ramirez rocha
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA – TUXPAN
“INGENIERIA APLICADA PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS Y SISTEMAS DE TIERRA”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
MARCOS ISAURO RAMÍREZ ROCHA
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
ING. CARLOS ALARCON ROSAS
POZA RICA DE HGO., VER.
INDICE
NOMENCLATURA
INTRODUCCIÓN
CAPITULO I
Justificación 3
Naturaleza, sentido y alcance del trabajo 4
Enunciación del tema 5
Explicación de la estructura del trabajo 6
CAPITULO II
Planteamiento del tema de la investigación 8
Marco contextual 9
Marco teórico:
1.0 Descargas atmosféricas 11
1.1. Teorías sobre la formación de descargas atmosféricas 11
1.2. Características de las descargas atmosféricas 16
1.3. Campos eléctricos 18
1.4. Formación y producción de descargas 21
1.5. Estructura eléctrica de una tormenta 23
1.6. Diferencia de potencial en las descargas atmosféricas 24
1.7. Longitud de las descargas atmosféricas 25
1.8. Otras magnitudes energéticas 25
1.9. Daños que pueden causar 26
1.10. Generalidades sobre efectos del rayo 27
1.11. Consecuencias térmicas del rayo 27
1.12. Consecuencias dinámicas del rayo 29
1.13. Efectos químicos 29
1.14. Conclusiones de las teorías sobre la formación del rayo 30
2.0 Tipos de pararrayos existentes 31
2.1 Generalidades de los pararrayos 31
2.2 Estructura de una instalación de pararrayos 36
2.3 Pararrayos Franklin 43
2.4 Pararrayos Melsens 44
2.5 Pararrayos pasivos 46
2.6 Pararrayos de jaula 46
2.7 Pararrayos Activos 46
2.8 Pararrayos radioactivos 47
2.9 Pararrayos de efecto corona 50
2.10 Pararrayos Magnetizados 52
3.0 Diseño del sistema de Protección 53
3.1. Consideraciones para el diseño 53
3.2. Diferentes tipos de edificios a considerar en
protección contra descargas atmosféricas 53
3.3. Especificaciones 55
3.4. Diseño del sistema de protección 70
3.5. Diseño del sistema en base a las instalaciones 74
4.0 Sistemas de tierra 84
4.1 Estudio de la resistividad del terreno 84
4.2 Definiciones de sistemas de tierra 87
4.3. Revisión del sistema de tierras 89
4.4 Clasificación de los sistemas de tierra 90
4.5. Componentes básicos 92
4.6 Materiales empleados en la red de tierras 93
4.7 Características del sistema de tierra 97
4.8 El problema básico del aterrizado seguro 98
4.9 Condiciones desfavorables para los sistemas de tierra 99
4.10 Efectos de Recierres 100
4.11 Tensión de paso 100
4.12 Factores que intervienen para elegir un buen sistema
De tierras 101
4.13 Selección de las redes de tierra 102
4.14 Sistemas de tierras profundas 105
4.15 Sistemas de tierra EP-C 106
4.16 Sistemas de tierra en placa 106
4.17 Otros sistemas de tierra 106
5.0 Factores importantes para el diseño de red de tierras 110
5.1 Recomendaciones practicas para la medición de la
resistividad del terreno en área donde se construirá una
subestación 110
5.2 Efectos de gradiente de voltaje 114
5.3 Efectos de la Humedad 114
5.4 Efectos del contenido Químico 115
5.5 Efecto de la temperatura 117
5.6 Métodos de reducción de valores de resistencia y
resistividad del terreno 117
5.7 Efectos de la temperatura sobre la resistividad del terreno 117
5.8 Resistividad de distintos materiales 122
6.0 Calculo del Sistema de tierras 126
CAPITULO III
CONCLUSIONES 141
BIBLIOGRAFIA 142
ANEXOS 143
APENDICES 187
1
INTRODUCCÓN
En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o a la
utilización de la energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los
ingenieros de diseño ha sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de
una manera segura y apropiada.
Este problema existe en todos los campos de la ingeniería eléctrica desde las
bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las
altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensión.
A causa de las altas corrientes de falla disponibles hoy en día, es esencial un
buen sistema de tierras en todas las partes del sistema eléctrico, ya sea en
subestaciones, líneas de transmisión o distribución o en equipos de baja
tensión.
En las subestaciones eléctricas, uno de los aspectos principales para la
protección contra sobre tensiones, ya sea en origen interno o externo, es el
disponer un adecuado sistema de tierras al cual se conecta el neutro de los
equipos eléctricos y a todas aquellas partes metálicas que deben estar a
potencial de tierra.
2
CAPITULO I
3
JUSTIFICACIÓN
“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre
impredecible; una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas
por minuto y , una pequeña nube de tormenta puede generar la energía de una
pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de Megawatts).
No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando ésto ocurre, esa energía
puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, puede salir de
operación por horas o días, debido a daños en el equipo, o una planta
petroquímica puede tener incendios originados por rayos, con peligrosos
riesgos y elevados costos.
Hasta hace relativamente poco tiempo, se podía hacer para minimizar estos
riesgos. Cuando y donde ocurrirán las descargas eléctricas atmosféricas
tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la
energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física,
Al mismo tiempo que éste puede eliminar algunos de los graves efectos de un
impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.
Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellos
afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los
campos electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos los rayos son
peligrosos, especialmente en áreas donde se manejan productos flamables,
explosivos y equipos electrónicos.
4
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados
a incendios, lesiones o perdida de la vida, daños, destrucción a propiedades,
perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operación, debidas a
daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza
Los efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resulta
especialmente cierto para líneas de energía e instalaciones en equipos
electrónicos que son muy sensibles.
Efectos Directos
Los efectos directos de un rayo, son la destrucción física, causada por el
impacto pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una
instalación donde hay materiales combustibles. Pueden estar expuestos al
rayo, el canal del rayo el efecto de calentamiento del rayo.
Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la
naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se
registran cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras
instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas
atmosféricas en muchas partes del mundo, además de perdidas de vida
cuando esas instalaciones se incendian o explotan.
Efectos Secundarios
Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una
instalación incluyen; La carga electrostática del pulso electromagnético y los
pulsos electroestáticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.
Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la
mayoría de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.
5
ENUNCIACION DEL TEMA
La Enunciación del tema de mi trabajo recepcional es “Ingeniería Aplicada
Para la selección de pararrayos Y sistemas de tierra” en donde se propone,
que permita a la persona interesada tener un procedimiento para la selección
de pararrayos y el calculo adecuado de sistema de tierras.
Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una
descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con
profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la
protección contra los rayos no han cambiado substancialmente desde los
tiempos de Benjamín Franklin).
Después de siglos de investigación, nuevos y sofisticados instrumentos que
han aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de
este fenómeno que no ha sido claramente entendido como opera la protección
contra descargas eléctricas atmosféricas y cual es el sistema mas adecuado
para diferentes aplicaciones es necesario un análisis del lo que es el
fenómeno.
Una red de tierra en una subestación es la de cumplir con las siguientes
funciones:
a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de
las corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o la
elección de un pararrayo.
b) Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra pueden
producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de las
subestaciones, que pueden ser peligrosos para el personal.
c) Facilitar mediante sistemas de relevadores, la eliminación de las fallas a
tierra en los sistemas eléctricos
d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico
6
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
En este proyecto el lector podrá ver de manera concisa y comprender los
temas que se involucran en el diseño y construcción de sistemas de protección
contra descargas atmosféricas, así también como el cuidado que se debe tener
al seleccionar el tipo pararrayos y sistemas de tierra. Para no caer en errores
que puedan ser costosos tanto de tiempo como económicos.
El desarrollo de este proyecto se divide en 3 capítulos y comprenden los
siguientes temas:
En el capitulo I se encuentra la justificación de este proyecto, su naturaleza
sentido y alcance, la enunciación del tema y la explicación de la estructura del
trabajo.
En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigación, el
marco contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto,
seguido por el marco teórico el cual esta dividido en 6 temas los cuales son:
1) Descargas atmosféricas
2) Tipos de pararrayos existentes
3) Diseño de sistemas de protección Sistemas de tierra
4) Sistemas de tierra
5) Factores importantes para el diseño de red de tierras
6) Calculo de sistemas de tierra
En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, la
bibliografía de donde se obtuvo nuestra información para el desarrollo del
proyecto así como los anexos y apéndices.
7
CAPITULO II
8
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN
El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a
estudiantes de Ingeniería Mecánica Eléctrica información relativa a la
protección contra las descargas atmosféricas con el uso de pararrayos y
sistemas de tierra
En este trabajo se utilizará de manera sencilla y práctica una teoría de
selección de pararrayos y sistemas de tierra.
Esperando que esta información le sirva al lector, como una consulta en los
proyectos en donde se involucren la protección de sistemas eléctricos, contra
descargas atmosféricas.
9
MARCO CONTEXTUAL
Esta investigación, se desarrolla a partir de información recopilada en distintas
bibliotecas nacionales (Biblioteca Enzo-Levi UNAM; Biblioteca del Instituto
Mexicano del Petróleo; Biblioteca del Instituto Politécnico Nacional Y
CINVESTAV DEL IPN); sin embargo la aplicación de este conocimiento se
llevará a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica
Eléctrica de la U.V. Poza Rica en el proyecto sobre Alternativas de generación
de Energía Eléctrica.
10
MARCO TEÓRICO
11
1.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS
1.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE LAS DESCARGAS
ATMOSFERÍCAS
El rayo una inmensa chispa eléctrica natural, llamada también descarga
atmosférica; es él arma más poderosa dé la naturaleza, además de que tiene
un promedio de ocurrencia dé 100 veces por segundo sobré la faz dé la tierra.
Sé le conoce más por sus efectos nocivos, aunque son más los beneficios que
proporciona.
Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmósfera o una nube adquiere
cargas eléctricas de tal magnitud qué dan origen al rayo o descarga
atmosférica.
Sé han emitido varias teorías para explicar la acumulación de éstas cargas,
pero el problema es complejo y aunque sé reproduce en el laboratorio, éste no
es significativo por los valores de corriente alcanzados, además de lo aleatorio
de las condiciones necesarias para que ocurra la descarga en una tormenta.
1.1.1 Teoría de Simpson.
Simpson manifestó que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe
a corrientes de aire que sé encuentran en su interior.
Las corrientes de aire ascendentes transportan vapor húmedo del mar o de la
superficie terrestre, este vapor al encontrarse a determinada altura y bajo
condiciones atmosféricas propicias, se condensa transformándose en gotas de
agua.
12
Cuando se inicia la lluvia en su caída, las gotas encuentran corrientes de airé
ascendentes que provocan el rompimiento de las mismas, formándose gotas
más pequeñas, éstas gotas por un procedimiento parecido vuelven a
fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir él rompimiento de las gotas, sé
desprenden iones negativos; generando así, cargas eléctricas que se dispersan
en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las corrientes de airé
ascendentes a la parte superior de la nube, en tanto la parte inferior de la nube
sé carga en forma positiva.
1.1.2 Teoría de Elster y Geitel.
Esta teoría sé fundamenta en estudios realizados sobré una gota grande de
lluvia a través del campo eléctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de
100 volts por metro dé altura; debido a la acción de esté campo, la gota se
polariza en la parte inferior por una gota positiva.
La gota cargada eléctricamente en su caída, se encuentra con corrientes dé
airé ascendentes que le producen una disminución dé tamaño, continuando su
caída hacia la tierra, pudiendo así encontrar gotas dé mayor tamaño,
desequilibrándose eléctricamente. El contacto dé gotas dé diferentes tamaños
se repetirá frecuentemente, originándose este valor hasta llegar a un valor
crítico, qué produce la descarga o rayo.
Esté proceso descrito en 1885, permite explicar la carga positiva de la lluvia,
pero no la formación dé los campos eléctricos dé las tormentas.
1.1.3 Teoría de Wilson.
Según C.T. Wilson, una gota polarizada capta durante su caída más iones
negativos qué positivos, cargándose por ésta razón en medida creciente con
electricidad negativa.
13
En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de iones negativos y
positivos qué sé mueven en diferentes direcciones con una velocidad promedio
dé un centímetro por segundo, bajo la acción de un campo eléctrico de un volt
por centímetro (experimento dé Wilson).
La existencia dé iones en él airé los estima en el orden dé 1000 positivos y 800
negativos por centímetro cúbico, Juan Jagsich nos dice qué en Pilar, cerca dé
Córdova, Argentina, sé registraron en término medio 2,272 iones por
centímetro cúbico, de los cuales 1,147 fueron dé carga positiva y 1,125 de
carga negativa.
Wilson especifica también qué para estudiar él origen de las descargas
atmosféricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento dé las gotas
de una tormenta; por consiguiente, una separación dé su carga eléctrica
respectiva en él proceso dé lluvia, las gotas hacen contacto con iones
eléctricos dando origen a qué aumenté la ionización de la atmósfera, facilitando
la formación de trayectoria del canal del rayo para descargar hacia la tierra o
hacia la nube.
1.1.4 Teoría de Findeisen y Wichamann
El hielo en la nube tiene importancia en la acumulación de cargas eléctricas
que produce el rayo. La teoría de Findeisen y Wichmann, suponen que de los
cristales de hielo en caída se desprenden astillas cargadas de electricidad
negativa.
Estas astillas, debido a su reducido peso, quedarían flotando en el espacio,
mientras que los "granos" de hielo, considerablemente más pesados y en
continuo crecimiento, prosiguen su caída. De esta manera hay una separación
de cargas en la nube.
14
1.1.5 Teoría de Brook
Esta teoría se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efecto
volta permitiendo así que el aire adquiera una carga positiva y el hielo quede
cargado negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hielo
al formarse queda cargado negativamente.
1.1.6 Teoría de Sir Basil Schonland.
Según este científico la descarga atmosférica está vinculada con las nubes.
Cuando una típica nube de tormenta comienza a formarse, una masa de aire
cálido asciende; esta masa transporta una considerable cantidad de humedad,
en forma de vapor de agua.
A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces puede retener
menos vapor de agua que cuando estaba más caliente. El vapor sobrante se
condensa en diminutas gotas que forman nubes.
El agua generalmente se congela a cero grados centígrados, sin embargo, bajo
ciertas condiciones permanece líquida a temperatura mucho mas baja, aún a -
4 grados centígrados, en este estado se dice que el agua esta sobre enfriada.
Las gotas que se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfrían,
elevándose mucho más arriba que el nivel en que la atmósfera se encuentra a
cero grados centígrados.
Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a -40
grados centígrados, entonces las gotas se transforman en pequeños trozos de
hielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras.
De esta manera forman pequeñas piedras de granizo que comienzan a caer a
causa de su peso; pero continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas
15
que ascienden, el agua de cada gota se congela sobre la piedra de granizo con
la que choca, y gradualmente, estas piedras aumentan de tamaño.
Al chocar contra cada gota, la piedra de granizo adquiere una carga negativa,
Sir Basil estaba convencido de que millones de estos choques entre las gotas
de agua y las piedras de granizo producen en la nube la carga eléctrica que
origina el rayo.
Al mismo tiempo, una pequeña astilla de hielo se desprende de la gota de agua
cuando esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aire
ascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes más
elevadas de la nube.
A medida que las astillas con carga positiva se elevan en la nube, las piedras
de granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es más caliente,
entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.
Este proceso puede continuar por una hora, durante este tiempo toda la nube
es como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso
principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido en
la base de la nube, debajo del polo negativo. Ahí es donde ocurre el disparo
que desata el rayo.
La descarga salta de este receptáculo de electricidad positiva al polo negativo,
situado un poco más arriba, entonces toda la carga positiva inferior, así como
parte de la negativa queda neutralizada, además, el trayecto a través del cual
ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como un
conductor.
Por él desciende el resto de la carga negativa, que continúa en su trayectoria
hacia abajo, atraída por una carga positiva en la superficie de la tierra.
16
La descarga no salta en una enorme chispa, sino que se orienta guiada por
variaciones locales en el campo eléctrico que tiene por delante. Puede formar
ramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado.
(VER EN ANEXOS FIGURA 1, 2,3) se observa que al formarse el hielo
queda cargado negativamente
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
El aislamiento de los sistemas eléctricos, está continuamente bajo esfuerzo y
para que no se dañe o falle, debe limitarse al valor de las sobré tensiones que
se presenten durante el funcionamiento de dichos sistemas.
Las sobretensiones en cuestión, pueden ser de origen interno y de origen
externo o atmosférico, siendo estas últimas las que mayores magnitudes
alcanzan, aunque se presentan con menor frecuencia que las primeras.
Las descargas atmosféricas se deben principalmente a nubes cargadas a un
potencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra.
Puede compararse el rayo con el salto de la chispa entre las placas de un
condensador de enormes dimensiones, donde las nubes forman una placa, la
superficie de la tierra otra y el aire su dieléctrico.
Cuando la carga de algunas nubes adquiere una elevada concentración y el
gradiente de potencial supera la rigidez dieléctrica del aire interpuesto, se
produce la ruptura, constituyendo el rayo una comente de aire ionizado.
Las descargas atmosféricas sobre líneas aéreas pueden alcanzar magnitudes
hasta de 2500 KV, 200 KA y frecuencias del orden de 100 KHz. Sin embargo,
aunque la tensión y la intensidad de la corriente de un rayo son
extremadamente grandes, la energía efectiva es relativamente pequeña, del
orden de 4 KwH, puesto que su duración es solo de unos cuantos
microsegundos.
17
El rayo es un suceso aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, no
ocurre cuando la carga eléctrica acumulada en la nube no es suficiente, así
podemos ver tormentas con descargas atmosféricas o bien sin rayos.
Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas con
distinta configuración e inclusive invertido el orden de signos.
Un análisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver su
funcionamiento antes, durante y después de una descarga atmosférica, que es
contra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite por lo menos dos
veces (50% restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gases
fuertemente ionizados que dejó la primera, al provocar fallas o reducción de
eficiencia, descarga lo que puede en algunos pararrayos.
No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga,
se puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isoceráunico, es decir,
mapas que nos muestran regiones con igual probabilidad de descarga
atmosférica, por lo que los sistemas de pararrayos también, deben de ser
diferentes en su diseño o componente de tierra, igualmente la altura de la
edificación por proteger influye, aún cuando están en una región con igual nivel
isoceraúnico, el de mayor altura tiene mayor probabilidad de rayo.
La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilo amperes,
con un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se han
podido medir, en las líneas y subestaciones eléctricas.
La diferencia de potencial, tiene variación de valores desde 100 hasta
1, 000,000 de kilo Volts, aunque para la instalación de pararrayos, es más
importante la tensión que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjunto
receptor o pararrayos que se encuentre a mayor altura en la instalación
protegida, porque de ello depende la disipación de la carga en el terreno, según
el sistema de pararrayos para evitar la incidencia del rayo.
18
Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; Estudios realizados en
Estados Unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1,000 pies), hasta
aproximadamente 160 kilómetros (100 millas).
Pero la carga total liberada por un rayo, es relativamente pequeña por el tiempo
tan corto de vida que es del orden de los microsegundos, así los valores de
carga de una sola descarga es de 7 coulombios y aún con las descargas
sucesivas, ésta no supera los 200 coulombios.
El fenómeno nos parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces por
segundo, sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca una
persona o instalación no protegida, causa daños, pero las pérdidas que
ocasiona, sobre todo en interrupciones de energía eléctrica, hacen que tenga el
nombre de dañino, aunque proporcione más beneficios, al ser el principal
abastecedor natural de nitrógeno para la tierra y de ozono para la atmósfera,
sin embargo, los daños existen y tiene probabilidad de causar muchos más y
aunque en México no se lleva una estadística.
Los cambios de dirección en un conductor de pararrayos no pueden ser
bruscos, por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensión al
circular por un conductor, genera un frente de onda.
1.3 CAMPOS ELÉCTRICOS.
1.3.1 Campos Eléctricos de la Atmósfera.
Rodeando la tierra existe en la atmósfera en condiciones normales de buen
tiempo. Un campo eléctrico permanente con superficies equipotenciales
concéntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tanto
vertical el vector de intensidad de campo (E) en cada punto.
19
El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra, lo que
indica que esta última posee una carga negativa, mientras que las distintas
capas de la atmósfera son más positivas cuanto más alejadas están de la
superficie terrestre y de tal forma que el gradiente eléctrico decrece con la
altura.
Como consecuencia de la existencia de ese campo eléctrico permanente, los
iones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivos
caen hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos iónicos es
llamada "corriente de conducción", dirigida hacia abajo (según el sentido
convencional de la corriente) cuyo valor medio es de 2 x l0-16 Amperes por
centímetro cuadrado (A/cm2) lo que representa una corriente total entre
atmósfera y tierra de unos mil Amperes.
Corriente de conducción puede considerarse también permanente como el
campo que la produce, variando muy poco tanto con la situación geográfica,
como con la estación, día y hora.
Independientemente de la corriente de conducción, existen "corrientes de
precipitación", llamadas así por originarlas el transporte de cargas eléctricas,
producida por las precipitaciones atmosféricas, dichas corrientes de
precipitación son en general del mismo sentido que la de conducción,
aportando también cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a ser
de 2 x l0-11 A/cm2. , o sea superior a la de conducción que es.
Al contrario que esta última variable con las condiciones de tiempo y lugar, su
valor medio resulta inferior, habiéndose estimado en unos 400 amperes.
Considerando la acción continua de estas dos corrientes, resulta a primera
vista sorprendente que la carga negativa que posee la tierra permanezca
constante y aproximadamente igual a 500,000 Coulombios.
20
Sin embargo, este es un hecho incuestionable, demostrado por la experiencia
que obliga a admitir la existencia de otros fenómenos compensatorios sobre los
que se han establecido multitud de hipótesis, de las cuales destacan las
siguientes:
Por efecto de altas temperaturas existentes en el núcleo de la tierra. Escapa
aire ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre,
que es elevado por corrientes convectivas a considerables alturas (efecto
Ebert).
1. La radiación tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, da
lugar a una ionización de las moléculas de aire. Los electrones
producidos se escapan de la atmósfera gracias a su gran movilidad
originándose por tanto una acumulación de cargas positivas en ellas.
2. Cuando las condiciones normales de buen tiempo se alteran por
distintos fenómenos atmosféricos, tales como la lluvia, nieve, granizo
nubes tormentosas, etc., se producen casi siempre inversiones del
campo eléctrico, aportando gran cantidad de carga negativa a la tierra
como consecuencia de los procesos siguientes:
Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductores
conectados a tierra, descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidad
positiva, como consecuencia de caídas de rayos.
1.3.2 Campos Eléctricos en el núcleo de las nubes.
Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que pueden
llegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarse
a base de aire húmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, del
orden de los 30 a 35 metros por segundo.
21
Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes convectivas llegan a
convertirse en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendo
paulatinamente su velocidad de ascensión, hasta que se inicia su caída, es
durante este descenso de los cristales de hielo, cuando se verifica por
frotamiento una separación de gran magnitud de los iones de distinto signo,
estableciéndose en el interior de la nube el campo eléctrico consiguiente, con la
distribución de carga representada (VER EN ANEXOS FIGURA 4).
A pesar de que la distribución anterior es estadísticamente la más frecuente,
existen casos, que se pueden estimar en un 10%, en que la polarización resulta
invertida. Concentrándose las cargas negativas en la parte superior de la nube,
mientras que las cargas positivas se distribuyen en su parte inferior.
