INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

ZACATENCO

I N G E N I E R A E L C T R I C A

P R A C T I C A N o . 1

L A B O R A T O R I O D E T C N I C A D E L A S A L T A S T N S I O N E S I

P r o f e s o r :

I N G . E Z E Q U I E L S O L S A R A U J O

A l u m n o :

O r t i z M e n d o z a J u l i o A d o l f o

L i n a r e s L e y v a Y a i r Y u s e f h

G r u p o :

8 E V 1

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TEMARIO

TEMA Pg.

1.- CONCEPTO DE ALTA TENSION 3

2.- MATERIALES ELECTRICOS EN A.T. 4

3.- EQUIPO DE MEDICION Y PRUEBAS EN A.T. 5

4.- TENSION DIRECTA, ALTERNA Y TRANSITORIA 12

5.- DESCARGAS ATMOSFERICAS Y PROTECCIONES 17

6.- SISTEMAS DE ALTA TENSION EN EL AUTOMOVIL.. 40

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Definicin de la alta tensin

Las lneas de alta tensin son las de mayor tensin en un sistema elctrico, las de mayor longitud y las que

manipulan los mayores bloques de potencia. Enlazan entre s las diferentes regiones del pas. Su funcin es

intercambiar energa entre las regiones que unen, por lo que la transferencia de potencia puede ser en ambos

sentidos.

Para transportar la energa elctrica a grandes distancias, minimizando las prdidas y maximizando

la potencia transportada, es necesario elevar la tensin de transporte. La tensin en los circuitos de transmisin

puede extenderse desde 69 kV hasta 750 kV.

Un aumento de tensin significa una disminucin de la intensidad que circula por la lnea, para transportar la

misma potencia, y por tanto, las prdidas por calentamiento de los conductores y por efectos

electromagnticos. A mayor tensin, menor intensidad y, en consecuencia, menor prdida energtica, lo cual es

muy importante si se toma en consideracin el hecho de que las lneas de alta tensin suelen recorrer largas

distancias.

Adems, de una mayor intensidad requiere de conductores de mayor seccin, y en consecuencia, con un

mayor peso por unidad de longitud.

Por todos estos factores, se eleva la tensin de transporte, reduciendo la intensidad y abaratando los costes de

transporte.

Se argumenta que las lneas de alta tensin afectan el medio ambiente y a la gente que vive cerca de las lneas

de transmisin, por la radiacin emitida. Por otro lado, dicha contaminacin electromagntica permite el ahorro

econmico a las empresas u organismos de distribucin elctrica de transportar la potencia a una tensin

elevada. En algunos pases se compensa econmicamente a la gente que vive bajo o en las inmediaciones de las

lneas de alta tensin, por el argumento de que los tejidos orgnicos de las personas y seres vivos pudiesen ser

perjudicados por los campos electromagnticos provocados.

Clasificacin de lneas de alta tensin

Lneas de 3 categora

Tensin nominal: Superior a 1.000 e igual o inferior a 30.000 voltios.

Usos: Distribucin y generacin.

Lneas de 2 categora

Tensin nominal: Superior a 30.000 e igual o inferior 66.000 voltios.

Usos: Transporte.

Lneas de 1 categora

Tensin nominal: Superior a/o 66.000 e inferior a 220.000 voltios.

Usos: Transporte a grandes distancias.

Lneas de categora especial

Tensin nominal: Igual o superior a 230.000 voltios.

Usos: Transporte a grandes distancias.

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Materiales Elctricos Alta, Media y Baja Tensin:

Material Alta Tensin para transmisiones H.F.

Materiales elctricos para la Proteccin y automatizacin para Estaciones y Sub-Estaciones

Elctricas de Alta, Media y Baja Tensin.

Resistencias de neutro para transformadores.

Transformadores Monofsicos y Trifsicos en aceite, de Distribucin de Potencia, de medida

tensin/intensidad, Transformadores Secos, y Paud Mounted.

Todo en Herrajes para lneas de Alta, Media y Baja Tensin.(Pernos Roscados, Perchas,

Abrazaderas, Anclas de expansin, Palillos, Crucetas y otros)

Equipos de Proteccin Elctrica Alta, Media y Baja Tensin, como :Cortacorrientes, Pararrayos y

Seccionadores

Materiales para redes Alta, Media Tensin y Baja Tensin en general.

Conexiones y bornes para subestaciones hasta 500 KV.

Equipos de medida, control y automatizaciones

Fusibles en General para Media y Baja Tensin.

Aisladores Polimricos y de Cermicas.

Cables de Cobre desnudo y Arvidal, Monopolares y Coaxiales.

Mordazas y Conectores, como: Conectores tipo U, Conectores a Compresin, Mordazas de Aluminio

y Cobre.

Prtigas Telescpicas en General.

Poste para Media y Alta Tensin, Comercial y para Alumbrado Pblico.

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Equipos de Medida y Prueba en Alta Tensin

Detectores de Alta Tensin

Desde 1973 Standard Electric Works Co. Ltd. se dedica al diseo y fabricacin de distintos tipos de

instrumentos de medida elctricos con capacidades para medir aislamiento, resistencia de tierra, fugas y

medidas en redes de alta tensin. Serie 213 HVD a 225 HVD

Constituida por doce modelos de detectores de presencia de alta tensin de tipo capacitivo, desde 11kV hasta

132kV, ofrecen indicacin acstica y visual de la presencia de tensin. Son fiables y duraderos debiendo

usarse con prtigas del mismo fabricante, de tipo fijo o telescpicas. Serie 230HD, 276HD, 285HD y 290HD

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Distintos modelos de detectores de alta tensin, entre 6kV y 815kV, con brazos telescpicos de distinta

longitud (mximo 1005mm). Indicacin acstica y visual de la presencia de la alta tensin.

El modelo 285HD tiene un formato distinto pensado para instalacin fija. Capta la radiacin producida por el

cable y mediante una pantalla parpadeante tipo LCD indica la presencia de alta tensin. Aplicable entre 3 y

22kV. Serie PC7K a PC44K

Constituida por cinco modelos, con aplicacin entre 66 y 44kV, ofrecen tres funciones en un solo

instrumento: comparador de fases con indicacin en color, detector de tensin con indicacin tipo nen y

voltmetro de rango.

Se suministra con dos prtigas de fibra de vidrio ligeras y compactas. Modelos PD-20/PD20S/PD-28

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Tres modelos distintos de sondas atenuadoras de alta tensin con divisor de tipo resistivo e impedancias de

entrada de 500 o 1000 Megaohmios segn modelo. Modelo PD-40AM

Sencillo instrumento porttil con capacidad de medir altas tensiones en continua, positivas, hasta 40kV.

