pb2012_060
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método protecciones atnosfericasTRANSCRIPT
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Elctrica
IE 0502 Proyecto Elctrico
Diagnstico de Riesgo y Vulnerabilidad ante
Descargas Atmosfricas del Sistema Elctrico del
Edificio EIE, y Propuesta de Diseo de Soluciones
Por:
Salvador Ramrez Alvarado
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Enero del 2013
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Diagnstico de Riesgo y Vulnerabilidad ante Descargas
Atmosfricas del Sistema Elctrico del Edificio EIE, y
Propuesta de Diseo de Soluciones
Por:
Salvador Ramrez Alvarado
Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica
de la Facultad de Ingeniera
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Juan Ramn Rodrguez
Profesor Gua
_________________________________ _________________________________
Ing. Tony Delgado Ing. Ismael Araya
Profesor lector Profesor lector
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DEDICATORIA
A mi madre, padre, hermana, cuado, abuela, ta, sobrinas, primos, primas y amigos
por su apoyo incondicional a lo largo de toda mi vida y mi proceso de aprendizaje, este
proyecto viene a cerrar una parte de m etapa de estudios y poder abrirme otra.
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RECONOCIMIENTOS
A mi profesor gua, el ingeniero Juan Ramn Rodrguez, por apoyarme en la
formulacin del proyecto y confiarme el desarrollo del mismo. Y a mis profesores lectores,
los ingenieros Tony Delgado y especialmente al seor Ismael Araya, por guiarme y poner a
mi alcance la informacin necesaria para completar este trabajo.
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NDICE GENERAL
CAPTULO 1: INTRODUCCIN ............................................................... 1
OBJETIVOS .................................................................................................. 3
1.1 Objetivo general ...................................................................................... 3
1.1.1 Objetivos especficos ...................................................................................................... 3
1.1 Metodologa ......................................................................................... 4
CAPTULO 2: DESCARGAS ATMOSFRICAS ...................................... 6
2.1 Las descargas atmosfricas ................................................................. 6
2.2 Estructura tripolar de la nube ............................................................ 8
2.3 Proceso de descarga atmosfrica. (La formacin del rayo) .............. 9
2.4 Clasificacin de las descargas atmosfricas ..................................... 11
2.5 Estudio y Observacin de las descargas atmosfricas ..................... 11
2.6 Sobre voltajes debido de las descargas atmosfricas ....................... 13
2.7 Recuento estadstico de descargas atmosfricas en Costa Rica ...... 15
2.8 Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas . 15
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CAPITULO 3: SISTEMAS DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS
ATMOSFRICAS ....................................................................................... 18
3.1 Proteccin de exteriores contra descargas atmosfricas ..................... 18
3.1.1 Niveles de proteccin contra el rayo .................................................. 19
3.2 Terminales de intercepcin ................................................................... 22
3.2.1 Pararrayos ......................................................................................................................... 22
3.2.2 Mstiles............................................................................................................................. 31
3.2.3 Jaula de Faraday ............................................................................................................... 31
3.2.4 Cables colgantes............................................................................................................... 33
3.3 Conductores de bajada .......................................................................... 34
3.4 Puesta a tierra ........................................................................................ 37
3.5 Proteccin Interna contra descargas atmosfricas .............................. 41
3.5.1 Supresores de Sobre voltaje Transitorios ....................................................................... 41
CAPITULO 4 NORMATIVA DE SISTEMAS DE PROTECCIN
CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS ............................................ 49
4.1 Norma NFPA 780 (Standard for the Installation of Lightning
Protection Systems) ..................................................................................... 49
4.2 IEC 62305 Proteccin contra descargas atmosfricas ......................... 54
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IEEE 62.41 Practicas recomendadas para sobretensiones en circuitos de corriente alterna
de baja tensin. ........................................................................................................................ 59
IEEE 1100 Prcticas recomendadas para la alimentacin y puesta a tierra de equipos
electrnicos sensibles. ............................................................................................................. 61
CAPITULO 5: CASO DE ESTUDIO: EDIFICIO DE LA ESCUELA DE
INGENIERA ELCTRICA ...................................................................... 64
5.1 Efectos de las descargas atmosfricas: ................................................. 64
5.2 Manejo del riesgo para estructuras segn la Norma IEC 62305 Parte
II ................................................................................................................... 70
5.3 Clculo de Riesgo Norma NFPA 780: .................................................. 73
5.4 Determinacin del Nivel de Sistema de Proteccin: ............................ 76
5.5 Propuesta de diseo utilizando la Norma IEC 62305 -3:................... 105
5.6 Propuesta de diseo utilizando la Norma NFPA 780: ....................... 117
5.7 Utilizacin del software de diseo OPR Designer de ABB para
proteccin externa: .................................................................................... 121
5.8 Utilizacin del software de diseo Critec Surge Selection Calculator
de ERICO .................................................................................................. 124
5.9 Revisin del Edificio de la Escuela de Ingeniera Elctrica: ............. 126
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viii
Norma NFPA 780 ...................................................................................... 126
CAPTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............. 139
6.1 Conclusiones ........................................................................................ 139
6.2 Recomendaciones................................................................................. 143
BIBLIOGRAFA ....................................................................................... 144
APNDICES ............................................................................................. 147
Apndice 1 ................................................................................................. 147
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NDICE DE FIGURAS
Capitulo 2
Figura 2. 1 Estructura tripolar de la nube .................................................................................. 9
Figura 2. 2 Densidad de descargas a nivel global .................................................................. 12
Figura 2. 3 Distribucin de los sensores IMPACT del Sistema de Informacin (REDADA) . 16
Capitulo 3
Figura 3. 1 Picos de las descargas contra probabilidad de ocurrir [5] .................................. 19
Figura 3. 2 Esquemtico de la proteccin de una terminal PDC [12].................................... 25
Figura 3. 3 Desarrollo matemtico para determinar Rp de una terminal PDC [12] ............ 26
Figura 3. 4 Modelo de pararrayo Millenium s 6.60 [12] ....................................................... 27
Figura 3. 5 Modelo de pararrayo tipo puntas Franklin [13] ................................................... 29
Figura 3. 6 Proteccin de un edificio por medio de Jaula de Faraday [9] ............................. 32
Figura 3. 7 Proteccin de equipo por medio del mtodo de los cables colgantes [10] ......... 34
Figura 3. 8 Clase I [3] ............................................................................................................... 36
Figura 3. 9 Clase II [3] .............................................................................................................. 36
Figura 3. 10 Curva de MOV [4] .............................................................................................. 43
Figura 3. 11 Supresor de voltajes transitorios para lnea de datos [1] ................................... 46
Figura 3. 12 Categoras de ubicacin de los supresores [1] .................................................. 47
Capitulo 3
Figura 3. 1 Picos de las descargas contra probabilidad de ocurrir [5] .................................. 19
Figura 3. 2 Esquemtico de la proteccin de una terminal PDC [12].................................... 25
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Figura 3. 3 Desarrollo matemtico para determinar Rp de una terminal PDC [12] ............ 26
Figura 3. 4 Modelo de pararrayo Millenium s 6.60 [12] ....................................................... 27
Figura 3. 5 Modelo de pararrayo tipo puntas Franklin [13] ................................................... 29
Figura 3. 6 Proteccin de un edificio por medio de Jaula de Faraday [9] ............................. 32
Figura 3. 7 Proteccin de equipo por medio del mtodo de los cables colgantes [10] ......... 34
Figura 3. 8 Clase I [3] ............................................................................................................... 36
Figura 3. 9 Clase II [3] .............................................................................................................. 36
Figura 3. 10 Curva de MOV [4] .............................................................................................. 43
Figura 3. 11 Supresor de voltajes transitorios para lnea de datos [1] ................................... 46
Figura 3. 12 Categoras de ubicacin de los supresores [1] .................................................. 47
Capitulo 4 Figura 4. 1 Requisitos mnimos de los materiales clase I y clase II [3]................................. 50
Figura 4. 2 Clasificacin segn su ubicacin los TVSS [15] ................................................ 59
Figura 4. 3 Proteccin contra Transientes segn su ubicacin [18]....................................... 60
Figura 4. 4 Forma de onda clsica de una corriente transitoria [15] ...................................... 60
Capitulo 5
Figura 5. 1 Distancia de choque de la descarga atmosfrica [12] .......................................... 67
Figura 5. 2 Circuito equivalente para la impedancia de una torre [13].................................. 69
Figura 5. 3 Calculo del rea Ag para los distintos casos. [8] ................................................. 77
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xi
Figura 5. 4 Mapa de densidad de descargas en el ao 2010. [4] ............................................ 82
Figura 5. 5 Altura de la terminal area [3]............................................................................... 88
Figura 5. 6 Terminales areas sobre un techo A con declive [3] ........................................... 89
Figura 5. 7 Terminales areas sobre un techo plano [3] ......................................................... 90
Figura 5. 8 Esquema de un sistema de proteccin .................................................................. 93
Figura 5. 9 Niveles de proteccin y sus valores segn el mtodo. [8] ................................... 96