1.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS.
Los campos eléctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que la
parte inferior de éstas y el terreno sobre el que se encuentran, actúen como las
armaduras de un gran condensador, cuyo dieléctrico está constituido por el aire
existente entre ambas, lo más probable es que la base de la nube sea
negativa, con lo que se inducirán cargas electrostáticas positivas en el terreno,
aunque no se debe de olvidar que en el 10% de los casos ocurrirá todo lo
contrario.
Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER EN
ANEXOS FIGURA 5,6) se representa el proceso más frecuente de formación y
caída del rayo, que es análogo a la descarga de un capacitor por perforación
disruptiva del dieléctrico.
De la zona de la base de la nube, en que la concentración de cargas negativas
es máxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminos
ramificados, llamados descargas piloto.
22
Propagándose intermitentemente con detecciones de 10 a 12 microsegundos
entre cada dos impulsos, avanzando en cada uno de los saltos algunas
decenas de metros a velocidades del orden de los 10,000 Km. /s.
Teniendo en cuenta los tiempos de detención antes mencionados la velocidad
resultante de propagación puede estimarse en un valor de 100 a 300 km. /s.
La descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad
del campo electrostático inducido en el terreno, hasta que partiendo de éste se
eleva una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentro
de la descarga piloto.
Este encuentro normalmente se origina entre los 5 y 120 metros de altura,
medidos desde el punto de salida y varía según haya o no pararrayos. Hasta
este momento el fenómeno ha sido silencioso y débilmente aluminoso, pero al
establecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga.
Llamada descarga principal que se manifiesta por la aparición de una
intensidad luminosa acompañada de un fuerte trueno.
Esta descarga principal está formada por una gran corriente de carga positiva,
que partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorrido
por la descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidades
del orden de los 200.000. Amperes.
Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta un
campo eléctrico, más intenso durante la sucesión de las últimas descargas
piloto serán los puntos donde se partirán más probablemente las descargas de
retorno y por lo tanto de los que surgirán también con más frecuencia las
descargas principales.
23
La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertemente
ionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamente
neutralizada después de la descarga principal, aparecerán otras secundarias
que seguirán el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,
produciéndose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, las
descargas sucesivas como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 7) se
verifican a intervalos en algunas centésimas de segundo, tiempo necesario
para permitir el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de la nube.
El rayo que comprende un cierto número de descargas, se llama múltiple. El
número promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6, pero se han observado
algunos hasta de 42 descargas distintas, de una duración de 0.6 segundos
aproximadamente.
El proceso descrito es solamente el más probable, pero no el único posible, en
caso que la parte inferior de la nube posea una acumulación de cargas
positivas. Se inducirán en el terreno cargas electrostáticas negativas y el efecto
seria una inversión de polarización en el capacitor nube-tierra que se ha
considerado, como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 8)
1.5 ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE UNA TORMENTA.
El campo electrostático de una atmósfera, en buen tiempo y ausencia de
nubes, es prácticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque la
superficie de la tierra ana carga negativa y la atmósfera tiene carga eléctrica
neta de signo positivo.
El medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente y
unos 130 por metro sobre el océano, donde la contaminación ambiental es
grande, éstos pueden aumentar mucho. Se han observado en México, D.F.,
valores de 220 por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kkiev en la
Unión de Estados Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts
por metro.
24
El gradiente de potencial eléctrico disminuye mucho con la altura y a l0km es
apenas de un 3 % de su valor en la superficie, según las mediciones hechas
por los norteamericanos, a los 20 km los valores de ese gradiente son
sumamente pequeños, lo que demuestra que el aire a esas alturas es
sumamente conductor.
Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera pueden
afectar la transmisión de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,
ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, los
ciclones del Caribe o los frentes fríos de los nortes.
1.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosférica tiene valores
extremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como la
altitud de la sube con relación a la tierra, las características del pararrayos, las
del edificio, la configuración de las instalaciones y otros más.
Para efectos prácticos en el funcionamiento del pararrayos y del sistema de
tierra, reviste un mayor interés, la diferencia de potencial que aparece entre el
sistema de tierra y la parte más alta del edificio o sea, donde debe estar
colocado al menos un conjunto receptor, valores que dependen de la
impedancia del conductor, o mejor dicho, tratándose de impulsos de gran
pendiente.
Para facilitar el cálculo, si consideramos que la tensión antes de la descarga es
de 10 kilovolts por metro de altura, el potencial transportado será de 200
kilovolts aproximadamente.
25
Estudios realizados por el Laboratorio Atmosférico Oceánico Nacional de los
Estados Unidos, situado en Colorado, después de estudiar 300 tormentas
locales, establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargas
atmosféricas alcanzan valores de 2400 kilovolts por metro.
Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 9), que el 85% de los
rayos alcanzan los 30 kilovolts por metro.
1.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany ,
dicen que los rayos varían en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies)
hasta los 160 kilómetros (100 risillas), siendo el más común el de 1609 metros
(1 milla).
Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 10) que los rayos varían
entre los 500 y los 7000 metros Si situamos a la ciudad de México a una altura
de 2450 metros sobre el nivel del mar, entonces tendremos un gran número de
rayos cercanos a los 240 kilovolts por metro, es decir, rayos de 2350 metros (o
sea 7700 pies).
1.8 OTRAS MAGNITUDES ENERGÉTICAS.
La carga total liberada por un rayo dado el tiempo tan corto de vida que tiene,
unifica los criterios tanto de Mc Cann, Lewis y Cleirici que nos dicen que, ésta
no supera los 200 coulombios en la totalidad de la descarga y en una sola
descarga los valores que se alcanzan son del orden de los 7 coulombios que
se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 11).
Se han efectuado experimentos para almacenar la carga de los rayos pero
económicamente no se ha llegado a resultados satisfactorios por lo aleatorio de
que se repita la descarga en el lugar de almacenamiento.
26
1.9 DAÑOS QUE PUEDE CAUSAR.
El rayo es un fenómeno que nos parece aislado, el cual lo vemos únicamente
en la época de lluvias y solo esporádicamente en la época de estiaje, pero es
un evento que se repite en un promedio de 100 veces por segundo sobre la
tierra, así la posibilidad de que cause daños es de valor apreciable.
En Estados Unidos el nivel isoceraúnico es menor, Cleirici nos dice que
estadísticas efectuadas, muestran que más de 400 personas mueren cada año
a causa de los rayos y más de 1000 resultan heridas por la misma causa, datos
del Depto. de Agricultura del mismo país nos dicen que los incendios forestales
en el período de 1930 a 1947 causaron un total de pérdidas por 2,920,000
dólares, en un total de 1200 incendios , y estos datos no incluyen el costo de
104 viviendas de propiedad privada, que fueron dañadas por estos incendios.
En. estudios realizados en Gran Bretaña en líneas de transmisión y distribución
nos muestran los incidentes por rayo provocados en 160 km. (1000 millas) para
líneas con tensiones de operación desde los once kilo-volts a 132 kilo-volts,
como se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 12),
donde las líneas que tienen un tele pararrayos como son las de 132 kilo-volts
casi no tienen incidentes por rayos, esto se hace más patente en l (VER EN
ANEXOS FIGURA 13) donde las incidencias para líneas de 66 kilo-volts al
tener mejor sistema de tierra en sus torres, tienen menor incidencia de rayos.
(VER EN ANEXOS FIGURA 14), nos muestra incidencias para una misma
tensión de 11 kilo-volts, donde se hace patente la importancia del nivel
isoceraúnico y como varia ésta en un país de poca extensión territorial.
27
1.10 GENERALIDADES SOBRE EFECTOS DE LOS RAYOS.
El rayo que impacta en una instalación u objeto, produce efectos de naturaleza
variada caprichosa, los cuerpos no conductores, se rompen a menudo, como
por ejemplo los árboles, mientras que los conductores se funden
completamente, por ejemplo, un conductor de calibre 14, aislado con una
cubierta de goma puede fundirse por una descarga de poca duración pero de
gran intensidad, esto se puede comprobar por la cantidad de incendios de
factorías en horas no laborables, después de una tormenta eléctrica y las
causas son:
Corto circuito como si no existiera una coordinación de protección. Una
descarga con una sucesión de un máximo de comente superpuesta a un
componente continuo, puede provocar un incendio 16, estos casos también se
han repetido en laboratorios con modelos a escala por Belfashi aunque con las
limitaciones de corriente que tiene la reproducción de un rayo artificial.
1.11 CONSECUENCIAS TERMICAS DEL RAYO.
La energía térmica que se desarrolla en la descarga del rayo depende, de
acuerdo con la Ley de Joule, del cuadrado de la corriente y de la resistencia del
medio encontrado por aquella, además, naturalmente, el tiempo que dura la
descarga por lo que la expresión de la cantidad de calor producida adopta la
forma:
dtIRW 2 Formula (1.1)
Donde:
W =Energía transformada en calor (expresada en Joules, si la corriente se
mide en amperes y el tiempo en segundos; la energía puede expresarse
también en calorías; 1 caloría = 4.186 Joules .)
l =valor instantáneo de la corriente circulante en amperes.
R=resistencia del medio por el que circula la energía en ohms.
28
Carece, por tanto de importancia fundamental la resistencia del medio que
encuentra el rayo en su camino para descargarse a tierra dado, que fijado el
valor de la corriente, dependiente de la diferencia de potencial entre nube y
tierra, la energía térmica desarrollada será más grande, cuando mayor sea la
resistencia del medio por donde circula.
En esa forma la descarga de un rayo a través de un material de un conductor
de energía eléctrica y de sección suficiente, no desarrolla generalmente
cantidades apreciables de calor.
En caso de materiales que son malos conductores, tienen gran interés en el
examen de aquellos en que la descarga atraviesa materiales con elevado
contenido de agua, porque el calor generado provoca la evaporación
instantánea del agua contenida, la cual se evapora o se disocia de sus
elementos, provocando un fenómeno de explosión, como se ha observado en
árboles, postes de madera y muros húmedos que son impactados por un rayo.
También es necesario hacer notar que los rayos de gran intensidad pero poca
duración, provocan una destrucción de materiales pero no llega a producir
ignición, (lo que resalta la importancia de los pararrayos activos), mientras que
los de corriente modesta pero de gran duración provocan fácilmente la ignición
de los materiales.
En general, la peligrosidad del rayo que cae sobre materiales inflamables es
alta, porque como ya se vio, a la descarga principal suceden descargas
sucesivas.
Los aviones estacionados, se deben conectar firmemente a tierra para evitar
esta posibilidad, igualmente cuando se abastecen de combustible para evitar
que la descarga de electrostática pueda iniciar la ignición. La misma regla se
debe seguir en transportes depósitos de combustibles.
29
1.12 CONSECUENCIAS DINÁMICAS DEL RAYO.
La energía liberada por un rayo no es muy elevada, sin embargo, al ser
liberada en un tiempo muy corto (100 a 120 microsegundos), la potencia
puesta en juego alcanza valores de millares de kilowatts, por lo que las
consecuencias pueden ser importantes.
La descarga de retomo, de un rayo produce en torno a la columna de gases
fuertemente ionizados que constituyen el recorrido de la descarga, una onda de
presión de dimensiones limitadas en las que se generan presiones elevadas
que pueden destruir todo cuanto rodea al conductor principal; en el interior de
chimeneas y habitaciones, se pueden producir presiones tan elevadas que
produzcan una explosión.
El campo magnético que se forma, puede deformar estructuras y ventanas
metálicas, o el conductor de cable sufre una expansión por el campo que se
forma entre hilo e hilo del cable, por lo que se debe evitar la sujeción por
presión únicamente.
1.13 EFECTOS QUÍMICOS.
Las descargas atmosféricas son el principal abastecedor de nitrógeno para la
tierra y el rayo lo inyecta directamente al terreno; se Peterson W., también se
forma ozono alrededor del canal del rayo, el cual protege a la tierra de los rayos
ultravioleta, también por la intensidad de corriente, produce efectos galvánicos
por donde circulan en forma unidireccional.
30
1.14 CONCLUSIÓNES DE LAS TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL
RAYO.
Como se podrá ver, las teorías sobre la formación del rayo difieren entre sí, sin
embargo, la mayoría de los meteorólogos apoyan la explicación del origen de la
carga de una nube de tormenta, mediante el mecanismo hielo-gotita de agua
que es la teoría expuesta por Sil Basil Schonland.
No obstante, algunos no están de acuerdo sosteniendo que las partículas de
hielo no son necesarias para que se produzca dicha carga en las nubes. Y aun
continúan investigando cómo se forma exactamente la electricidad de la
misma.
31
2.0 TIPOS DE PARARRAYOS EXISTENTES
2.1 GENERALIDADES SOBRE PARARRAYOS.
PARARRAYOS: Se trata de un dispositivo acabado en punta que excita la
aparición de impulsos o efluvios durante la formación de carga de una
tormenta. Una vez excitado el rayo, el pararrayos intentará captarlo y
descargarlo a tierra por un conductor eléctrico, la energía de descarga está
catalogada como alta tensión con un potencial incontrolado y destructible.
El pararrayos se situará en el punto más alto de la instalación, al menos dos
metros por encima de la zona a proteger, lo cual proporcionará un camino de
baja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita del modo más
sencillo la descarga a tierra del rayo.
Algunos tipos de instalaciones a proteger
Torres de control aeropuertos.
Antenas de navegación aérea.
Antenas de televisión, telefonía móvil y radio.
Subestaciones eléctricas
Centrales nucleares.
Hospitales.
Industrias petroquímicas
Gasolineras.
Barcos.
Edificios públicos.
Torres de alta tensión
Casas particulares.
32
2.1.1 Selección de pararrayos
Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materiales
radiactivos.
Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de
instalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a
tierra la descarga eléctrica atmosférica, son:
a) el nivel Isoceráunico de la región.
b) las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o
explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro de
trabajo.
c) la altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes.
d) las características y resistividad del terreno.
e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias
químicas, inflamables o explosivas.
f) el ángulo de protección del pararrayos.
g) la altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra
las corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica.
33
Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargas
atmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo
eléctrico; colocados en la parte más alta, para poder recibir la descarga
atmosférica y drenarla a tierra; comúnmente son conocidos como puntas
pararrayos y es el elemento primario para la coordinación de aislamiento, en
base a las siguientes funciones.
a) Opera con sobre tensiones en el sistema permitiendo el paso de las
corrientes del rayo y sin sufrir daño.
b) Reduce las sobre tensiones peligrosas a valores que no dañen el
aislamiento del equipo.
Las características principales para la selección correcta de un pararrayos en
un sistema de distribución son las siguientes:
1. La tensión nominal
2. La corriente de descarga
Estas se pueden calcular por promedio de la fórmala siguiente
1.2FormulaVKV ffen
Donde:
V n Tensión nominal de pararrayos en kv
Ke = Factor de corrección a tierra
V ff Tensión de línea a línea
El factor Ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra, la
instalación eléctrica del sistema, considerando que una falla de línea a tierra,
es lo que produce una sobre tensión en las fases no falladas.
34
2.1.2 Radio de protección de un pararrayos
El radio de protección de un pararrayos depende de su altura respecto a la
superficie a proteger. Altura: Es la distancia entre la punta final del pararrayos y
el punto que se desea proteger. El radio de protección se calcula con la
siguiente formula y se ejemplifica en (VER EN ANEXOS FIGURA 15)
La formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico
ambiental por encima de los 10kv/m. Esta energía natural es acumulada por el
dispositivo del pararrayos que de esta forma queda en situación de precontrol.
A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco
incremento del campo eléctrico, originándose una zona de riesgo de impacto.
Si esta zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la
brusca variación del campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de
protección, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una vía de
descarga a tierra controlada y segura.
2.2.3 Clasificaciones de los pararrayos
ACTIVOS: generan la ionización y excitación por impulsos de alta tensión
superiores a 10 KV en la punta, este fenómeno se representa a partir de un
valor del campo eléctrico- atmosférico natural.
El objetivo de este proceso es intentar excitar y captar la descarga del rayo,
conducir todo su potencial de alta tensión a tierra por un conductor activo
instalado, con el resultado de la sobre tensión e inducción generada.
El resultado es una corriente de defecto alta tensión que circula por un
conductor desnudo, superando la energía de descarga del rayo.
Tratan de facilitar el camino del rayo positivo, dirigiéndolo o provocando un
camino de baja resistencia, actúa con el gradiente electrostático de la
atmósfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que
ocurra el rayo en ese sitio, convirtiéndose en preventivos, además el encuentro
35
entre el rayo positivo y negativo se realiza más alto, alejando con ello el punto
de mayor temperatura de la descarga atmosférica.
Este fenómeno puede crear en momentos críticos durante la descarga,
corrientes de contacto con intensidades de defecto superiores a las permitidas
consideradas como muy graves que pueden afectar a la seguridad de las
personas
PASIVOS: Concentran la ionización y excitación constante del rayo en la
punta, estos descargan en el terreno donde están instalados únicamente por
efecto de puntas por lo que materialmente "esperan" el rayo para disiparlo a
tierra, por lo que tienen mayor probabilidad de impacto por rayo.
2.1.4 Elementos que constituyen un pararrayos
Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la protección de un
edificio o instalación, estará formado por los siguientes elementos básicos:
Elemento receptor: colocado en la parte más alta del edificio. Puede estar
constituido por puntas metálicas o conductores dispuestos de varios modos
según las dimensiones y la estructura de la instalación para proteger. Un
elemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de protección
y los cables colocados estratégicamente en las partes de la estructura que
pueden recibir una descarga (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “A”)
Conductor a tierra,: puede estar formado por dos o varios conductores y tiene
la misión de transportar a tierra la corriente del rayo, según el camino
perfectamente determinado y de baja impedancia, pasando por la parte exterior
del edificio, que queda así, fuera de peligro. La realización práctica de estas. La
realización práctica de estos elementos debe de efectuarse teniendo en cuenta
que por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una importancia notable
la reactancia del circuito. Cuya influencia puede originar grandes caídas de
tensión en el circuito (VER EN ANEXOS FIGURA 16 “B”)
36
Electrodos a tierra: Electrodos a tierra llamados también dispersores de tierra
los que proveen de un contacto íntimo del sistema con el terreno, facilitando la
dispersión de la corriente, en el terreno propiamente dicho (VER EN ANEXOS
FIGURA 16 “C”) Existen en la actualidad para el cálculo y diseño de estos
electrodos a tierra, así como procedimientos de medición de la resistencia,
lograda. Se ha desarrollado también algunos productos que pueden usarse
como aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia a
tierra.
2.2 ESTRUCTURA DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS
Para el desarrollo de la correcta instalación de un sistema de pararrayos se
deben-considerar los siguientes aspectos básicos:
Debe respetar absolutamente las normas existentes.
Realizar la correcta ubicación y distribución de todos los elementos.
Utilizar estrictamente los materiales especificados.
Es de especial interés al análisis de las siguientes observaciones generales
relativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalación de este
tipo, que son: (VER EN ANEXOS FIGURA 17)
1. Localización de la posición de las puntas
2. Fijación de las bases para la localización de las puntas.
3. Determinación del recorrido de conductores.
4. Fijación de conductores.
5. Conexiones.
6. Determinación de la posición de los electrodos a tierra.
7. Instalación de los electrodos.
8. Pruebas.
37
1.-Localización de la posición de las puntas.
La parte más alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. más alta que
el contorno protegido. La separación máxima de la orilla del contorno protegido
es de 60 cm. El espaciamiento máximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +-
10%.
2.-Fijación de las bases para la colocación de las puntas.
Se debe usar algún elemento rígido adecuado al ambiente en el que se instale,
por ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plástico
con tornillo de latón, considerando que además de corrosivo es húmedo.
3.-Determinación de recorrido de conductores.
Horizontales:
De cada punta deberán existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas
ascendentes.
Los cambios de dirección no deben tener un radio menor de 20 cm.
Verticales:
Deben ser lo más directo posible.
No deben tener curvas inversas.
Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metálicas.
Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme.
En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel del
terreno), deberá instalarse una guarda de protección, con la finalidad de
proteger al conductor de daño mecánico, se sugieren tuberías no
metálicas.
38
4.-Fijación de conductores.
Antes de sujetarse el cable, deberá ser tomado para garantizar
trayectorias lo más rectas posible.
El espaciamiento máximo entre puntos de sujeción (abrazaderas), será
de 90 cm.
Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio
ambiente en él que se instale.
5.-Conexiones
Las conexiones deberán ser las mínimas necesarias y de la máxima
rigidez mecánica.
Siempre se deberán usar conectores mecánicos especiales para este
uso.
Las conexiones soldadas deberán evitarse.
6.-Determinación de la posición de los electrodos de tierra.
Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra.
Preferentemente fuera de cimentaciones.
Separados por lo menos 60 cm. de la construcción.
De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo más húmedo
posible
este en el máximo contacto con humedad.
7.-Instalación de los electrodos
Varillas o bayonetas:
39
Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno es
bueno, o sea, que a través de ta superficie de la varilla se establezca un
buen contacto con el terreno, por lo tanto, deberá evitarse el hacer una
excavación para colocar en ella la varilla.
La conexión entre el cable y la varilla se hará con un conector especial
para este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada.
Preferentemente, pero no indispensable, se construirá un registro para
tener acceso al conector mencionado anteriormente y 'colocado en el
extremo superior de la varilla.
Rehiletes:
Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavaciones
Especiales para ellos, de la máxima profundidad posible.
El rehilete se colocará en el fondo de la excavación en una mezcla de cisco de
carbón (carbón menudo) y sal en proporción de 5 a 1.
Es muy importante que la excavación sea tapada con tierra de las mejores
condiciones de conductividad, al máximo grado de compactación que sea
posible.
Desconectadores de tierras:
Cada electrodo de tierra deberá proveerse de un medio que permita su
desconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su
resistencia a tierra.
Normalmente es recomendable la instalación de un desconectador en el
extremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en cuenta
que es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber ninguna
otra conexión.
40
8.-Pruebas
Para considerar satisfactoria una instalación, deberá tener:
Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendo
pasar una corriente a través de ellos.
Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (máximo 25 ohms).
Rigidez mecánica en sus elementos de soporte.
2.2.1Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son los
siguientes:
A) Puntas
Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mínima de 25 cm
quedando más altas del contorno que protegen, tendrán sus bases adecuadas
a la superficie donde se coloquen e irán fuertemente fijadas a la misma (VER
EN ANEXOS FIGURA 18)
B) Conductores
Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:
Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro. para edificios con
altura menor o igual a 23 m, (VER EN ANEXOS FIGURA 19).
Cable de cobre desnudo de 13mm de diámetro, para edificios con altura
mayor de 23m. (VER EN ANEXOS FIGURA 20).
En cualquiera de los casos, se colocará el conductor de manera a proveer un
doble paso a tierra desde cada punta.
41
C) Conductores de baja
Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mástiles o estructuras
similares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada. Su colocación
estará tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal, en
esquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmente
opuestas en estructuras cilíndricas.
Cuando una estructura tenga un perímetro que exceda de 75 m., debe tener
una bajada adicional por cada 30 metros de perímetro. Para el cálculo del
perímetro se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno,
excluyendo cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran de
protección. El número total de conductores de bajada en estructuras con
azoteas planas o ligeramente inclinadas y en las de forma irregular se
calcularán de tal manera que la distancia promedio entre ellos no sea mayor de
30 m.