Posee pinza de conexin a tierra, indicador analgico y punta de prueba. Modelo 275HP

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Es un detector de alta tensin por proximidad con nivel seleccionable entre 240V y 275kV. Indicacin acstica

y visual de la presencia de tensin, haciendo innecesario el contacto fsico con los conductores. Usar con

prtigas fijas o telescpicas del mismo fabricante. Modelos 286SVD y 288SVD

Detectores de alta tensin para uso personal. Indican la presencia en proximidad de una tensin alterna entre

240V y 50kV mediante alarma acstica y luminosa y son fciles de incorporar en cuerpo, casco, cinturn, etc. Medidores de Rigidez y Aislamiento

Vitrek fabrica equipos de medida/prueba de alta tensin con especial nfasis en la proteccin del operador

garantizando su seguridad. Modelo V4

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Es un equipo de reciente lanzamiento que permite la medida de rigidez dielctrica en continua hasta 6kV

(10mA) y en alterna hasta 5kV (40mA), tensin seleccionable en incrementos de 5V. Las medidas de

continuidad del hilo de tierra se realizan con corrientes de hasta 42A, mientras que la resistencia de

aislamiento puede medirse en tres escalas, hasta 10.000 Megaohmios, bajo una tensin de prueba de 1000V.

El manejo del V4 puede ser manual o remoto. Serie 950i

Esta serie est constituida por seis modelos de nuevo diseo utilizando tecnologas electrnicas de

vanguardia. Cada modelo combina una o varias de las siguientes funciones:

1) Medidas de Rigidez Dielctrica en alterna/continua con alta sensibilidad.

2) Medidas de Baja Resistencia en 4 hilos (miliohmetro).

3) Medidas de Resistencia de Aislamiento hasta valores de Teraohmios.

4) Medidas de continuidad del hilo de tierra con corrientes de hasta 40A. Serie V60

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Se compone de tres modelos de bajo coste y sencillo manejo. El V60 permite la medida de rigidez dielctrica

en alterna. El modelo V61 permite la medida de rigidez dielctrica en alterna y continua. El modelo V63 es

similar al V61 aadiendo la medida de resistencia de aislamiento. Comn a todos ellos son los interfaces de

comunicacin RS-232, PLC y GPIB, la capacidad de deteccin de arco y la posibilidad de medida de

continuidad del hilo de tierra. Comprobador 944i

Es un excelente equipo de comprobacin de rigidez dielctrica, medidor de aislamiento y verificador de la

conexin de tierra de altas prestaciones, a un precio muy razonable. Las pruebas de rigidez en alterna pueden

realizarse con tensiones de hasta 5kV (10kV opcional) mientras que las de continua se realizan con 7kV (14kV

opcional). Posee capacidad de medida de resistencia de aislamiento hasta 500 Gigaohmios y la sensibilidad en

corriente de fugas alcanza los dos microamperios. Asimismo puede verificar la continuidad del hilo de tierra

con resolucin de un miliohmio. Voltmetro Digital

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El 4600B es un voltmetro digital de alta tensin adecuado para la verificacin y calibracin de fuentes de alta

tensin, medidores de aislamiento/rigidez, meggers, sondas de alta tensin, etc. Posee tres escalas (20, 40 y

70kV) y acepta tensin continua y alterna, esta ltima con deteccin del verdadero valor eficaz. Las lecturas

se presentan en pantalla tipo LED de 20.000 cuentas. Sistema de Conmutacin

El 948i es un sistema de conmutacin de alta tensin controlable mediante bus GPIB y capaz de manejar

tensiones de 7/10/15kV y corrientes de 40 y 70A. Es un sistema de concepcin modular que mediante

distintos mdulos permite construir conjuntos adecuados para distintas necesidades. Cada 948i maneja 48

puntos y combinando con otros 948i podemos alcanzar 96, 144, 192 y en general cualquier mltiplo de 48.

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CORRIENTE CONTINUA

La corriente continua la producen las bateras, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos

generadores se genera una tensin constante que no varia con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo

los receptores que se conecten a la pila estarn siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada y tenga menos

tensin). Si no tienes claro las magnitudes de tensin e intensidad, te recomendamos que vayas primero al enlace de

la parte de abajo sobre las magnitudes elctricas antes de seguir. Adems de estar todos los receptores a la tensin

de la pila, al conectar el receptor (una lmpara por ejemplo) la corriente que circula por el circuito es siempre

constante (mismo nmero de electrones) , y no varia de direccin de circulacin, siempre va en la misma direccin, es

por eso que siempre el polo + y el negativo son siempre los mismos.

Conclusin, en c.c. (corriente continua o DC) la Tensin siempre es la misma y la Intensidad de corriente tambin.

Si tuviramos que representar las seales elctricas de la Tensin y la Intensidad en corriente continua en una

grfica quedaran de la siguiente forma:

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Si quieres aprender a resolver circuitos de c.c. te recomendamos que comiences por este enlace: Circuitos de 1

Receptor.

CORRIENTE ALTERNA

Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales elctricas. La corriente

que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes).

En este tipo de corriente la intensidad varia con el tiempo (numero de electrones), adems cambia de sentido de

circulacin a razn de 50 veces por segundo (frecuencia 50Hz). Segn esto tambin la tensin generada entre los dos

bornes (polos) varia con el tiempo en forma de onda senoidal (ver grfica), no es constante. Veamos como es la

grfica de la tensin en corriente alterna.

Esta onda senoidal se genera 50 veces cada segundo, es decir tiene una frecuencia de 50Hz (hertzios), en EEUU es de

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60Hz. Como vemos pasa 2 veces por 0V (voltios) y 2 veces por la tensin mxima que es de 325V. Es tan rpido

cuando no hay tensin que los receptores no lo aprecian y no se nota, excepto los fluorescentes (efecto

estroboscpico). Adems vemos como a los 10ms (milisegundos) la direccin cambia y se invierten los polos, ahora

llega a una tensin mxima de -325V (tensin negativa).

Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la ms comn ya que es la que tenemos en nuestras casas. La

onda de la intensidad sera de igual forma pero con los valores de la intensidad lgicamente, en lugar de los de la

tensin.

Para aprender a resolver circuitos de corriente alterna te recomendamos este enlace: Circuitos de Corriente Alterna.

Pero Por qu se dice que que hay una tensin de 220V en los enchufe? . Como la tensin varia constantemente se

coge una tensin de referencia llamada Valor Eficaz. Este valor es el valor que debera tener en corriente continua

para que produjera el mismo efecto sobre un receptor en corriente alterna. Es decir si conectamos un radiador

elctrico a 220V en corriente continua (siempre constante), dara el mismo calor que si lo conectamos a una corriente

alterna con tensin mxima de 325V (tensin variable), en este caso diramos que la tensin en alterna tiene una

tensin de 220V, aunque realmente no sea un valor fijo sino variable. Estara mejor dicho que hay una tensin con

valor eficaz de 220V. Esto lo podemos ver en la grfica.