Figura 5. 10 Valores mnimos del radio de la esfera rodante, del tamao de la malla y del
ngulo de proteccin, segn el nivel de proteccin [8] .......................................................... 97
Figura 5. 11 Valores para la designacin de los diferentes niveles de proteccin [8] .......... 97
Figura 5. 12 Valores para la designacin de los diferentes niveles de proteccin [8] .......... 99
Figura 5. 13 Valores para la designacin de los diferentes niveles de proteccin [8] ........ 100
Figura 5. 14 Valores del para la colocacin de electrodos a tierra [8]................................. 102
Figura 5. 15 Malla de puesta a tierra [10] ............................................................................. 102
Figura 5. 16 Valores mnimos para seccin transversal de los conductores de terminales
areas, barras de las terminales areas y conductores de bajada [8] ................................... 103
Figura 5. 17 Valores mnimos para los electrodos de tierra [8]. .......................................... 104
Figura 5. 18 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo Enmallado Nivel
I, 5 x 5 metros basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] ................................................. 105
Figura 5. 19 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo Enmallado Nivel
I, 5 x 5 metros basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] ................................................. 106
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Figura 5. 20 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] ............. 107
Figura 5. 21 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 108
Figura 5. 22 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 109
Figura 5. 23 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 110
Figura 5. 24 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, 5 x 5 metros basndonos en la norma IEC
62305-3. [17] ........................................................................................................................... 111
Figura 5. 25 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 112
Figura 5. 26 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el de la Esfera Rodante Nivel
I, 20 metros de radio Nivel I, 5 x 5 metros basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] ... 113
Figura 5. 27 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 114
Figura 5. 28 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 115
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Figura 5. 29 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando el Mtodo de la Esfera
Rodante Nivel I, 20 metros de radio Nivel I, basndonos en la norma IEC 62305-3. [17] 116
Figura 5. 30 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando pararrayos tipo puntas
Franklin usando la Norma NFPA 780. [17] .......................................................................... 118
Figura 5. 31 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando pararrayos tipo puntas
Franklin usando la Norma NFPA 780. [17] .......................................................................... 119
Figura 5. 32 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando pararrayos tipo puntas
Franklin usando la Norma NFPA 780. [17] .......................................................................... 120
Figura 5. 33 . Imagen de la EIE con proteccin exterior usando pararrayos PDC y puntas
Franklin usando el software OPR Designer desarrollada por ABB [16] ............................. 122
Figura 5. 34 Imagen de la EIE con proteccin exterior usando pararrayos tipo puntas
Franklin usando el software OPR Designer desarrollada por ABB [16]. ............................ 123
Figura 5. 35 Imagen del Diagrama Unifilar de la EIE .......................................................... 124
Figura 5. 36 Imagen de los Supresores de Picos Tableros TS, T2S y T3S, con un valor de
120 kA, monofsico, 120/240, LL (800), LG (400), NG (400) Y LN (400)................................ 130
Figura 5. 37 Imagen de un tablero de la EIE. ............................................................................... 131
Figura 5. 38 Imagen de los Supresores de Picos Tableros TPH, T2HN, TIBH, THE, THEE,
TAS, TIHE con un valor de 120 kA, trifsico, 480/277, LL (1600), LG (800), NG (800) Y
LN (800). ................................................................................................................................. 132
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xiv
Figura 5. 39 Imagen de la EIE donde muestra una punta Franklin protegiendo una torre
GSM. ........................................................................................................................................ 133
Figura 5. 40 Imagen de la EIE donde muestra los bajantes de una torre GSM. .................. 134
Figura 5. 41Imagen de la EIE donde muestra el bajante de una torre GSM. ...................... 135
Figura 5. 42 Imagen de la EIE donde muestra AA que deben ser protegidos..................... 136
Figura 5. 43 Imagen de la EIE donde muestra AA que deben ser protegidos..................... 137
Figura 5. 44 Imagen de la EIE donde muestra unas puntas Franklin protegiendo unas torre
GSM. ........................................................................................................................................ 138
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xv
NDICE DE TABLAS
Capitulo 3
Tabla 3. 1 Parmetros de una descarga [5] ............................................................................. 20
Tabla 3. 2 Valores mximos de los parmetros del rayo correspondientes a los NP. [8]..... 21
Tabla 3. 3 Valores mnimos de los parmetros de las descargas y radio de la esfera. [8] .... 21
Tabla 3. 4 Probabilidad de los lmites de los parmetros de la corriente del rayo [8] .......... 21
Tabla 3. 5 Radios de Proteccin de una terminal PDC [12] .................................................. 25
Tabla 3. 6 .Clase I [3]............................................................................................................... 36
Tabla 3. 7 Clase II [3] ............................................................................................................... 36
Capitulo 5
Tabla 5. 1 Consecuencias inmediatas y posteriores de una descarga atmosfrica [16]. ....... 66
Tabla 5. 2 Frecuencia media anual permitida de rayos directos sobre estructuras comunes
[3]. .............................................................................................................................................. 75
Tabla 5. 3 del coeficiente ambiental de los alrededores. [8] .................................................. 78
Tabla 5. 4 Coeficiente estructural. [8] .................................................................................... 79
Tabla 5. 5 Coeficiente estructural de contenidos de un edificio. [8] ..................................... 79
Tabla 5. 6 Coeficientes de ocupacin estructural. [8] ............................................................. 79
Tabla 5. 7 Coeficiente de consecuencias ante un evento. [8] ................................................. 80
Tabla 5. 8 Niveles de proteccin y su correspondiente eficiencia. [8] .................................. 80
Tabla 5. 9 Nivel de proteccin de estructuras comunes [8].................................................... 85
Tabla 5. 10 Niveles de proteccin y su correspondiente eficiencia. [8] ................................ 86
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xvi
Tabla 5. 11 Clase I [3]............................................................................................................... 93
Tabla 5. 12 .Clase II [3] ............................................................................................................ 94
Tabla 5. 13 Valores del edificio de Ingeniera Elctrica....................................................... 100
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NOMENCLATURA
NFPA 780: National Fire Protection Association
IEC: International Electrotechnical Commission
EIE: Escuela de Ingeniera Elctrica.
UCR: Universidad de Costa Rica.
NASA: National Aeronautic and Space Administracion.
ICE: Instituto Costarricense de Electricidad.
REDADA: Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas
PDC: Dispositivo de Cebado
NF C 17-102: French Standard Classification.
CTS: Sistema de Transferencia de Carga.
MOV: Varistores de Oxido Metlico.
SPCR: Sistema de Proteccin contra Rayos.
GDT: Tubos de Descarga Gaseosos.
SAD: Diodos de Avalancha de Silicio.
SPD: Surge Proteccin Devices.
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xviii
IMN: Instituto Metrolgico Nacional.
CCTV: Circuito Cerrado de Televisin.
TVSS: Transient Voltage Surge Supressors.
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xix
RESUMEN
El trabajo realizo consisti en realizar un estudio de vulnerabilidad y riesgo del
edificio de la Escuela de Ingeniera Elctrica, para lo cual por medio de una serie de visitas
se realizo una serie de inspecciones para comparar el Sistema de Proteccin contra
Descargas Atmosfricas, donde los equipos encontrados se estableci los niveles de
proteccin presentes.
Tambin por medio de la Norma 780, se estableci el nivel de proteccin requerido
tanto para la proteccin externa como interna el cual se determino que tena que ser el Nivel
I el recomendado para el tipo de estructura.
Dentro de los objetivos planteados estaba el uso de herramientas computacionales
para el diseo y propuesta de soluciones entre los software utilizados estn el OPR de ABB
de uso libre para protecciones externa, adems de CRITEC desarrollo por la empresa
ERICO, el cual tiene como fin, el clculo de la proteccin interna contra transientes de
cualquier estructura.
Entre las principales conclusiones est el hecho que la proteccin interna es
obligatoria mas en unos determinados casos la externa podra estar no presente, para el
edificio de la EIE si es obligatoria la implementacin de ambas proteccin, posteriormente
el uso de Dispositivos de Cebado es contemplado para la norma IEC- 62305 y son
rechazados por la norma Norteamrica NFPA 780, tambin se estableci que la cantidad de
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xx
bajantes de edificio no son los correspondientes al permetro del mismo , y que el Sistema
de Proteccin externa contra Descargas Atmosfricas no cuenta con su propio sistema de
Puestas a Tierra. Se debe mencionar que la distribucin de la proteccin interna contra
descargas es la correcta mas sus valores de proteccin son inferiores en ciertos lugares a los
establecidos por las normas.
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1
CAPTULO 1: Introduccin
La economa, la industria y el sector pblico dependen en gran medida de los
sistemas y dispositivos elctricos y electrnicos. Dentro del mbito de las modernas
instalaciones industriales se encuentran innumerables equipos y sistemas electrnicos.
Cualquier avera o fallo de los sistemas, as como por los fallos de las terminales y
perifricos conectados puede dar lugar rpidamente a una verdadera catstrofe.
Entre las causas ms frecuentes de estos fallos y averas estn las sobretensiones que
fluyen a travs de las redes debido a descargas elctricas ya sean directas, indirectas o
estticas, este riesgo puede ser minimizado con medidas adecuadas.
Cabe recordar que los fenmenos naturales incluyendo las tormentas elctricas son
casi imposibles de predecir, estas ltimas son las responsables de producir una quimera que
se considera un riesgo en el entorno electromagntico, las descargas de rayo adquieren una
relevancia especial ya que se estima que en nuestro planeta existen simultneamente unas
2000 tormentas simultaneas y que cerca de 100 rayos descargan sobre la Tierra cada
segundo. Y esto condiciona de forma determinante las medidas de proteccin que se han de
adoptar dentro del marco de la compatibilidad electromagntica.
La descarga elctrica atmosfrica, popularmente conocida como rayo, es un
fenmeno natural observado y temido por el ser humano desde el comienzo del uso de la
razn por parte de la especie.