D) Fijaciones.
Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas y serán
del mismo metal que estos, deberán quedar lo suficientemente fuertes para
sujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas de
otras (VER EN ANEXOS FIGURA 18, 19,20).
2.2.2 Conexión a Tierra. Interconexión de Metales, Tuberías y Equipos
Todos los objetos metálicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra,
que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados a)
mismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y
conectores especiales (VER EN ANEXOS FIGURA 21).
42
Las conexiones a tierra se harán por medio de bayonetas y/o rehiletes, para
conseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentro
de las normas referidas.
En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a los
recomendados (máximo 25 ), serán necesarios trabajos adicionales para
mejorar las condiciones del terreno.
Es importante, también, considerar lo siguiente:
A) Ubicación
Las conexiones a tierra se harán en aquellos lugares donde se logre una fácil
dispersión de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de la
cimentación y en un área de jardines.
B) Medio de conexión
Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de diámetro (véase
la figura 23).
Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad.
Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. de
profundidad.
Varilla de cobre-acero, en registro de mampostería (en el caso de suelos
rocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capas
alternadas de 10 cm. de carbón de piedra en polvo, cloruro de sodio en
grano, cloruro de calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio.
43
C) Tierras comunes
Se deberán realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del sistema
de pararrayos y las de otros servicios como eléctrico, antenas de radio y
televisión, etc.
D) Instalación
La instalación se hará de manera poco visible. El conductor se colocara a
menos de 60 cm. de !a orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre o
atrás de los pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrás de las
bajadas de agua y en general, procurando esconder el equipo lo más posible.
Todos los materiales se fijaran fuertemente a la construcción para evitar
cualquier posibilidad de desplazamiento y para facilitar el mantenimiento
subsiguiente.
2.3 PARARRAYOS DE FRANKLIN.
Benjamin Franklin fue el pionero del desarrollo de la protección contra las
descargas atmosféricas y también fue el primero que demostró en una forma
fehaciente la naturaleza eléctrica de los rayos, en base a sus investigaciones,
fue también el primero que buscó la forma de protegerse efectivamente contra
dichos fenómenos, inventando el primer pararrayo, estableciendo las bases
técnicas para su desarrollo, instalando el primero de estos sistemas de
protección en un edificio de Philadelphia en los Estados Unidos de América en
el año de 1752.
El pararrayo de Franklin, consta de una barra metálica cilíndrica, de tres metros
de longitud y con un diámetro de 13 mm.
44
El receptor colocado verticalmente, termina en una punta muy aguda,
conectada a tierra mediante un conductor de hierro. Este pararrayo se clasifica
dentro de los pasivos, su eficiencia disminuye con la altura. En principio se
puede decir que su ángulo de protección es de 45 grados (VER EN ANEXOS
FIGURA 24) sin embargo, para compensar la disminución de la eficiencia, en
algunas instalaciones en que se utiliza este tipo de pararrayos, se coloca una
punta principal en la parte más alta de la construcción a proteger y algunas
secundarias que aumentan la eficiencia de la protección.
En el año de 1890, los franceses instalaron pararrayos en México, con una
serie de 4 o 5 puntas, donde la única punta que actúa es la superior, las
laterales se colocaron, por la serie de fallas que presenta este tipo de
pararrayos, al no tener en cuenta el efecto superficial de la comente alterna.
Este tipo de pararrayos se muestra esquemáticamente en (VER EN ANEXOS
FIGURA 25), aunque tiene muchas variantes de configuración, todas
terminadas en punta aguda, colocada en ¡aparte más alta de la instalación a
proteger, la podemos ver en casi todos los edificios públicos de hace algunos
años. En algunas regiones del país es muy común todavía su venta, a pesar de
sus deficiencias.
En la subestaciones de la C. F. E, al igual que en muchas subestaciones
industriales se utilizan las barras soldadas a la estructura, donde la punta
puede ser roma o puntiaguda, como otra variante de este tipo de pararrayos
2 .4 PARARRAYOS DE MELSENS.
En el año de 1875, Melsens utilizó en Bruselas un tipo de pararrayos formado
por una jaula de conductores (jaula de Faraday), en la parte superior, de la cual
dispuso numerosas puntas reunidas en un haz sobre una barra.
45
Este sistema se ha perfeccionado después con la intención de reducir la
extensión y número de las mallas de la jaula, mientras que se pensaba lograr
que las puntas múltiples aumentaran la dispersión de las cargas eléctricas en la
atmósfera. Tales previsiones resultaron fallidas, según afirma Cleirici, y la
eficacia protectora ha de buscarse más bien en la jaula que en la existencia de
las puntas.
Este es el sistema más común en México, y está basado en las normas de la
NFPA y UL de U.S.A., por la gran cantidad de puntas que es necesario utilizar
(una cada 3 o 6 metros según la norma 2371), hacen que la inversión inicial
sea elevada, como se ve en el análisis de costos, además de que en México,
se utilizan dos o más metales en su construcción, lo que provoca un rápido
envejecimiento del sistema, aumentando su mantenimiento y por tanto el costo.
Otro inconveniente de este sistema es que según las normas, se deben colocar
en todos los pretiles, por lo que se desprecia el ángulo de protección que
pudiera generar el conductor, o bien las puntas, lo que hace que el uso de
material se eleve y por tanto el gasto inicial.
Las normas NFPA y UL de U.S.A., están basadas en datos experimentales de
Estados Unidos, además están adoptadas al tipo de construcción de ese país,
pero no se toma el nivel isoceraúnico de México, además aquí es otro tipo de
construcción, por lo que no son aplicables en toda su extensión. (VER EN
ANEXOS FIGURA 26) se muestra un edificio protegido con este sistema y en
(VER EN ANEXOS FIGURA 27) se muestran varias formas de puntas para
este tipo de pararrayos.
El tipo de sujeción utilizado es por medio de grado de presión, esto lo
consideramos inconveniente porque el conductor de cable, por efecto
magnético o térmico al conducir la energía de un rayo sufre expansión
provocando con ello que el contacto entre grapa y conductor ya no sea tan
firme, aumentando la impedancia del sistema sobre todo en la reflexión de la
onda y en las descargas sucesivas.
46
Este pararrayos, también del tipo de los pararrayos pasivos, es en sí una
variante de la Jaula de Fadaray, a la cual Melsens le agregó en la parte
superior numerosas puntas distribuidas.
Posteriormente se trató de mejorar el sistema de Melsens, tratando de reducir
la extensión y número de mallas de la jaula, intentando dispersar con las
puntas múltiples la carga eléctrica de la atmósfera, pero no se lograrán
resultados satisfactorios de acuerdo con Cleirici, quien afirma que la efectividad
de la protección se logra más bien con la jaula que con las puntas. Figura 26.
2.5 PARARRAYOS PASIVOS.
Algunos de estos métodos sólo tiene hoy importancia histórica al haber sido
superados, tales como el pararrayo de Kleckner y el de Brown mostrados en
(VER EN ANEXOS FIGURA 28,29) de los años 1875 y 1883 son fotocopias de
las patentes en los Estados Unidos.
2.6 PARARRAYOS DE JAULA.
La conocida "Jaula de Faraday", experimento físico, Según el cual, en el
interior de una envoltura metálica cerrada y conectada a tierra, y disponiendo
de instrumentos de gran sensibilidad (electrómetros y electroscopios), no se
dejan influir por ningún fenómeno eléctrico por intenso que sea, cuando éste se
produzca en el exterior o en la propia superficie de la envoltura metálica, nos
da la idea de un pararrayos ideal.
47
Así, un edificio con revestimiento exterior completamente metálico y conectado
firmemente a tierra, queda protegido contra descargas atmosféricas, se obtiene
una buena protección si la cubierta metálica se substituye por una malla o red
de conductores, pero por razones económicas la red no puede ser muy
cerrada, además de que debe buscarse la estética del edificio para no dañar la
arquitectura del mismos, por lo que la red superior puede hacerse cerrada,,
reduciendo solo los conductores de bajada, (VER EN ANEXOS FIGURA 30)
se muestra un edificio con este sistema de protección. Se le puede considerar
el pararrayos pasivo, que espera el rayo para disiparlo a tierra, al no tener
efecto de puntas.
La máxima protección se logra con una cubierta laminar, sin embargo, por
razones de costo, se prefiere usar mallas las cuales se hacen muy cerradas en
la parte superior de los edificios y más abiertas en la parte inferior y aún más
abiertas en las partes laterales, las cuales van conectadas.
2.7 PARARRAYOS ACTIVOS.
Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar 2 modelos básicamente:
el radiactivo y el de efecto corona.
Analizaremos primeramente el radiactivo por ser el más conocido sabiendo que
el de efecto corona está basado en la experiencia adquirida con el radiactivo.
2.8 PARARRAYOS RADIACTIVOS.
El húngaro Szillard fue el primero que pensó en la aplicación de materiales
radiactivos para provocar una excitación artificial de la atmósfera y una
producción de iones, con fines de protección contra los rayos. Para ello fabricó
un pararrayos formado por una barra de 4 metros de altura, encima de la cual
colocó un plato con dos miligramos de bromuro de radio.
48
Las observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos,
llevaron a la comprobación de que la cantidad de iones emitidos por este tipo
de pararrayos, era superior a la de una punta normal. Los estudios del profesor
Szillard permanecieron durante mucho tiempo privado de aplicaciones
prácticas por dos razones fundamentales:
a) A pesar de que la emisión de iones es mayor que la de una punta
normal de pararrayos sistema Franklin, la cantidad de electricidad que
este pararrayo es capaz de disipar en la atmósfera sigue siendo
insuficiente para lograr una acción preventiva eficaz.
b) La necesidad de emplear material radiactivo costoso, hacia este tipo de
pararrayo de escaso interés práctico.
Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producida por el pararrayos
radiactivo, y limitar simultáneamente la cantidad de material radiactivo
necesario, aplicando al pararrayo un dispositivo de aceleración.
La función específica del pararrayo radiactivo es: producir un elevado número
de iones y dirigirlos hacia arriba, evitando que se acumule carga en el terreno
donde está instalado, con el fin de evitar el rayo positivo o la atracción del rayo
negativo (VER EN ANEXOS FIGURA 31)se muestra un esquema de la
constitución y funcionamiento del pararrayo radiactivo.
La materia radiactiva depositada en el ionizador emite en forma continua la
radiación específica del material que se trate pudiendo ser cualquiera de las
tres radiaciones básicas alfa, beta o gamma.
49
En México, el material radiactivo utilizado en el ionizador, es el radio 226 con
vida media de 1,600 años, con emisión alfa de 4.5 MeV y el Americio 241 con
vida media de 433 años y emisión alfa de 5.5 MeV , ambos con poca
penetración por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con una
protección muy delgada para obtener una mejor ionización, resultando
peligroso para usuarios, por lo que hizo que pasaran a control del Instituto
Nacional de Energía tanto para localización como para mantenimiento y su uso
fue prohibido por la a de Salubridad y Asistencia en 1968.
El acelerador atmosférico, es un anillo equipotencial, conectado eléctricamente
al asta central, con soportes horizontales, y este actúa con el gradiente
electrostático de la atmósfera que como veíamos en el capítulo anterior, figura
9, provocando una diferencia de potencial que acelera los iones y electrones
que se encuentran entre el asta y anillo. Hasta el punto de provocar una
ionización por choque Tiene también un segundo anillo deflector, que centra los
iones provocando flujos dirigidos hacia la nube, pero resulta ineficiente para las
cargas electrostáticas muy rápidas por ser ionización de choque, dando como
resultado que en las descargas sucesivas la ionización disminuye, actuando
solamente al asta central. Como pararrayos pasivo.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 32) se muestra un pararrayos del italiano
Donelli. Donde se ve, que el sostén del anillo es un aislante colocado en forma
horizontal. Pero el aislante superior que contiene material radiactivo, no tomo
En consideración el flameo que pueda ocurrir en una descarga atmosférica lo
que aumenta el riesgo de desprendimiento de material radiactivo.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 33) se muestra otro tipo de pararrayos
denominado sistema Dipolo que tiene dos anillos equipotenciales, sostenidos
horizontalmente, de diferente dimensión. El ángulo de protección que genera
este tipo de pararrayos es de 71 grados según dice su fabricante.
50
El ángulo de protección que genera depende del anillo equipotencial
básicamente, ya que la cantidad de iones producidos por el material radiactivo
es prácticamente constante y no depende más que de la cantidad de materia
radiactiva depositada.
Otra desventaja del pararrayo radiactivo es que las partículas materiales
ionizadas, son susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes
direcciones, hasta el punto de que la atmósfera ionizada por el pararrayos, pero
de forma y dimensiones muy variables según la intensidad y la dirección del
viento, lo cual da la probabilidad de falla. Algunos ejemplos de pararrayos
radiactivos en la Ciudad de México, están en
El Museo de Antropología e Historia en su fuente principal, en los edificios de
Tlatelolco, en el depósito de combustible del Aeropuerto Internacional de la
Ciudad de México y otros.
El Modelo de pararrayos empleado es el Copart, que se muestra en (VER EN
ANEXOS FIGURA 34), es fotocopia de la patente en Estados Unidos y en el
que el acelerador, es el plato hedor del material radiactivo.
2.9 PARRAYOS DE EFECTO CORONA.
El pararrayos de Efecto Corona, es otro tipo de pararrayos que evita la
acumulación de cargas eléctricas en el lugar donde está instalado, esto lo logra
porque al igual que el radiactivo, tiene también un anillo equipotencial o
acelerador atmosférico alrededor de su núcleo, pero este no contiene material
radiactivo, solo suma el efecto del anillo equipotencial al efecto de puntas que
tiene todo pararrayos.
51
El anillo equipotencial de éste tipo de pararrayos se diferencia del radiactivo en
que su sección no es circular, sino que es recto en su parte interna, por lo que
el campo electromagnético que genera, no es circular, siendo mayor en la parte
interna, es decir, lo que esta junto al núcleo, como se ve en (VER EN
ANEXOS FIGURA 35), logrando con ello mayor eficiencia en la emisión de
iones, cuando aumenta el gradiente electrostático en la dirección de la punta
del pararrayos, logrando con ello, guiar el rayo positivo que brota de la tierra.
En l(VER EN ANEXOS FIGURA 36) vemos que el conductor no puede tener
cambios bruscos de dirección, por el mismo frente de onda que se genera, sin
embargo, en los pararrayos radiactivos, el sostén de los anillos es horizontal,
es decir, el flujo de la corriente tiene que hacer un cambio en la impedancia
total del conjunto receptor. En el pararrayos de Efecto Corona el sostén es por
medio de anillos que tienen el ángulo de tensión del frente de onda o sea 33
grados, con respecto del núcleo lo que reduce la impedancia del conjunto
receptor y al mismo tiempo, aumenta el flujo de corriente hacia el anillo
equipotencial, logrando con ello que el campo eléctrico resultante en la punta,
se incremente, al igual que el efecto de puntas y el Efecto Corona, supliendo
así el material radiactivo, que ioniza la atmósfera. Además en comparación de
la influencia del viento con respecto al radiactivo, en este caso es menor por
ser eléctricamente activo y no materia ionizada.
El ángulo de protección generado por el anillo equipotencial, es en este tipo de
pararrayos de 60 grados, lo que aumenta en 15 grados al de Franklin. Este
pararrayos tiene también elementos para la carga sucesiva, teniendo en cuenta
el efecto superficial de la corriente alterna, para lo cual tiene el ángulo A de la
(VER EN ANEXOS FIGURA 37) que desvía parte de la corriente al anillo
equipotencial, provocando con ello interferencia en el flujo total de energía en el
conductor y cuando sucede la descarga sucesiva ascendente, actúa
nuevamente el anillo, incrementando el campo eléctrico. Se pude usar este tipo
de pararrayos, solo con el radiactivo o en combinación con la Jaula de Faraday
como el Melsens.
52
Si se utiliza con la Jaula de Faraday la separación entre puntos es de 30
metros, de que descarga en forma continua la jaula por lo que es la
combinación que se utilizaría.
En (VER EN ANEXOS FIGURA 38) se muestra una edificación con el
pararrayos de Efecto Carona m el que si se toma en cuenta el ángulo que
genera el pararrayos, ahorrando con ello conductor y conjuntos receptores. Si
se utiliza sólo puntas elevadas, se toma en cuenta el ángulo de protección de
60 grados.
Al no utilizar material radiactivo, se tiene un ángulo de protección de 60 grados
y f, tinte elementos para la descarga sucesiva, consideramos a este último tipo
de pararrayos mejor que los anteriores.
2.10 PARARRAYOS MAGNETIZADOS
Este es un pararrayos tipo DIPOLO que ha sido diseñado y construido para
conducir eficazmente a tierra descargas electrostáticas de tipo atmosférico,
comúnmente llamadas rayos, con el fin de evitar que estas descargas causen
daños personales y materiales.
El pararrayo consiste de una barra de fierro sólido cuya superficie está
niquelada y cuyo extremo superior termina en punta. Por debajo de esta punta
se encuentra un disco de fierro cubierto con material plástico y en el extremo
inferior de la barra se encuentra un manguillo de hule vulcanizado que tiene por
objeto aislar de la barra del mástil que soporta por debajo de este manguillo se
encuentra un dispositivo de conexión para conectar el cable que une el
pararrayos con los electrodos de conexión a tierra.
Todos los elementos que integran el pararrayos están magnetizados. Esta
magnetización produce un campo magnético de gran densidad, el cual
amortigua la descarga atmosférica y la conduce a tierra a través del cable y
electrodos anteriormente mencionados, evitando la dispersión iónica que
pudiera causar daños personales o materiales.
53
3.0 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN.
3.1 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO.
Las consideraciones que regirán para la construcción de éstos sistemas de
pararrayos, son las que se detallan a continuación. En su mayoría, han sido
tomadas de las correspondientes a la "N.F.P.A" National Fire Protection
Association" y "U.L." "Underwriters Laboratories Inc." de los Estados Unidos;
adaptadas a nuestras necesidades así como a la disponibilidad de nuestro país
de materiales de uso.
Adelante, en forma condensada, se indican los puntos básicos de estas
disposiciones, por lo tanto de acuerdo a ellas, se deberán interpretar los planos
de proyecto. En ningún caso se aceptaran modificaciones o substiciones
basadas en sistemas de teorías diferentes.
Si durante la construcción fuera necesario modificarse la localización de algún
elemento, recorrido de conductores ya sea en azotea o en bajadas, o
electrodos de tierra, estas modificaciones deberán hacerse de acuerdo con la
especificación aquí indicada y previa la solución de la dirección de la obra.
3.2 DIFERENTES TIPOS DE EDIFICIOS A CONSIDERAR PARA LA
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
Para el objeto de estas normas, se puede considerar que los edificios se
dividen en dos categorías cada una en dos tipos diferentes.
Clasificación general.
1. Basada en la altura de los edificios.
2. Basada en la pendiente de los techos.
54
Subdivisiones.
1. La clasificación basada en la altura de las construcciones considera dos
tipos diferentes:
a) Edificios de clase I.
b) Edificios de clase II.
Un edificio de clase I es todo edificio con una altura inferior a 23 metros. Un
edificio de clase II es aquel cuya altura rebasa los 23 metros, o bien todo
edificio que tiene una estructura de acero, de cualquier altura, cuya estructura
puede sustituir los conductores de bajadas a tierra.
La distinción, determina el tipo de conductor que se debe usar ya que los
conductores para las estructuras de clase II son de dimensiones más grandes y
de conductancia más alta que los valores mínimos permitidos en los edificios
de clase I.
2. En lo referente a la inclinación o pendiente de los techos, estos quedan
clasificados en los dos tipos que se indican a continuación.
a) Techos o azoteas planos o de pendiente ligera.
Estos son todos aquellos que, no exceden 2 metros de ancho y cuya
inclinación es menor de 1/8. Están considerados dentro de esta misma
categoría los que sobrepasan los 12 metros de ancho, con una pendiente de
1/4 ó menos.
b) Techos inclinados.
Son todos aquellos que tienen una inclinación mayor a las indicadas en el
párrafo anterior.
55
3.3 ESPECIFICACIONES.
Una vez definido y clasificado el edificio a proteger: las especificaciones que
regirán para su protección contra descargas atmosféricas serán las que se
detallan a continuación y serán aplicadas de acuerdo con la clasificación que le
corresponda.
Estas especificaciones se dividen en dos:
A. Especificaciones sobre materiales
B. Especificaciones sobre instalaciones.
3.3.1 A.-Especificaciones sobre materiales.
Generalidades.- Los materiales empleados en el sistema de protección contra
descargas atmosféricas deben ser resistentes a la corrosión y han de estar
debidamente protegidos contra ella. No utilizará combinación alguna de
materiales que formen un par eléctrico de tal naturaleza que la corrosión se
acelere en presencia de humedad.
Los pararrayos deberán estar construidos con los siguientes materiales:
a) Cobre. Cuando se use cobre, el mismo deberá ser de la calidad que
normalmente se exige para los trabajos eléctricos industriales,
generalmente especificados teniendo 95% de conductividad.
b) Aleaciones de cobre. Estas deberán ser, sustancialmente, tan
resistentes a la corrosión como el cobre en igualdad de condiciones.
c) Diseño. Los diseños de los materiales que se utilicen en protección
contra rayos deberán ser los que permiten el mejor aprovechamiento de
los materiales y que, además, sean adecuados para cada función
determinada. Su diseño será especialmente para pararrayos.
56
En ningún caso se aceptaran improvisaciones con materiales diseñados y
construidos para otros fines.
A-1 Terminales aéreas o puntas.- Las terminales aéreas, deberán ser
fabricadas con varilla maciza de cobre electrolítico.
Su diámetro será de 13 milímetros y el largo de las mismas habrá de ser tal
que su extremo cónico quede a menos de 25 centímetros del objeto que haya
de protegerse.
Las terminales aéreas estarán soportadas por bases fundidas y sujetas
directamente a ellas, mediante una cuerda roscada de no menos de 5 hilos,
para su mayor conservación y presentación, deberán ser niqueladas o
cromadas.
Cuando se unen terminales aéreas de más de 60 metros estas deberán quedar
sustentadas por tripies unidos en forma rígida y permanente al edificio.
El punto de sustentación de estos tripies con las terminales deberá quedar
cuando menos a la mitad de su altura (VER EN ANEXOS FIGURA 38 Y 39).
A-2.-Conductores.- Los conductores que se emplearán para estas
protecciones, deberán estar diseñados y fabricados especialmente para
pararrayos. Estarán trenzados con alambres de cobre suave del calibre
indicado adelante, y deberán también ofrecer en peso y conductividad lo que
señalan estas especificaciones; para usarse en edificios clase I o clase II ,
según sea el caso.
No se aceptarán conductores de cobre duro o semi-duro normalmente usados
para sistemas de tierras u otros usos eléctricos.
Los conductores para interconexión, de sistema metálicos, de conducción de
agua, de calefacción por agua caliente, o bien masas metálicas que tengan
57
baja resistencia a tierra, deberán tener la misma medida que el conductor
principal.
Requerimientos mínimos de conductores
CONCEPTO
EDIFICIOS
CLASE 1
EDIFICIOS
CLASE ll
CALIBRE MINIMO DE
CADA HILO
17 AWG.
15 AWG.
PESO POR METRO
LINEAL
278 GRS.
558 GRS.
CONDUCTIVIDAD
57,400 CM.
