WO2014001852A1 - Sistema de puesta a tierra activa por almacenamiento de energia - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
- H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
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Definitions
- grounding systems involve burying a large number of copper rods and cables in order to obtain adequate resistance values, that is, less than 5 ohms for the system to work well, as in substations, generation plants electrical, transmission lines etc.
- the construction of this mesh implies, in addition, to look for the values of voltage of step and contact suitable to avoid risks to the personnel that work in the equipment.
- Ground systems are rated by the value of stationary resistance, but in reality when an atmospheric electrical discharge or ground fault occurs, these are transient phenomena.
- Colombian soil has the following characteristics:
- the first is to bury more copper at a high cost, in order to obtain the adequate resistance value.
- the second is to make an improvement of lands by means of substances, such as bentonite, salts or other substances of lower resistivity.
- Bentonite on the other hand, retains water at normal soil temperatures, but upon reaching temperatures higher than 60 S C, changes its molecular structure and becomes petrified, with which it loses its capacity and considerably increases the strength of the mesh.
- Patent document "Col 96-66434" of the same inventor proposing a grounding system is known, but the present invention increases the storage of transient energy, controls unbalanced electric power, retains water and its composition of different elements It also has a vertical coaxial capacitor called a cylindrical well and a flat horizontal coaxial capacitor for rocky soils.
- Traditional systems only achieve the goal of controlling by heat conversion; because to dominate it implies to store it with the same characteristics with which it arrives, that is to say with high current and low voltage, situation that the traditional systems do not achieve.
- the ACTIVE EARTHING SYSTEM BY ENERGY STORAGE consists of a well where there is a sheet of molten metal with a composition of active tense material consisting of a mixture of oxides and graphites where the metal sheet or metal cable is arranged on a steel mesh or natural floor forming a coaxial capacitor and also a grounding rod.
- Figure 1 Vertical cut of the vertical well or cylindrical well.
- Figure 2 Cross section of vertical well or cylindrical well.
- Figure 3 Flat well in horizontal view.
- Figure 4 Horizontal cut of the flat well.
- the ACTIVE EARTHING SYSTEM BY ENERGY STORAGE uses the storage energy domain method.
- the developed system makes it possible to store the non-stationary electrical energy by means of a non-traditional condenser or well with a mixture of more graphite metal oxides forming an active tense substance with its circuit, which transforms the kinetic energy into potential energy and then into vibration energy.
- This technique involves using a material that is activated as it receives an electric current. This phenomenon is called tense activation and is based on the principle that while there is energy there is activation.
- the active tense material has the following percentage composition:
- the well to apply the energy domain technique for storage (figure 3 and 4) is made up of the copper foil (12) or copper cable, the upper cover of the well that is optionally recebo, the active substance tenso - active ( 8) which corresponds to the mixture of oxides and graphite described, and which is fused with said sheet of copper (12), a wooden trunk (7) or natural ground on which it is wound in a spiral, the copper wire, the natural floor (4).
- the present invention allows to go from burying copper rods to bury circuits with a resistance of milliohms (mQ) and a capacitance of millifarads (mF), to change the traditional process of conversion of electrical energy to transient or instantaneous energy in heat.
- the entire process is based on the conversion of electrical energy into potential energy, which once stored is converted into vibration energy, which is achieved by means of the coaxial capacitor or flat capacitor with the composition of active tense material.
- the capacitor calculation is based on the composition having a resistance of 0.20 ohms ( ⁇ ) and a specific capacity from 10 7 to 10 8 .
- the energy storage capacity is a function of the width and depth dimensions of the well, where the circuit is installed. This helps to apply the technique of coordination and selectivity of earthing by atmospheric discharges.
- V q / c or ixR circuit.
- V R R o lo x e- ⁇ 0
- the inductive loops and the transient line inductance are equal to microhenries ( ⁇ ) and the capacitor of the circuit in microfarads (F), so for an L di / dt, we have a cdv / dt, which completely dampens the inductive loop.