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2
En 1752, hace 250 aos, Benjamn Franklin invent el primer sistema de
proteccin contra descargas elctricas atmosfricas consistente en "una varilla metlica
ubicada verticalmente en el exterior en un punto elevado, una varilla metlica hincada en
tierra, y un conductor de conexin entre ambas". Franklin haba percibido que de esa
manera las descargas atmosfricas incidan en la varilla elevada, siguiendo el camino de
menor resistencia hacia tierra, y de esa manera se reduca la posibilidad de ocasionar daos
en otros elementos circundantes. Dicho diseo an sigue vigente en la actualidad.
Debido al hecho de que es risible la idea de ignorar los efectos de las descargas
atmosfricas debido a que son parte de un proceso natural y necesario, el cual puede tener
efectos negativos en los sistemas y equipos elctricos, y ms aun importante las descargas
elctricas atmosfricas pueden poner en riesgo la vida de las personas cercanas a estas
descargas, es ah donde nace la justificacin de este proyecto elctrico ante la urgencia que
tiene la universidad de actualizarse, especficamente el edificio de la Escuela de Ingeniera
Elctrica de la Universidad de Costa Rica, ante la posibilidad de descargas atmosfricas.
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3
Objetivos
Estudiar la condicin de vulnerabilidad y riesgo ante descargas atmosfricas del
edificio de la Escuela de Ingeniera Elctrica, y proponer un diseo de las soluciones.
1.1 Objetivo general
Estudiar la condicin de vulnerabilidad y riesgo ante descargas atmosfricas del
edificio de la Escuela de Ingeniera Elctrica, y proponer un diseo de las soluciones.
1.1.1 Objetivos especficos
Hacer un estudio de vulnerabilidad elctrica del edificio, usando
como referencia la Norma NFPA 780, y la normativa IEC, relativa al tema.
Realizar un diagnstico de los niveles proteccin presentes en el
edificio de EIE, enfocado al cumplimiento de las normas.
Aplicar el uso de herramientas computacionales de libre distribucin para el diseo de las posibles soluciones
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4
1.1 Metodologa
Como metodologa de este proyecto, se debe hacer un estudio del sistema elctrico
del edificio de la Facultad de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Costa Rica ubicado
en la Ciudad de la Investigacin, ms especficamente el sistema de proteccin contra
descargas elctricas esto con el fin de conocer el estado de dicho sistema, esto como punto
de partida para este proyecto.
Para lograr este objetivo se realizaran, una serie de visitas asociadas al trabajo de
campo, todo esto con la idea de poder entender la primera parte del trabajo. Con base a
estas visitas se pude tener una idea del estado de vulnerabilidad y riesgo en que se
encuentra el edificio de Ingeniera Elctrica, ante descargas elctricas. Posteriormente
mediante la Norma NFPA 780 Estndar para la instalacin de sistemas de proteccin
contra descargas atmosfricas y tambin la Norma de la IEC 62305, Proteccin
contra descargas atmosfricas. Tambin podemos considerar normas como la IEEE
62.41 Practicas recomendadas para sobretensiones en circuitos de corriente alterna
de baja tensin.
Para el cumplimiento del resto de los objetivos se tendr que tomar en cuenta los
diferentes niveles de proteccin con que cuenta el edificio de Ingeniera Elctrica se debe
decir que el primer nivel consiste en establecer un camino directo a tierra para la corriente
de descargas atmosfricas. El segundo nivel de proteccin consiste en minimizar los
efectos indirectos que puede causar una descarga elctrica atmosfrica mediante el diseo
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5
del camino de los elementos conductores que provienen del exterior, y que podran captar,
por fenmenos de induccin, parte de la energa disipada por una descarga. El tercer nivel
de proteccin consiste en instalar filtros para los equipos, estos dispositivos que absorben el
exceso de energa proveniente de la perturbacin, pueden ser parte de los protectores
primarios, o integrar cada equipo individual.
Para el ltimo objetivo se realizara una bsqueda entre las principales empresas de
protecciones elctricas, para el uso de Software desarrollados por ellos mismos y que sean
de uso libre.
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6
CAPTULO 2: DESCARGAS ATMOSFRICAS
2.1 Las descargas atmosfricas
Las tormentas y descargas elctricas son fenmenos naturales y como tal,
imposibles de predecir con exactitud1. Los rayos son los principales ofensores con
potencial capaz de causar daos a las estructuras y a las personas en general, una descarga
atmosfrica origina un paso de corriente entre dos distintos puntos de una nube, entre dos
nubes distintas o entre una nube y la tierra.
Benjamn Franklin fue el primero en identificar este fenmeno como de
naturaleza elctrica y demostr que las nubes posean cargas mediante mediciones de
polaridad a las varillas utilizadas mientras se ubicaba bajo una nube. Entre sus hiptesis
estaba la de que los cmulos nimbos tenan diferentes cargas.
Casi dos siglos ms tarde, Wilson2 y Simpson
3 decidieron hacer una investigacin
de campo ms exhaustiva con la necesidad que tena la industria elctrica de protegerse
1 [1] Esteban Garita y Marco Quesada. Diseo, seleccin y aplicacin de sistemas de proteccin contra
descargas atmosfricas. UCR 2011.
2 C. T. Wilson famoso e influyente cientfico ingles que entre 1926 y 1929 realiz mediciones comparando
el campo elctrico de tormentas y el campo elctrico cambiante de los relmpagos. Basado en sus
observaciones, conjetur que en las nubes de tormentas existen cargas positivas en la parte superior y cargas
negativas en la inferior.
3 George Simpson, meteorlogo ingles que vivi entre 1878-1965, el cual desarrollo una teora acerca de la
formacin de cargas elctricas en las nubes, las cuales se debe a las corrientes de aire.
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7
contra sus efectos dainos. Wilson comenz con mediciones de campo elctrico y supuso
que a medida que las partculas de hielo crecen e interactan, se rompen y chocan de forma
que se crean partculas con carga positiva, mientras que las partculas ms grandes se
cargan negativamente. La mayora de estas partculas se separan, de forma que por efecto
de la gravedad y las corrientes de aire se carga una nube en su parte baja con partculas
negativas y en la zona superior con cargas positivas. Estas separaciones producen una
enorme diferencia de potencial, ya sea entre nubes o con la tierra, teniendo el aire como
dielctrico, formando un dipolo positivo4.
En la misma poca, Simpson midi la carga de la lluvia producida por nubes de
tormenta y lleg a la conclusin opuesta: la regin inferior de una nube de tormenta estaba
cargada positivamente y la parte superior contena solo carga negativa, formando un dipolo
negativo. Recientemente, se han encontrado errores en las hiptesis de ambos
investigadores al indicar que las mediciones se realizaron en un solo lugar, lo cual era
insuficiente para inferir la distribucin de cargas en la nube.
La discrepancia obedece a que rara vez se mide la carga en una nube, sino que se
infiere del campo elctrico de la nube. Cuando hay ms de un cuerpo cargado, cualquier
nmero de configuraciones de carga puede producir la misma intensidad y direccin del
campo en un punto dado. Por lo tanto, una nica medicin del campo elctrico no puede
determinar la distribucin de cargas.
4 [1] Esteban Garita y Marco Quesada. Diseo, seleccin y aplicacin de sistemas de proteccin contra
descargas atmosfricas. UCR 2011
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8
2.2 Estructura tripolar de la nube
Despus de descartadas las teoras de los dipolos, se comenz a hablar de una
estructura tripolar en las nubes que conformaban una tormenta elctrica. Como su nombre
lo indica, se presentan 3 zonas con cargas intercaladas. Una regin de carga negativa N en
el centro de la nube y dos de carga positiva P, encima y otra ms pequea en la zona
inferior.
Comparando esta estructura con los resultados de Wilson y Simpson se llega a
entender los errores cometidos por los investigadores. Wilson midi el campo elctrico a
una distancia considerable de la nube haciendo que la presencia de la carga positiva en la
zona inferior de la nube quedara anulada por las cargas negativas encima de estas5.
Simpson, por su parte midi el campo elctrico debajo de la nube. Detect la carga
positiva ubicada en la parte baja del nimbo, mientras que la carga negativa apantallaba la
regin positiva superior y de esa forma concluy que era un dipolo negativo.
5 [1] Esteban Garita y Marco Quesada. Diseo, seleccin y aplicacin de sistemas de proteccin contra
descargas atmosfricas. UCR 2011
-
9
Figura 2. 1 Estructura tripolar de la nube [2]
2.3 Proceso de descarga atmosfrica. (La formacin del rayo)
Las concentraciones de carga elctrica en la atmosfera es el primer paso para la
conformacin de las descargas elctricas; las nubes en las que se da esta concentracin
reciben el nombre de cumulus nimbus y se encuentran separadas de la tierra una
distancia entre 5 km y 12 km. La tensin que se genera entre la nube y tierra es de alrededor
de 300 MV.
Se presentan tres fases. Inicialmente se tiene una fase de ionizacin; las partculas,
ya sean liquidas o slidas, que se encuentran en la nube chocan entre s al ser movilizadas
por las corrientes de aire ascendente y descendente dentro de la nube; estas colisiones hace
que las partculas adquieran carga.
La ionizacin produce descargas iniciales, una de estas descargas genera una
descarga precursora o leader (lder), que inicia un camino escalonado, con saltos de varias
centenas de metros, alrededor de 50 m; hacia tierra buscando el camino con menor
-
10
resistencia, y con una velocidad aproximada de 150 km/s, es llamada descarga escalonada.