115,000 CM.
AREA
29 mm2
58 mm2
A-3.- Bases, conectores y desconectadores.-Todo el material
empleado en estas instalaciones para cruces, derivaciones y
empalmes, así como las bases para terminales aéreas, abrazaderas
para tierra y desconectadores de tierra deberán ser fundidos en alguna
aleación de cobre con un espesor mínimo, de 2.38 mm2
A-4.- Terminales a tierra o electrodos.- Las terminales a tierra
deberán ser de acero chapado con cobre, de cobre macizo o de acero
inoxidable de 13 mm de diámetro y de 2.44 mts. De largo, como
dimensiones mínimas o bien rehiletes construidos con lámina de cobre
cal. 20 como mínimo, y una superficie de contacto no menor a 0.20 m2.
58
A-5.-Abrazaderas para cable.- Las abrazaderas para sujetar los
conductores deberán ser resistentes a toda rotura, y deberán ser, junto
con los clavos, tornillos o pernos con que se fijen, del mismo material que
el conductor.
A-6.-Prevención de daños mecánicos.- Cuando cualquier parte de un
sistema de protección este expuesto a daños mecánicos, deberá
protegérsele recubriéndola con una cubierta moldeada o tubería.
Si en torno del conductor se utilizan tubos o conductos de un metal ferroso,
el conductor deberá estar eléctricamente conectado por sus extremos a la
tubería o ducto.
3.3.2 B. Especificaciones sobre instalaciones
B-1-A: Instalación de terminales aéreas o puntas en techos inclinados.
Las terminales aéreas se deberán colocar en la cumbrera de los
techados, a intervalos de no más de 6.00 m., salvo cuando se trate de
terminales aéreas de 0.60 m. o más altas, a las que se podrá colocar a
intervalos no mayores de 7.60 m. Las terminales aéreas deberán colocarse
a 0.60 m. o menos de los extremos de las cumbreras o los bordes v ángulos
de los techados (VER EN ANEXOS FIGURA 40)
B-1-B Instalación de terminales aéreas o puntas en azoteas planas o de
pendiente ligera.
En las azoteas o techos de pendiente ligera, las terminales aéreas
deberán ir localizadas en torno al perímetro
Cuando se trate de edificios que excedan los 15 m. de ancho, deberán
además llevar terminales aéreas adicionales a intervalos no mayores de
15 m. en las zonas intermedias.
Los intervalos entre terminales no serán mayores de 6 m. en los perímetros
y de 15 m. en las zonas intermedias.
59
Como en el caso anterior, cuando se usen terminales aéreas de 0.60 m., los
intervalos de los perímetros no deberán ser mayores de 7.60 m. Los techados
con pendiente ligera son los que tienen una extensión de 12 m. o menos y una
pendiente de 1/8 o los que tienen una anchura de más de 12 m. y una pendiente
de 1/4 o menos (VER ANEXOS FIGURA 41).
B-I-C Instalación de terminales aéreas en salientes con techos inclinados.
Los salientes que tienen la misma, o mayor altura que el techado principal,
deben protegerse con terminales aéreas, cable, conductores de bajadas y toma
de tierra en la forma normalmente especificada. Los salientes localizados
abajo de la cumbrera principal necesitan protección en todas las superficies
que sobresalgan de una zona de protección, según relación de 2 a 1(VER
ANEXOS FIGURA 42).
B-1-D Instalación de terminales aéreas en azoteas con salientes en sus
perímetros.
Cuando existen salientes en los perímetros de las azoteas planas, se
considerará que el borde de la azotea es continuo, y se colocarán terminales
aéreas a una distancia no mayor de 0.60 m, de las salientes más prominentes
del borde del techado, (VER ANEXOS FIGURA 43).
B-1-E Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre
edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos.
Se considera que los edificios que no rebasan los 7.50 m. sobre el nivel del
suelo, protegen las zonas situadas en niveles más bajos formando una zona
de protección, según una relación de 2 a 1, (VER ANEXOS FIGURA 44).
.
60
Para las construcciones hasta de 15 m. de altura sobre el nivel del suelo, se
considera que estas ofrecen también una zona de protección en la misma forma
que para el caso anteriormente mencionado, pero con una relación de 1 a 1,
(VER ANEXOS FIGURA 45).
Se considera también que los edificios, que rebasan los 15 m. sobre el nivel
del suelo, protegen las partes situadas en niveles más bajos, si estas se
encuentran localizadas dentro de una área situada debajo de un arco de 45 m.
de radio, cuyos ~os quedan tangentes al punto más elevado del edificio y al
terreno, (VER ANEXOS FIGURA 46).
B-1-F Instalaciones de terminales aéreas en cubos de luz o superficies
abiertas en azoteas.
El perímetro de extensiones abiertas, tales como cubos de luz o mecánicos
que estén situados en azoteas, deberán quedar protegidos si su perímetro
mide más de 92 m., o bien siempre que cualquiera de los lados de la
extensión abierta rebase 15 m., sobre el nivel del suelo.
B-1-G Instalación de terminales aéreas en techos curvos en forma de
Cúpula.
En la cima de la curva o en la cúpula de un techo rematado en una cúpula
se colocará una o varias terminales aéreas, según sea necesario para que
establezcan una protección de zona de acuerdo con la relación 1 a 2.
61
B-1-H Instalación de terminales aéreas en chimeneas y ventilas.
En todas las chimeneas habrán de colocarse terminales aéreas, inclusive en
las chimeneas y ventilas metálicas prefabricadas cuya lámina metálica tenga
un espesor menor a los 4.80 mm (3/16 de pu1g.), cuando tales chimeneas o
ventilas no estén dentro de una zona de protección según una relación de 2 a
1 de una Terminal aérea.
Si el metal tiene un espesor superior a los 4.80 mm (3/16 de pulg.), solo se
necesitará interconectarlo al sistema.
Las terminales aéreas para chimenea se colocarán de modo que ninguna
arista de la chimenea esté a más de 0.60 m. de una Terminal aérea, (VER
ANEXOS FIGURA 47).
B-2 Instalación de conductores en techos y azoteas.
B-2-I-A Tendido de conductores en techos y azoteas.
Los conductores ligarán entre sí todas las terminales aéreas, y deberán
formar un sendero de doble dirección horizontal o descendente, desde cada
una de las terminales aéreas hasta las conexiones con terminales a tierra.
Los conductores deberán tenderse en un plano horizontal a lo largo de
cumbreras, de techados abovedados en tomo del perímetro de techados
planos; detrás o en lo alto de parapetos, y a través de extensiones planas de
azoteas.
B-2-1-B Eliminación de desniveles.
El recorrido de los conductores deberá ser siempre horizontal o descendente,
libre de cualquier desnivel en forma de "U" o en "V", tanto hacia arriba
como hacia abajo.
62
Estos desniveles que a menudo se presentan con chimeneas, lucernas u otras,
deberán de estar previstos de un conductor de bajada desde la parte inferior del
desnivel a tierra o al conductor principal, (VER ANEXOS FIGURA 48).
B-2-1-C Curvas ligeras.
Ninguna curva de conductor deberá formar un ángulo de más de 900 grados,
ni tener un radio de curvatura de menos de 20 cm.
B-2-1-D SOPORTES Y EMPALMES.
Soportes
Los conductores pueden tenderse en forma aérea sin soporte, en distancias de
0.90 m. o menos. Por medio de una varilla de 15.90 mm. ( 5/8 de pulg. ) o su
equivalente.
Firmemente sujeta en cada extremo, sirviendo de soporte, puede tenderse en
forma aérea un conductor hasta una distancia que no rebase los 1.80 m.
Empalmes.
En todos los empalmes de conductores, tanto " a tope ", como en "T" o en "Y",
habrán de utilizarse conectores "rectos" o "T" y deberán de soportar una
prueba de tracción de 900.00 kgr.
Dentro de los requisitos para la clase l son aceptables los empalmes con
conectores, tanto de tipo plegado como con tomillos de metal estampado o
colado. En instalaciones clase II, no habrán de usarse empalmes con
conectores tipo plegado.
63
B-2-1-E Tramos transversales en techados.
Los techos planos o de pendiente ligera cuyas dimensiones excedan de 15
m. de ancho y 45 m. de largo, deberán llevar además del conductor principal
de perímetro, tramos adicionales de conductor de las mismas
especificaciones, localizadas en forma tal, que dependiendo de las
dimensiones del techo, formen una malla ligada al conductor perimetral cuyos
rectángulos que la constituyen no excedan de 15 m. por 45 m., figura 41.
B-2-1-F Salvedades a la regla del doble conductor hacia tierra.
Como quedó indicado en párrafos anteriores, los conductores en el techado,
habrán de conectar entre sí, todas las terminales aéreas y deberán
proporcionarles a cada una de ellas, un doble camino hacia tierra sin
embargo, se establecen las dos salvedades siguientes:
a) Se permiten las bajadas desde un nivel de techado más alto a través de
otro más bajo, sin ninguna bajada extra, siempre que el tramo de
conductor del techado más bajo no tenga más de 12 m.
b) Las terminales aéreas pueden ser " PUNTAS MUERTAS ", con sólo un
camino de dirección única a un conductor principal cuando estén en
techados por debajo del nivel de la lumbrera principal, siempre que el
tramo de conductor desde la Terminal aérea hasta el conductor
principal no tenga más de 4.90 m. de longitud tota
64
II. Instalación de conductores en bajadas a tierra
B-2-II-A Recorrido y cantidad.
Cualquier tipo de construcción tendrá cuando menos, dos conductores de
bajada: La localización de los mismos dependerá de la colocación de las
terminales aéreas, del tamaño de la estructura, de que su recorrido a tierra
sea el más directo posible y del lugar en que se encuentren cuerpos
metálicos y tuberías de agua, y también de las condiciones del subsuelo.
Los conductores de bajada han de estar separados por una distancia
promedio de 30 m. como máximo.
Las estructuras de forma irregular en ciertos casos pueden requerir
conductores extra de bajada para lograr un camino de doble dirección a
tierra desde las terminales aéreas, de las lumbreras principales o de las
alas laterales.
Para determinar el número necesario de conductores de bajada, ha de
medirse sólo el perímetro " protegido ", es decir, las extensiones de
techado empinado, el perímetro protegido habrá de medirse de modo que
sea comparable con el contorno del alero o su equivalente.
B Protección de los conductores en bajada
B-2-II-B Protección.
Los conductores de bajada deberán contar con protectores que eviten daños
materiales o desplazamientos. Estos protectores serán de tubería de pvc rígido.
El conductor de bajada habrá de estar protegido en una distancia mínima de
1.80 m. arriba del nivel del suelo y deberá llevar en la parte superior del
protector de bajada un desconectador de tierra que permita desconectar del
sistema cada toma para medir su resistencia, sin necesidad de escarbar y
destapar la Terminal de la misma.
65
B-3 INSTALACION DE BASES Y ABRAZADERAS PARA CABLE.
B-3-A Sujetadores.
Las bases para punta y las abrazaderas para cable deberán estar
firmemente sujetas a la construcción o a otro objeto sobre el que se les
haya colocado mediante tornillos y taquetes.
Los tornillos que se usen, deberán ser del mismo material que las piezas
que vaya a sujetar o de un material que no tenga corrosión, electrolítica en
presencia de humedad o por contacto entre materiales disímiles. Las
abrazaderas para cable irán separadas una de otra 0.90 m. como mínimo.
B-3-B Anclaje de sujetadores.
Los sujetadores deberán tener un diámetro de no menos de 6.40 mm. (1/4 de
pulg ), y habrá de instalárseles cuidadosamente. Los agujeros que hayan de
recibir la espiga del sujetador habrán de ser del tamaño correcto, hechos
con herramientas adecuadas y abiertos en tabique o piedra más que en
juntas de mortero. Una vez instalado, el ajuste ha de ser estanco a la
humedad y capaz de resistir una prueba de tracción de 450.00 kg.
B-4 INSTALACION DE TERMINALES DE TIERRA O ELECTRODOS.
B-4-A Abrazadera para tierras.
Cada conductor de bajada deberá rematarse en una Terminal de tierra del
tipo mencionado en el párrafo A-4. La unión entre el conductor y la Terminal
deberá hacerse
Por medio de una abrazadera para tierra de tipo especial que permita un
contacto en paralelo, de por lo menos 38.00 mm entre cable y Terminal.
66
B-4-B VARIACIONES DEBIDAS A LAS CONDICIONES DEL SUBSUELO.
Ninguna Terminal de tierras deberá estar localizada a menos de 0.60 m. de
la pared de los cimientos. El diseño, el tamaño, la profundidad, la forma y el
número de terminales a tierra que se utilicen deberán cumplir con las
disposiciones contenidas en Los párrafos B-4-C, B-4-D Y B-4-F (VER
ANEXOS FIGURA 50).
B-4-C Subsuelo arcilloso húmedo profundo.
La terminal de tierra deberá penetrar verticalmente no menos de 3 m. en el
suelo; deberá apisonarse la tierra, dejándola bien apretada a todo lo largo
del conductor y de la Terminal de tierra.
B-4-D Subsuelo arenoso o de gravilla.
En arena o gravilla deberán penetrar verticalmente, a una profundidad
mínima de 3 m. del nivel del suelo, dos o más terminales de tierra con
separación de no menos 3 m. entre ellas, (VER ANEXOS FIGURA 51).
B-4-E Subsuelos tepetatados.
En los lugares en que el subsuelo es de tepetate, resultaría imposible
clavar una varilla de tierra; para esos casos, el uso de rehiletes representa
una solución más práctica y adecuada.
Cada conductor de bajada habrá de ir tendido en una zanja de 0.30 a
0.60 m. de profundidad, hasta una distancia mínima de 3 m. del edificio
protegido.
67
En ese lugar, se hará un pozo de 1.00x 1.00 m. y de 1.50 m. de
profundidad; el rehilete deberá quedar enterrado en dicho pozo, en una
mezcla de carbón y sal con una relación de una parte de sal por tres de
carbón. (VER ANEXOS FIGURA 52).
B-4-F Subsuelos poco profundos.
En los lugares en que el lecho rocoso está cerca de la superficie, los
conductores habrán de tenderse en zanjas que alejen del edificio cada uno de
los conductores de bajadas.
Estas zanjas no habrán de tener menos de 3.70 m. de longitud y de 0.30 a 0.60
m. de profundidad, cuando sean en suelo arcilloso; en suelo arenoso o de
gravilla, la zanja no habrá de tener menos de 7.30 m. de longitud y 0.60 m. de
profundidad.
Si no fuese posible llevar a la práctica estos métodos, una alternativa aceptable
de los mismos será tender el cable en zanjas de la profundidad antes
especificada o, si esto tampoco es posible, tenderlo directamente en el lecho
de roca hasta una distancia mínima de 0.60 m. de los cimientos o de la zapata
exterior, y unirlo a una placa de cobre, enterrada en el piso, esta placa de cobre
deberá tener un espesor de cuando menos 0.80 mm y una superficie mínima
de contacto de 0.18 m2. (VER ANEXOS FIGURA 53).
Si el subsuelo tiene menos de 0.30 m. de profundidad, el edificio protegido
deberá estar rodeado por un conductor igual al principal (anillo perimetral),
tendido en una zanja o bien en grietas de la roca. Partiendo de este anillo
perimetral, deberá tenderse un conductor que llegue hasta fosos en los que se
depositará metal adicional. Esto se llevará a cabo depositando una placa de
cobre de aproximadamente 0.84 m2 de extensión y de 0.80 mm (0.032 p1g.),
de espesor, o su equivalente de metal resistente a la corrosión, conectada a
los conductores laterales y cubierta con tierra suelta para absorber la
humedad proveniente de lluvia o riego. (VER ANEXOS FIGURA 54).
68
B-4-G Resistencia de la toma de tierra.
Cada toma de tierra deberá ofrecer una resistencia menor de 25 ohms. En caso
de que con una sola varilla o rehilete se obtenga una resistencia mayor, se
deberán agregar tantas tomas adicionales como sea necesario para
obtener la resistencia antes mencionada.
B-4-H Ligas de toma tierras.
Todos los sistemas de tierras de un edificio habrán de estar ligados juntos
entre sí.
Esta conjunción comprenderá la toma de tierra de los sistemas eléctricos,
de antenas, y de otros sistemas subterráneos de tuberías metálicas que
penetran en el edificio.
Estos sistemas de tubería incluirán: suministros de agua, tuberías de agua,
tuberías conduit metálicas, tuberías de gas. etc.
Las interconexiones entre los diferentes sistemas de tierra habrán de hacerse
utilizando conductores y conectores del tamaño y tipo de los usados en el sistema
de pararrayos.
B-5 LIGAS DE CUERPOS METALICOS AL SISTEMA DE PARARRAYOS.
B-5-A Ligas de masas metálicas.
Determinados cuerpos metálicos, de conductancia o de inductancia,
contribuyen al peligro de caída de rayos o de descargas laterales en el
exterior o el interior de los edificios y por lo tanto, han de ligarse al sistema
de pararrayos.
69
B-5-B Protección de cuerpos metálicos de conductancia.
Los cuerpos metálicos de conductancia deberán estar protegidos, cuando no se
encuentren dentro de la zona de protección de una Terminal aérea.
Todos los cuerpos metálicos de conductancia que tengan una superficie de
0.26 m2 o mayor, o un volumen de 0.016m3, o más grande, deberán estar
ligados al sistema de protección contra rayos, utilizando para ello conductores
principales y conectores de contacto que tengan una superficie de contacto no
menor de 19.00 cm2. Deberán tomarse las disposiciones necesarias para que
haya una guarda contra el efecto corrosivo que los metales disímiles introducen
en los puntos de ligar.
B-5-C Liga de cuerpos metálicos de inductancia
Los cuerpos metálicos de inductancia deberán estar ligados al sistema, en
su punto más cercano al mismo, utilizando para ello conductores y conectores
para ligas.
Es posible que algunos cuerpos metálicos lo sean tanto de inductancia
como de conductancia, en esos casos se deberán usar conectores de contacto
del tipo indicado en el párrafo anterior.
Las conexiones a cuerpos metálicos de inductancia son necesarias si tales
cuerpos se encuentran dentro de una distancia de 1.80 m. o menos del
conductor principal o de otro cuerpo metálico ligado.
70
B-5-D Ligas con la red de agua.
La red de agua del edificio también deberá quedar ligada al conductor del
sistema de pararrayos.
B-5-E Ligas de antena de radio y t.v. y apartarrayos.
Los mástiles de metal de las antenas de radio y televisión situados en un
edificio protegido habrán de estar ligados al sistema de protección contra rayos
por medio de un conductor y conductores del mismo tipo que los usados en el
sistema de pararrayos.
Independientemente de la liga al mástil de las antenas, los cables de las
antenas qua van hacia los equipos deberán ser provistos de apartarrayos con
el fin de evitar daños a dichos equipos.
3.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION.
Objetivos.
Los objetivos que se persiguen al diseñar un sistema de protección
contra descargas atmosféricas para ser aplicado en la Red Móvil del
Servicio de Transmisiones, es dar protección a:
1. Personal de Servicio de Transmisión (operadores).
2. Personal perteneciente a unidades a nivel Corporación y sus partidas.
3. Equipos de radio comunicación (receptores, transmisores, etc.).
4. Eventualmente, familiares de dicho personal.
71
3.4.1 Ubicación.
Dentro de este factor, se va a considerar el estudio del lugar geográfico, el cual
incluye la configuración del terreno, como son elevaciones, vegetación, clima,
vientos dominantes, nivel isoceraúnico, características eléctricas del terreno,
sistema de tierra y construcciones cercanas.
3.4.2 Instalación.
En lo que se refiere a este factor, se deberán estudiar los aspectos
referentes a extensión, altura de la instalación, materiales utilizados en su
construcción, instalación de otros servicios (electricidad, agua potable, etc.)
además, deben considerarse las instalaciones del Servicio de Transmisiones,
principalmente en lo referentes a temas.
3.4.3 Selección del Sistema de Protección.
Después de analizar todos los factores que afectan el lugar que se desea
proteger, se diseña un sistema que proporcione la protección deseada,
tomando como punto de partida para que dicho diseño, los casos extremos,
es decir, aquellos en los cuales los requerimientos de protección sean
máximos, por lo que las características de los elementos elegidos para la
configuración del sistema proporcione un margen de seguridad aceptable,
considerando además el aspecto económico, para lo cual será necesario en
ocasiones hacer consideraciones específicas para cada lugar.
3.4.4 Diseño del Sistema en Base a la Ubicación.
Tomando en consideración la configuración geográfica que generalmente se
asocia a las instalaciones de la Red Móvil del Servicio de Transmisiones, y
después de consultar con personal de este servicio que ha actuado como
operador del mismo durante muchos años, se puede concluir que en el
noventa por ciento de los casos, dichas instalaciones se encuentran aisladas de
72
Las demás construcciones, separadas de ellas no menos de 200 metros y
que dichas construcciones son muy escasas, dado que en las partidas se
busca normalmente una ubicación alejada de las poblaciones y sitios
dominantes (lugares elevados).
De lo anterior se puede observar, que normalmente será necesaria una
protección contra descargas atmosféricas, en lo que ubicación se refiere, sin
embargo, y para evitar gastos innecesarios, antes de hacer la instalación se
deberán estudiar detenidamente los alrededores para ratificar o rectificar la
Mencionada necesidad (que podría resultar innecesariamente en el diez por
ciento de los casos, lo que representaría un considerable ahorro).
En lo que se refiere a vegetación, el asunto adquiere mucha importancia, en
muchas ocasiones las instalaciones a proteger, se encuentran rodeadas de
árboles; que por sus dimensiones son lo más importante ya que un gran
porcentaje de descargas cae sobre los mencionados, sobre todo cuando la
elevación es considerable, en cuyo caso puede provocar incendios que
lógicamente afectarían la integridad física de la instalación, por lo que se
recomienda cortar los que se encuentren cerca de la instalación a proteger,
pues de otra forma sería necesario instalar una protección a los más
elevados.
En la instalación de protección contra descargas atmosféricas, se recomienda
que la instalación de tierra se haga a un mínimo de cinco metros de la
pared de la instalación, orientada hacia el punto de incidencia de los vientos
dominantes, y en caso de ser necesaria otra tierra, se colocará en el lado
contrario de la instalación, a la primera de las mencionadas se le denomina
"tierra de salida".
73
La constitución de estas tierras depende por lo general de las
características eléctricas del terreno, dado que estas son muy variables, en
caso de que no sea haga un estudio preciso, se recomienda el uso de la
tierra que se propone más adelante, que es una tierra normalizada y que
proporciona buenas características de conducción, aún en caso de que las
características eléctricas del terreno sean muy pobres (terreno seco, rocoso,
etc.).
Un estudio previo de las características eléctricas del terreno, nos podría
ahorrar material en la construcción de las tierras. Se pueden ver las
características eléctricas del terreno.
En lo que a nivel isoceraúnico se refiere, la República Mexicana, presenta
una gran variación (entre 20 y 120), pero observando la carta de niveles
isoceráunicos se puede observar que exceptuando la parte sur de Chiapas y
una pequeña porción de Oaxaca que afecta incluso los límites de Veracruz en
su parte Sur, en el resto de la República el nivel isoceraúnico varía entre 20 y
80, que por lo que para efecto este diseño, se tomará como nivel isoceraúnico
normal el valor de 80.