Si quieres saber como se genera la corriente continua y la corriente alterna pincha en este enlace:: DINAMO Y

ALTERNADOR

Tambin es interesante que repases o aprendas el siguiente tema: Ondas Electromagnticas

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TENSION TRANSITORIA

Qu causa las sobretensiones?

Las sobretensiones en sistemas elctricos tambin conocidas como transitorios son el resultado de energa intempestiva

que se suelta en el sistema. En circuitos de corriente alterna de baja tensin, las sobretensiones tienen dos orgenes

bsicos:

Descargas atmosfricas tanto directas como indirectas (por acoplamiento inductivo): relmpagos/ rayos/

centellas

Maniobras de conmutacin en la red interconectada de suministro elctrico, realizadas por la compaa

elctrica. Cuando la descarga atmosfrica impacta adelante o cerca de un circuito primario, produce una sobretensin

transitoria que es transmitida o reflejada en la red a travs del circuito secundario del transformador

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En caso de que este fenmeno se produzca cerca del circuito secundario el nivel de la onda de energa que se produce

es mucho mas elevado.

La segunda causa de sobretensiones es relativa al cambio de un evento que puede generarse por condiciones externas o

internas.

Las condiciones externas que generan un cambio o evento pueden deberse a:

Maniobra de bancos del capacitores.

Fallas en alguna parte del sistema.

Recierres de sistemas altamente reactivos sin estudios previos, de los tiempos de operacin. Las causas internas

pueden atribuirse a la conexin u operacin de:

Motores y transformadores. En el arranque insercin se encuentran en un cortocircuito real generando una

corriente transitoria de conexin de intensidad muy elevada.

Acondicionadores.

Mquinas herramientas.

Maquinas y equipos de soldadura (Equipos de arco).

Reguladores electrnicos de luminosidad basados en el principio de variacin del ngulo de fase.

Fusin de fusibles.

Siempre que se produzcan en un circuito importantes variaciones de impedancia.

Sin embargo dondequiera que se produzca o impacte la sobretensin el resultado daino es el mismo: pues este efecto

energtico transitorio provocara destruccin o como mnimo envejecimiento prematuro de los aislantes determinando

desactivacin de equipos, perdida de informacin importante, parlisis de sistemas de produccin, seguridad y control

fuera de serviciO

Mecanismo de generacin de la sobretensin:

Debido a que la corriente es el origen de los picos de sobretensin, el mecanismo que convierte la

corriente en tensin es:

U= i x R

R = r I / (p r)

U=-L x (di/dt)

L = r o I / p (| In(d/r) | + )

U= 1/ C i dt

C = (p r o I) / In (d/r)

U= Tensin generada.

L= Inductancia del conductor por el cual circula la corriente. di=la variacin de la corriente.

dt=tiempo en el cual se produjo la variacin de la corriente di.

Dado que la variacin de la corriente es excesivamente alta, mientras que la duracin es muy

corta, incluso con una inductancia baja de los conductores, el resultado de L x (di/dt) es enorme.

DESCARGAS ATMOSFRICAS La descarga atmosfrica conocida como rayo, es la igualacin violenta de cargas de un

campo elctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.

Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en stos se pueden

encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser

positivos o negativos. Los ms comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de

una nube negativa hacia tierra.

Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en

montaas o en estructuras altas, por lo que no los tomaremos en cuenta en lo

subsiguiente. En la referencia http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html pueden verse

fotografas de ellos y de los fenmenos electroatmosfricos llamados "sprites"y "elves"

Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta

del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a ms de 50 km de largo,

y son consecuencia de un rompimiento dielctrico atmosfrico.

Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razn de unos 50 metros por

microsegundo con descansos de 50 microsegundos.

Una vez que el rompimiento cre una columna de plasma en el aire, la descarga elctrica

surgir inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de

potencial ms alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de

partculas positivas, an desde una parte metlica debajo de una torre.

La figura muestra el rayo producido por una nube cargada negativamente contra tierra

segn el modelo de Hasbrouk .

Los rayos consisten usualmente de descargas mltiples, con intervalos entre descargas de

decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud,

mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque ms rpidos, aunque la velocidad

de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geogrfico. La primera descarga

est entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10E7 m/s.

Las descargas atmosfricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

elctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de

ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metlicas, y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, an sin la descarga, una nube cargada

electrostticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella.

El campo elctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las

puntas empiezan a emitir iones.

Una nube de tormenta promedio podra contener unos 140 MWh de energa con voltajes

hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta

energa es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos

cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA, de acuerdo con los

datos del Sr. R. B. Bent . El Electric Power Research Institute (EPRI) en su Transmission Line

Reference Book, 345 kV and above. 2da. Edicin, Pgs. 545-552, maneja una magnitud

promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio mxima de

24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera, una magnitud menor aunque

ms rpidas, con un promedio de 39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado.

Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen ms carga que sus contrapartes

negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo

comportamiento de pasos de los negativos, y suceden ms frecuentemente en tormentas

invernales con nieve y en latitudes altas.

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la cada de rayos en un lugar. Por

ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables. Adems, las puntas agudas incrementan tambin la probabilidad de una

descarga.

5.2 SISTEMAS DE PARARRAYOS.

La proteccin de estructuras es ms tolerante que una proteccin electrnica. As, un

edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrnicos a 24 V se

daarn con voltajes sostenidos de 48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto

deber ser diseado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del rea en

cuestin. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energa puede ser desviada en

una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser

excesivamente caro.

Un sistema de proteccin contra descargas, llamado de pararrayos, debe:

Capturar el rayo en el punto diseado para tal propsito llamado 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, y;

Disipar la energa en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Cuando la energa de un rayo viaja a travs de una trayectoria de gran impedancia, el dao

causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecnicas que se crean .

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un

mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en

un sistema de electrodos mltiples conectados entre s, a manera de malla, existe la

probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos

aterrizados.

El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica an ms cuando

una nube cargada pasa por encima de la malla. Adems, una descarga elctrica que caiga

cerca, causar grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al

fluir esta corriente por tierra, causar una diferencia de potencial entre los diferentes

electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causar que fluya corriente por los

conductores de la malla.

Es conocido que un campo magntico se crea cada vez que existe un rayo, no importando

si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la

vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluir por tierra la

corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de

una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar.

Los rayos son seales elctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello

son causa de interferencia en sistemas electrnicos. Son de alta frecuencia por la elevada

razn de cambio de la seal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a tierra las

descargas atmosfricas se utilizan las tcnicas para seales en altas frecuencias.