La descarga escalonada se refiere a una secuencia de descargas que tienen origen
con la accin del viento, una corriente de pocos amperes y puntos de baja luminosidad.
Conforme crece, se crea un paso ionizado depositando carga a travs del canal de llegada a
tierra. No obstante, no todas las descargas escalonadas llegan a tierra.
Tambin es posible que se inicie una descarga escalonada desde un punto u objeto
situado en la tierra, en este caso concurren dos descargas escalonadas en un lugar
intermedio.
Cuando los dos lderes, el procedente de la nube y que el que se origina en la tierra,
se encuentran a una distancia entre los 50 m y 100 m se produce la ruptura de la rigidez
dielctrica del aire, dando origen a un canal plasmtico entre la nube y la tierra.
Con el camino ionizado que une la nube con tierra, se inicia la segunda fase de la
descarga elctrica, la cual consiste en una fuerte descarga, a travs del camino citado y
orientado hacia la nube, la cual es de gran luminosidad y con una velocidad de entre el 10%
y el 50% de la velocidad de la luz, la intensidad de corriente en esta etapa es cercana a los
20kA, aunque se ha registrado descargas entre los 160kA y los 400kA.
La energa del rayo est en los 10kWh y 100kWh pero posee una potencia de dao
entre los 10 GW y 1000GW, en este momento se generan temperaturas entre los 20000 C
y 30000 C, provocando una violenta expansin del aire que genera una onda mecnica
responsable del sonido caracterstico de una descarga atmosfrica, el cual recibe el nombre
de trueno.
Luego por ltimo, inicia una tercera fase en el proceso la descarga principal es de
tal magnitud que genera en la nube una descarga secundaria dirigida hacia la tierra, la cual
-
11
utiliza el mismo camino ionizado de la primera; entre descargas hay un tiempo que va de
0,005 s a medio segundo, durante el cual se forman nuevas cargas. Este proceso puede
repetirse varias veces, dependiendo del estado de electrificacin de la nube, esto se llama
descarga mltiple.
2.4 Clasificacin de las descargas atmosfricas
Las descargas atmosfricas, se clasifican segn su origen y el tipo de cargan que
poseen, as tenemos la:
Categora I: Estas se originan desde la nube hacia la tierra y son de cargas
negativas, estas constituyen el 90% de las descargas que suceden.
Categora II: Estas se originan desde la tierra a la nube y es de polaridad positiva.
Categora III: Esta categora incluye los rayos que van desde las nubes a tierra y son
de carga positiva.
Categora IV: Estas se originan desde la tierra a la nube y es de polaridad negativa.
2.5 Estudio y Observacin de las descargas atmosfricas
El estudio y monitoreo de los fenmenos atmosfricos tiene como funcin el
estudio investigar a fondo los rayos, para poder as dar una mejor explicacin de su origen
y tambin tiene como objetivo poder prevenir la muerte de personas adems de la
proteccin de equipos elctricos.
-
12
El estudio y monitoreo dio origen a dos parmetros muy importantes:
Nivel cerunico
El nivel Isocerunico de un lugar es el nmero promedio de das al cabo del ao en
los que hay tormenta. Se considera da con tormenta a aquel en el que al menos se oye
un trueno.
Se busca la creacin de Mapas Isocerunico los cuales son sobre la probabilidad de
cada de rayos, dentro de los Mapas estn las lneas Isocerunico, que son aquellas que
delimitan reas territoriales con un mismo nivel cerunico.
Densidad de descargas atmosfricas
Es la cantidad de descargas a tierra de una zona por kilometro cuadrado.
La figura 2.2 muestra la imagen global de un mapa de densidad de descargas atmosfricas,
tomada por la National Space Science and Tecnology Center de la NASA
Figura 2. 2 Densidad de descargas a nivel global [2]
-
13
2.6 Sobre voltajes debido de las descargas atmosfricas
Los fenmenos de sobre voltaje ms comunes en instalaciones por descargas
atmosfricas, lo cual provoca salida de operacin de equipos, daos en dispositivos
elctricos y en muchos casos interrupcin en sus servicios.
Existen tres tipos de sobre voltaje.
Sobre voltaje por descargas indirectas
Ocurren cuando las descargas atmosfricas caen en cercanas a una instalacin,
estos sobre voltajes son los ms comunes, suceden debido a induccin electroesttica y
electromagntica, su gravedad es variable dependiendo la cercana de la cada del rayo, se
pueden registrar valores de tensiones elctricas e intensidad de corriente, desde cientos
hasta miles.
Sobre voltaje por descarga directa
El rayo puede caer directamente en las lneas areas, propagndose la sobretensin
y la corriente a la largo de varios kilmetros. La sobretensin acaba llegando al usuario y
derivndose a tierra a travs de sus equipos producindoles averas o su total destruccin.
Dichas descargas pueden alcanzar valores hasta de 100 kA, lo que produce daos
mecnicos y elctricos debido a la gran liberacin energtica que se da. Cuando un rayo
cae sobre una lnea de transmisin esta se divide en dos ondas viajeras.
Este tipo de fenmenos someten al aislamiento de las instalaciones mal protegidas
entre ellas maquinas a esfuerzos dielctricos que superan los niveles bsicos de impulso de
su aislamiento, produciendo la ruptura por perforacin del material dielctrico de los
aislamientos. Cabe decir que las temperaturas que pueden alcanzar, los conductores rondan
los 8350 centgrados.
-
14
Sobre voltaje por carga esttica
Estos sobre voltajes se presentan ms que todo en lneas de transmisin, debido a
que sobre estas lneas, existen nubes, su efecto se reduce mediante el hilo guarda en las
lneas de transmisin y bayonetas e hilos de guarda en las subestaciones.
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15
2.7 Recuento estadstico de descargas atmosfricas en Costa Rica
Normalmente se dan 100 descargas atmosfricas por segundo en el mundo. Con lo
cual se pueden contabilizar 8 millones de descargas al da. En Costa Rica se han llegado a
contabilizar desde valores de 15 descargas al da hasta 7 000, en un periodo menor de 12
horas6.
Actualmente existen varias instituciones que realizan estudios acerca de estos
fenmenos, entre las cuales podemos mencionar el Instituto de Investigacin Atmosfricas
de la Universidad de Costa Rica y el Instituto Metrolgico Nacional IMN, desde el 2002 El
ICE, en coordinacin con la National Aeronautic and Space Administracion (NASA),
inicio un proceso de recoleccin y muestra de datos acerca del comportamiento de las
descargas elctricas en Costa Rica, por medio del uso de satlites, GPS, y sensores se logra
determinar la densidad de descargas atmosfricas en la superficie del pas, o cantidad de
rayos por kilometro cuadrado.
2.8 Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas
En el ao 2002 el ICE adquiri un sistema de deteccin de descargas atmosfricas,
este sistema recolecta informacin de gran utilidad. Este sistema de deteccin se conoce
con el nombre de Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas
(REDADA) y consta de siete sensores tipo IMPACT, cinco de los cuales se encuentran
6 [1] Esteban Garita y Marco Quesada. Diseo, seleccin y aplicacin de sistemas de proteccin contra
descargas atmosfricas. UCR 2011
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16
dentro del territorio nacional, los dos restantes en Panam. En la Figura 2.3 se muestra la
distribucin de los sensores en Costa Rica y Panam. Los sensores realizan la deteccin de
la descarga mediante una medicin indirecta a travs de los campos electromagnticos que
este fenmeno.
Informacin brindada por la REDADA
La Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas brinda
bsicamente la siguiente informacin:
Hora, minuto y segundo en que tuvo lugar el evento.
Localizacin por medio de paralelos y meridianos del punto de impacto a tierra.
Intensidad en kiloamperios (kA) de cada descarga.
Tipo de descarga producida, ya sea de nube a tierra o de nube a nube
Figura 2. 3 Distribucin de los sensores IMPACT del Sistema de Informacin (REDADA)
-
17
Tipo de polaridad, es decir, el tipo de carga que se est transfiriendo (iones
positivos o iones negativos) sin importar la direccin en que es transferida.
La cantidad de descargas elctricas que tiene una descarga atmosfrica, esto
se conoce como multiplicidad.
-
18
Capitulo 3: Sistemas de Proteccin contra Descargas
Atmosfricas
La finalidad de un sistema de proteccin contra descargas atmosfricas es la
salvaguardar a las personas, infraestructuras y a los equipos.
En un contexto muy general los sistemas de proteccin tienen con fin captar las
descargas atmosfricas en un punto determinado, y conducir por un camino seguro a tierra
de baja impedancia para as disipar la energa por medio de unos electrodos., sin que esta
energa afecte como por ejemplo con transitorios a los equipos elctricos de una estructura.
Podemos dividir en dos la proteccin en internas y externas. La primera est
encargada de recibir los impactos indirectos de los rayos, darle como un camino, la
proteccin interna se relaciona con la vulnerabilidad de los equipos elctricos y electrnicos
ante descargas elctricas.
3.1 Proteccin de exteriores contra descargas atmosfricas
Este sistema est compuesto por tres elementos esenciales:
Un elemento bsico o elemental es el encargado de la captura de la descarga
atmosfrica, esto se puede realizarse por medio de elementos metlicos tales como
bayonetas o pararrayos tipo Franklin, conductores de acoplamiento o catenarias o
entras palabras varillas tipo Franklin, cables colgantes o mallas de conductores.
Conducir la intensidad de corriente elctrica, mediante un sistema de conductores,
los cuales deben tener una trayectoria de baja impedancia.