74
3.5 DISEÑO DEL SISTEMA EN BASE A LAS INSTALACIONES.
En general los materiales utilizados para la instalación de la Red Móvil, son
de mampostería con un promedio de altura de 5 metros, construidas sobre una
superficie de aproximadamente 50 metros cuadrados y que cuenta con todos
los servicios como son de energía eléctrica, agua potable, etc.
En general el punto crítico de estas instalaciones está representado por la
antena de los equipos de radiocomunicación, que constituye generalmente el
punto más elevado (tres metros por encima del techo de la construcción) ya
que constituye un pararrayos involuntario, puesto que representa un camino
de baja impedancia para las descargas atmosféricas.
Esto hace necesario el darle una protección directa a dicha antena; lo que
se logra colocando un pararrayos al centro de la antena y elevada sobre
esta hasta una altura tal que el ángulo de protección del pararrayos utilizado,
cubra hasta un metro más allá del extremo activo de la antena, una vez hecho
lo anterior, se calculará si toda la superficie superior de la construcción esta
protegida, en caso negativo se podrían colocar dos pararrayos más, de
preferencia en algunos de los puntos de radiación nula de la antena, para
evitar que se afecte el lóbulo de radiación de la misma, procurando con esto
que toda la superficie a proteger quede cubierta.
En la mayoría de los casos y respetando la ubicación original de la antena,
con esta protección es suficiente, pero en el caso de que no sea así, se podrá
variar la ubicación de la antena sin cambiar su orientación, de tal forma que
toda la superficie quede protegida.
75
En ocasiones en que la superficie del techo presenta dificultades para la
protección total será necesario realizar los estudios relativos para su
completa protección, estos casos se presentan cuando la parte superior
tiene una forma de escuadra y rectángulos muy alargados, etc. En general,
una antena colocada sobre el techo de una partida militar, podrá funcionar
adecuadamente a pesar de que se le ponga un pararrayos por encima de la
PARTE CENTRAL, ya que la parte del lóbulo de radiación de la antena que
más influye en el establecimiento del enlace, es en el sentido horizontal y no
en el vertical.
En el Ejército Mexicano, las comunicaciones entre las partidas ubicadas a
distancias considerables (mayores de 10 kms) y las unidades a nivel
corporación, se llevan a cabo con equipos de Amplitud Modulada (AM)
dentro de la gama de alta frecuencia (HF) que varia entre 2,720 y 15,625
Mhz utilizándose generalmente antenas tipo doblete (Antena Tipo Hertz de
media longitud de onda) cuya longitud se determina por la fórmula siguiente:
)(
5.142
MhzfL Formula 3.1
Partiendo de la fórmula anterior, y tomando los casos extremos las frecuencias
más bajas y las más elevadas dentro de la gama se hicieron los siguientes
cálculos:
Para 2,720 Mhz.
)(
5.142
MhzfL = mL 38.52
72.2
5.142
Para 15,625 Mhz..
)(
5.142
MhzfL = mL 12.9
625.15
5.142
76
Para la frecuencia de 2,720 Mhz la longitud total de la antena sería de 52.38
m, más un metro que se le aumenta como margen de protección en cada
extremo, se obtiene un total 54.38 m.
CASO I
Considerando un pararrayos con un ángulo de protección de 65 grados, para
proporcionar la protección adecuada, se debe colocar a una altura que se
calcula a partir del radio de protección de la siguiente manera:
RA=L/NP fórmula (3.2)
h=RA/Tan fórmula (3.3)
RA = 54.38 m / 2 = 27.19 m.
h = 27.19 m / tan 65° = 12.67 m.
Donde:
RA = Radio de la antena.
h = Altura a partir de la antena.
Np = Número de las partes a proteger.
Tan = Angulo de 65° de protección del pararrayos.
A continuación se calcula la superficie de protección a nivel del techo (tres
metros abajo de la antena).
ht = h + 3 m. fórmula ( 3.4 )
ht = 12.67 m + 3 m.
ht = 15.67 m.
77
Rp=(ht)(tan ) fórmula ( 3.5 )
Rp = (15.67 m) (tan 65° )
Rp = 33.62 m.
At = (3.1416) (Rp) 2 fórmula (3.6)
At = (3.1416) (33.62m) 2
At = 3,555.58m2
Lc = (Rp)( sen )(2) formula ( 3.7 )
Lc =(33.62)(sen45°)(2)
Lc = 47.55 m.
Atc= (Lc)2 fórmula (3.8 )
Atc = (47.55 m)2.
Atc = 2,261 m2
Donde:
ht = Altura total a partir del techo.
Rp = Radio de protección.
At = Área total del cono.
Lc = Lado del cuadrado.
78
Atc = Área total del cuadrado.
Tan = Angulo de protección de 65° del pararrayos.
Sen = Angulo de 45° de la diagonal del cuadrado a proteger.
Como se puede ver la superficie protegida por el pararrayo es de 3,555.58
metros cuadrados (VER ANEXOS FIGURA 55). Que puede estar contenido
en un cuadrado de 47.55 metros por lado (VER ANEXOS FIGURA 56). Con
una superficie a proteger de 2,261 metros cuadrados.
CASO II
En caso de que sea muy problemático elevar el pararrayos a la altura
requerida, se puede optar por la colocación de dos de ellos, en las partes
medias de los brazos de la antena.
La protección se va a proporcionar considerando una longitud total igual a la
longitud de la antena pero medio metro por encima de su nivel horizontal, para
que quede totalmente protegida.
Esto implica la necesidad de proteger una longitud igual a la de la antena a
3.5 metros de altura sobre el nivel del techo. Como los soportes de los
pararrayos se van a colocar a la mitad de la longitud de cada brazo, deberán
tener un radio de protección a esa altura (RA) de la fórmula (3.2)
RA = 52.385 m / 4 = 13.095 m.
Este radio de protección considerando un ángulo de protección de 65 grados
del pararrayos, hace necesario que este se coloque a una altura (h) de la
fórmula (3.3)
h = 13.095 m / tan 650
h= 6.1 m.
79
Esto requiere que el pararrayos tenga una altura TOTAL (ht) sobre el techo de
la instalación de la fórmula (3.3), considerando una altura de protección
adicional a 3.5 m en lugar de 3 m:
ht = 6.10 m. + 3.5 m. = 9.6 m.
Como se puede ver, ambos pararrayos protegen un área correspondiente a la
base de un cono, el cual tiene una altura en este caso de 9.60 m y un ángulo de
inclinación de 65 grados, además, la base de dichos conos se encuentra
traslapada a partir de 3.5 m sobre el nivel del techo hacia abajo (VER ANEXOS
FIGURA 57)..
Para poder calcular la longitud de la superficie de traslape, sobre la línea que
une los respectivos centros de las circunferencias, se hará un corte transversal
de los conos de protección (VER ANEXOS FIGURA 58). De tal forma que
dicha longitud (LTR) será:
LTR = (Tan ) ( hTR)(2) fórmula ( 3.9 )
LTR = (3.5 m) (tan 65°) (2)
LTR = 15.01 m.
Donde:
L m=Longitud de traslape en metros.
h TR = Altura de traslape, en metros.
Tan = Angulo de protección de 65° del pararrayos.
Bajo cada cono se puede proteger un cuadrado inscrito (Lc), que se obtiene a
partir de la fórmula (3.7), se tiene que:
L c = (R p)(sen )(2)
80
De la fórmula (3.5), tenemos
R p = (h t) (tan )
Sustituyendo valores, se tiene:
R p = (9.60 m)(tan 65°)
R p = 20.58 m.
Sustituyendo en la fórmula (.7) , se obtiene:
L c = (20.58) (sen 45°) (2)
L c = 29.10 m.
Estos dos cuadrados, uno por cono, se traslapan en la parte central; para poder
calcular
El área total del rectángulo protegido, es necesario calcular el ancho del
rectángulo de traslape.
La flecha (d) (distancia entre una de las cuerdas formadas por un lado del
cuadrado inscrito y la circunferencia, en la dirección de un radio transversal
a dicha cuerda) es de:
d = R p – L c fórmula (3.10)
d = Rp - (Rp x sen91) fórmula ( 3.11 )
d = 20.58m - ( 20.58 x sen 45° ) d = 6.02 m.
81
De tal forma que el ancho de la superficie de traslape (ATR) del rectángulo
será:
Ate= LTR - (2Xd) fórmula ( 3.12 )
sustituyendo los valores anteriormente obtenidos,
tenemos:
ATR =15.01 m-(2)(6.02 m)
ATR = 2.97m
Luego entonces, el área del rectángulo protegido será (Ari):
Ari = ((2) (L c) - ATR) (L c) fórmula (3.13)
Ari = ((2 )(29. 10 m) - 2.97m)( 29.1 0 m )
Ari = 1,607.19 m2.
En (VER ANEXOS FIGURA 59). Se muestran los valores de los cálculos, así
como la superficie a proteger. .
En el caso I se vio, que el principal problema es la protección de la antena
por sus dimensiones, ya que al proteger esta, automáticamente queda
protegida la construcción que la sostiene.
Si la frecuencia usada es de 15.625 Mhz la situación varía
considerablemente, pues la antena a esta frecuencia tiene una longitud (L) de la
fórmula (3.1)
L = 142.5/F Mhz
L = 142.5/15.625 Mhz
L = 9.12 m.
82
A la longitud de la antena para esta frecuencia se le agrega un metro a cada lado,
para que quede totalmente comprendida dentro del área de protección, es
decir, a la altura de la antena el diámetro de protección será de 11.12 m, a partir de
estos datos, se calcula la altura del pararrayo (h), utilizando la fórmula (3.3)
h = 5.56m / tan 65°
h = 2.5926 m.
Y la altura total ( ht ), de la fórmula ( 3.4 ):
ht = h + 3m.
ht = 2.5926m + 3m = 5.5926m
De tal forma que la protección a la altura del techo tendrá un radio ( Rp ), de
la fórmula ( 3.5 ):
Rp =( ht)( tan )
Sustituyendo valores:
Rp = (5.5926) (tan 65°)
Rp = 11.993m.
Con una superficie ( At) de
At = (3.1416)( Rp)2
Rp = (3.1416X 11.9932 m)2
At = 451. 86 m2
83
Con esta dimensión de radio, se protegerá la superficie de un cuadrado inscrito
cuyo lado ( Lc) tendrá una longitud de:
Lc= (Rp) (sen )( 2 )
Lc = (11.993mX 0.7071)(2) = 16.96m
Con una superficie (Atc) de:
Ata =(Lc )2
Atc = (16.96m)2 = 287.66m2.
Que será suficiente en la mayoría de los casos para proteger las
instalaciones de una Partida Militar. Otra opción de protección, para el caso en
que la antena no este colocada exactamente sobre la construcción. es el uso
de un telé pararrayo o hilo de guardia, el cual se podrá colocar a un metro de
altura a todo lo largo de la antena, con bajadas un metro después de los
extremos de la misma y en el mismo sentido, en dichas bajadas se deberán
hacer buenos contactos a tierra
84
4.0 SISTEMAS DE TIERRAS
4.1 ESTUDIO DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.
Es muy importante la localización del terreno donde se construirá una
subestación y depende del tipo de subestación y costos del terreno.
Se debe hacer una investigación del lugar preseleccionado. Observándose la
composición general del suelo y determinar la característica del terreno desde
e punto de vista de la ingeniería civil eléctrica.
Para realizar el cálculo preliminar de la red de tierras, es indispensable conocer
la resistividad del terreno, para lo cual deben hacerse mediciones directas que
nos permItan establecer el valor que representa la medía OHMICA del suelo.
La resistividad de los terrenos tiene los siguientes valores aproximados:
Valores de Referencia de la resistividad Media para Distintos Tipos de Suelos.
CARACTERISTICAS
RESISTIVIDAD EN OHMS-METRO
Terreno Húmedo o suelo Orgánico 10 a 50
Terreno de Cultivo o Arcilloso 100
Tierra Arenosa Húmeda 200
Tierra Arenosa ( suelo seco) 1000
Tierra con Guijarros o Cemento 1000
Suelo Rocoso Húmedo 3000
Roca Compacta 10000
TABLA 6.1
85
Las estimaciones basadas en la clasificación permiten sólo una burda
aproximación de la resistividad.
Por lo tanto son muy deseables las mediciones de resistividad eléctrica del
suelo donde se vaya a instalar un sistema de tierras.
Estas deberán hacerse de preferencia, en una cantidad de lugares dentro del
terreno y con diferentes Vaciamientos de la sonda, esto es con el objeto de
obtener una indicación de cualquier variación importante en los valores de
resistividad con la ubicación o profundidad.
La cantidad de tales lecturas será normalmente mayor cuando dichas
variaciones de resistividad sean grandes; especialmente si algunas lecturas
son tan elevadas que sugieran un serio problema de seguridad.
Los instrumentos de uso común hacen automáticamente la división
obteniéndose lecturas directas en ohms, como lo muestra en (VER ANEXOS
FIGURA 60).
De donde se obtiene la fórmula:
)1.4(22
1
4
4442222
FORMULAAA
AB
BABA
En donde:
= Resistividad del terreno en ohms - metros
R = Es la resistencia en ohms que resulte de dividir el voltaje entre la sonda de
potencial por la corriente que fluye entre los electrodos de corriente.
A = Es la distancia entre los electrodos adyacentes en metros.
B = Es la profundidad de los electrodos en metros.
86
Si se analiza la fórmula (4.1) y se compara "B" con "A", resultando que "B" es
más pequeña respecto a "A", la fórmula se simplifica, obteniendo:
AR2 Fórmula (4.2.)
Si A y B están en centímetros, entonces estará en ohms-cm.
Localización del Punto de más baja Resistividad
Algunas veces es necesario localizar el punto de más baja resistividad en un
terreno en cuyas condiciones son desfavorables. Para tal caso, lo mejor es
trazar líneas rectas separadas unos tres metros y que cubran toda la extensión
del terreno bajo prueba.
Se clavan enseguida los electrodos de prueba a una profundidad no mayor de
60 cm y espaciados tres metros a lo largo de una línea a, b, c, d, y se mide la
resistencia "R" entre los electrodos b y c. Después de hacer esta lectura se
pasa a los puntos b, c, d, e; c, d, e, f, etc., y se prueba hasta que cubra toda la
línea y así hasta que se haya cubierto todo el terreno de prueba.
El punto que nos da más baja lectura para "R", obviamente será el punto de
más baja resistividad. Este valor será la resistividad promedio del terreno a una
profundidad de tres metros, es decir, igual al espaciamiento escogido.
Si se desea, la prueba puede ser repetida para las líneas espaciadas a una
distancia de seis metros. La comparación de ambos resultados nos dará
además del punto de más baja resistividad, una indicación de qué profundidad
necesitamos para instalar nuestras varillas y obtener la resistencia a tierra
deseada, o visto desde el punto de vista económico, se puede saber si vale la
pena incrementar el costo del sistema de tierra al aumentar la profundidad de
los electrodos.
87
4.2 DEFINICIONES DE SISTEMA DE TIERRAS
El mayor desarrollo en sistemas de pararrayos, se ha tenido en las puntas y
se ha descuidado en los sistemas de tierras, que son en realidad, los que
captan el "rayo positivo" y cuando se establece el contacto creándose la
descarga de retorno, es en realidad el que disipa toda la energía del rayo,
por lo que para nosotros es la parte más importante del sistema de
pararrayos.
4.2.1 Objetivo y naturaleza de los sistemas de tierra
La correcta conexión a tierra de todo el sistema eléctrico, es un factor de suma
importancia para la seguridad del personal y del equipo eléctrico en sí.
El propósito que se persigue con la existencia de los sistemas de tierra es:
Protección para el personal operativo, autorizado o no autorizado.
Protección a los equipos e instalaciones contra tensiones peligrosas.
Evitar que durante la circulación de falla a tierra, se produzcan
diferencias de potencial entre distintos puntos de la instalación,
proporcionando para esto, un circuito de muy baja impedancia para la
circulación de estas corrientes.
4.2.2 Constitución de un sistema de tierra
Una instalación de un sistema de tierra se compone esencialmente de
electrodos.
Que son los elementos que están en íntimo contacto con el suelo (enterrados)
y de conductores, utilizados para enlazar a los electrodos entre si y a éstos,
88
Con los gabinetes de los equipos y demás instalaciones expuestas a corrientes
nocivas, manteniendo al mismo tiempo, una superficie equipotencial a su
alrededor.
4.2.3 Puesta a tierra.
El sistema de puesta a tierra provee un camino de baja impedancia para
derivar a tierra corrientes de fuga y disturbios presentes en las redes de
energía, a través de los dispositivos de protecciones específicos.
El tipo de sistema de puesta a tierra será del tipo equipotencial, es decir todos
los componentes del sistema (anillos, estructuras, cañerías, etc.) estarán
vinculados.
Un sistema de puesta a tierra con todos sus elementos asociados
(descargadores gaseosos incluidos), provee de la siguiente protección:
1. Para minimizar la diferencia de potencial entre los objetos metálicos y
las personas a fin de reducir el riesgo de shock eléctrico debido a
descargas inducidas y corrientes de fuga.
2. Para minimizar la diferencia de potencial entre todos los objetos
metálicos y proveer protecciones de equipamiento contra voltajes
peligrosos y descargas eléctricas.
3. Para proveer potencial de referencia para equipo electrónico.
4. Para minimizar el efecto de disturbios eléctricos en la operación del
equipamiento por ruido normal y ruido común.
89
4.2.4 Conectado a tierra.
Conexión a tierra o a un cuerpo conductor que sirva en lugar de la tierra.
4.2.5 Conductor de puesta a tierra.
Conductor usado para conectar el equipo o el circuito de puesta a tierra, de un
sistema de alambrado a un electrodo o electrodos de conexión a tierra.
4.2.6 Puesta a tierra efectiva.
Unión permanente a tierra a través de un conductor de baja impedancia y que
tenga suficiente capacidad de corriente, para que si ocurre una falla a tierra o
rayo no ocasione diferencias de potencial que puedan ser peligrosas para el
personal.
En base al Reglamento de Obras e Instalaciones Eléctricas y a las
definiciones anteriores, podemos decir en forma general, que el objetivo de
los sistemas de conexión a tierra, es el de disminuir o dispersar en el
subsuelo, las corrientes eléctricas con características nocivas reduciéndolas,
a un potencial que tienda a cero, con lo cual se disminuyen o evitan los daños al
personal y/o equipo.
4.3 REVISIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS.
Dadas las características del rayo, es preciso que el disipador del mismo
esté en buenas condiciones siempre, no importa la época del año.
La instalación del pararrayos por su propia naturaleza, está colocada fuera
del edificio, por lo que todas sus partes están sujetas a la acción corrosiva de
los agentes atmosféricos, Deterioro accidental o intencional.
90
La perfección de !a instalación inicial no resiste por si sola al paso del tiempo
por lo que es necesario hacer revisiones periódicas de la misma.
La corrosión es el principal enemigo de la instalación de pararrayos y en
especial del sistema de tierras.
El artículo 9-31 del Reglamento de Obras de Instalaciones Eléctricas, menciona
que estas revisiones deben hacerse periódicamente, pero no especifica el
periodo.
Nosotros proponemos que la revisión sea semestral en lugares que no sean
críticos y trimestrales en los casos críticos tales como polvorines, depósitos
de combustible y depósitos de solventes inflamables.
La revisión semestral hacerla en Abril y en Septiembre, es decir, antes y
después del periodo de lluvias y el trimestral en Abril, Julio, Septiembre y
Diciembre, así cualquier desviación de valores que no sea justificada,
podrá ser indicio de que el sistema de pararrayos, se esta volviendo
inseguro, con sus posibles consecuencias, pudiendo así corregir cualquier
anomalía.
4.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA.
Por su uso o función los sistemas de tierra se pueden clasificar en:
a) Sistemas de tierra para protección
b) Sistemas de tierra para trabajo
c) Sistemas de tierra para servicio
91
4.4.1 Sistemas de tierra para protección.
Es el que utiliza para interconectar a tierra partes de una instalación que
normalmente no están energizadas y las que su valor es tan bajo que no
representa peligro al personal por contacto directo, pero que puedan causar
una chispa en lugares explosivos tales como quirófanos, polvorines, fábrica de
combustible o gasolina, etc.
4.4.2 Sistemas de tierra para trabajo.
Son los que se efectúan en forma provisional para realizar un trabajo que
implique el riesgo de un choque eléctrico o chispa.
Un ejemplo de este sistema, es el que se efectúa al descargar los camiones
tanque con gasolina, o cuando se efectúan reparaciones en las
subestaciones. Usualmente este aterrizaje se efectúa con electrodos de
barra.
4.4.3 Sistemas de tierra para servicio.
Son los que se utilizan para interconectar los pararrayos aunque también se
les utiliza para interconectar los neutros de generadores, transformadores,
aparta-rayos y en general, todos aquellos circuitos que durante una descarga
atmosférica o falla a tierra, puedan estar sometidos a fuertes corrientes.
Este sistema es necesario que tenga una conexión a tierra efectiva, es decir,
con baja impedancia y suficiente sección para resistir las intensidades de
corriente de un rayo durante un tiempo de hasta 0.6 de segundo.
92
4.5 COMPONENTES BÁSICOS.
Los componentes básicos que deben incluirse en un sistema de tierra para
proporcionar una debida protección tanto al personal como al equipo, son las
siguientes:
Red o malla de conductores enterrados, a una profundidad que usualmente
varía entre 0.50m y 1.0m
Electrodo de Tierra. Es un conductor enterrado en el suelo usado para
mantener un potencial de tierra en todos los conductores que estén
conectados a él y para disipar en el suelo todas las corrientes conducidas a él.
Barra de Tierra. Es una red de protección de tierra usada para establecer un
potencial uniforme en el y alrededor de la estructura, esta unido sólidamente a
los electrodos de tierra, a una profundidad que usualmente varía entre 0.50 y 1
metro.
Conductor de Puesta a Tierra. Es un conductor usado para las carcasas del
equipo o las cajas de los sistemas de alambrado al bus de tierra.
Tipo de Electrodos de Tierra. Una tubería de agua subterránea provee un
electrodo de tierra bastante satisfactorio. Si este sistema es el único medio de
conexión a tierra de un sistema dado, deberá haber una equivalencia entre el
tamaño del conductor de tierra y el diámetro de la tubería.
Barra de tierra. La importancia de un circuito metálico continúo de baja
impedancia en la trayectoria de retorno para las corrientes de falla de tierra.
93
4.6 MATERIALES EMPLEADOS EN LA RED DE TIERRAS.
Cada elemento del sistema de tierras (Incluyendo la malla, conectores y
electrodos) debe ser elegido de manera que cumpla con lo siguiente:
Tener un punto de fusión suficientemente alto para no sufrir deterioro bajo las
más severas condiciones en las magnitudes de corriente de falla y
duración de las mismas.
Tener resistencia mecánica suficiente y ser resistente a la corrosión.
Tener suficiente conductividad, de manera que dichos elementos no
contribuyan substancialmente a originar diferencias de potencial peligrosas.
El material más usado para los conductores es el cobre.
4.6.1 Conductores.
Los conductores utilizados en los sistemas de tierra son de cable de cobre
de calibres arriba de 4/0 AWG en cobre por razones mecánicas, ya que
eléctricamente pueden usarse cables de cobre hasta No. 2 AWG.
