bachelorThesis
Diseño de un sensor de campo magnético mediante el estudio de la corriente inducida para detectar descargas atmosféricas.
Registro en:
Naula Allaica. S.M. (2020) Diseño de un sensor de campo magnético mediante el estudio de la corriente inducida para detectar descargas atmosféricas. U.T.C. Latacunga. 71 p.
T-001523
Autor
Naula Allaica, Sandra Maribel
Tubón Lagua, Edison Danilo
Institución
Resumen
In this project, it develops a prototype magnetic field sensor to detect lightning applying the
principle of induced current. First, models of detectors used in preliminary investigations by
different authors linked to the study of atmospheric phenomena were studied. Also, commercial
atmospheric discharge detectors were studied to interpret the principle of operation of these and
their applications.
The design parameters of the detector that were obtained from previous studies such as the
shape of the antenna, its size, the number of winding turns and the construction material. It was
define to use a square-shaped loop antenna because it has a higher reception range to variations
of magnetic fields, in which the magnetic which is produced by the source of EF
(Electromagnetic Fields) is induced, in the antenna winding. The signal then enters a circuit in
which frequencies less than 10 kHz and higher than 15 kHz are discriminated against. The
signal processing is done with Arduino Mega, and it is also the communication channel with
the LabView interface in which the behavior of the magnetic field and the count of field
variations against a reference (set-point) is graphically displayed. The latter is stored in the form
of data with date, time and the corresponding magnetic field value.
Regarding the constructive aspects of the sensor housing and antenna cover, the use of noncorrosive material such as polyethylene was considered, as it has excellent resistance to
degradation caused by actions of microorganisms. Also, it has a 4 GB microSD, with the ability
to store 10435 data and LiPo batteries with 18- hour autonomy.
The prototype was validated using the EMF450 standard sensor for magnetic field registers in
power installations such as substations and transmission lines obtaining errors of less than
2.20%. In the case of the recording of magnetic field variations, it was validated in the High
Voltage Laboratory, using a transformer for disruption tests, assuming that the disruption point
emulates the change in the magnetic field by the effect of a discharge 7 out of 10 downloads.
Finally, the applications of the built prototype are: first, to assess the isoceraunic level of a
particular area of the country. On the other hand, measuring magnetic fields in elements of
electrical power systems such as electrical substations, transmission lines, transformation
cameras and any electrical equipment or machinery that generates magnetic fields in the sensor
measurement range (0 to 5 microteslas).There are many different beneficiaries in this project
such as the electricity sector to the agricultural and livestock sectors of the country, if the work
continues to guide it to the updating of isoceraunic levels in the areas of influence. En este proyecto desarrolla un prototipo de sensor de campo magnético para detectar descargas
atmosféricas aplicando el principio de la corriente inducida. En primera instancia, se estudiaron
modelos de detectores utilizados en investigaciones preliminares por diferentes autores
vinculados al estudio de los fenómenos atmosféricos. Además, se estudiaron detectores de
descargas atmosféricas comerciales con la finalidad de interpretar el principio de
funcionamiento de estos y sus aplicaciones.
Los parámetros de diseño del detector que se obtuvieron de estudios previos fueron: la forma
de la antena, su tamaño, el número de vueltas del bobinado y el material de construcción. Se
definió entonces, utilizar una antena de lazo de forma cuadrada debido a que tiene mayor
alcance de recepción a variaciones de campos magnéticos, en la cual se induce el flujo
magnético producido por la fuente de CEM (Campos Electro Magnéticos), en el bobinado de
la antena. Posteriormente la señal ingresa a un circuito en el cual las frecuencias inferiores a 10
kHz y superiores a 15 kHz se discriminan. El tratamiento de la señal se lo realiza con Arduino
Mega, y además es el canal de comunicación con el interfaz de LabView en el cual se muestra
de forma gráfica el comportamiento del campo magnético y el conteo de variaciones de campo
respecto a una referencia (setpoint), este último se almacena en forma de datos con fecha, hora
y el valor correspondiente de campo magnético.
Respecto a los aspectos constructivos de la carcasa del sensor y la cubierta de la antena, se
consideró el uso de material no corrosivo como el polietileno, dado que tiene una excelente
resistencia a la degradación causada por acciones de microorganismos. Además, cuenta con una
microSD de 4 GB, con la capacidad de almacenar 10435 datos y baterías de LiPo con autonomía
de 18 horas.
El prototipo se validó tomando como referencia el sensor patrón EMF450, para los registros de
campo magnético en instalaciones de potencia como subestaciones y líneas de transmisión
obteniendo errores inferiores a 2,20 %. En el caso del registro de variaciones de campo
magnético, se validó en el laboratorio de Alto Voltaje, utilizando un transformador para ensayos
de disrupción, suponiendo que el punto de disrupción emula el cambio en el campo magnético
por efecto de una descarga atmosférica, registrando 7 de cada 10 descargas.
Finalmente, las aplicaciones del prototipo construido son, en primer lugar, evaluar el nivel
isoceráunico de una determinada zona del país, y, por otra parte, medir campos magnéticos en
elementos de los sistemas eléctricos de potencia como subestaciones eléctricas, líneas de
transmisión, cámaras de transformación y todo equipo o maquina eléctrica que genere campos
magnéticos en el rango de medición del sensor (0 a 5 microteslas). Los beneficiarios de este
proyecto son múltiples, desde el sector eléctrico, hasta los sectores agrícola y ganadero del país,
si se continuase con el trabajo orientándolo a la actualización de los niveles isoceráunicos en
las zonas de influencia.