-
19
Disipar correctamente la energa en tierra, por medio de electrodos.
3.1.1 Niveles de proteccin contra el rayo
En este caso, se debe decir que mediante anlisis estadsticos desarrollados con l
tiempo que en el 50% de los casos las descargas posteriores no superan los 20 kA, el 2% de
los casos llega a superar 140 kA, tambin se concluyo que las descargas posteriores son de
menor intensidad y la repeticin es de 3 o 4 veces.
Figura 3. 1 Picos de las descargas contra probabilidad de ocurrir [5]
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20
Segn la norma IEC 62305 se presentan cuatro niveles de proteccin contra
descargas elctricas, para cada nivel de proteccin se fijan un conjunto de parmetros de
corriente de mximos y mnimos. Los valores mximos de los parmetros de la corriente
del rayo correspondiente a NPI, no eran sobrepasados con una probabilidad del 99%, segn
la polaridad las descargas positivas tendrn un 10% de posibilidades mientras que, para las
negativas es de 1%.
Para el NPII los valores se reducen al 75% y para NPIII y NPIV se reducen al 50%
del valor original.
Los diferentes valores mximos se usan para la determinacin de los componentes
de proteccin contra descargas como seccin de conductores, capacidad de corriente de los
dispositivos contra sobretensiones transitorias, distancia de separacin contra chispas
peligrosas. Los valores mnimos se emplean para el clculo del radio de la esfera ficticia
con el fin de definir la zona de proteccin.
99% 90% 75% 50% 25% 10% 1% unidad Numero de descargas 1 1 2 3 5 7 12
Intervalo entre descargas 10 25 35 55 90 150 400 mseg Corriente 1er descarga 5 12 20 30 50 130 130 KA
Pico descargas siguiente 3 6 10 15 20 40 40 KA Primer descarga di/dt 6 10 15 25 20 70 70 KA Siguientes descargas
di/dt 6 15 25 45 80 200 200 GA/s Carga Total 1 3 6 15 40 70 200 CGA/s
Corriente continua Max 30 3 80 100 150 400 40 A Duracin total 50 100 250 400 600 900 1500 mseg
Tabla 3. 1 Parmetros de una descarga [5]
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21
Tabla 3. 2 Valores mximos de los parmetros del rayo correspondientes a los NP. [8]
Tabla 3. 3 Valores mnimos de los parmetros de las descargas y radio de la esfera. [8]
Tabla 3. 4 Probabilidad de los lmites de los parmetros de la corriente del rayo [8]
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22
3.2 Terminales de intercepcin
Son aquellos terminales para la intercepcin de las descargas y permitir el paso a los
conductores apropiados entre los terminales de captacin tenemos. A continuacin se
explicaran los principales mtodos de recepcin.
3.2.1 Pararrayos
Es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo, ionizando el aire para atraer y
conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daos a las personas o
construcciones.
Fue inventado en 1753 por Benjamn Franklin. El primer modelo se conoce como
pararrayos Franklin, en homenaje a su inventor. Se presenta ahora, los distintos tipos de
pararrayos que se utilizan para la proteccin contra las descargas atmosfricas. Se dividen
en dos tipos: los pararrayos ionizantes y los pararrayos des ionizantes pasivos.
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23
Pararrayos ionizantes:
Ionizan el aire y captan la descarga del rayo, pueden tener una o varias puntas, se
ubican en la parte ms alta instalados en la parte ms alta de la instalacin. Se dividen en:
Pararrayos ionizantes semi-activos: Pararrayos con dispositivo de cebado (atraer-
rayos):
Formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta,
incorporan un sistema electrnico que genera un avance en el cebado del trazador; no
incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un dispositivo electrnico sensible
compuesto de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina
aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoelctrico7.
Utiliza diferencia de potencial entre la nube y el pararrayos. La instalacin conduce
primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensin elctrica generada por la
tormenta, al punto ms alto de la instalacin, el dispositivo electrnico provoca una
avalancha de electrones. La diferencia de potencial aportada por la saturacin de cargas
elctrico-atmosfricas, aparece la ionizacin natural o efecto corona, un camino conductor
que para descarga del fenmeno rayo. Estos equipos se caracterizan por incorporar un
sistema de cebado que anticipa la descarga de 25 a 68 s.
7 [14] Cesar Bolaos. Proteccin contra descargas atmosfricas Teora y Normativa. Universidad de Costa
Rica, 2008.
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24
EL (PDC) o Dispositivo de cebado de los pararrayos necesita un tiempo de carga
para activar el dispositivo electrnico que generar un impulso, a continuacin volver a
efectuar el mismo proceso mientras exista el aporte de energa natural. Este dispositivo est
compuesto por componentes electrnicos sensibles a los campos electromagnticos., y de la
intensidad de descarga del rayo la destruccin del dispositivo electrnico es una
posibilidad.
A este tipo de terminales vale la pena detenerse a analizar esto debido a que el
edificio a analizar cuenta con uno de estos, un pararrayos con dispositivo de cebado , se
caracteriza por responder al acercamiento del rayo , adelantndose en su captura a otros
elementos. Este adelanto se denomina normativamente tiempo de avance en el cebado
(T) y determina el radio de proteccin del pararrayos. En la figura 3.2 se observa el radio
de proteccin Rp y la altura h a colocar el dispositivo sobre la edificacin a proteger.
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25
Figura 3. 2 Esquemtico de la proteccin de una terminal PDC [12]
Tabla 3. 5 Radios de Proteccin de una terminal PDC [12]
El modelo del edificio de la Escuela de Ingeniera Elctrica, es un Prevectron 2 de la
compaa francesa Indelec, en la pgina de esta compaa se hace un resumen muy
concreto del funcionamiento de este tipo de terminales.
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26
Cuando ocurre un golpe de rayo, existe a nivel del suelo un campo elctrico
permanente que crece en funcin de la aproximacin del trazador descendente. A partir
de un cierto umbral (50 a 100 KV/m), el efecto corona, que se desarrolla naturalmente en la
punta de ciertas asperezas, permitir el arranque de descargas ascendentes dirigidas hacia la
nube: los trazadores ascendentes.
El trazador ascendente que contacte al primer trazador descendente venido de la
nube determinar la posicin del canal ionizado que permite la circulacin de la corriente
del rayo. Instantes antes, la descarga ascendente salida del pararrayos arranca hacia la nube,
cuanto ms rpido se aproxime sta al trazador descendente, mayores posibilidades tendr
de conectarse con l antes de que lo hagan las descargas ascendentes partidas de otras
asperezas8.
Figura 3. 3 Desarrollo matemtico para determinar Rp de una terminal PDC [12]
El modelo utilizado en la Escuela de Ingeniera Elctrica es un Millinenium s 6.60,
8 Tomado de la pgina de Indelec: Protecciones contra el Rayo.
http://www.indelec.com.es/foudre/La_foudre_apprivoisee/Prevectron_2.aspx
-
27
colocado a una altura de 3 metros por lo que su RP es de 47 metros.
Figura 3. 4 Modelo de pararrayo Millenium s 6.60 [12]
Pruebas en laboratorio:
El laboratorio Indelec tiene una doble utilidad: hacer pruebas de calificacin de los
pararrayos segn los requerimientos de la norma NF C 17102 y ayudar en la investigacin
y el desarrollo de nuevos productos.
Pararrayos ionizantes pasivos (PSF)
Tambin conocidos como puntas Franklin son electrodos de acero o de materiales
similares acabados en una o varias puntas, no tienen ningn dispositivo electrnico ni
fuente radioactiva.
Una vez captado el rayo la instalacin conduce la tensin elctrica generada por la
tormenta primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, para compensar la diferencia
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28
de potencial en el punto ms alto de la instalacin, se generan campos elctricos en las
puntas; a partir de una magnitud del campo elctrico alrededor de la punta o electrodo,
aparece la ionizacin natural o efecto corona, mini descargas disruptivas que ionizan el
aire, tal fenmeno es el principio de excitacin para trazar un camino conductor que
facilitar la descarga del fenmeno rayo.
Se observan en las PSF, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible,
radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos, esto produce una
avalancha electrnica por el efecto campo: un electrn ioniza un tomo produciendo un
segundo electrn, este a su vez, junto con el electrn original puede ionizar otros tomos
produciendo as una avalancha que aumenta exponencialmente9.
Las colisiones no resultantes en un nuevo electrn provocan una excitacin que
deriva en el fenmeno luminoso.
9 Cesar Bolaos. Proteccin contra descargas atmosfricas Teora y Normativa. Universidad de Costa Rica,
2008.
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Figura 3. 5 Modelo de pararrayo tipo puntas Franklin [13]
Pararrayos des ionizantes pasivos
Los pararrayos des ionizantes de carga electroesttica (PDCE), incorporan un
sistema de transferencia de carga (CTS), y no incorporan ninguna fuente radioactiva,
anulan el efecto corona. El cabezal del pararrayos est constituido por dos electrodos de
aluminio separados por un aislante dielctrico, todo ello soportado por un pequeo mstil
de acero inoxidable. Poseen forma es esfrica, y se basan esencialmente en canalizar a
tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos10.
El objetivo es evitar el impacto directo en la zona de proteccin para proteger a las
personas, instalaciones y equipo, el conjunto de la instalacin se disea para canalizar la
energa del proceso antes de la formacin del rayo.
10 [14] Cesar Bolaos. Proteccin contra descargas atmosfricas Teora y Normativa. Universidad de Costa
Rica, 2008.