Para sistemas de anillo se han usado cable de cobre de 1000 MCM y en
cambio para el sistema de malla se está usando en la actualidad cable de cobre de
4/0 AWG.
Se utiliza por su mejor conductividad, tanto eléctrica como térmica y sobre todo
por ser resistente a la corrosión debido a que es catódico respecto a otros materiales
que pudieran estar enterrados cerca de él.
94
4.6.2 Electrodos.
Son las varillas que se clavan en terrenos más o menos blandos y que sirven para
encontrar zonas más húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica
Son especialmente importantes en terrenos desprotegidos de vegetación y cuya
superficie al quedar expuesta a los rayos del sol está completamente seca.
Los electrodos pueden ser fabricados de tubos o varillas de fierro galvanizado o bien
de varillas de "Copperweld".
En el caso de fierro galvanizado, se puede usar en terrenos en que su
constitución química no ataque a dicho material.
En terrenos cuyos componentes son más corrosivos, se utiliza el "Copperweld"
que consiste en una varilla de fierro a la cual se adquiere una lámina de cobre.
Este material combina las ventajas del cobre con la alta resistencia del fierro.
Ya que tiene buena continuidad, excelente resistencia a la corrosión y buena
resistencia mecánica para ser clavada en el terreno y se puede conectar a los
cables de la red de tierras a través de los conectores soldables o mecánicos.
4. 6. 3 Barras para pararrayos.
Con este título distinguimos al conjunto de electrodos que se instalan sobre la
parte más elevada de las estructuras de una subestación y que sirven para
complementar la red de cables de guarda que se extiende sobre los copetes de
las estructuras de la subestación de las posibles descargas directas de los rayos.
Dichos electrodos están fabricados usando tramos de tubos de fierro
galvanizado de unos, 40 mm., de diámetro y de 3 metros de largo atornillados a
la estructura de la subestación y cortados en bisel en su parte superior para
producir el efecto de punta.
95
Debido a que las descargas de los rayos son de alta frecuencia se
recomienda que las terminales de descarga de la red de hilo de guarda así
como las terminales de descarga de los pararrayos deben tener, como
mínimo el mismo calibre del cable de la red de tierras y lo ideal sería utilizar
un cable de descarga del mismo calibre de las barras que proteja para evitar el
reflejo de ondas que provoca un aumento en la amplitud de la onda de choque.
4.6.4 Conectores y accesorios.
Son aquellos elementos que nos sirven para unir a la red de tierras los
electrodos profundos, las estructuras, los neutros de los bancos de
transformadores, etc.
Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son principalmente de tres
tipos:
a) Conectores Atornillados.
b) Conectores a Presión.
c) Conectores Soldados.
Todos los tipos de conectores deben poder soportar la corriente de la red de
tierras en forma continua.
Los conectores atornillados se fabrican con bronces, de alto contenido de
cobre, formando dos piezas que se unen por medio de tomillos cuyo
material está formado por bronces al silicio que les da alta resistencia mecánica
y a la corrosión.
La utilización del bronce, que es un material no magnético, proporciona una
condición segura para las descargas atmosféricas que son de alta frecuencia.
96
Los conectores a presión son más económicos que los atornillados y dan mayor
garantía de buen contacto.
Los conectores soldados, solo se usan en la actualidad para conectar a tierra
los rieles de los transformadores.
Se usaron mucho hace tiempo, pero se encontraron fallas debido a que la
fusión de las uniones de los cables era irregular y formaba grandes zonas
huecas que producían falsos contactos.
Los conectores para sistemas de tierra difieren de los usados en barras
colectoras, en que se fabrican para unir los electrodos de tierra al cable; de la
malla de tierra al de cable de las estructuras, etc.
En general se utilizan en los siguientes tipos de conexiones atornillados:
a) Electrodo al cable de cobre de malla tomando en cuenta si el cable es
paralelo o perpendicular al electrodo.
b) Electrodo a dos cables verticales.
c) Del electrodo a tres cables verticales.
d) De un cable a un tubo o columna.
e) De dos cables a un tubo perpendicular a ellos
f) Zapata para conexión a diferentes equipos.
g) Conector T de cable a cable.
h) De un cable a placa.
i) De dos cables a placa.
j) De tres cables a placas.
k) De varilla a placa.
97
4.7 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE TIERRAS.
Disposición Física. Se recomienda que un cable continuo forme el perímetro
Exterior de la malla, de manera que encierre toda el área en que se encuentre
el equipo de la subestación.
La malla puede estar constituida por cables paralelos y perpendiculares, con
un espaciamiento razonable (por ejemplo formando rectángulos de 3 por 6
metros).
En lo que sea posible, los cables que formen la malla deben colocarse a lo
largo de las hileras de estructuras o equipo, para facilitar la conexión de los
mismos.
Se recomienda que los conductores de malla, deben conectarse rígidamente
entre sí y, en los puntos adecuados, conectarse a electrodos de tierra de 2.50
metros de longitud o más clavados verticalmente.
4.7.1 Corrientes de Falla en el Sistema.
La magnitud de las corrientes de corto circuito en un sistema de potencia, está
relacionada directamente con su capacidad de generación, mientras que la
magnitud de las corrientes de carga se determina por la cantidad de energía
que está utilizando.
Los sistemas de potencia cuentan con tres fuentes principales que alimentan
la corriente de corto circuito durante la presencia de una falla en el sistema.
Estas tres fuentes son:
a) Generadores.
b) Motores y condensadores Síncronos.
c) Motores de inducción.
d) Las fallas en el sistema se pueden presentar en cualquier lugar
donde el aislamiento normal entre fases o tierra resulta dañado por
condiciones anormales en el funcionamiento de la red, por las
condiciones ambientales o daños mecánicos.
98
Existen cuatro tipos de fallas que afectan los sistemas eléctricos, esto es:
a) Falla de línea a línea.
b) Falla de línea a tierra.
c) Falla de dos líneas a tierra.
d) Falla trifásica.
La mayoría de ellas son asimétricas, pudiendo ser cortos circuitos
asimétricos o fallas asimétricas a través de impedancias.
4.8 EL PROBLEMA BÁSICO DEL ATERRIZADO SEGURO.
Bajo condiciones de falla, el flujo de corriente hacia tierra producirá
gradientes dentro y alrededor de una planta o subestación, los cuales
pueden alcanzar valores tan altos como para poner en peligro al personal,
a menos que se tomen las debidas precauciones en el diseño.
También es importante señalar que una resistencia de tierra baja no
constituye en sí una garantía de seguridad.
Tampoco puede decirse que existe una relación simple entre la resistencia del
sistema de tierras en su conjunto y la máxima corriente de falla, una
estación de relativamente baja resistencia puede ser peligrosa bajo algunas
circunstancias.
Por otro lado, algunas estaciones con una resistencia muy alta pueden hacerse
seguras por medio de un cuidadoso diseño.
Además de la magnitud de los gradientes locales, otros factores como la
duración de la falla, resistencia, condición física del individuo y
probabilidad del contacto intervienen dentro del problema de seguridad.
99
4.9 CONDICIONES DESFAVORABLES PARA LOS SISTEMAS DE
TIERRA.
Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por choque eléctrico,
requieren la coincidencia de los siguientes factores:
1.- Una corriente de falla a tierra relativamente alta en relación con el tamaño
del sistema de tierras y resistividad de la tierra.
2.- Resistividad del suelo y distribución del flujo de corriente de tierra tal, que
los elevados gradientes de potencial son posibles en uno o más puntos.
3.- La presencia del individuo en un punto, en un momento y una posición tales,
que su cuerpo "puentea" dos puntos de alta diferencia de potencial.
4.- Ausencia de resistencia de contacto suficiente u otra resistencia en serie
para limitar la corriente a través del cuerpo a un valor seguro bajo las
circunstancias anteriores.
5.- Duración de la falla y contacto del cuerpo, (y por lo tanto el flujo de
corriente a través del cuerpo) por un tiempo suficiente para producir daño la
intensidad de corriente dada
Los accidentes por choque eléctrico son raros comparados con los de otras
clases, debido a la baja probabilidad de coincidencia de todas las
condiciones desfavorables requeridas.
Sin embargo un pequeño estudio mostrará que es absolutamente imposible
prevenir en todo tiempo, en todos los lugares y bajo todas las condiciones la
presencia de tensiones peligrosas.
Afortunadamente en la mayoría de los casos, pueden reducirse a un valor
muy bajo mediante un diseño inteligente y cuidadoso.
100
4.10 EFECTOS DE RECIERRES.
En la operación de los sistemas modernos, los recierres después de las fallas,
son una cosa común.
Un solo recierre automático resultaría por lo general en un segundo choque
iniciado en un poco menos de medio segundo después del inicio del primero,
con mínima oportunidad para la víctima para liberarse por sí misma en ese
intervalo.
Con el recierre manual, donde el intervalo normalmente sería desde varios
segundos hasta unos cuantos minutos, habría una posibilidad mayor, pero
no da seguridad de que la víctima pudiera evitar otro choque en el recierre.
Para intervalos mayores de 5 minutos, los choques sucesivos no tienen un
efecto acumulativo en la susceptibilidad a la fibrilación del corazón, puesto
que si ésta no ocurre, la acción del corazón casi siempre regresa a lo normal
dentro de los 5 minutos siguientes a la aplicación de la comente.
Sin embargo en el caso de un recierre después de un intervalo
relativamente corto, un individuo podría recibir un primer choque, el cual
pudiera no dañarlo permanentemente, entonces, si ocurre un segundo choque,
tal vez más débil pero antes de que él haya recobrado su estado normal,
podría producirse una desgracia.
4.11 TENSIÓN DE PASO.
En un dispersor o electrodo de tierra debe conducir la corriente bien sea del
rayo positivo o de la descarga de retorno, y cuando esto sucede, se forma un
campo electromagnético que depende de la forma del electrodo, sus
dimensiones y de la resistividad del terreno.
101
Ruiz Vasallo nos dice, que estos anillos equipotenciales, producen un
"embudo", en las zonas próximas a la toma de tierra; que es máxima en la
vertical del electrodo de barra y que resulta casi inapreciable a unos 20 metros
de distancia, como se muestra en (VER ANEXOS FIGURA 61).
Cuando una persona se encamina paso a paso hacia el lugar de la toma de
tierra, está sometida a una tensión de paso, esta tensión de paso se refiere a un
metro de longitud de paso para el hombre y a 1.5 metros para los animales
domésticos. La tensión de paso puede resultar peligrosa, pudiendo inclusive
causar la muerte.
En (VER ANEXOS FIGURA 62). Se muestra este efecto y en la figura 67 se
muestra haciendo la
4.12 FACTORES QUE INTERVIENEN PARA ELEGIR UN BUEN
SISTEMA DE TIERRAS.
SEGURIDAD.- Muchos de los peligros al personal y propiedades existentes
en los sistemas eléctricos industriales son el resultado de una mala
planeación de un adecuado sistema de redes de tierra, por lo anterior se
debe tener el debido cuidado al realizar el diseño y al llevar a cabo su
realización ya que con esto nos estamos dando cuenta de que habrá una
mayor seguridad en su funcionamiento en caso de falla en el equipo o por
alguna otra causa.
Continuidad de Servicio.- El continuo avance tecnológico de los años
recientes ha exigido sistemas de procesos y manufacturas de un alto grado de
continuidad de servicio., eléctricamente, está continuidad del servicio debe
estar asegurada.
Sobre-tensiones.- Los períodos transitorios son de mucha importancia ya que
en ellos, los componentes del sistema eléctrico se ven sometidos a grandes
esfuerzos debido a excesivas tensiones.
102
Fallas de Arqueo.- En años recientes, especialmente en sistemas de bajo
voltaje, existen un gran número de reportes de casos de fallas de arqueo. Los
cuales ocasionan daños muy severos a la construcción de instalaciones,
dispositivos y máquinas eléctricas.
Por ejemplo la falla de arqueo en sistemas de neutro flotante o bien en el
sólidamente aterrizado causa la liberación de energía, tal que, resulta una
violenta generación de calor y gases, así como de plasma de arco, el
calor generado es tan intenso que puede llegar a volatilizar los conductores
de cobre y aluminio, inclusive el acero circundante.
También destila gases tóxicos y flamables de los aislantes orgánicos.
Frecuentemente la devastación es tan completa que el equipo involucrado se
tiene que reemplazar.
4.13 SELECCIÓN DE LAS REDES DE TIERRA
Debido a lo anterior debemos hacer una adecuada elección del sistema de
redes de tierra que emplearemos, por lo que consideraremos básicamente 4
tipos de sistemas:
a) Sistema Radial
b) Sistema de anillo - Sistema de Red
c) Sistema Ideal o de Placas
El Sistema Radial. Es el más barato pero el menos satisfactorio ya que al
producirse una falla en un equipo o aparato, se producen gradientes de
potencial elevados.
103
El sistema consiste en uno o varios electrodos instalados a lo largo de líneas
imaginarias y no se enlazan formando ninguna figura geométrica y sobre esta
configuración se conectan las derivaciones de cada aparato o equipo.
El Sistema de Anillo. Se obtiene, colocando en forma de anillo un cable de
cobre de suficiente calibre (aproximadamente 1000 MCM ), alrededor de la
superficie ocupada por el equipo de la subestación y conectando derivaciones
a cada aparato usando, cable más delgado ( 500 MCM ó 4/0 AWG ).
Es un sistema económico y eficiente y en el se eliminan las grandes
distancias de descarga a tierra del sistema radial. Los potenciales
peligrosos son disminuidos al disiparse la corriente de falla, por varios
caminos en paralelo.
El Sistema de Red. Es el más usado actualmente en nuestro sistema eléctrico y
consiste como su nombre lo indica en una malla formada por cables de cobre
(aproximadamente 4/0 AWG) y conectada a través de electrodos de varillas
copperweld a partes más profundas para buscar zonas de menor resistividad.
Este sistema es el más eficiente pero también es el más caro de los tres tipos
mencionados. El cruzamiento de los cables al formar mallas aunque
indispensables para una mejor distribución de las comentes, aprovechando
en menor escala el terreno ya que en ese punto un cable es menos
efectivo en una región en donde ya se encuentra otro cable.
Sistema de Placa o Ideal. Este sistema consiste en instalar una placa
metálica en el subsuelo, bajo el área de equipos y estructuras de la
subestación como mínimo.
Este es un sistema ideal desde el punto de vista de seguridad del personal,
aunque la resistencia de la red tiende a ser de cero ohms, los potenciales
peligrosos prácticamente no existen. Por ser ideal es un sistema que sirve de
referencia para estudio.
104
4.13.1 Algunas formas de sistemas de tierras.
Existen básicamente tres tipos de electrodos de tierra: barra, conductor y
placa, la malla se le considera como placa para fines de cálculo, siempre que
la separación entre conductores sea la adecuada.
4.13.2 Sistema de Barra.
La barra es el sistema más común y consiste en clavar verticalmente en el
terreno electrodos de tierra que pueden ser de cobre, Copperweld, tubo de
acero perforado y otros.
El diámetro del tubo o barra poco influyen en el valor de la resistencia
eléctrica y se toma más en cuenta la profundidad; así para una profundidad t
del(VER ANEXOS FIGURA 63). la resistencia de tierra de la toma de tierra
tiene un valor aproximado de:
t
pRt Fórmula (4.3 )
Donde:
t = es la profundidad en metros.
p = es la resistividad del terreno en ohms por metro.
Una realización práctica se muestra en (VER ANEXOS FIGURA 64). Donde
se ve el cambio de 90 grados que tiene el flujo de la comente y el registro
para poder efectuar mediciones.
105
En (VER ANEXOS FIGURA 65). Se muestran las dimensiones del registro
según Ruíz Vasallo y el tubo de acero perforado tiene por objeto el poder
inyectar agua o alguna solución salina al subsuelo y con ello aumentar la
humedad y por tanto, la conductividad del terreno.
La tensión de paso que provocan estos sistemas de barra alcanza a influir
hasta los 20 metros como se mencionó antes.
4.14 SISTEMAS DE TIERRAS PROFUNDAS.
En el sistema de tierras profundas mostrado en(VER ANEXOS FIGURA 66).
que se introduce en el terreno un cuerpo de gran superficie, donde el
conductor a tierra está aislado. Si consideramos el aislamiento para las
tensiones que produce un rayo, este no es económico.
La resistencia de la puesta a tierra viene expresada por:
OHMS
t
ddR
41
1
2 Fórmula (4.4.)
Donde:
p = resistividad del terreno en ohms-metros.
d = diámetro de la toma de tierra en metros.
t = profundidad en metros.
106
4.15 SISTEMAS DE TIERRA EP-C.
El sistema de tierra mostrado en(VER ANEXOS FIGURA 67). Utiliza
electrodos de desgaste de magnesio y un conductor en forma toroidal para
disipar la corriente en el subsuelo, en el desconectado el cambio de dirección
es de 85 grados y lo más interesante es que la profundidad del sistema es de
sólo 1.10 metros.
4.16 SISTEMAS DE TIERRAS EN FORMA DE PLACA.
El uso de sistema de tierra en forma de placa da más control en el tipo de
terreno donde se instala ya que al tener que efectuar la excavación, se
palpa el tipo de suelo donde quedará instalado el sistema.
En el sistema implantado por los franceses en 1890, una placa de cobre de
70 a 80 centímetros de diámetro, conformaba el sistema. En (VER ANEXOS
FIGURA 68). Se muestra ésta configuración donde el conductor es soldado
con estaño o soldadura de cobre pudiendo ser esta unión al centro o en su
periferia; la práctica muestra que la soldadura de estaño, no es conveniente
aunque lo siguen usando, como por ejemplo: "Pararrayos Hernández" de
Guadalajara,
4.17 OTROS SISTEMAS DE TIERRAS.
En el sistema de pararrayos Español, que se muestra en (VER ANEXOS
FIGURA 69).está constituido por una placa de cobre estaño o de hierro
galvanizado, con una superficie de un metro cuadrado y de 2 a 5 milímetros de
espesor, se entierra a una profundidad mínima de 2 metros, donde se elige el
lugar más húmedo. La placa se rodea de carbón triturado y cuenta con un
tubo para verter agua periódicamente. Nosotros no estamos de acuerdo con la
colocación del tubo para humedecer, por la descarga de retomo. En(VER
ANEXOS FIGURA 70).,
107
se muestran otros tipos de redes de tierras que por la dificultad que presentan
en su instalación se mencionan únicamente, la fórmula de su resistencia
aproximada es igual que para el sistema de malla o pletina de (VER
ANEXOS FIGURA 71).. Es de hacerse notar el cambio de dirección de 90
grados en el flujo de la corriente que como ya se vio aumenta la impedancia
total del sistema. Existen otros sistemas que no mencionamos aquí, que por
falta de conocimiento de ellos o su poco interés, práctico, no se tomaron
en consideración.
4.17.1 Electrodo de conexión a tierra.
Este electrodo consta de dos elementos con los cuales se obtiene una
doble conexión a tierra, que ofrece mayor eficiencia y confiabilidad. Uno
de estos dos elementos se encuentra en la parte inferior del electrodo y
consiste en una barra de acero cobre la cual permite una penetración más
profunda en el subsuelo. El otro elemento se encuentra en la parte superior
del electrodo y consiste de un tubo de cobre que contiene una química que
fluye de inmediato a lo largo de la barra mencionada a través de un orificio que
se encuentra en la tapa inferior del tubo y penetra en el subsuelo
proporcionando una mejor conexión a tierra. Esta solución química puede
reponerse, cuando sea necesario, introduciéndola al tubo por su extremo
superior, procurando colocar la tapa nuevamente.
4.17.2 Instrucciones para su instalación.
Haga una pequeña excavación de un metro de profundidad y clave la barra
al centro de ésta procurando que la barra sobresalga cuando menos 5 cm;
por encima del lecho de la excavación y atornille firmemente el tubo del
electrodo de esta barra. Rellene la excavación, pisone la tierra conforme
se vaya rellenando.
108
Es cuando la solución química dentro del tubo, actúa y hace un contacto con
la tierra, con lo que tenemos una dualidad, la del electrodo y el de la solución
química, obteniendo así una resistencia de contacto más baja.
1: Haga una excavación de un metro de profundidad
2.-Clave la barra al centro del fondo de la excavación
3.-Centre el electrodo encima de la varilla cobre, y atornille a la varilla
4. Rellene la excavación y pisone la tierra conforme se vaya rellenando
4.17.3 Beneficios que se obtienen con los electrodos electroquímicos.
1).- Hay técnicas que pueden checar tierras, pero las soluciones son muy
pobres y no resuelven los problemas de las corrientes estáticas.
2).- Recuerden que si se encuentra voltaje en el neutro, es acumulativo de
comentes estáticas y esto es lo que provoca el corto circuito, con los
electrodos electroquímicos no sucede esto.
3).- Los problemas de tierras físicas, es un problema serio, no hay que dejarlo
en mano de improvisados, hay que buscar al especialista.
4).- Recuerden que los equipos electrónicos trabajan de 2.5 a 2 ohms, y
el acumulamiento de corrientes estáticas no son absorbidas por las
varillas copperweld, esto lo hace únicamente los electrodos marca
R.A.M.I.E.S.A.
5).- Los avances tecnológicos hay que aplicarlos para no quedar obsoletos,
no se fié de charlatanes.
6).- Protege y absorbe corrientes estáticas de los equipos electrónicos.
7).- Disminuye I2 y ahorra demanda máxima, KW-H, KVAR-H. 8).- Protege
contra Icc y corrige desbalanceo de fases.
9).- Aumenta la vida de los equipos eléctricos y disminuye el mantenimiento.
10).- Evita el calentamiento de los equipos eléctricos.
11).- Parece que es caro, pero se amortiza con el tiempo por el ahorro de
energía eléctrica.
12).- Es el único patentado en México por sus pruebas de laboratorio.
13).- Es un avance tecnológico.
109
Este electrodo consta de dos elementos, con los cuales se obtiene una
doble conexión a tierra, que ofrece mayor eficiencia y confiabilidad Uno
de estos dos elementos se encuentra en la parte inferior del electrodo y
consiste en una barra de acero de cobre la cual permite una penetración
mas profunda en el subsuelo.
El otro elemento se encuentra en la parte superior del electrodo y
consiste de un tubo de cobre que contiene una sustancia química que fluye de
inmediato a lo largo de la barra mencionada a través de un orificio que se
encuentra en la tapa inferior del tubo y penetra en el subsuelo
proporcionando una mejor conexión a tierra.
Esta solución química puede reponerse, cuando sea necesario,
introduciéndola al tubo por su extremo superior, procurando colocar la
tapa nuevamente. (VER ANEXOS FIGURA 72).
110
5.0 FACTORES IMPORTANTES PARA EL DISEÑO DE RED DE
TIERRAS
5.1 RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA LA MEDICIÓN DE LA
RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN EL ÁREA DONDE SE CONSTRUIRÁ
UNA SUBESTACIÓN.
Las mediciones de resistividad deberán hacerse en el área en donde se
edificará la subestación, siguiendo el método descrito anteriormente. Las
mediciones deberán hacerse en la época de no lluvias, ya que así se obtendrán
valores más críticos de resistividad y en cuanto a la forma de realizar las
mediciones en el área de la subestación, se deberá proceder de acuerdo a la
siguiente alternativa.