Landscapes
- Primary Cells (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
El sistema de puesta a tierra activa por almacenamiento de energia proporciona un sistema de puesta a tierra utilizando el método de dominio de energía por almacenamiento que consta de un pozo donde se tiene una lámina de metal fundida con una composición de material tenso activo consistente en una mezcla de óxidos metálicos con grafitos que conforman un circuito con una varilla de puesta a tierra, donde la lámina de metal está dispuesta sobre una malla de acero con suelo natural que forma un condensador coaxial y la varilla de puesta a tierra hace posible almacenar la energía eléctrica no estacionaria mediante dentro dicho condensador no tradicional en un circuito que transforma la energía cinética en energía potencial en energía de vibración.
Description
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE
ENERGIA.
SECTOR TECNOLOGICO
Pertenece al campo de la Ingeniería Eléctrica y proporciona un sistema de puesta a tierra activa por almacenamiento de energía, el cual provee una referencia a la energía eléctrica cinemática para establecer un medio de balance a las corrientes de desbalance. De igual forma provee una referencia a la energía eléctrica potencial interna o externa captable por el sistema eléctrico; y sirve de medio de transporte de cargas electrostáticas inducidas en las estructuras metálicas de las instalaciones en donde interviene.
ESTADO DE LA TECNICA
En general los sistemas de puestas a tierra implican enterrar una gran cantidad de varillas y cables de cobre con el objeto de obtener valores de resistencia adecuados, es decir, menores de 5 ohmios para que el sistema funcione bien, como en subestaciones, centrales de generación eléctrica, líneas de transmisión etc. La construcción de dicha malla implica, además el buscar los valores de tensión de paso y contacto adecuados para evitar riesgos al personal que labore en los equipos.
Los sistemas a tierra se califican por el valor de resistencia estacionario, pero en realidad cuando ocurre una descarga eléctrica atmosférica o falla a tierra, se trata de fenómenos transitorios.
Los aspectos que no se consideran en estos fenómenos son el choque térmico (kt= dAt/dt), como tampoco el choque mecánico (kv=dv/dt), los cuales son fenómenos muy importantes dada la magnitud de la corriente, del orden de los kiloamperios en lapsos de tiempo de microsegundos y que obligan a un cambio de medio de conducción desde cobre hacia el suelo natural.
En estos casos solo se toma en cuenta el choque eléctrico (L di/dt) con lo que se obliga a la energía a modificar su forma, pasando de alta corriente - bajo voltaje a alto voltaje - baja corriente, uno de los efectos causantes de los eventos destructivos. Otro aspecto no considerado han sido las condiciones del terreno, el cual no está en capacidad de dar balance natural a la energía potencial para convertirla en calor, dado el gran incremento de temperatura con respecto al tiempo (dT/dt).
Según los estudios geo electroquímicos, y en particular el suelo colombiano presenta las siguientes características:
• Baja capacidad de retención de agua.
• Baja saturación de sodio y sales.
• Baja capacidad de polarización.
• Gran tendencia a ser suelos alcalinos o arcillosos.
• Presentar por lo menos dos estratos a una profundidad de 180 cm.
• Mala conductividad térmica, a mayor temperatura una mayor resistividad.
• Capacidad de almacenamiento de energía eléctrica despreciable.
Estas condiciones de suelo hacen que ante una descarga del orden de los 50 KA en 100 microsegundos por ejemplo, haya propensión a presentar choques térmicos que calientan la superficie de contacto, por lo que la tierra queda aislada transitoriamente hasta volver a saturarse de agua. Esto es debido a que entre el suelo y el cobre usado normalmente, se presenta el fenómeno llamado doble capa, que produce corrosión catódica, haciendo que el suelo se comporte como un divisor de tensión volumétrico y resistivo.
Con el fin de suplir estas deficiencias del suelo se han usado varios métodos, por ejemplo la puesta en tierra de más electrodos de cobre o el tratamiento del suelo.
El primero es enterrar más cobre a un alto costo, con el propósito de obtener el valor de resistencia adecuado. El segundo es hacer un mejoramiento de tierras por medio de sustancias, como bentonita, sales u otras sustancias de menor resistividad.