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30
Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensin que se
concentran en el electrodo inferior (ctodo -). A partir de una magnitud del campo
elctrico, el electrodo superior (nodo +) atrae cargas opuestas para compensar la
diferencia de potencial interna del cabezal. Durante el proceso de transferencia, en el
interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre el nodo y el ctodo, este
proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos, no produciendo
descargas disruptivas, ni ruido audible a frito, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del
conductor. Durante el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por el cable
conductor elctrico, los valores mximos que se pueden registrar durante el proceso de
mxima actividad de la tormenta, no superan los 300 mA. A partir de ese momento el
campo elctrico ambiental no supera la tensin de ruptura al no tener la carga suficiente
para romper su resistencia elctrica11.
11[14] Cesar Bolaos. Proteccin contra descargas atmosfricas Teora y Normativa. Universidad de Costa
Rica, 2008.
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3.2.2 Mstiles
Las bayonetas son piezas de tubo de hierro galvanizado, con su extremo
superior cortado en diagonal, terminado en punta, de una longitud variable que depende de
la zona que va a proteger, y con un dimetro que depende de la longitud del tubo.
Las bayonetas constituyen un medio adicional de proteccin contra descargas
atmosfricas directas aunque no siempre son necesarias, si la red de cables guardas estn
correctamente calculados.
Estas actan como electrodos, provocando mediante el efecto de punta, la
concentracin de cargas electroestticas durante la descarga del rayo.
El ngulo de proteccin mxima del cono se ha determinado en forma experimental
y es de 30 grados, la zona de proteccin es llamada radio critico de flameo.
3.2.3 Jaula de Faraday
El sistema consiste en la recepcin del rayo a travs de un conjunto de puntas
receptoras unidas entre s por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra
mediante una red de conductores. La red enmallada debe ser diseada de tal manera que la
corriente de la descarga tenga dos caminos a tierra.
Un estudio efectuado de manera rigurosa determinar el nmero de terminales
areos que deben ser empleados, su colocacin fsica y el grado de proteccin logrado. La
decisin de dotar a una estructura de un adecuado Sistema de Proteccin Contra el Rayo
depende de factores como la probabilidad de cadas de rayo en la zona, su gravedad y
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32
consecuencias para personas, maquinaria u operatividad en empresas.
Este mtodo es utilizado principalmente para proteger superficies planas en donde
una malla conductora puede ser considerada para la proteccin contra impactos directos de
toda la estructura. Para este caso los conductores extremos son colocados sobre bordes
techos, terrazas y azoteas12.
Figura 3. 6 Proteccin de un edificio por medio de Jaula de Faraday [9]
12 [14] Cesar Bolaos. Proteccin contra descargas atmosfricas Teora y Normativa. Universidad de Costa
Rica, 2008.
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3.2.4 Cables colgantes
Este tipo de proteccin, parecido al sistema de mallas y puntas, est formado por
una malla de conductores separados de la estructura a proteger, teniendo por objetivo el
evitar que la intensidad de corriente debido a la descarga del rayo entre en contacto con
sta.
Los hilos tendidos se instalan por encima de la estructura a proteger, unidos a los
conductores de bajada y a las tomas de tierra correspondientes. . La longitud y la distancia
entre cables estn sujetas a las mismas reglas que en el caso de las mallas y puntas (mtodo
de la esfera ficticia).
La instalacin de este tipo de proteccin implica un estudio complementario de tipo
mecnico (resistencia de materiales, clculo de flechas, resistencia a posibles eventos
meteorolgicos, etc.), as como la determinacin de las distancias de aislamiento.
El mtodo de cables tendidos se utiliza particularmente para proteger las zonas
abiertas en las que no hay soportes estructurales.
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34
Figura 3. 7 Proteccin de equipo por medio del mtodo de los cables colgantes [10]
3.3 Conductores de bajada
Los conductores a tierra, se entienden como la unin galvnica entre el dispositivo
de captacin y la instalacin de puesta a tierra. Los conductores de bajada se encargan de
derivar a tierra la corriente de la descarga atmosfrica. El nmero de bajantes a tierra que se
deben colocar para acceder a tierra depender de las dimensiones del edificio a proteger.
El acceso a tierra de los bajantes se deber realizar con piezas seccionadas, para as
permitir la separacin de la instalacin del pararrayos, de la instalacin de puesta a tierra,
de esta manera se pueden realizar mediciones de tierra que se deseen as como verificar el
estado de los conductores derivadores a tierra.
Los conductores tradiciones son de alambres o cables de cobre, desprovistos de
aislamiento. Para evitar la produccin de saltos de corriente, se decir que los bajantes deben
ser colocados de manera que pasen alejados de equipos electrnicos sensibles. Los bajantes
casi siempre son hechos de cobre en ya sea en forma de cable o alambres.
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35
Para los conductores bajantes se debe tener en cuenta:
Ubicacin de grandes cuerpos metlicos.
Un curso directo para la corriente a tierra.
Tipo de suelo
Ubicacin de las puntas.
En todas las estructuras se deben instalar al menos dos conductores de bajada. Si el
permetro de la instalacin es mayor a 76 metros se dispondr un conductor cada 30 m, en
caso que el permetro sea irregular se pondrn dos conductores entra de los necesarios.
Los conductores de bajada localizados en autopistas, zonas escolares o areas
comunes deben ser protegidos contra daos fsicos, tambin el conductor debe protegerse
contra la corrosin.
Las abrazaderas utilizadas para sujetar los conductores deben ser unidas a las columnas
estructurales del edificio, esto mediante ganchos o placas, se prefiere soldarlos, estas
uniones no deben estar separadas ms de 0.9 m.
Los calibres de los conductores que se muestran a continuacin son para estructuras
ordinarias casas, comercios, industrias granjas o edificios.
La tabla 3.4 muestra los requerimientos para protecciones Clase I (edificaciones
menores a 23 a metros) y la tabla 3.5 para Clase II(edificaciones mayores a 23 metros).
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36
Figura 3. 8 Clase I [3]
Figura 3. 9 Clase II [3]
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37
3.4 Puesta a tierra
El objetivo de todo sistema de puesta a tierra es el de proveer una va de baja
impedancia para que las corrientes de falla o las que son producidas por fenmenos
transitorios, como los rayos, sean descargadas a tierra.
Una puesta a tierra efectiva significa que est conectada a tierra a travs de una
conexin, o conexiones de suficiente baja impedancia y capacidad de conduccin de
corriente, para impedir los aumentos de voltaje que podran resultar en peligros o riesgos
indebidos y excesivos a personas o al equipo conectado.
Debe entenderse que la impedancia total del sistema de puesta a tierra, y no su
resistencia nicamente, tenga valores bajos que permitan disipar tanto los elementos de
baja frecuencia como los de alta generalmente contenidos en la descarga.
En los sistemas de puesta a tierra, se pueden utilizar los electrodos fabricados
especificados en los numerales (a) e (b) indicados a continuacin.
Los electrodos fabricados se incrustarn debajo del nivel permanente de humedad,
tambin estarn libres de capas o revestimientos no conductores, tales como pinturas o
esmaltes.
Donde se use ms de un electrodo, cada electrodo de un sistema de puesta a tierra
(incluyendo los utilizados como varillas de pararrayos), no estar a menos de 1.83 metros
-
38
(6 pies) de cualquier otro electrodo de otros sistemas de puesta a tierra. No se requerir que
el calibre del conductor de cobre del electrodo de puesta a tierra fabricado sea mayor que
No. 6 AWG. Dos o ms electrodos que estn ligados entre s en forma efectiva, se
considera como un solo sistema de electrodo.
Electrodos de Varillas: Los electrodos de varilla sern de acero o de hierro con
revestimiento de cobre, de dimetro mnimo de 1.59 centmetros (5/8 pulgadas) y una
longitud mnima de 2.44 metros (8 pies). Los electrodos de varilla debern instalarse de
manera que no menos que 2.44 metros (8 pies) de longitud estn en contacto con el suelo.
Deben estar enterrados a una profundidad mnima de 2.44 m (8 pies), excepto donde se
encuentre roca en el fondo, en cuyo caso el electrodo se instalar o hincar en ngulo, cuya
inclinacin no exceda los 45 de la vertical fsicos.
Electrodos de Placa. Los electrodos de placa sern de material ferroso o no ferroso,
y cada electrodo tendr una superficie exterior no menor que 0.186 metros cuadrados (2
pies2). Las placas de hierro o acero tendrn un espesor mnimo de 6.35 milmetros (
pulgada) y las de metales no ferrosos un espesor mnimo de 1.52 milmetros (0.06
pulgada). El conductor del electrodo de puesta a tierra se conectar al electrodo por medio
de una soldadura exotrmica.
Pozos de Inspeccin: La unin de conexin a la varilla, el conductor del electrodo
de puesta a tierra y el extremo superior de los electrodos de varilla, debern instalarse
dentro de un pozo de inspeccin, con tapa removible, instalado a ras con el piso terminado
o con el suelo natural. El pozo de inspeccin deber ser cuadrado con dimensin mnima de
20 centmetros por 20 centmetros (8 pulgadas por 8 pulgadas), o circular con dimetro
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interno mnimo de 20 centmetros (8 pulgadas), y tendr una profundidad de 15 centmetros
(6 pulgadas).
Para facilitar su prueba y mantenimiento, los pozos de inspeccin de los electrodos
de puesta a tierra debern estar localizados en lugares fcilmente accesibles, cercanos al
medio principal de desconexin.