Ya que se conoce el área donde se instalará la subestación, las mediciones se
efectuarán en las siguientes direcciones recomendadas y descritas en (VER
ANEXOS FIGURA 73).
La figura anterior muestra las direcciones y longitudes recomendadas, para las
mediciones de resistividad.
Para esta alternativa, las mediciones al realizarse con el método, se indicarán
con una separación de tres o cinco metros, según sea la profundidad necesaria
de electrodos para darles firmeza al enterrarlos.
Las mediciones deberán realizarse aumentando la separación entre electrodos
de dos o tres metros entre cada uno de ellos y deberán continuarse hasta llegar
a una separación máxima entre electrodos.
Así mismo, durante las mediciones de campo deberá realizarse la gráfica
correspondiente de resistividad contra separación de electrodos.
111
Los aparatos de mayor uso para la medición de la resistividad de la tierra son
conocidos como megger de tierras y por su principio de operación pueden ser
de dos tipos:
a).- Megger del tipo compensación de equilibrio en cero.
b).- Megger de lectura directa.
5.1.2 MEGGER DE EQUILIBRIO EN CERO.
En megger de equilibrio en cero genera una corriente alterna, con lo cual, al
inyectarla, no se tiene problemas con la aparición de corrientes parásitas del
tipo electrolítico, este aparato se maneja de la manera siguiente:
Se acciona la manija o el interruptor de presión, según sea el caso siguiendo el
sentido de la desviación de la aguja el valor de indicación de las perillas deberá
aumentar (para una desviación positiva) o deberá disminuirse (para una
desviación negativa).
Con ayuda de las tres perillas se logra la estabilización en el centro de la
escala de la aguja indicadora. El valor de la resistencia medida es el mostrado
en las escalas correspondientes a cada perilla, multiplicado por el factor de
escala seleccionado. La ventaja básica de este instrumento es la disminución
de errores de lectura, ya que el valor correspondiente a la resistencia se
obtiene directamente en las escalas numéricas
5.1.3 MEGGER DE LECTURA DIRECTA.
El megger de lectura directa, genera una corriente continua, que invierte su
polaridad periódicamente para poder evitar la aparición de corrientes parásitas
del tipo electrolítico, presente en el suelo y que pueden alterar las mediciones.
Para accionar el medidor, es necesario accionar un dinamo manualmente. La
desviación de la aguja indicará directamente el valor de la resistencia medida
en ohms.
112
La ventaja de utilizar este tipo de aparatos se observa cuando se tienen
resistividades del suelo, muy grandes, situaciones en las que el equipo de
balanceo nulo, requiere la inyección de grandes corrientes para lograr la
compensación y así permitir la lectura de la resistencia.
5.1.4 ACCESORIOS
A).-Cables. Para realizar la conexión de los electrodos a las terminales del
instrumento de medición, se debe seleccionar un cable eléctrico aislado y
flexible (Calibre 14 o 12 AWG) en general son las consideraciones
mecánicas las que determinan las características. Para su enrollamiento
rápido, se recomienda construir un sistema devanador, que permita reducir,
en forma importante el tiempo empleado en la medición.
b).-Electrodos: Los electrodos estarán constituidos por un material con dureza
suficiente, que les permita soportar el trabajo de campo. Usualmente se
recomienda varillas de una longitud aproximada de 60 centímetros y un
diámetro de 16 milímetros.
c ).-Otros.- Además de instrumento de medición, los cables y electrodos, se
hace necesario contar con una cinta métrica de aproximadamente cincuenta
metros, un martillo con el peso adecuado, un termómetro y una cámara
fotográfica si se desea.
5.1.5 PARÁMETROS QUE AFECTAN LAS MEDICIONES DE RESISTIVIDAD.
La deducción simplificada para la obtención de la resistividad está basada en
suponer que la resistencia del suelo es uniforme. Sin embargo, es más
frecuente que la resistividad aparente, ya que si se mide por el método anterior,
variará con el espaciamiento de la sonda. Esto indica normalmente una
resistividad del suelo que varía con la profundidad, ya que la corriente de
prueba, fluye principalmente cerca de la superficie para pequeños
espaciamientos de sonda, pero la corriente fluye a mayor profundidad a
espaciamientos mayores.
113
Es costumbre asumir en tales casos, que la resistividad aparentemente medida
para determinado espaciamiento de la sonda "A" representa la resistividad
promedio del suelo, a una profundidad "B", es aceptable para la mayoría de los
casos y/o propósitos prácticos.
Los registros de mediciones de resistividad deben incluir datos de temperatura
e información acerca de las condiciones de humedad del suelo o resequedad
del mismo, en la época en que se mide la resistividad. Todo disponible sobre
conductores enterrados conocidos ó que se sospechaba, que se encuentran en
el área estudiada y deberá también registrarse.
Los conductores enterrados, en contacto con el suelo pueden naturalmente
invalidar las lecturas hechas por el método descrito, si están suficientes cerca
para alterar apreciablemente el patrón de flujo de corriente de prueba. Por esta
razón, las mediciones de resistividad de este tipo, tienen poco valor en un área
en donde ya están instalados conductores enterrados con las sondas
colocadas de tal forma que minimice el efecto de los conductores enterrados en
el patrón de flujo de corriente. Aunque no son conclusivas con relación a las
condiciones dentro de la rejilla, tales leguas pueden ser
Mejores, especialmente si existe una razón para pensar que el suelo en el área
es razonablemente homogéneo.
La tierra se comporta esencialmente como una pura resistencia a la frecuencia
industrial y con valores comunes a la resistividad.
Las frecuencias muy elevadas o los frentes de onda ABRUPTOS, con muy
elevada resistividad del suelo, tienden a hacer las corrientes de cargas que
influyen en capacitancía de tierra relativamente más importantes.
Para voltajes muy elevados, el suelo no puede ser capaz de sostener los
elevados gradientes y arcos resultantes que se formarán, iniciándose en la
superficie del electrodo y progresando hacia la superficie de la tierra,
incrementando así las dimensiones efectivas del electrodo, hasta que el suelo
pueda soportar los gradientes permanentes.
114
5.2 EFECTOS DEL GRADIENTE DE VOLTAJE.
La resistencia no se afecta por el gradiente de voltaje, a menos que este último
exceda un valor crítico. Este valor varía con la naturaleza del suelo, pero es de
orden de algunos kilovolts, por centímetro. Si se exceden los valores, los arcos
se iniciarán en la superficie del electrodo y progresarán dentro de la tierra de
manera de incrementar el tamaño efectivo del electrodo hasta que los
gradientes más allá, se reducen a valores que pueda resistir el suelo. Como el
sistema de aterrizado de la estación estará diseñado normalmente para
mantener los gradientes bien abajo de estos valores críticos puede asumirse
que la resistencia y la resistividad no son afectados por el voltaje.
5.3 EFECTOS DE LA HÚMEDAD.
La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando el contenido de
humedad cae más abajo de aproximadamente 22% por peso. Por lo tanto
siempre que sea posible, el sistema de electrodos deberá enterrarse a una
profundidad tal, que permita un contacto seguro con la tierra permanentemente
húmeda. Cuando esto no sea posible, se tomará en cuenta una mayor
dependencia en un sistema bien distribuido de varillas verticales unidas a la
rejilla y alcanzando capas más profundas.
Las cubiertas con grava o piedra triturada, usualmente de ocho a diez
centímetros de espesor. Como las que se usan frecuentemente en patios de
subestación, son útiles para retardar la evaporación de la humedad y por lo
tanto limitan el reconocimiento de la capa superior durante periodos
prolongados de sequía: así como también, sirve para reducir la magnitud de las
comentes de choque.
115
5.4 EFECTOS DEL CONTENIDO QUÍMICO.
Como es conocido, la composición y la cantidad de sales solubles, ácidos o
alcalinos que el suelo puede tener, hace variar ampliamente la resistividad del
mismo. Por ejemplo, en algunos lugares la resistividad del suelo es tan alta que
para tener conexiones de baja resistencia a tierra, sería necesario instalar un
costoso y elaborado sistema de electrodos.
La alternativa es reducir la resistividad del suelo inmediatamente alrededor de
las varillas enterradas, disolviendo en la humedad normalmente contenida,
alguna sustancia la cual es altamente conductora en su solución de agua.
Existen muchas substancias, las usuales son: Carbonato de sodio (Na2CO2),
Cloruro de Calcio (Ca Cl2), Cloruro de Sodio (NaCl) y sulfato de cobre (Cu
SO4), el Cloruro de Sodio, conocido como sal, ha sido usado preferentemente
en la vecindad de los electrodos.
La tabla 5.1 muestra una gran reducción en mala resistividad de barro arenoso
al_ incrementarse el contenido de sal, se puede notar que la adición de sal
equivalente a un 20% del paso del contenido de humedad, da por resultado
una reducción en la resistividad de esta muestra en 100 a 1. La temperatura del
suelo fue de 17 °C, y con un 15 % de humedad.
CONTENIDO DE SAL
(% POR PESO DE HUMEDAD)
RESISTENCIA EN OHMS
METROS
10,700
0.10
_
1,800
1.00 460
5.00 190
10.00 130
20.00 100
TABLA 5.1
116
La aplicación más simple de este tratamiento, es hacer una excavación con
una base alrededor de la parte superior de la varilla, de 90 cm., de profundidad
y aplicar re esta base el agente artificial, posteriormente dicha base será
llenada varias veces agua, la cual será embebida en el terreno, llevando el
tratamiento artificial en forma electrolítica a profundidades considerables.
La marcada reducción de resistividad del suelo afectada por la sal, siendo el
terreno de arcilla roja, el contenido de humedad 30%, mediando 27 libras de
agua por de suelo, puesto que un pie cúbico de tierra seca pesa
aproximadamente 90 libras. 1% de sal en este caso, será por lo tanto 0.27
libras de sal-por pie' de suelo.
Estación de sal y agua forma un porcentaje de solución, el cual reduce la
resistividad del o desde 4,500 a 500 ohms por centímetros cúbicos. La
resistividad es de éste modo reducida a casi el 12% de su valor original.
Un terreno al que se ha agregado sal, también está sujeto a una considerable
variación e resistividad con variaciones en la temperatura. La tabla 5.2 nos
muestra el efecto de la temperatura sobre la resistividad de un terreno de barro
arenoso, con un 20% de humedad y 5% de sal del peso de humedad.
La elevación de la resistividad a temperaturas abajo del punto de congelación
del agua es tan grande como las que se observan en terrenos que no están
tratados con sal.
TEMPERATURA
(GRADOS CENTIGRADOS)
RESISTENCIA
VOLUMETRICA
(OHMS/CM3) 20 110
10 142
0 190
-5 312
-13 1,440
TABLA 5.2
117
Si el tratamiento de sal es usado, será necesario emplear electrodos cuyo
material no se afectado por la presencia de sal en el terreno.
5.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA.
La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando la temperatura cae
abajo de 0°C, por lo tanto el sistema de electrodos debe extenderse abajo de la
línea de penetración, siempre que sea posible.
Al incrementarse la temperatura arriba de 0°C. La resistencia disminuye, sin
embargo en caso de una fuerte corriente prolongada, puede llegar al punto de
ebullición del agua en las cercanías de un electrodo, de manera que da por
resultado que se seque el suelo y se presente una elevada resistividad. No
obstante tales condiciones rara vez se encuentran en la instalación de una
subestación.
5.6 MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA Y
RESISTIVIDAD DEL TERRENO.
La superficie de la tierra tiene una conductividad muy baja ya que dos de sus
principales componentes el óxido de silicio y el óxido de aluminio son
excelentes aislantes eléctricos a ciertas temperaturas, sin embargo la
conductividad del terreno se debe a la humedad y a sales absorbidas por el
terreno.
Por otro lado, aún los semiconductores son capaces de conducir cantidades
apreciables de corriente con solo poseer un área suficientemente grande, a
este respecto la tierra no presenta limitaciones dada su gran profundidad.
Debido a la gran resistencia eléctrica de la tierra, todas las comentes que
fluyen por ella producen una caída de tensión considerable, por lo tanto se
hace necesario romper el concepto de que el potencial de la tierra es siempre
cero.
118
Por el contrario pueden desarrollarse en su seno fuertes intensidades de
campo eléctrico o gradientes de potencial que afecta a extensas regiones de la
superficie terrestre, esto se acentúa en vista de que ésta no es homogénea y
sufre variaciones estaciónales con la lluvia, hielo y otras causas que dificultan
los cálculos con mayor exactitud.
La resistividad es, por tanto, dependiente de varios parámetros como son:
clase de suelo, profundidad, humedad, temperatura y por ciento de
concentración de sales en la tierra, etc.
CONTENIDO DE
HUMEDAD % DEL PASO
RESISTENCIA EN OHMS-METROS
SUPERFICIE ARCILLA, ARCILLA
ARENOSA 0 MAYOR QUE 10" MENOR QUE 10'
2.5 2500 1500
5 1650 430
10 530 185
15 190 105
20 120 63
30 64 47
TABLA 5.3: Efecto del Contenido de Humedad en la Resistividad del Suelo
119
TEMPERATURA
EN GRADOS
CENTIGRADOS
EN GRADOS
KELVIN
RESISTENCIA EN
OHMS
METROS 20 68 72
10 50 99
0 32 AGUA 138
0 32 HIELO 300
-5 23 790
-15 -14 3300
TABLA 5.4: Efecto de la Temperatura en la Resistividad del suelo.
5.7 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTIVIDAD DEL
SUELO.
AGREGADO DESALEN % DE
HUMEDAD
RESISTENCIA EN OHMS
METROS 0.00 127.00
0.10 128.00
1.00 4.60.00
5.00 1.90
10 00 1.30
20.00 1.00
TABLA 5.5: Efecto del Contenido de Sal en la Resistividad del Suelo
(Arcilla, Arenosa, con 15% de Humedad, temperatura 17°C)
120
Ejemplo de algunas sales: Cloruro de Sodio, Sulfato de Cobre, Carbonato de
Sodio etc.
ARCILLA ARENOSA, CON UN
20°C, SAL 5% DE PESO DE humedad
HUMEDAD
TEMPERATURA EN GRADOS
CENTÍGRADOS
RESISTENCIA EN OHMS
METROS 20 1.10
10 1.42
0 1.90
-5 3.12
-3 14.40
TABLA 5.6: Efecto de la Temperatura Sobre la Resistividad del Suelo con
Contenido te sal.
Cuando las resistencias de la red de tierras son verdaderamente bajas, con
relación a las necesidades del sistema eléctrico, éstas deben ser mejoradas
interviniendo en cualquiera de sus variables, para lo cual se exponen varios
métodos.
Electrodos Simples: Se instalan varillas múltiples para aumentar el número de
trayectorias en paralelo a tierra. Es muy importante una distribución adecuada,
ya que si esas varillas se instalan demasiado cerca, las ondas de disipación de
comente se traslapan y reducen su eficiencia.
Para el caso de varillas de tres metros y enterradas verticalmente, la
separación entre varillas sería de 6 metros, siendo incosteable separarlas más
porque aumentaría el costo del conductor que las une.
121
Una regla práctica para estos casos: no instalar varillas más cerca de su propia
longitud, e instalarlas preferentemente a una cercanía, no menor de dos veces
su longitud y no en el centro.
Tratamiento del Terreno (Métodos Químicos): Para disminuir la resistencia
del subsuelo se le disuelve substancias de alta conductividad en solución
acuosa como son: Sulfato de cobre, cloruro de calcio, sulfato de magnesio,
cloruro de sodio, azufre, rocas de sal combinadas con agua:
Se obtienen grandes reducciones y uniformidad de la resistividad comparado
contra un suelo no tratado.
Si un terreno es tratado con sales, éste debe ser generado periódicamente y
obliga a un seguimiento frecuente del comportamiento de los valores de
resistencia de tierra, pues de lo contrario este regresa a su estado natural en 3
ó 4 años, ya que las sales pierden sus propiedades.
Electrodos Profundos: La poca humedad puede aumentar significativamente
la resistividad, especialmente cuando el contenido del agua es por abajo del
10%, con humedad entre 10 y 20% mejora la resistividad y arriba del 20% la
resistividad se estabiliza.
No es práctico el agregar humedad al suelo pero afortunadamente existe en el
subsuelo capas más profundas con alto contenido de humedad. Si las varillas o
electrodos son acopladas mecánicamente al alcanzar esa profundidad y
humedad, se toca una tierra de baja resistencia, aunado al efecto de punta de
la varilla que es por donde se concentra y disipa mayor porcentaje de corriente
de 4.4 amperes.
Electrodos de Bentonita: La bentonita es un material compuesto
fundamentalmente de arcilla y ésta contiene hidrosilicatos de aluminio, siendo
éste elemento el que fija las cualidades principales de la bentonita que son:
122
Facilidad ínter-cristalina de dilatación.
Permeabilidad de los poros y espacios ínter-cristalinos
higroscópico.
Con la absorción de la humedad cambia el volumen y la forma externa de sus
partículas.
Es coloide y tiene partículas menores de 500 micrones, con grandes superficies
exteriores, la base de la gran energía de absorción y adhesión que poseen las
bentonitas:
1).- No ataca a los metales
2).- Es soluble en agua y la solución es alcalina.
EL PROCEDIMIENTO BÁSICO PARA INSTALACIÓN DE ELECTRODOS DE
BENTONITA ES EL SIGUIENTE:
En el terreno o roca se hace una perforación con una profundidad de 6 a 8
metros y un diámetro de 4 y 5 centímetros con barrena o herramienta
adecuada, si el terreno lo permite se hace una perforación manual más amplia.
En el fondo de la perforación debe hacerse una "cámara de explosión", con
explosivos de baja sensibilidad para formar una red de grietas, que partan
desde la perforación.
Para rocas areniscas y piedra caliza es suficiente con un tiro de explosivos, en
roca se requiere de varios con carga de 5 a 10 kg., y en roca blanda con 2 kg.
123
Para preparar la solución que se vierte en la perforación se disuelve en un
metro cúbico de agua, 100 a 150 kgs., de bentonita y de requerirse una
solución más concentrada porque se filtró demasiado entre las grietas; ésta se
aumenta en 15 a 20%.
En la perforación rellena de gel de bentonita, se coloca el electrodo de tierra
que puede ser de fierro redondo sin galvanizar, el cual es protegido de
bentonita contra la corrosión por su acción alcalina, por lo que es innecesario el
galvanizado, o en su caso un electrodo de copperweld.
Resinas Sintéticas: Se puede considerar como un tratamiento químico del
suelo, que consiste en mejorar la conductividad del suelo en la vecindad de los
electrodos, inyectando resinas de bajo peso molecular, del tipo electrolíticos
con un elemento endurecedor, conteniendo principalmente a la amina resínica
y resina sintética que tiene excelente conducción molecular (iónicas).
Este elemento tiene baja resistividad, es uniforme si no varía la humedad del
subsuelo y mantiene una baja resistencia durante un largo tiempo, no tiene
variación estacional.
SUSTANCIA
RESISTIVIDAD DE LA TIERRA
EN OHMS-METROS
TERRENOS DE ALTA
RESISTIVIDAD
AL REDEDOR DE 10
ARCILLA ( BENTONITA ) CON
CONTENIDO DE HUMEDAD.
101
AGENTES PARA
DISMINUCION DE
LA RESISTIVIDAD
(ELECTROLITICOS)
10-1
ELECTROLITICO ÓPTIMO. 10-2
COBRE. 18-3
TABLA 5.7: Resistividad de Distintos Materiales.
124
5.8 RESISTIVIDAD DE DISTINTOS MATERIALES.
Electrodos con bentonita en suelos arenosos y permeables con alta resistividad
y fáciles de trabajar.
Las mallas de tierras pueden ser verticales y/u horizontales, la profundidad de
la superficie puede ser de 3 a 6 metros, se agrega la solución de bentonita,
primero con una concentración menor de 6 a 10%, la cual se filtrará con
cavidades y grietas naturales, a continuación se aumenta la concentración
entre 10 y 15% con lo cual se evitarán filtraciones de solución hasta llenarlo y
se introduce el electrodo en el agujero relleno de bentonita.
Los electrodos horizontales se deben hacer en terrenos que se pueden trabajar
fácilmente, haciendo zanjas de por lo menos 70 a 80 centímetros de
profundidad.
Se vierte en la zanja la solución de bentonita de menor concentración de 6 a
10%, posteriormente con concentración de 10 a 15% y si el suelo es
demasiado permeable y las anteriores soluciones desaparecen muy
rápidamente, se aumenta la concentración de lO a 20%.
Posteriormente se tiende el electrodo dentro de la zanja y cubriéndolo se dejará
reposar la solución una o dos horas hasta que gelatinice, antes de rellenar con
la tierra necesaria para cubrir la zanja.
Se recomienda mezclar bentonita con yeso para prolongar la vida útil de la
solución, evitando que emigre ésta, al darle consistencia mecánica y se tiene el
inconveniente de la poca resistencia mecánica de la superficie, a lo largo de
estas trincheras.
125
El comité de Normas Americanas (C.S.A.), recomienda los siguientes valores
de resistencia de la red de tierra para una subestación en época de estiaje
(fuera de la temporada de lluvias).
CAPACIDAD DE LA
SUBESTACION
EN KVA
RESISTENCIA EN OHMS
HASTA 1500 15
1501 A 10,000 10
DE 10,000 EN ADELANTE. 2
126
6.0 CALCULO DEL SISTEMA DE TIERRAS.
DATOS DEL PROBLEMA:
Se considera una subestación eléctrica, con un transformador de 300 KVA en
23 KV/220-127V, con una impedancia de 4.00% a 60Hz.
Nota:
Se desprecia la contribución de la compañía suministradora de energía.
Se considera ya calculado, el valor de corriente de corto circuito
monofásico.
Dimensiones del terreno:
Largo = 12 metros.
Ancho = 5.40 metros.
Area del terreno = 68.40m2.
IRED = 1 3,500 Amp.
e = 45 ohms-metro.
S = 6000 ohms-metro.
T = 0.65 seg.
Le = 3 metros (longitud de los electrodos).
L = 0.55 metros (profundidad de la red).
Tm =1083 °C (para uniones del tipo soldable)
Ta =30°C
127
a): Se procede a calcular el diámetro del conductor principal que
conformará la malla de tierras de la fórmula:
)1.6(
33
1234
log
Formula
t
Ta
TaTmS I RED
Significado de literales
S = Área del conductor en circular mils.
Tm = Temperatura máxima permisible para las uniones soldables
Ta = Temperatura ambiente en grados centígrados, para este caso se toma de
30°C.
T = Tiempo de la falla en segundos.
IRED = Corriente de corto circuito monofásica en el punto de falla medida en
amperes.
Sustituyendo la formula (6.1):
65.033
123430
301083log
13500S
S= 74838.548CM.
128
PARA PODER BUSCAR EN TABLAS DEL FABRICANTE EL CALIBRE DEL
CONDUCTOR RESULTANTE ES NECESARIO REALIZAR UNA EQUIVALENCIA
DE CIRCULAR MIL A MILIMETROS CUADRADOS.