En este último caso se presentan los siguientes inconvenientes:
• El NaCI y otras sales minerales se ha demostrado que no son útiles.
• La bentonita por su parte, retiene el agua a temperaturas normales del suelo, pero al alcanzar temperaturas superiores a 60SC cambia su estructura molecular y se petrifica, con lo cual pierde su capacidad y aumenta considerablemente la resistencia de la malla.
Se conoce el documento de patente "Col 96-66434" del mismo inventor que propone un sistema de puesta a tierra, pero la presente invención aumenta el almacenamiento de energía transitoria, controla la energía eléctrica en desbalance, retiene agua y su composición de diferentes elementos presenta además un condensador coaxial vertical denominado de pozo cilindrico y un condensador coaxial horizontal plano para suelos rocosos. Los sistemas tradicionales solo logran el objetivo de controlar por conversión a calor; porque dominarla implica almacenarla con las mismas características con que llega, es decir con alta corriente y bajo voltaje, situación que no logran los sistemas tradicionales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA consiste de un pozo donde se tiene una lámina de metal fundida con
una composición de material tenso activa consistente en una mezcla de óxidos y grafitos donde la lámina de metal o cable de metal va dispuesto sobre una malla de acero o suelo natural conformando un condensador coaxial y también una varilla de puesta a tierra.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS:
Figura 1 : Corte frontal del pozo vertical o pozo cilindrico.
Figura 2: Corte transversal del pozo vertical o pozo cilindrico.
Figura 3: Pozo plano en vista horizontal.
Figura 4: Corte horizontal del pozo plano.
De acuerdo con la figura 1 se observa el corte frontal del pozo vertical o pozo cilindrico con Superficie (1 ), material de terreno excavado (2), lámina metálica (3), terreno (4), cable de SPT (5) hacia el barraje, soldadura exotérmica (6), madera o suelo (7), mezcla de óxidos y grafito (8), tubos de polímero termoplástico (9) de 2" x 0.5" y malla metálica (10).
En el corte transversal del pozo cilindrico se observa la lámina metálica (3), terreno (4), madera o suelo (7), mezcla de óxidos y grafito (8), tubos de polímero termoplástico (9) de 2" x 0.5", malla metálica (10).
En el pozo plano en vista horizontal de la figura 3, se observan los tubos de polímero termoplástico (1 1 ) de 2" x0.5", lámina de cobre (12), malla metálica (13), suelo artificial (14) o cemento conductivo.
Según la figura 4 en el corte horizontal del pozo plano se observan los) tubos de polímero termoplástico (1 1 ) de 2" x0.5", lámina de cobre (12) con malla metálica (13), suelo artificial (14) o cemento conductivo, suelo natural (15), suelo natural (16) con lechada de suelo artificial o cemento conductivo.
El SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA utiliza el método de dominio de energía por almacenamiento. El sistema desarrollado hace posible almacenar la energía eléctrica no estacionaria mediante un condensador no tradicional o pozo con mezcla de óxidos metálicos más grafitos conformando una sustancia tenso activa con su circuito, el cual transforma la energía cinética en energía potencial y luego en energía de vibración.
Es posible almacenar la energía eléctrica transitoria por medio de la técnica de dominio de energía por almacenamiento. Esta técnica consiste en utilizar un material que se activa a medida que recibe una corriente eléctrica. A este fenómeno se le llama tenso activación y se basa en el principio de que mientras hay energía hay activación.
La forma como se distribuye la corriente dentro del pozo según la técnica de dominio de energía por almacenamiento se muestra en la figura 3; esta energía busca el camino de menor resistividad y se distribuye como se observa en la figura 1 , en función de la profundidad. En este caso el material tenso activo (8), con menor resistividad, ofrece esta posibilidad y es por esto que la energía se distribuye con mayor intensidad en el fondo y en la superficie. La cantidad de energía en disipación es muy pequeña.
El comportamiento del voltaje y de la corriente en función la profundidad (P) del pozo son de mayor profundidad, mayor voltaje. Y de igual manera sucede con la intensidad.