La "puesta a tierra" en la instalacin elctrica del cliente se hace, no slo para
proteger a la instalacin elctrica, sino tambin para proteger a las personas contra el
peligro de choques elctricos, accidentes y como prevencin contra incendio. Esta puesta a
tierra se efecta en el conductor neutro de la acometida y por consiguiente, al conductor
neutral de la red interna, el cual tambin estar puesto a tierra extendiendo as, la
proteccin a toda la instalacin elctrica interna de la residencia, comercio o industria.
Cada servicio elctrico individual o acometida, deber tener una puesta a tierra, la
cual se unir al neutro de la red, a su llegada a la caja del medidor o en el Interruptor
Principal o equivalente. Las cubiertas protectoras de los cables elctricos, tales como hilos
o cintas de cobre, plomo, acero, etc., se conectarn a tierra, para evitar en tales materiales la
presencia de un potencial superior al de tierra.
La conexin de puesta a tierra ser permanente, continua y tendr capacidad
suficiente para conducir cualquiera de las corrientes que le puedan ser impuestas y ser de
impedancia suficientemente baja, tanto para limitar el potencial sobre tierra, como para
facilitar el funcionamiento de los dispositivos de sobre corriente del circuito.
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Los electrodos debern tener una resistencia a tierra que no exceda 25 ohm. Cuando
no se pueda lograr esta resistencia a tierra con un solo electrodo, se instalarn otros
electrodos hasta conseguir la resistencia indicada.
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3.5 Proteccin Interna contra descargas atmosfricas
La proteccin interna hace referencia a la proteccin de lneas de energa y de datos,
que alimentan equipos elctricos y electrnicos. La seleccin de los dispositivos de
proteccin interna contra rayos y sobretensiones se basa en el principio de proteccin
escalonada.
3.5.1 Supresores de Sobre voltaje Transitorios
El origen de los sobre voltajes transitorios puede originarse, por conexin o
desconexin de equipos, descargas atmosfricas o electrostticas, aunque las ms
peligrosas son las producidas por los rayos. La energizacion de transformadores, motores y
de capacitores da a lugar a sobre corrientes transitorias.
Clasificacin de los supresores de sobre voltajes transitorios de acuerdo a la conexin
Los supresores se pueden clasificar de acuerdo a la conexin, la cual puede ser
paralela o en serie.
Los dispositivos paralelos se pueden clasificar en dos tipos:
Sujetadores de voltaje
MOV, (Varistor de oxido metlico)
Es utilizado como protector de sobre tensiones, en el pas, todos los
transformadores de distribucin estn protegidos en su bobinado primario por estos,
algunos tambin en el secundario, pero no regularmente. En el caso de los transformadores
tipo pedestal, los MOV son los llamados tipo codo, por su forma. Este dispositivo es tan
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popular debido a que es de bajo costo y muy fcil de conectar a una aplicacin especifica.
[1]
El MOV se acciona por tensin elctrica, y acta de manera muy rpida, al
detectarse un voltaje especifico, que depende de las especificaciones, el Varistor acta
como conductor en cuestin de micro segundos, permitiendo que la corriente pase a tierra.
Este dispositivo contiene una masa cermica de granos de xido de zinc, en una
matriz de otros xidos de metal (como pequeas cantidades de bismuto, cobalto y
manganeso) unidos entre s por dos placas metlicas (los electrodos), este permite el flujo
de corriente en una sola direccin. El MOV tiene una gran resistencia en bajas tensiones y
una baja resistencia en altas tensiones.
Cuando la tensin en el Varistor est por debajo de su "voltaje de disparo", ste
funciona como un dispositivo regulador de corriente a operacin normal, por lo que los
varistores generalmente se usan como supresor de picos de tensin.
Un Varistor no podra limitar corrientes excesivamente grandes, esto debido a que
las mismas lo podran destruir, picos de tensin ms pequeos podran degradarlo. La
degradacin est definida por las grficas de esperanza de vida del fabricante que
relacionan corriente, tiempo y nmero de pulsos.
El parmetro ms importante que afecta la esperanza de vida del Varistor es su
energa consumida. A medida que el consumo de energa incrementa, su esperanza de vida
incrementa exponencialmente, el nmero de picos que pueden soportar incrementa y el
voltaje de disparo que provee durante cada pico decrece.
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La probabilidad de una falla catastrfica puede reducirse al ampliar el rango o al
conectar ms varistores en paralelo. Se dice que un Varistor est completamente degradado
cuando su voltaje de disparo ha cambiado cerca del 10%.
Tpicamente, su tiempo de respuesta est en el orden de los 5 a 25 nanosegundos y
su voltaje de activacin est comprendido entre 14V y 550V. Sin embargo, su confiabilidad
es limitada ya que se degradan con el uso. Su costo es bajo comparado con otros
dispositivos protectores.
El Varistor se coloca en paralelo al circuito a proteger y absorbe todos los picos
mayores a su tensin nominal. El Varistor slo suprime picos transitorios; si es sometido a
una tensin elevada constante, se destruye. En el diseo de circuitos es aconsejable colocar
el Varistor en un punto ubicado despus de un fusible. En la figura 3.5 se observa la curva
caracterstica de tensin vs corriente de un MOV.
Figura 3. 10 Curva de MOV [4]
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Diodos de avalancha
Es un dispositivo semiconductor diseado especialmente para trabajar
en tensin inversa, cuando la tensin en polarizacin inversa alcanza el valor de la tensin
de ruptura, los electrones que han saltado a la banda de conduccin por efecto de la
temperatura se aceleran debido al campo elctrico incrementando su energa cintica, de
forma que al colisionar con electrones de valencia los liberan; stos a su vez, se aceleran y
colisionan con otros electrones de valencia liberndolos tambin, producindose una
avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo .
La aplicacin tpica de estos diodos es la proteccin de circuitos electrnicos contra
sobretensiones. El diodo se conecta en inversa a tierra de modo que, mientras la tensin se
mantenga por debajo de la tensin de ruptura, slo ser atravesado por la corriente inversa
de saturacin, muy pequea, por lo que la interferencia con el resto del circuito ser mnima
La desventaja principal es que un aumento muy grande en el voltaje puede hacer que el
dispositivo se destruya, en consecuencia, los diodos de avalancha se utilizan en
combinacin con otros componentes de supresin de sobretensiones, como la ltima lnea
de defensa dentro de los equipos crticos. El tiempo de encendido de este dispositivo es el
ms corto, llegando al orden de los picosegundos.
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Dispositivos de arco
Tubo de Gas:
Este dispositivo consta de dos electrodos conductoras separado por una brecha
llena generalmente con un gas tal como aire, un gas noble, o hidrogeno, dependiendo de la
velocidad de reaccin deseada, diseado para permitir una chispa elctrica para pasar entre
los conductores, con el fin de disipar energa. Cuando la diferencia de voltaje entre los
conductores supera el voltaje de la brecha de descomposicin, se forma una chispa, el gas
se ioniza y reduce drsticamente su resistencia elctrica. Una corriente elctrica fluye
entonces hasta que el camino de gas ionizado se rompe o se reduce la corriente por debajo
de un valor mnimo denominado "corriente de retencin ', drenando la corriente de falla.
Esto sucede generalmente cuando la tensin cae, pero en algunos casos se produce
cuando sale el gas caliente, que se extiende hacia fuera y luego romper el filamento de gas
ionizado. Por lo general, la accin de la ionizacin del gas es violenta y perturbadora, a
menudo produciendo un sonido como el de un pequeo trueno, luz y el calor. Este tipo de
proteccin se utiliza en interruptores de alta tensin, transformadores de gran potencia, en
las centrales elctricas y subestaciones elctricas [6].
Dentro de sus ventajas podemos mencionar, que tienen un tiempo de respuesta menor al de
los MOV, del orden de los nanosegundos. Otra ventaja de estos es que pueden resistir
mayores valores de corriente.
Las desventajas de este mtodo de proteccin erradican en que su resistividad se
puede ver afectada por la luz del ambiente, por lo que tienen que estar cubiertos. Adems
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de esto, el dispositivo tiende a buscar mantener la corriente una vez ionizado el gas, por lo
que algunas veces no se apaga solo al retomarse el estado normal de operacin de la
tensin.
Los supresores en serie:
Incorporan un inductor o una resistencia en serie, para poder limitar mejor los sobre
voltajes transitorios, los elementos en serie deben ser capaces de conducir la misma
corriente que la carga, de ah que las dimensiones y el costo de estos varan segn la carga.
Figura 3. 11 Supresor de voltajes transitorios para lnea de datos [1]
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Categoras de ubicacin
Figura 3. 12 Categoras de ubicacin de los supresores [1]
Los supresores de sobretensiones transitorios tambin se pueden clasificar de
acuerdo a su ubicacin. De acuerdo al Practicas recomendadas para los protectores de
sobretensiones en circuitos AC de baja tensin, se tienen las categoras A, B y C.
La categora C corresponde a las siguientes ubicaciones: instalacin exterior y
acometida, circuitos que van del medidor de consumo al medio de desconexin principal,
cables del poste al medidor, lneas areas a edificios externos y lneas subterrneas para
bombas.