1CM. = 5.067x10
S =(74,838.548X5.067x10-4) = 37.921
EN DONDE PARA ESTE VALOR DE AREA LE CORRESPONDE UN
CONDUCTOR CAL. # 1/0 AWG, DESNUDO CON UN AREA DE 53.50mm2,
PERO DE ACUERDO A LA NORMA EN VIGOR SE DEBE DE EMPLEAR
COMO MINIMO EL CAL. # 4/0 DESNUDO, EL CUAL TIENE UNA AREA DE
107.20 mm2,DIAMETRO DE 0.0117 m.
b).- Se procede a calcular el número de electrodos que como mínimo
tendrá la malla de tierras, con lo cual drenará con seguridad las máximas
corrientes de falla a tierra.
Para un electrodo de cobre, con alma de acero y de 3.0 metros de longitud y
1083°C, se tiene que puede drenar con facilidad hasta 500 amperes de
corriente, por lo tanto para el número de electrodos se tiene que:
NUMERO electrodos = (13,500 amp.)/ (500 amp.) =27 electrodos como
mínimo.
)2.6(formulatrodosNumeroElecI
IELECTRODO
RED
129
Sustituyendo valores en la formula (6.2)
)500(13500
ampamptrodosNumeroElec
Numero de Electrodos = 27 electrodos minimo
c).-En base a un arreglo inicial de la malla, procedemos a calcular los índices
de Ki. , Km. Lo cual será de utilidad para el diseño por cálculo y de manera
real de la malla de tierras, (VER ANEXOS FIGURA 77).
CALCULO DE LA LONGITUD DE LA MALLA:
)3.6())(17.0(116
))()()()((formula
tKmKiLc
S
REDe I
SIGNIFICADO DE LITERALES:
Km. = Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a
número, calibre y disposición.
Ki = Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la
distribución irregular del flujo de corriente a tierra.
e = Resistividad del terreno en ohms-metro.
S = Resistividad del planchón de concreto, en donde se instalará la
subestación eléctrica.
130
Para Ki. Se utiliza la fórmula:
)4.6())(172.0(65.0 formulaLKi
L = Es la longitud de los electrodos empleados en la malla de tierras.
t =Tiempo de duración de la falla en segundos
.
)025.3)(172.0(65.0Ki
Ki= 1.166 Metros
Para Km. Se utiliza la formula:
Significado de literales:
D=Disposición de los conductores en una dirección.
NOTA: Se considera en la dirección en donde existe una menor distancia
entre conductores paralelos que conforman la malla de tierras, en donde la
literal "D", se puede encontrar a lo ancho o a lo largo del terreno donde se
localizara la malla. En nuestro caso resulta que "D", se localiza a lo ancho del
terreno,
h=Profundidad de la malla de tierras.
d=Diámetro del conductor empleado para conformar la malla.
)5.6(..........10
9
8
7
6
5
4
3ln
1
16ln
2
12
förmulaxxxhd
Km D
131
Sustituyendo los valores, en la fórmula (6.5):
Km = 0.5863
Para la longitud de la malla, obtenida por cálculo: sustituyendo valores, en la
fórmula (6.3)
)6000)(17.0(116
)65.0)(13500)(45)(5863.0)(166.1(Lc
L c =294.742 metros.
Para el cálculo de la longitud real de la malla de tierras:
L real = (Número de elementos a lo largo) (Largo terreno) + (Número de
elementos a lo ancho) (ANCHO terreno) + (3) (número de electrodos)
fórmula (8.6)
L real = (3) (12) + (3) (5.40) + (3) (27)
L real = 133. 20 metros.
4
3ln
1
)0117.0)(55.0)(16(ln
2
1 2
542
Km
132
Para que el diseño de la malla de tierras, sea el adecuado, se debe de
cumplir que la longitud real de la malla sea mayor queda longitud de la malla
obtenida por cálculo, por lo tanto:
L calculo > L real, es decir 294. 742 metros es mayor que 133. 20 metros,
por lo que es necesario rediseñar la malla de tierras.
d): Rediseño de la malla de tierras:
Nota: se aumenta un elemento a lo ancho de la malla de tierras., (VER
ANEXOS FIGURA 78).
En este caso observamos que D=(5.4014), y que ahora el número de elementos es
de n = 5
e).- Cálculo de los factores K i, K m, para la obtención de L c y L r.
Para K i, se Sustituyen valores en la fórmula (6.4)
K i = (0.65) + (0.172x5)
K i = 1.51
Para K m de la fórmula (6.5),
K m = 0.2652
8
7
6
5
4
3ln
1
)0117.0)(55.0)(16(ln
2
1 2
542
xxKm
133
Para el cálculo de L c, se sustituyen valores en la fórmula (6.3),
)6000)(17.0(116
)65.0)(13500)(45)(2652.0)(166.1(Lc
L c =1 72. 653 metros.
Para la longitud real de la malla de tierras:
L real = (5x5.4) + (5) (12.0) + (3X27)
L real =168.00 metros.
De este nuevo diseño, se observa que la diferencia entre ambas longitudes es de:
L c - L r- = 172.653-168.000 = 4.653 metros.
Con lo cual se observa, que para un mayor margen de seguridad, es
conveniente adicionar a la malla de tierras un total de 8 metros de conductor
como mínimo, lo cual se puede realizar anexando un tramo de 5.4 metros y
3 electrodos más en la malla de tierras.
Calculando nuevamente la longitud de la malla de tierras, partir de la fórmula
(6.6),
L real = (6x5.4) + (5x12.0) + (3X30)
L real = 182.40 metros.
134
En este caso observamos que L real > L calculada, es decir, 182. 40 metros es
mayor que 172. 653 metros.
f).-Cálculo de las tensiones de paso y de contacto.
Para la tensión de paso (para una persona de 50Kg):
De la fórmula:
)7.6())(70.0(116Fórmula
tS
SPE
S= Resistividad del planchón de concreto, en donde será colocada la subestación.
t = tiempo de la falla en segundos
Sustituyendo valores en la formula (6.7)
65.0
)6000)(70.0(116ESP
ESP5353.339 volts .
Para el cálculo de Tensión de contacto tolerable:
De la formula (para una persona de 50kg)
)8.6())(17.0(116Fórmula
tS
CSE
135
En donde:
S= Resistividad del planchón de concreto, en donde será colocada la subestación.
t = tiempo de la falla en segundos
65.0
)6000)(17.0(116ECS
ECS= 1409.034 Volts.
Para el cálculo del potencial de paso en la malla:
De la fórmula:
)9.6())()()((Fórmula
Kski
LI
ER
REDe
SP
En donde:
K i = Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la
distribución irregular del flujo de corriente a tierra.
K s = Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a
número, calibre y disposición.
e =Resistividad del terreno en ohms-metro.
IRED =Corriente de corto circuito en el punto de la falla, en amperes.
L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.
Si K i =1.51, y n=5, de la fórmula:
136
)10.6(......4
1
3
1
2
11
2
1
2
1Fórmula
DDDDhhK S
De donde:
K s = Factor geométrico, que depende de la profundidad de la malla, y del
diámetro del conductor empleado.
h = Profundidad de la malla de tierras, en metros.
D = Disposición de los conductores en una dirección.
4
4.5)4(
1
4
4.5)3(
1
4
4.5)2(
1
4
4.555.0
1
)55.0)(2(
1
2
1K S
K s = 0.3561
Sustituyendo valores en la fórmula (6.9),
4.182
)13500)(45)(51.1)(3561.0(ESP
ESP1790.896 Volts
Para el cálculo del potencial de contacto o potencial de la malla: de
la fórmula (6.9 ),
LI
ER
REDe
SP
Kski ))()()((
137
En donde:
K i =Factor de corrección por irregularidades, tomando en cuenta la distribución
irregular del flujo de corriente a tierra.
K m =Coeficiente que considera los conductores de la malla, en cuanto a
número, calibre y disposición.
e = Resistividad del terreno en ohms-metro.
I RED=Corriente de corto circuito en el punto de la falla, en amperes.
L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.
Sustituyendo valores en la fórmula anterior, tenemos:
4.182
)13500)(45)(5863.0)(3561.0(ESP
ESP 695.365 Volts.
Del anterior análisis se observa que:
1790.86 volts < 5353.339 volts (tensión de paso)
695.365 volts <1409.034 volts (tensión de contacto)
Para la resistencia de la malla de tierras:
)11.6(4
FórmulaLrr
R ee
138
De donde:
R = Resistencia de la malla de tierras en ohms.
r = Radio de una circunferencia equivalente al área de la malla de tierras, en
metros.
L r = Longitud real de la malla de tierras, en metros.
e = Resistividad del terreno, en ohms-metros.
De la fórmula:
)12.6(FórmulaA
r
En donde:
r = Radio de la circunferencia equivalente, en metros.
A = Área de la circunferencia equivalente (área de la malla de tierras), en m2.
Sustituyendo valores en la fórmula (6.12):
)12)(40.5(r
r = 4.5416 m.
Sustituyendo valores en la fórmula (6.11),
4.182
45
)5416.4)(4(
45R
R = 2.723 .
139
Se observa que el valor de la resistencia, es menor a los 10 , por lo que
se cumplen con las normas, por otra parte los valores de tensión de paso y
de contacto en la malla de tierras, son menores que los tolerables por una
persona de 50 Kg., por lo que la malla es segura en cuanto a su diseño.
140
CAPITULO III
141
CONCLUSIONES
Dentro de este proyecto de estudio relacionado con la Ingeniería Aplicada para
La Sección de Pararrayos y Sistemas de tierra, se pudo analizar la importancia
de conocer los criterios de selección y construcción que intervienen para un
eficaz sistema de protección contra descargas atmosféricas, este trabajo de
investigación se realizó con el firme propósito que el estudiante universitario se
interese e involucre en el diseño y construcción de un sistema de protección
contra descargas atmosféricas y que permita cuantificar analíticamente sus
resultados y validarlos.
142
BIBLIOGRAFIA
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. Observadas en México Edit. España, Instituto
De Geofisica de la U.N.A.M.
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Dirección General, Servicio Metereologico
Nacional México D.F., 1974.
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Selecciones de Reader's Digest, México D.F.
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. Substacion Grounding.
Nacional Electric Code Earley. Caloggero. Murray.
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Normas Tecnicas para Nom-001-SEMP.-1999
Instalaciones Electricas. Diario oficial, octubre 1999.
Designing electrical systems. Based on the, 1993 NEC
James G. Stallcup
Editorial Americana Technical Publishers.
143
ANEXOS
144
Figura 1: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura para los
hielos de agua destilada en contacto firme.
145
Figura 2: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura hecho para hielo de agua destilada (en proceso) y hecho de hielo de. NaCl en
una varilla.
146
Figura 3: Diferencia de potencial contra diferencia de temperatura hecho
para dos hielos de agua destilada.
147
Figura 4: Distribución de las descargas eléctricas en el interior de la nube
tormentosa.
FIGURA 5: Proceso más frecuente de formación de una descarga.
148
FIGURA 6: Proceso de descarga de un rayo.
FIGURA 7: Descargas sucesivas de un rayo.
FIGURA 8: Representación de una descarga tierra nube.
149
Figura 9: Porcentaje de rayos en función del gradiente del frente de onda.
Figura 10 Porcentaje de rayos en función de su longitud.
150
GRÁFICA DE PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION
DE UNA SOLA DESCARGA
PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION DE LA CARGA TOTAL PUESTA EN JUEGO
Figura 11 Porcentaje de rayos en función de la carga total puesta en
juego.
151
Figura 12: Variación anual de incidentes de rayo y días de lluvia con
truenos
152
SISTEMA DE VOLTAJE EN KV FRECUENCIA CE INCIDENCIA DEL RAYO PARA
LCS DIFEFENTES SISTEMAS DE VOLTAJE
Figura 13 Frecuencia de incidencia del rayo para los diferentes sistemas de voltaje.
153
Figura 14: Curvas características de porcentaje de número de días con truenos.
154
Figura 15. Representación de protección de un pararrayos
Figura 16. Elementos fundamentales de un pararrayos.
155
Figura 17. Principales elementos de una instalación de pararrayos
156
157
Figura 18. Conectores para fijaciones de puntas pararrayos.
158
Figura 19. Materiales utilizados para la instalación del pararrayos.
159
Figura 20. Tipos de materiales para la fijación e instalación del pararrayos.
160
Figura 21. Representación esquemática de la fijación del pararrayos.
Figura 22. Instalación del pararrayos por medio de abrazaderas y
conectores especiales
161
Figura 23. Medios de conexión del pararrayos.
Figura 24. Modelo de un pararrayos de Franklin, terminado en punta.
162
Figura 25. Pararrayos de Franklin.
Figura 26. Pararrayos de Melsens.
163
Figura 27. Formas de puntas del pararrayos de Melsens
Figura 28. Pararrayos pasivo de Kleckner.
164
Figura 29. Pararrayos pasivo de Brown.
165
Figura 30. Jaula de Faraday. .
Figura 31. Pararrayos radiactivo de Szillard.
166
Figura 32 Pararrayos radiactivo B. L. Donelli U. S. PAT. 2, 813, 395 (1953).
Figura 33. Pararrayos radiactivo tipo dipolo.
167
Figura 34. Pararrayos radiactivo de Lchtwinc.
Figura 35. Pararrayos de Efecto Corona (acotaciones en mm).
168
Figura 36. Trayectorias más convenientes de conductores para pararrayos.
Figura 37. Pararrayos magnetizado.
169
Figura 38-39 Terminales aéreas o puntas
Figura 40 Instalación de terminales aéreas o puntas en techos inclinados
170
Figura 41 Instalación de terminales aéreas o puntas en azoteas planas o de pendientes ligeras
Figura 42 Instalación de terminales aéreas en salientes con techos
inclinados
171
Figura 43 Instalación de terminales aéreas en azoteas con salientes en sus perímetros
Figura 44 Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos
Figura 45 Protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más bajos
172
Figura 46 Grafica protección proporcionada por terminales aéreas instaladas sobre edificios o niveles altos a zonas situadas en niveles más
bajos
Figura 47 Instalación de terminales aéreas en chimeneas y ventilas
173
Figura 48 Eliminación de desniveles
Figura 49 Tramos transversales techados
Figura 50 Variaciones debidas a las condiciones del subsuelo
174
Figura 51 Penetración de terminales de tierra en subsuelo arenoso o de gravilla
Figura 52 Penetración de terminales de tierra en subsuelos tepetatados
175
Figura 53 Penetración de terminales de tierra en subsuelo poco profundos
Figura 54 Penetración de terminales de tierra en subsuelo poco profundos
perimetralmente
176
Figura 55 Proteccion con pararrayos
Figura 56 Proteccion de un cuadrado
177
Figura 57 Proteccion con dos pararrayos
Figura 58 Corte transversal de los conos
178
Figura 59 Protección de rectángulo por dos pararrayos
Figura 60 Megger de lectura directa
179
Figura 61: Distribución de las caídas de tensión en las tomas de tierra.
Figura 62: Tensión de paso.
180
TOMAS DE TIERRA EN FORMA DE PICAS, DISTANCIA MINIMA
Figura 63: Tomas de tierra en forma de placa.
TOMA DE TIERRA EN FORMA DE PICAS, REALIZACION PRÁCTICA
Figura 64: Tomas de tierra en forma de placa, realización práctica.
Figura 65: Pocito de inspección para los electrodos de tierra.
181
Figura 66: Tomas de tierras profundas.
Figura 67: Toma de tierras en subestaciones eléctricas de sistemas de
potencia.
182
Tomas de tierra en forma de placa
Tomas de tierra en forma de BUCLE Figura 68: Tomas de tierras en forma de bucle.
Figura 69: Tomas de tierra de pararrayos.
183
Figura 70: Toma de tierra en estrella, de red estrellada en BUCLE y de red en
malla.
Figura 71: Electrodo electroquímico.
Figura72: secuencia de instalación de un electrodo electroquímico
184
Figura 73: Trazado típico para la medición de la resistividad de un terreno.
CARATULA REPRESENTATIVA DE UN MEGGER DE EQUILIBRIO EN CERO
Figura 74: megger de equilibrio en cero.
Figura 75: Megger de lectura directa.
185
Figura 76 Toma de lecturas de la resistividad del terreno.
Figura 77: Primer arreglo para el diseño de la malla de tierras para la subestación de 300 Kva en 23 Kv/220-127
186
Figura 78: Segundo arreglo para el diseño de la malla de tierras para la subestación de 300 Kva en 23 Kv/220-127
187
APENDICE "A" Trueno Se llama así al estruendo que acompaña a las descargas eléctricas producidas en la atmósfera. Su causa física consiste en que al producirse una descarga eléctrica, el aire se calienta en forma instantánea, lo cual determina la súbita expansión de sus moléculas que se proyectan en todas direcciones en busca de mayor espacio. Estas moléculas chocan violentamente con las capas de aire frío que las circundan, y así se origina una gran onda sonora que determina la magnitud del estrépito del trueno. Aunque el relámpago y el trueno tienen liga simultáneamente, el primero se percibe mucho antes, por la diferencia de velocidad entre la luz y el sonido. Como la velocidad de propagación de la luz es (300,000 km./seg) puede considerarse como instantánea para distancias cortas midiendo el tiempo transcurrido entre el relámpago y el trueno puede calcularse la distancia a que se encuentra la tormenta. Rayo Es la descarga de electricidad atmosférica, acompañada de una ráfaga de luz deslumbradora que se produce entre dos nubes, entre nube y tierra y entre tierra y nube. De las descargas antes mencionadas, la que más nos interesa por los efectos destructores que tiene sobre los seres vivos y sobre las cosas que a ellos son útiles, es la descarga nube tierra. Se sabe de la existencia de la electricidad atmosférica y por lo tanto se han expuesto diversas teorías para explicar la acumulación de electricidad en las nubes, que es lo que da origen al rayo. Se ha tratado experimentalmente de producir las condiciones que dan origen a este fenómeno en la naturaleza, sin embargo, este problema es muy complejo y aunque en el laboratorio es posible producir algunas descargas, éstas no son significativas por la gran diferencia entre los valores que se manejan, en lo que se refiere a distancia, comente y tensión, sin embargo, sirve para comprobar la similitud entre ambos fenómenos, demostrando sin lugar a dudas su origen eléctrico. Centella Actualmente la formación de las centellas y ondas de choque asociadas tiene implicaciones significativas en el programa de defensa contra el rayo. El fenómeno natural denominado centella se manifiesta generalmente en dos tamaños distintos, pero siempre presentando una forma de bola; este fenómeno ha sido intensamente estudiado en la Unión de Estados Independientes, pero también ha despertado interés en el mundo occidental y ha sido últimamente blanco de los estudios de muchos investigadores. La centella (bola) es una esfera luminosa del tamaño de una toronja o de una naranja, con un tiempo de vida de pocos segundos, se caracteriza por su alta densidad. Las bolas pueden pasar a través de cristal y de otros materiales y viajar sobre rutas totalmente impredecibles (como lo haría un abejorro) después de menos de cinco segundos, "decaen", ya sea silenciosa o explosivamente. La teoría de las centellas en general las relaciona con fuentes de energía internas o externas. En el caso de las centellas tipo canica, el canal interior del rayo se desmenuza en fragmentos luminosos, cada uno con cerca de diez metros de longitud, se ha establecido la hipótesis de que el desmenuzado es similar a la inestabilidad, "efecto de pellizco" que ocurre en plasmas de alta energía. Generalmente la centella se observa como una descarga eléctrica de alta corriente, a menudo ramificada, en la cual la longitud de sus ramas es del orden de varios kilómetros. La energía por unidad de longitud esperada en un rango de 10
5 Joules por
metro. La última expansión de la fase de onda de choque, dura de 5 a 10 picó segundos. Usando técnicas de electroscópica, la temperatura en fase de la onda de choque se ha medido, dando alrededor de 30,000 grados Kelvin. En varios de ellos se ha encontrado que la energía radiada esta dentro de un rango de 500 a 900 Joules sobre metro.
188
Figura 1: Carta isoceráunica de la República Mexicana.
Nivel isoceraúnico Se llama nivel isoceraúnico el número de descargas que sucede en una área determinada, usualmente un kilómetro cuadrado, ligando puntos con igual número de descargas por año se obtiene una línea en un mapa geográfico, con igual probabilidad, posterior de descarga, logrando así una carta de nivel isoceraúnico, es decir, con igual probabilidad de descarga por kilómetro cuadrado de superficie. Estudios realizados por la Marina Británica, en el siglo pasado, sitúan a México específicamente el Estado de Chiapas, como el tercer lugar mundial de nivel isoceráunico, con diferente probabilidad de Estados Unidos. La ciudad de México, según estudios realizados por el Dr. Jáuregui de la UNAM, se divide en tres regiones de nivel isoceráunico, teniendo mayor probabilidad de descarga la región Sur y Suroeste; la parte del primer cuadro y norte en segundo lugar y la región Este, en tercer lugar. Así por ejemplo, una instalación camino a Cuernavaca, tiene diferente probabilidad de descarga que el deposito de C L. y. F. C. de la plataforma Militar del Aeropuerto Internacional por lo que la instalación de pararrayos será diferente en su malla de conductores o en el número de conjuntos receptores y en su tratamiento químico, por ser diferente la humedad del terreno. Nivel isoceraúnico según la altura de la instalación. El Manual de Normas de Proyecto del Departamento del Distrito Federal, en su capítulo 11.3, menciona datos de tipo estadístico de la American Lighting Protection Institute de Estados Unidos, que nos dice que: Un edificio de 15 metros de altura es tocado por un rayo una vez cada 4.5 años. Un edificio aislado, de un piso en un terreno de una hectárea, es tocado en promedio, una vez cada cinco años, uno de 10 pisos recibe un rayo por año y uno de 40 pisos, cinco veces al año. El riesgo aumenta, cuando el edificio esta aislado, con espacios abiertos alrededor o cuando el edificio es más alto que las construcciones vecinas. En San Pedro Tultepec, Estado de México, las edificaciones son de un piso y cada año los rayos afectan por lo menos tres casas habitación, de las 750 casas que tiene el poblado.
189
Intensidad de corriente. Un dato de importancia fundamental para el cálculo de una instalación de protección contra los rayos, a la intensidad de corriente que puede circular en una sola descarga. Para esto deberá dimensionarse el conductor de conexión a tierra, como veremos adelante. Al respecto hay diversidad de criterios según el autor, así por ejemplo: Cleirici en la figura 2a, nos muestra que el frente de onda alcanza valores de 1,000 Kilo amperes en 10 microsegundos. en la figura 2a, según Lewis solo el 50% de los rayos tienen una intensidad superior a los 13 Kilo amperes y nada más un 10% tiene una corriente superior a los 32 Kilo amperes, mientras que en la misma figura 3a en la parte interior, para Gross, la intensidad de cresta no llega a los 25 Kilo amperes en el 95% de las descargas sobre la líneas de distribución y en la figura 4a para el mismo porcentaje pero medido en centrales y subestaciones el valor de la intensidad de cresta, solamente llega a 12 Kilo amperes. Este hecho se demuestra en estudios realizados en Gran Bretaña, como veremos más adelante por lo que son los valores que nosotros aceptamos, para la intensidad de corriente de una descarga atmosférica. Cleirici, sin embargo, marca en la figura 5a que el 95% de los rayos llega a 160 Kilo amperes.
Figura 2: Onda convencional de corriente.
Figura 3: Gráfica de la corriente de un rayo a través de pararrayos.
190
Figura 4: Gráfica de las corrientes a través de un rayo, colocados en estaciones de distribución.
191
Figura 5: Gráfica de porcentajes de rayos en función de la tensión.
192
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