La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es de aproximadamente de

1.64 uH/m. A la frecuencia equivalente de los rayos, la impedancia debida a la inductancia

es muchas veces mayor que la impedancia debida a la resistencia del conductor. Por lo

que, para los rayos, los conductores ms largos de 10 m tienen una impedancia en

trminos prcticos infinita, lo que impide que conduzcan la corriente. Adems, estas

seales de alta frecuencia no seguirn nunca una vuelta muy cerrada del conductor,

porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ah, que todos los cables de

conexin a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar de esquinas

cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, y conductores

mltiples conectados en paralelo a tierra.

Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es bsico que la

impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema

conectadas a tierra, elevarn y bajarn su potencial con respecto de tierra al tiempo de la

descarga. Como ejemplo una malla de 30 x 30 m con 36 cuadrados, de cable de 0.5 cm de

dimetro tiene una inductancia de 400* 10-7 H, lo que dar una impedancia de 25 ohms

bajo una onda triangular con tiempo de pico de 1.2 us.

5.3 ESTNDARES DE PROTECCIN

Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros pases latinoamericanos),

como en Norteamrica, se ha debatido mucho sobre los mtodos de proteccin, tanto as

que en misma Europa permanecen los dos estndares de proteccin, el llamado

Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio (early streamers en ingls).

En EUA, el estndar aprobado por la asociacin contra el fuego (NFPA) es el

Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del

estndar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin.

En Mxico, tenemos desde el 2006 una Norma Mexicana al respecto emitida por ANCE

con el nmero NMX-J-549-ANCE. Al no tener carcter obligatorio esta norma, las

compaas que promueven las marcas de puntas de inicio Sante-Elme

y Prevectron

, entre otras marcas en el mercado, estn instalando sus

sistemas bajo normatividad francesa, o ninguna normatividad.

Importante: De acuerdo con el artculo 55 de la Ley Federal de Metrologa y

Normalizacin, las normas NMX s son obligatorias para el gobierno federal y sus

dependencias, por lo que la NMX-J-549-ANCE de pararrayos s les aplica.

ARTCULO 55.- En las controversias de carcter civil, mercantil o administrativo, cuando no

se especifiquen las caractersticas de los bienes o servicios, las autoridades judiciales o

administrativas competentes en sus resoluciones debern tomar como referencia las

normas oficiales mexicanas y en su defecto las normas mexicanas.

Sin perjuicio de lo dispuesto por la ley de la materia, los bienes o servicios que adquieran,

arrienden o contraten las dependencias y entidades de la administracin pblica federal,

deben cumplir con las normas oficiales mexicanas y, en su caso, con las normas mexicanas,

y a falta de stas, con las internacionales.

En el mundo, existen muchos Cdigos nacionales sobre Sistemas de Pararrayos, que no

concuerdan entre s. Una lista de algunos de ellos, puede encontrarse en:

http://www.lightningsafety.com/nlsi_bus/nlsi_pub1.html

5.3.1 ZONA DE PROTECCIN (Mtodo Norteamericano)

En Norteamrica, los equipos y estructuras son clasificadas segn su necesidad de

proteccin contra descargas atmosfricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989.

PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna proteccin. El

requisito es que verdaderamente estn conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son:

a) Todos las estructuras metlicas excepto tanques u otras estructuras que contengan

materiales inflamables.

b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal.

c) Astas bandera construidas de algn material conductor.

SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no

conductora, tal como edificios con cubierta metlica. Este tipo requiere de conductores

para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.

TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metlica y cubierta no

conductora. Este tipo requiere de terminales areas conectadas a la estructura y fuera de

la cubierta para actuar como terminales pararrayos.

CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metlicas, que requieren una

proteccin . Se incluyen en esta clase:

a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de

refuerzo metlicos.

b) Chimeneas. An con elementos de refuerzo, stas deben tener una gran proteccin

contra rayos, con terminales areas, cables de bajada y electrodos de aterrizado.

QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya prdida puede ser de

consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo,

incluyendo terminales areas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre stas

estn:

a) Edificios de gran valor esttico, histrico o intrnsico.

b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos.

c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como

consecuencia de una descarga.

d) Tanques o conjuntos de tanques.

e) Plantas de energa y estaciones de bombeo.

f) Lneas de transmisin.

g) Subestaciones elctricas.

La tcnica usada para analizar la accin de las descargas en objetos a tierra es el modelo

electromagntico desarrollado originalmente por Golde R.H. Y derivado de ese modelo,

desde 1970 se emplea el mtodo de la esfera giratoria

para calcular la zona o distancia de proteccin de los pararrayos. El equipo dentro de la

zona de proteccin debe ser conectado a la misma red de tierras para que no exista una

diferencia de potencial entre puntos en el sistema. Sin embargo, aparatos conectados a

lneas elctricas que salen del rea de mismo potencial pueden daarse de no tener las

protecciones mencionadas en el captulo sobre equipos electrnicos.

SISTEMA FRANKLIN

Benjamn Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor importante

en el diseo de protecciones contra rayos.

El rango de atraccin de un pararrayos es la distancia sobre la cual un pararrayos sencillo

vertical de una altura dada sobre un plano limpio, atrae una descarga atmosfrica. El

espacio protegido por tal dispositivo define el lugar en que la construccin no suele ser

afectada por una descarga directa.

El sistema ms sencillo y ms antiguo de pararrayos, es el que consiste en terminales

areas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta, llamadas puntas

Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos. Este sistema se aplica en

iglesias, casas de campo, graneros y otras estructuras ordinarias.

Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm - las ms pequeas miden 30 cm - sobre

la estructura y, cuando esta altura mnima se emplea, la distancia entre ellas debe ser

como mximo de 6 m.

Para asegurarnos 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 de separadas entre s.

De acuerdo con el estndar NFPA 780, existen dos clases de materiales (terminales areas,

cables, accesorios y terminales de tierra). Los materiales clase I se utilizan para la

proteccin de estructuras que no exceden de 23 m de altura, y, los materiales clase II, las

estructuras que si exceden dicha altura.

Entre las diferencias importantes de las dos clases de materiales se tiene:

Clase I Clase II

Terminales Areas, di

(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

calibre 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

Los tamaos de los conductores ms usuales son: 29 32 hilos calibre 17 (65,6 kcm) de

cobre para conductores de uniones, 28 hilos calibre 14 o ms grueso de cobre para

conductores principales. Cuando se emplean conductores de aluminio, se debe tener

precaucin en no llegarlos hasta el suelo porque sufren corrosin.

Al respecto de la trayectoria, la NOM dice que cualquier parte metlica no conductora de

corriente a una distancia menor de 1,8 m del cable de los pararrayos debe tener puentes

de unin a ste para igualar potenciales y prevenir arqueos {250-46}.

Los conductores terminan en tierra en sendos electrodos, y para revisar el estado de

dichos electrodos, es una prctica recomendada utilizar conectores de prueba a una

altura de 1,0 a 1,5 m.