La categora B corresponde a las localidades siguientes: alimentadores y circuitos
derivados cortos, tableros de distribucin, barrajes y alimentadores en plantas industriales
tomacorrientes para aparatos grandes con cableados cercanos a la acometida sistemas de
iluminacin en edificios comerciales
La categora A corresponde a las ubicaciones siguientes: tomacorrientes y circuitos
derivados largos, todos los tomacorrientes que estn a ms de 10 m de categora B con
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hilos #14 - #10 AWG, todos los tomacorrientes que estn a ms de 20 m de categora C
con hilos #14 - #10 AWG.
Figura 3.11. Categoras de ubicacin de los supresores [9].
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Capitulo 4 Normativa de sistemas de proteccin contra
descargas atmosfricas
4.1 Norma NFPA 780 (Standard for the Installation of Lightning
Protection Systems)
Esta norma trata sobre la proteccin de distintos tipos de edificios y de estructuras,
en general un sistema de proteccin contra descargas, llamado de pararrayos, debe:
Capturar el rayo en el punto diseado para tal propsito, la terminal area.
Conducir la energa de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables
conductores que transfiere la energa de la descarga mediante trayectorias de baja
impedancia.
Disipar la energa en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.
La proteccin de estructuras y edificios, mediante el sistema puntas Franklin lo primero
que seala la norma es que existen dos tipos de estructuras ordinarias por proteger, las
estructuras que no sobrepasan los 23m de altura (deben protegerse con materiales clase I) y
las que sobrepasan los 23m de altura (deben protegerse con materiales clase II). En la tabla
4.1 se muestra algunos de los requisitos mnimos para los materiales clase I y II. Cuando se
emplean conductores de aluminio, se debe tener precaucin en no llegarlos hasta el suelo
porque sufren corrosin.
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Clase I Clase II
Terminales areas, dimetro (mm) 9,5 Cobre, 12,7 Aluminio 12,7 Cobre, 15,9 Aluminio
Conductor principal, peso 278 g/m Cu, 141 g/m Al 558 g/m Cu, 283 g/m Al
Seccin transversal 29 mm2 Cu, 50 mm2 Al 58 mm2 Cu, 97 mm2 Al
Tamao mnimo de alambre 17 AWG Cu, 14 AWG Al 15 AWG Cu, 13 AWG Al
Figura 4. 1 Requisitos mnimos de los materiales clase I y clase II [3]
Partes que conforman el sistema de pararrayos:
La captura de la descarga atmosfrica el sistema ms sencillo y ms antiguo de
pararrayos es el que consiste en terminales areas de cobre, bronce o aluminio anodizado
terminadas en puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras por proteger de los rayos.
Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm sobre la estructura y, cuando esta altura
mnima se emplea, la distancia entre ellas debe ser como mximo de 6 m. Para asegurarse
de una buena conexin y de una baja impedancia, por lo menos cada terminal area debe
tener dos trayectorias a tierra, y estas trayectorias deben estar cuando ms a 30 m separadas
entre s.
Para la ubicacin de los pararrayos, se utiliza el mtodo de la esfera rodante, que
consiste en el posicionamiento de las puntas captadoras. Debe realizarse, de manera tal que
la esfera (se establece de un radio de 46m), nunca toque ninguna parte de la estructura, de
este modo la esfera siempre estar soportada por algn elemento del sistema de captacin.
Sistemas Conductores de Bajada se deben instalar fuera de la estructura. Las
planchuelas o conductores planos rgidos son preferidos al cable flexible debido a las
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ventajas de su menor inductancia. Los conductores no deberan ser pintados, puesto que
esto aumentar su impedancia. Deben emplearse siempre las curvas poco pronunciadas,
para evitar problemas de saltos de arcos de chispas. El acero estructural constructivo
tambin podra utilizarse, en lugar de conductores convencionales, cuando en la prctica
sea beneficioso en la emulacin del concepto de la jaula de Faraday.
La ecualizacin asegura que los objetos conductores, no vinculados elctricamente,
estn al mismo potencial elctrico. Sin la ecualizacin apropiada, los sistemas de
proteccin contra el rayo no trabajarn. Todos los conductores metlicos ingresantes a las
estructuras (por ejemplo, las lneas de energa de corriente alterna, las caeras de gas y de
agua, lneas de datos y de seales, los ductos de aire acondicionado, conductos y tuberas,
los rieles del ferrocarril, las gras de tipo puente y de tipo pluma, portones pivotantes,
marcos de puertas metlicas para el personal, pasamanos metlicos, etc.) deberan ser
elctricamente referenciadas al mismo potencial de tierra. Las uniones para la ecualizacin
deberan ser exotrmicas y no mecnicas, donde sea posible, especialmente en reas bajo-
nivel. Las uniones mecnicas estn sujetas a la corrosin y al dao fsico. Los ductos y
respiraderos de los sistemas de aire acondicionado que penetran a una estructura desde otra,
no deberan ser ignorados, ya que pueden convertirse en caminos elctricos problemticos.
Se recomienda la inspeccin frecuente y medicin de la resistencia elctrica de conectores
(con un valor mximo de 10 mili ohmios), para asegurar la continuidad.
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El sistema de puesta a tierra debe tener una baja impedancia a tierra, as como una
baja resistencia. Un estudio espectral del impulso tpico del rayo revela un contenido de
altas y bajas frecuencias. El sistema de puesta a tierra se comporta frente al impulso de rayo
como una lnea de transmisin, en donde se aplica la teora de la propagacin de ondas
electromagnticas.
Una parte considerable de la corriente del rayo se propaga horizontalmente al
impactar sobre tierra: se estima que menos del 15% de esa corriente penetra la tierra.
Consecuentemente, valores bajos de la resistencia (25 Ohmios determinados por el NEC)
son menos importantes que las eficiencias volumtricas.
Se logra la llamada Puesta a Tierra Equipotencial cuando todos los equipos dentro
de las estructuras estn referidos a una barra maestra de distribucin de puesta a tierra que
en definitiva est conectada o vinculada al sistema exterior de puesta a tierra. Los lazos de
tierra, y los consecuentes tiempos de crecimiento diferenciales deben ser evitados. El
sistema de puesta a tierra se debera disear para reducir su impedancia a la corriente
alterna, y para reducir la resistencia a la corriente continua. El uso de tcnicas de tendidos
lineales o radiales de conductores enterrados puede disminuir la impedancia, mientras que
permiten que la energa del rayo diverja mientras que cada conductor enterrado comparte
gradientes de tensin.
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Son tiles los electrodos de puesta a tierra en anillo, conectados alrededor de las
estructuras. El uso apropiado de las zapatas, de los basamentos y de las fundaciones de
hormign armado, aumenta el volumen de los electrodos.
Aditivos para la reduccin de la resistencia de puesta a tierra, mediante el
tratamiento de suelos, tales como carbn, brisa de coque, el hormign armado, sales
naturales, u otros componentes agregados, pueden ser tiles en presencia de suelos de alta
resistividad, de suelos de pobre contenido de agua, de pobre contenido de sales, o de suelos
a temperaturas de congelamiento. De acuerdo con la norma, el sistema de electrodos para
la proteccin contra descargas atmosfricas depende tambin de las condiciones del suelo.
De ah que, para estructuras ordinarias menores a 23 m de altura, en:
Arcilla Profunda y Hmeda: Una simple varilla de 3 m es suficiente.
Suelo arenoso: Se requieren dos o ms varillas espaciadas ms de 3 m.
Suelo con tierra poco profunda: Se emplean trincheras radiales al edificio de 5 m de
largo y 60 cm de ancho en arcilla. Si la roca est ms superficial, el conductor
podra colocarse sobre la roca.
Rocas : En un suelo muy poco profundo, un cable en anillo se instala en una
trinchera alrededor de la estructura
Los lineamientos para la proteccin electrnica y elctrica son descritos en la norma
IEEE 1100. Los fusibles comunes y los interruptores termo magnticos no son capaces de
contener las sobretensiones elctricas impulsivas, o transitorios, inducidos por el rayo.
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4.2 IEC 62305 Proteccin contra descargas atmosfricas
Parte 1: Principios generales
No existen dispositivos o mtodos capaces de modificar los fenmenos
atmosfricos naturales hasta el punto de impedir las descargas de rayos. Los impactos de
rayo sobre las estructuras o en sus proximidades son peligrosos para las personas, las
propias estructuras, su contenido, las instalaciones y los servicios. Esta es la razn por la
que son esenciales las medidas de proteccin contra el rayo.
La necesidad de proteccin, los beneficios econmicos de la instalacin de medidas
de proteccin apropiadas y su eleccin deberan determinarse en trminos de evaluacin del
riesgo.
Parte 2: Evaluacin del riesgo
Las descargas atmosfricas a tierra pueden ser peligrosas para las estructuras y para los
servicios. El peligro en las estructuras puede dar lugar a:
Daos en la estructura.
Fallos en los sistemas elctricos y electrnicos.
Daos a los seres vivos.
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Para reducir las prdidas por los rayos pueden necesitarse medidas de proteccin, la
necesidad de medidas, as como sus caractersticas deberan determinarse mediante la
evaluacin del riesgo.
El riesgo, es definido en esta norma como la prdida anual media probable en una
estructura y en un servicio producido por las descargas atmosfricas, depende de:
El nmero anual de descargas atmosfricas que afectan a la estructura.
La probabilidad de daos debidos a una descarga atmosfrica
el costo medio de las prdidas.
Las descargas atmosfricas que afectan a una estructura pueden dividirse en:
Descargas directas en la estructura;
Descargas en las proximidades de la estructura, en los servicios conectados
(Lneas de potencia, de telecomunicacin, otros servicios).
Parte 3: Dao fsico a estructuras y riesgo huma