El material tenso activo presenta la siguiente composición porcentual:
Oxido de titanio 5% a 10%
Grafito 15% a 25%
Oxido de bario 10% a 15%
Oxido de magnesio 10% a 15%
Oxido de zinc 15% a 25%
Otros óxidos 45% a 15%
Presenta las siguientes características que lo hacen apropiado para su utilización en la construcción de los pozos:
• Alta capacidad de almacenar energía transitoria, capacidad especifica de 107 a 109 y aumenta a medida que le va llegando energía, es decir se genera tenso activación.
• Baja resistencia (milihomios -mQ) y una resistividad negativa de 0,3 ü/m.
Coeficiente de resistividad negativo a temperaturas desde 0°C hasta 50SC y coeficiente de resistividad positivo para temperaturas mayores a 50SC, presentando propiedades elásticas.
• Bajo tiempo de carga/descarga (microsegundos -με).
• Gran retención de agua, a 60SC retiene el 15% de la humedad, y evita el efecto de doble capa.
Aplicando estos valores en los sistemas de protección de puesta a tierra contra descargas atmosféricas y corrientes de falla, se llega al concepto de dominio de energía, conservando las características originales (KA, V) y velocidad en micro segundos (μ3). Por ser la resistencia y capacitancia variables, se cuenta con un circuito tanque (RC) en sintonía, que almacena la energía transitoria a una velocidad igual o mayor que aquella con la que se desplaza por las líneas de transmisión.
El pozo para aplicar la técnica de dominio de energía por almacenamiento (figura 3 y 4) está conformado por la lámina de cobre (12) ó cable de cobre, la cubierta superior del pozo que es opcionalmente de recebo, la sustancia tenso - activa (8) la cual corresponde a la mezcla de óxidos y grafito descrita, y que está
fundida con dicha lámina de cobre (12), un tronco de madera (7) o suelo natural sobre el cual va enrollado en forma de espiral, el cable de cobre, el suelo natural (4).
Básicamente la presente invención permite pasar de enterrar varillas de cobre a enterrar circuitos con una resistencia de miliohmios (mQ) y una capacitancia de milifaradios (mF), para cambiar el proceso tradicional de conversión de energía eléctrica a energía transitoria o instantánea en calor. Todo el proceso está basado en la conversión de energía eléctrica en energía potencial, que una vez almacenada se convierte en energía de vibración, lo cual se logra por medio del condensador coaxial o condensador plano con la composición de material tenso activo. El cálculo de condensador se basa en que la composición presenta una resistencia de 0,20 ohmios (Ω) y una capacidad especifica desde 107 hasta 108.
La capacidad de almacenamiento de energía, está en función de las dimensiones ancho y profundo del pozo, donde se instala el circuito. Esto ayuda a aplicar la técnica de coordinación y selectividad de puesta a tierra por descargas atmosféricas.
El circuito A-C usado para la presente técnica y simulando una descarga atmosférica de 50000 A, nos ha demostrado que este circuito solo alcanza una tensión de 10 voltios, esto quiere decir que la 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 circuito.
El análisis matemático realizado al circuito (RC) muestra la simulación de una descarga atmosférica de l= lo x e-t/RC. El balance de las energías capacitiva
como resistiva nos muestra los siguientes resultados, en función del tiempo (microsegundos - με):
Energía de la resistencia ER
ER = {Ό R X IR dt Donde IR: lo x te-1
VR = R o lo x e- ^0
Los resultados obtenidos aplicando estas fórmulas matemáticas nos han demostrado que la energía capacitiva es ocho veces mayor que la energía resistiva, dando como resultado el almacenamiento de la energía de descarga atmosférica en un tiempo de microsegundos.
Si se toma como valor lo: 50000 A, y se construye un condensador coaxial con las características presentadas, la energía almacenada será de: EC = 4.061 .026 (vatios/microsegundos). Y la energía calórica será de ER = 485.101 (vatios/microsegundos). Con lo cual se almacena el 89,3% de la energía de la descarga atmosférica y el 10,7% se convierte en calor.