De acuerdo con la norma NFPA-780, 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. Para mejorar an el contacto, es posible colocar placas de al

menos 2 pies2.

SISTEMA TIPO JAULA DE FARADAY.

Para estructuras grandes, se utiliza una modificacin al sistema Franklin de pararrayos, al

aadir a las terminales areas conductores que crucen sobre la estructura a proteger

como una caja de Faraday limitada sobre y a los lados de la construccin, y todo ese

conjunto resultante es conectado a cables mltiples de bajada, que a su vez se conectan al

sistema de tierras perimetral del edificio.

Los edificios modernos con estructura de acero y con varillas embebidas en concreto se

acercan al concepto de la jaula de Faraday, y el riesgo de que un rayo que penetre en un

edificio protegido de esta manera es extremadamente pequeo. Aunque se debe notar

que los rieles de los elevadores no deben ser usados como el conductor de bajada de los

pararrayos, la NOM-001-SEDE-1999 permite que se unan al sistema de pararrayos {620-

37b}.

Para hacer ms efectiva la proteccin de este sistema, se usan puntas del tipo Franklin o

del tipo "paraguas" (patentadas).

ZONA DE PROTECCIN (Mtodo de puntas de inicio)

En Francia, coexisten dos estndares para proteccin contra descargas

atmosfricas, la NFC 17-100 (1997), IEC 1024-1 (1990) que est basada

en la caja de Faraday mencionada en el punto 5.3.2, y, la NFC 17-102

(Julio 1995) sobre puntas iniciadoras.

El estndar NFC 17-102 es aplicable para proteccin contra rayos,

usando puntas iniciadoras en estructuras de menos de 60 m de alto y

de reas abiertas. E incluye la proteccin contra las consecuencias

elctricas debida al flujo de corriente del rayo a travs del sistema de

proteccin.

Las puntas iniciadoras, se dice, son las que inician la descarga hacia

arriba unos cuantos microsegundos (Delta T) antes de la descarga

principal. El efecto se traduce en una zona de proteccin de forma

parablica alrededor de la punta, de radio (Rp) en un plano horizontal.

De acuerdo con la peligrosidad de una descarga sobre la estructura a

proteger, el estndar preve tres tipos de proteccin.

D = 20 m para un nivel de proteccin I.

D = 40 m para un nivel de proteccin II

D = 60 m para un nivel de proteccin III

Donde D es el radio de la esfera rodante del modelo

electrogeomtrico, y h es la altura de la punta de emisin temprana

relativa al plano horizontal que pasa por el elemento a proteger.

La tabla siguiente con los radios de proteccin, contempla 3 tipos de

puntas iniciadoras (25, 40 y 60 us) y, los valores de altura (h), en

metros, sobre la estructura a proteger, donde de 2 a 4 metros son

fijos, los dems se calculan mediante la frmula

metros.

Considerando que h no puede ser mayor que la D obtenida del tipo de

proteccin.

PUNTOS IMPORTANTES DEL ESTNDAR NFC 17-102

La punta debe estar por lo menos 2 m ms alta que el rea que protege, incluyendo

antenas, torres de enfriamiento, techos, tanques, etc.

Si la instalacin comprende algunas puntas, stas deben estar interconectadas por un

conductor de rea de por lo menos de 50 mm2, a menos de que el cable est ruteado

sobre un obstculo estructural o arquitectnico con una diferencia de ms de 1.5 m

Cada punta debe estar conectada por lo menos con un conductor bajante. Dos o ms

bajantes se requieren si:

La proyeccin horizontal del conductor es ms grande que su proyeccin vertical

El sistema est instalado en una estructura ms alta que 28 m

Es importante notar que los bajantes deben estar instalados en dos diferentes paredes.

PROTECCIN DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS

PROTECCIN DE TORRES DE COMUNICACIN

Se ha visto que las torres metlicas de comunicaciones incrementan sustancialmente la

densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La probabilidad se incrementa

aproximadamente con el cuadrado de la altura de la torre

Variaciones considerables existen en la forma de como proteger una torre. Una manera es

colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ah un conductor de cobre por

toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se

corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvnica - y, la inductancia del cable tan largo crrea

una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo

que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior con

conectores adecuados para su conexin al acero estructural.

Y, como conexin a tierra, electrodos de tierra horizontales llamados contraantenas o, el

anillo de tierra utilizado por la puesta a tierra de los equipos electrnicos.

Note que cuando se usan arreglos de puntas sobre antenas de radio, el plano de tierra

cambia, por lo que el patrn de emisin radial cambia tambin y el arreglo puede evitar la

recepcin en ciertas zonas.

Para disipar rpidamente la energa de los rayos que pegan en las torres, y con ello, elevar

menos el potencial de tierra del sistema y para bajar el riesgo a las personas cuando esas

torres estn en zonas densamente pobladas, se acostumbra colocar radialmente

conductores enterrados horizontalmente bajo las mismas tcnicas de aterrizado

equipotencial empleado en las subestaciones de potencia, los que reciben el nombre de

contraantenas. Estas contraantenas pueden ser menores de 30 m si el suelo es adecuado y

los electrodos son efectivos.

Si un rayo toca una torre, la torre conducir la mayora de la corriente a tierra. La corriente

remanente ser conducida por las retenidas, alambrado de las luces de alerta y por el

blindaje del cable coaxial.

La NOM {800-13} dice "cuando sea factible, se debe mantener una separacin de por lo

menos 180 cm entre los conductores visibles de sistemas de comunicacin y los

conductores de pararrayos".

Incrementando la distancia entre la torre y el edificio del transmisor y usando blindajes

tipo Faraday se puede reducir el impacto de la descarga en el equipo.

La entrada del cable de comunicaciones al edificio debe ser a travs de un cabezal de

tierras.

La conexin a este cabezal debe ser por lo menos de rea igual a la seccin transversal de

los cables coaxiales. Una trenza de 3 a 6 pulgadas de ancho es usualmente empleada en

este uso.

Las conexiones a tierra del cable coaxial se colocan en los cables de la antena a una altura

de 50m

y a cada 30 m hacia arriba despus de esa altura. Otra conexin va en la base de la torre y

la otra en el cabezal de tierras. La altura de 50 m es crtica debida al hemisferio de

descarga del rayo ya mencionado. Adems, es preferible colocar el cable de seal por

dentro de la estructura metlica de la torre para reducir la corriente en su blindaje.

Las luces de alerta solamente requieren de supresores de picos en las lneas de conexin

elctrica, los que tambin se deben aterrizar en el cabezal.

