, Calcio, Potasio o Hierro, (R= C, Ca, K, Fe) y n puede variar entre 1,2,3 (n = 1,2,3) dependiendo de la valencia del enlace existente entre los elementos de la composición.
En consecuencia la fórmula general que identifica el material tensioactivo es:
Material Tensioactivo = R(COn) + [ ROn + R (SOn) + R(0H)n ]
Ei elemento aglutinante (10) tiene como función cohesionar los óxidos (13), sulfatos (14) e hidróxidos (15) para hotnogenizar el material tensioactivo, pero independientemente no influye en la producción del efecto tensioactivo.
El comportamiento de la corriente y el voltaje dependiente de a profundidad del pozo en donde se ubique el material tensiactivo (20), pues a mayor profundidad (23), mayor será el voltaje y la corriente (24).