Este calor es retenido por la capacidad calórica total del material tenso activo, y así el suelo natural no participa del proceso porque la energía no se irriga por el suelo. Evitando así el choque térmico, pues a un tiempo igual a cero (t=0), la corriente resistiva es cero (IR=0), mientras la corriente capacitiva es igual a la corriente pico de la descarga. De igual forma evita el choque mecánico debido a que la velocidad de descarga del circuito tanque (RC) es igual a la velocidad de la descarga atmosférica, constituyéndose en un circuito en sintonía.
Los lazos inductivos y la inductancia transitoria de línea son iguales a microhenrios (μΗ) y el condensador del circuito en microfaradios ( F), entonces para un L di/dt, tenemos un cdv/dt, el cual amortigua completamente el lazo inductivo.
Claims
1 . SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA caracterizado porque consta de un pozo donde se tiene una lámina de metal fundida con una composición de material tenso activo consistente en una mezcla de óxidos metálicos con grafitos que conforman un circuito con una varilla de puesta a tierra, donde la lámina de metal está dispuesta sobre una malla de acero con suelo natural que forma un condensador coaxial y la varilla de puesta a tierra hace posible almacenar la energía eléctrica no estacionaria mediante dentro dicho condensador no tradicional en un circuito que transforma la energía cinética en energía potencial en energía de vibración.
2. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el material tenso activo presenta óxido de titanio entre el 5% y el 10%, grafito entre 15% y el 25%, óxido de bario entre 10% y el 15%, óxido de magnesio entre 10% y el 15% y óxido de zinc entre 15% y el 25% y otros óxidos entre 45% y el 15%.
3. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el material tenso activo del pozo tiene alta capacidad de almacenar energía transitoria, capacidad especifica entre 107 hasta 108 y aumenta a medida que llega energía por tenso activación, baja resistencia y una resistividad negativa de entre 0 hasta 0,3 Ω/m, coeficiente de resistividad negativo a temperaturas desde 0°C hasta 50SC y coeficiente de resistividad positivo para temperaturas mayores a 50SC, presentando propiedades elásticas, bajo tiempo de carga/descarga en microsegundos (με), capacidad de
retención de agua desde el 15% de la humedad a 60SC sin efecto de doble capa.
4. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el dominio de energía conserva las características originales de la energía al almacenarla en forma de energía transitoria que se distribuye por el material tenso activo del pozo, en el fondo y en la superficie a una velocidad igual o mayor que aquella con la que se desplaza por las líneas de transmisión.
5. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el pozo está conformado por la lámina de cobre, una cubierta superior del pozo que es opcionalmente de recebo, la sustancia tenso - activa de mezcla de óxidos y grafito fundida con la lámina de cobre, un tronco de madera o suelo natural sobre el cual va enrollado en forma de espiral el cable de cobre y sobre el suelo natural.
6. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque es un sistema en suelo de circuitos con capacidad de almacenamiento de energía en función de las dimensiones ancho y profundo del pozo en donde se instala el circuito, ayudando a aplicar la técnica de coordinación y selectividad de puesta a tierra por descargas atmosféricas; con una resistencia de miliohmios (mQ) y una capacitancia de milifaradios (mF) efectiva para la conversión de energía eléctrica en energía transitoria o instantánea en calor.
7. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el
condensador coaxial o condensador plano con la composición de material tenso activa convierte la energía eléctrica en energía potencial almacenada y luego en energía de vibración así: energía almacenada EC=4.061 .026 (vatios/microsegundos), ER = 485.101 (vatios/microsegundos) de energía calórica, almacenando el 89,3% de la energía de la descarga atmosférica y el 10,7% convertido en calor.
8. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ACTIVA POR ALMACENAMIENTO DE ENERGIA de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema permite que la energía capacitiva sea ocho veces mayor que la energía resistiva, almacenando la energía de descarga atmosférica en un tiempo de microsegundos debido a la capacidad calórica total del material tenso activo que evita el choque térmico y mecánico debido a que la velocidad de descarga del circuito tanque (RC) que es igual a la velocidad de la descarga atmosférica, constituyéndose en un circuito en sintonía.
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