PROTECCIN DE TANQUES

Ciertos tanques estn autoprotegidos contra rayos, como se menciona en . Por ejemplo,

un tanque que es elctricamente continuo y de por lo menos 3/16" de grueso no puede

ser daado por las descargas directas. Pero, el tanque debe estar sellado contra el escape

de vapores que puedan incendiarse

Los tanques se conectan a tierra para alejar la energa de una descarga directa as como

para evitar las cargas electrostticas. Tanques mayores de 6 metros de dimetro en

concreto, asfalto o en tierra estn sin duda conectados a tierra Tanques menores a esa

medida, necesitan un medio adicional para conectarlos a tierra. Esto puede lograrse de

tres maneras. La ms simple es conectarlos a sistemas de tuberas que no tengan uniones

aisladas. El segundo mtodo consiste en conectar un mnimo de 2 electrodos espaciados

no ms de 30m entre ellos radialmente al tanque. Y, por ltimo, el mtodo ms novedoso

es el de emplear el acero de refuerzo del muro de contencin de derrames. Ver en el

captulo de Materiales, los electrodos empotrados en concreto.

5.4.3 PROTECCIN DE RBOLES.

Los rboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasan cualquier

estructura, son un blanco de las descargas atmosfricas. Por ello, para esos casos se

recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.

5.4.4 PROTECCIN DE LNEAS AREAS DE ENERGA ELCTRICA

La probabilidad de que un rayo caiga en una torre de transmisin, ha sido ampliamente

estudiada y, se han obtenido las siguientes ecuaciones empricas de los resultados

encontrados.

Las lneas areas reciben descargas por 100 km de lnea, segn la relacin emprica

encontrada por Eriksson

donde

H es la altura de la lnea

b el ancho de la lnea

Ng es la densidad de rayos

De lo anterior se desprende que una lnea alta recibe mayor nmero de descargas que una

baja.

Tambin, se ha encontrado que las corrientes de descargas son mayores (>80 kA) en los

lugares de ndice isoquerunico alto

Los distintos componentes de una lnea estn definidos por sus caractersticas de voltaje-

tiempo o nivel bsico de impulso (BIL: iniciales en ingls). Si la descarga probable tiene un

voltaje que excede stas, un flameo (flashover) aparecer.

El mtodo de diseo tradicional de lneas de transmisin consideraba un flameo

(flashover) por ao, para lo cual se tomaba en cuenta el nivel isoquerunico de la zona

multiplicado por alguna constante (0,25 a 0,5) y, por otro lado, se tomaban en cuenta los

parmetros probables de una descarga de fuentes como Golde

La proteccin contra descargas atmosfricas de lneas areas de energa elctrica se logra

colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y, mediante

apartarrayos. El ngulo de proteccin obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30

grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja resistencia (25 ohms o

menos). Hay que notar que esta proteccin no protege a los equipos.

Los rboles altos y cerca de las lneas protegen las lneas de transmisin contra descargas

atmosfricas. En el oeste de los EU y Canad con derechos de va en lugares boscosos, las

lneas a veces no llevan hilo de guarda y con los rboles son protegidas.

Por ltimo, hay que considerar que cuando existen gasoductos u oleoductos subterrneos

en paralelo con lneas de transmisin, el uso de hilos de guarda reducen en gran medida

los voltajes inducidos en los tubos.

Para lneas de distribucin, el uso nicamente del hilo de guarda es econmicamente

aceptable en donde el terreno por donde pasa la lnea tiene una baja resistividad. En

cambio, se utilizan los apartarrayos sin hilo de guarda en terrenos donde se tiene

resistencia a tierra de electrodos de ms de 25 ohms.

5.4.4.1 Caso de estudio 1.- Laboratorio de Oak Ridge Tennessee

La red elctrica del laboratorio en media tensin est alimentada en 13,8 kV y se tienen

lneas en toda una gama de estructuras, desde 13,8 kV hasta en estructuras para voltajes

de subtransmisin (69 kV). Como los edificios estn ubicados en una zona rural en

promontorios, las lneas reciben descargas atmosfricas frecuentemente.

En una tabulacin de disparos contra descargas de cada lnea en los ltimos 40 aos, se

encontr que las lneas con menos salidas por maniobras de "recierre" de los

"restauradores" son aquellas que tienen el tipo de construccin de voltaje ms alto que el

que les corresponde. Lo que ahora se llama "Construccin Resistente a Rayos" (ver

fotografas siguientes) que consiste primordialmente en niveles ms altos de aislamiento y

ngulos ms pequeos de proteccin.

5.4.4.2 Caso de estudio 2.- Complejo Silao de General Motors de Mxico.

En paralelo con el patio del ferrocarril corre una lnea de 1 km de longitud en postes de

concreto de 13,8 kV, la cual alimenta subestaciones en su mayora sobre postes en el

permetro del complejo. La configuracin de los conductores es en lnea recta sobre

aisladores clase 15 kV colocados sobre la cruceta normal de la misma clase (configuracin

T). Las estructuras de la lnea es lo ms elevado en decenas de metros.

Al estar la lnea protegida nicamente por cortacircuitos fusibles las descargas

atmosfricas cercanas abran frecuentemente el circuito durante la temporada de lluvias.

Como solucin, se propone protegerla mediante un hilo de guarda aterrizado nicamente

en los remates colocado sobre puntas metlicas en las extremidades de los postes, sin

mover ni hacia arriba, ni hacia abajo las estructuras originales.

5.4.5 PROTECCIN DE SUBESTACIONES ELCTRICAS

Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadas sobre las

estructuras, y por los hilos de guarda de las lneas que rematan en la subestacin. Los hilos

de guarda estn conectados directamente a la malla de tierra de la subestacin.

En el caso de las estructuras metlicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructuras forman

una jaula de Faraday de proteccin.

Para el clculo de las zonas de proteccin se emplea el mtodo de la Esfera Rodante

tratado en el punto 5.3.1.

Las subestaciones de distribucin no son protegidas contra una descarga atmosfrica

directa, porque se ha comprobado que los rayos caen mayormente sobre las lneas.

5.4.6 PROTECCIN DE EQUIPOS ELCTRICOS EN MEDIA Y ALTA TENSIN.

5.4.6.1 Apartarrayos

Las descargas estticas producen en los conductores una onda de sobrevoltaje viajera en

los dos sentidos, en su viaje a tierra. Cuando esta onda llega a una discontinuidad en el

circuito, que puede ser un ramal sin uso, la onda de voltaje se refleja y en ciertos lugares

puede llegar a ser de hasta del doble de la amplitud original. Por lo anterior, los

apartarrayos, que son aparatos elctricos que dirigen a tierra los sobrevoltajes, deben

colocarse uno por fase y lo ms cerca posible del equipo a proteger, como

transformadores, interruptores, reguladores de voltaje, etc. para ser mayor su

efectividad.

Los apartarrayos estn definidos por sus caractersticas de "flameo" y por su voltaje

cuando entran en operacin. Estas caractersticas se coordinan con las de los otros

aislamientos para definir la clase de nivel bsico de impulso (BIL).

La NOM-001-SEDE-2005 {280-24} observa que el conductor de puesta a tierra directa del

apartarrayos de un sistema de distribucin, podr interconectarse al neutro del

secundario siempre y cuando ste ltimo tenga una conexin a una tubera metlica

subterrnea de agua, o, siempre y cuando sea un sistema secundario multiaterrizado. Y,

que los conductores no se lleven en cubiertas metlicas a menos de que se conecten a

stas en sus dos extremos {280-25}.

5.4.6.2 Cuernos de Arqueo (Spark Gaps)

La teora detrs de este mtodo es que si el circuito de distribucin va a arquear de un

modo o de otro, un circuito con un alto nivel bsico de impulso (BIL) con un lugar

predefinido de bajo nivel causar que el arqueo suceda en ese punto. Esto requiere de un

interruptor para abrir la falla en 60 Hz. Con la llegada de los restauradores automticos de

alta velocidad este mtodo de proteccin ha llegado a ser bastante utilizado

principalmente en pases europeos.

Las desventajas son el ajuste mismo de la distancia de arqueo, y las fallas por presencia de

aves principalmente.

5.4.6.3 Restauradores (Reclosers)

En la fotografa un restaurador en SF6 tipo estacin marca Siemens.

5.4.7 PROTECCIN DE EQUIPOS ELCTRICOS EN BAJA TENSIN.

5.4.7.1 Supresores de sobrevoltajes o de picos (TVSS)

Los supresores se seleccionan de acuerdo a su clase de proteccin. As, en un servicio con

una capacidad de corto circuito muy alta, el supresor debe tener una capacidad para

conducir grandes corrientes a tierra.

En cambio, los supresores que se utilizan junto a las cargas sensibles a los sobrevoltajes,

son de pequea capacidad.

Y, dichos supresores deben ofrecer una proteccin coordinada para ser efectiva.

Para detalles sobre la proteccin de cables en comunicaciones ver: 3.3 PROTECTORES DE

CABLES DE INSTRUMENTACIN Y DE COMUNICACIONES.

5.5 PRUEBAS DE SUSCEPTIBILIDAD A DESCARGAS ATMOSFRICAS.

Existen mquinas como los aviones que no pueden fallar a consecuencia de una descarga

atmosfrica. Por esa razn, se debe probar su susceptibilidad a falla en laboratorios

especiales bajo normativa especial. Ejemplo de un laboratorio:www.retlif.com

Actualmente la industria aeroespacial no tiene un estndar nico para pruebas, por lo que

algunos de los estndares comnmente aplicados son:

Boeing D6-16050-5

EUROCEA/ED-14E

FAA AC:20-136

MIL-STD-1757

RTCA/DO-160

SAE ARP5412/5413

SAE AE4L

5.6 REDES DE MONITOREO ATMOSFRICO

Para cualquier anlisis de ingeniera se requiere del nmero de descargas por unidad de

tiempo y unidad de rea, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en ingls de

Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual.Este

parmetro se puede obtener localmente utilizando contadores de descargas o cualquiera

de las versiones de los sistemas de localizacin de rayos comerciales.

Los contadores de descargas estn limitados a unos kilmetros, mientras que los sistemas

de localizacin pueden obtener datos de reas mucho ms grandes. Los sistemas utilizan

un nmero finito de antenas remotas para detectar los campos elctrico y magntico al

tiempo de la descarga, y, de estos datos se puede determinar el lugar de la descarga.

Durante muchos aos, los servicios meteorolgicos del mundo han anotado los das

tormenta o niveles querunicos. Un da tormenta es un da en que un trueno es

escuchado. Los datos querunicos son compilados en cartas geogrficas con lneas de igual

nivel querunicos o lneas isoquerunicas.

Con los aos, se han propuesto relaciones matemticas entre los das tormenta al ao (Td)

registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a tierra/unidad de

rea/unidad de tiempo).

Durante los sesenta se desarroll el contador vertical areo de descargas atmosfricas. El

CIGRE 500 Hz, el cual fue rpidamente adaptado como el estndar mundial. Otros trabajos

en Sudfrica desarrollaron el contador de descargas RSA 10, el cual rpidamente fue

aceptado y renombrado CIGRE 10 kHz. En los setenta, varios sistemas para contar

descargas fueron inventados utilizando mediciones elctricas y magnticas.

La importancia de la densidad para el diseo de protecciones contra rayos fue reconocida

por la Electric Power Research Institute (EPRI) en 1982, en su Lightning Research Plan. EPRI

contrat con la Universidad de Nueva York la obtencin de datos de la densidad en los

estados americanos contiguos a travs de una red de localizacin de rayos (SUNY US).

En Mxico, la CFE y el Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE) han mantenido los datos

de ndices isoquerunicos. Pero, en Japn se ha descubierto que los valores

isoquerunicos obtenidos hace aos, han perdido algo su validez con los cambios

climticos.

En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI y el Bureau of Land Managementauspiciaron

estudios sobre descargas atmosfricas que dieron como resultado laNational Lightning

Detection Network (NLDN). Su propsito fue recolectar datos de rayos nubes-tierra por un

periodo de 11 aos o ms, para coincidir con el ciclo de manchas solares, con la intencin

original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas

del pas.

La NLDN es un sistema probado de deteccin de rayos, grabando el instante de tiempo,

localizacin, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datos histricos proveen de

una referencia histrica que puede ser utilizada para confirmar la cada de un rayo y,

obtener los mapas de densidad de rayos utilizados para proyectar el riesgo de los

rayos. Esta informacin est siendo utilizada por compaas elctricas y de

telecomunicaciones para planear instalaciones de proteccin y, en tiempo real, para

preparar cuadrillas de mantenimiento de emergencia cuando alguna tormenta importante

se avecina. La cobertura actual (2005) es la de los 48 estados contiguos de los Estados

Unidos y, parte de las provincias canadienses y estados mexicanos limtrofes.

En 1992 la red NLDN fue desincorporada del gobierno de los Estados Unidos y, pas a ser

operada por una divisin del Grupo Vaisala https://thunderstorm.vaisala.com/

Este nuevo sistema ha introducido la densidad de rayos a tierra (GFD por sus siglas en

ingls) con no. de rayos a tierra/km2/ao como unidad de medida.

Mapa de isodensidad de rayos en la Repblica Mexicana elaborado en 1991 por CFE.

Sistemas de alta tensin

(Sistemas-HV) en el automvil

Qu significa "Alta Tensin" (HV, del ingls

High Voltage), Sistemas de alta tensin

(Sistemas-HV) en el automvil?

En los vehculos con sistemas de Alta tensin

hay montados componentes, que son

accionados con tensiones superiores a los 60 V

de tensin de continua o 25 V de alterna. Los

componentes de estos vehculos necesitan en

parte grandes potencias elctricas.

Las redes de alta tensin en los vehculos

Hbridos trabajan con unas tensiones de

continua de hasta 650 V y deben poner a

disposicin una gran energa elctrica.

Peligro de accidente grave

Prestar atencin a las

instrucciones

Qu les puede pasar a las personas

en contacto con sistemas de alta

tensin (Sistemas-HV)?

En el cuerpo humano, el conjunto de

los movimientos son provocados por

impulsos de activacin elctrica. Todas

las acciones musculares, como por

ejemplo, los latidos del corazn son

activados por estimulacin elctrica.

Estos estmulos elctricos se propagan

por todo el cuerpo a travs del sistema

nervioso (de la misma forma que la

corriente se conduce por un circuito

elctrico).

Solo con el contacto con componentes

de sistemas de alta tensin que estn

bajo tensin, puede llegar el flujo de

corriente a nuestro cuerpo. Ya con una

corriente continua a partir de 30 mA,

dependiendo del tiempo que la

corriente permanezca atravesando el

cuerpo, pueden aparecer distorsiones

Efectos sobre el cuerpo humano

Intensidad-tiempo con riesgo de muerte

del impulso cardaco reversibles. En

caso de corrientes ms altas aparecen

adicionalmente serias quemaduras

internas y la posibilidad de alcanzar

fibrilaciones ventriculares.

Adicionalmente, en cortocircuitos entre

ambos polos del sistema HV, existe el

peligro de la formacin de un arco

voltaico que puede conducir a graves

quemaduras externas en el cuerpo

humano y daos en la retina por

deslumbramiento.

Qu sistemas Hbridos existen?

En el mbito del automvil se habla de vehculos Hbridos siempre que el vehculo sea

movido por dos sistemas diferentes de accionamiento.

En los modernos vehculos Hbridos, parte de la energa de frenado es transformada en

corriente elctrica por medio de generadores y es almacenada en una batera.

Actualmente en el mercado se encuentran los denominados Sistemas Microhbridos,

Semihbridos e Hbridos puros. stos se diferencian entre s en lo referente a lo

constructivo y en su correspondiente variacin de ahorro de combustible y reduccin de

CO2. La corriente elctrica peligrosa est presente en los Semihbridos e Hbridos

puros!.

Componentes bsicos en los hbridos

De qu componentes consta un

sistema hbrido?

Junto a las unidades de accionamiento.

Los sistemas hbridos del automvil

estn formados por los siguientes

componentes:

Batera-HV con conector de

servicio/mantenimiento (Service

Batera de iones de Litio

Disconnect)

Dentro del concepto de seguridad de

los fabricantes de automviles el

conector de servicio/mantenimiento

(Service Disconnect) juega un papel

esencial. Aunque este conector tenga

diferente denominacin para cada uno

de los fabricantes de automviles, su

forma es siempre similar. Para todos

los diferentes conceptos, este conector

tiene siempre la misma funcin, esto

es, la interrupcin del circuito elctrico

entre los mdulos individuales dentro

de la batera. Tan pronto como el

conector de servicio/mantenimiento

(Service Disconnect) es retirado, el

circuito elctrico de la batera y con ello

el del conjunto del sistema de alta

tensin es interrumpido.

Cableado/instalacin-HV

Dentro de la instalacin de alta tensin

son conducidos tanto el cable positivo

como el negativo desde la batera hasta

el inversor, as como, para algn otro

concepto, otro cableado hasta

diferentes componentes HV (de alta

tensin) como por ejemplo la

instalacin de clima. La instalacin de

alta tensin es reconocida por su color

naranja.

Transformador

En la tcnica hbrida, el transformador

es denominado tambin con inversor.

El inversor convierte la corriente

alterna trifsica producida por el

generador HV en corriente continua

(DC). No est permitido abrir el

inversor en ningn caso, ya que all hay

tensiones superiores a los 200V. Lo

Componentes accionamiento

Los componentes bsicos en esquema

mismo rige tambin para la unin entre

el inversor y el generador o el motor

elctrico.

Los componentes de alta tensin son

reseados e identificados con

adhesivos de seguridad (ver imagen).

Qu condiciones previas deben cumplir los operarios para poder trabajar sobre

vehculos hbridos?

En general los trabajos de mantenimiento en estos vehculos (p. eje., trabajos en la

instalacin de escape, cambio de aceite, cambio de ruedas,..) pueden ser llevados a cabo

siempre que los sistemas de seguridad del sistema HV estn en orden, es decir, ningn

desperfecto en los componentes de alta tensin.

Los operarios, antes de asumir estos trabajos, deben ser aleccionados para ser conscientes

del riesgo de los sistemas HV de alta tensin. Deben estar familiarizados con las

identificaciones de los componentes HV y conocer como manejarse con seguridad en

estos vehculos. Los trabajos a realizar en los componentes HV estn prohibidos para estos

operarios.

Los operarios que deban realizar trabajos en los componentes HV necesitan una

cualificacin adicional. Para ello deben estar formados como electricistas para sistemas de

alta tensin en vehculos, pudiendo entonces valorar los riesgos elctricos de los sistemas

HV y aplicar las medidas de proteccin necesarias para estos sistemas de alta tensin. Solo

as se crearn las condiciones de seguridad contra los riesgos elctricos durante el tiempo

que duren los trabajos de reparacin.

La envergadura de la formacin depender fundamentalmente de los conocimientos

previos del trabajador y de su experiencia prctica. Una informacin ms detallada la

pueden suministrar las personas de contacto mencionados abajo.(Contenido traducido del

folleto en alemn)

Sobre los estudios tericos y prcticos realizados es necesario un certificado que acredite

los conocimientos y capacidades adquiridas.(Contenido traducido del folleto en alemn)

Quin debe ocuparse de que estn garantizadas las condiciones previas para realizar

los trabajos en los vehculos hbridos?

El empresario o en quien l delegue para este encargo tiene la responsabilidad de

garantizar la seguridad en el trabajo.

El trabajo ser organizado de manera que sean eliminados y minimizados al mximo los

posibles riesgos para la vida y la salud.

Esto rige de igual manera para los trabajos en los sistemas HV en los vehculos. Las

personas responsables deben garantizar, que en los vehculos hbridos y con cualquier

sistema HV, solo trabajan los operarios que cumplen los requisitos antes descritos.

Batera HV con interruptor de servicio

Prestar atencin a las

indicaciones de seguridad

Siempre y solo por el simple hecho de que deba ser manipulado un componente de alta

tensin, es absolutamente necesario que la instalacin completa est previamente

desconectada y libre de tensin. Solo el personal especialmente cualificado (electricistas

de sistemas HV en vehculos) puede ser designado para estos trabajos.