tierras y parrarayos

7/25/2019 Tierras y Parrarayos

1/197

UNIVERSID D VER CRUZ NF CULT D DE INGENIER MECNIC ELECTRIC

ZONA POZA RICA TUXPAN

INGENIERIA APLICADA PARA LA SELECCIN DEPARARRAYOS Y SISTEMAS DE TIERRA

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECNICO ELCTRICISTA

PRESENTA:

MA RCOS ISA URO RA MREZ ROC HA

DIRECTOR DE TRAB AJO RECEPCIONAL :

ING. CARLOS AL ARCON ROSAS

POZA RICA DE HGO., VER.


2/197

INDICE

NOMENCLATURA

INTRODUCCINCAPITULO I

Justificacin 3

Naturaleza, sentido y alcance del trabajo 4

Enunciacin del tema 5

Explicacin de la estructura del trabajo 6

CAPITULO IIPlanteamiento del tema de la investigacin 8

Marco contextual 9

Marco terico:

1.0 Descargas atmosfricas 11 1.1. Teoras sobre la formacin de descargas atmosfricas 11

1.2. Caractersticas de las descargas atmosfricas 161.3. Campos elctricos 18

1.4. Formacin y produccin de descargas 21

1.5. Estructura elctrica de una tormenta 23

1.6. Diferencia de potencial en las descargas atmosfricas 24

1.7. Longitud de las descargas atmosfricas 25

1.8. Otras magnitudes energticas 25

1.9. Daos que pueden causar 26

1.10. Generalidades sobre efectos del rayo 27

1.11. Consecuencias trmicas del rayo 27

1.12. Consecuencias dinmicas del rayo 29

1.13. Efectos qumicos 29

1.14. Conclusiones de las teoras sobre la formacin del rayo 30


3/197

2.0 Tipos de pararrayos existentes 312.1 Generalidades de los pararrayos 31

2.2 Estructura de una instalacin de pararrayos 36

2.3 Pararrayos Franklin 43

2.4 Pararrayos Melsens 44

2.5 Pararrayos pasivos 46

2.6 Pararrayos de jaula 46

2.7 Pararrayos Activos 46

2.8 Pararrayos radioactivos 47

2.9 Pararrayos de efecto corona 502.10 Pararrayos Magnetizados 52

3.0 Diseo del sistema de Proteccin 533.1. Consideraciones para el diseo 53

3.2. Diferentes tipos de edificios a considerar en

proteccin contra descargas atmosfricas 53

3.3. Especificaciones 553.4. Diseo del sistema de proteccin 70

3.5. Diseo del sistema en base a las instalaciones 74

4.0 Sistemas de tierra 844.1 Estudio de la resistividad del terreno 84

4.2 Definiciones de sistemas de tierra 87

4.3. Revisin del sistema de tierras 89

4.4 Clasificacin de los sistemas de tierra 90

4.5. Componentes bsicos 92

4.6 Materiales empleados en la red de tierras 93

4.7 Caractersticas del sistema de tierra 97

4.8 El problema bsico del aterrizado seguro 98


4/197

4.9 Condiciones desfavorables para los sistemas de tierra 99

4.10 Efectos de Recierres 100

4.11 Tensin de paso 100

4.12 Factores que intervienen para elegir un buen sistema

De tierras 101

4.13 Seleccin de las redes de tierra 102

4.14 Sistemas de tierras profundas 105

4.15 Sistemas de tierra EP-C 106

4.16 Sistemas de tierra en placa 106

4.17 Otros sistemas de tierra 1065.0 Factores importantes para el diseo de red de tierras 1105.1 Recomendaciones practicas para la medicin de la

resistividad del terreno en rea donde se construir una

subestacin 110

5.2 Efectos de gradiente de voltaje 114

5.3 Efectos de la Humedad 1145.4 Efectos del contenido Qumico 115

5.5 Efecto de la temperatura 117

5.6 Mtodos de reduccin de valores de resistencia y

resistividad del terreno 117

5.7 Efectos de la temperatura sobre la resistividad del terreno 117

5.8 Resistividad de distintos materiales 122

6.0 Calculo del Sistema de tierras 126

CAPITULO III CONCLUSIONES 141BIBLIOGRAFIA 142ANEXOS 143 APENDICES 187


5/197


6/197

1

INTRODUCCN

En el diseo y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o a lautilizacin de la energa elctrica, una de las mayores preocupaciones de losingenieros de diseo ha sido como conectar a tierra los equipos elctricos deuna manera segura y apropiada.

Este problema existe en todos los campos de la ingeniera elctrica desde lasbajas corrientes a tierra de los equipos electrnicos de estado slido, hasta lasaltas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensin.

A causa de las altas corrientes de falla disponibles hoy en da, es esencial unbuen sistema de tierras en todas las partes del sistema elctrico, ya sea ensubestaciones, lneas de transmisin o distribucin o en equipos de bajatensin.

En las subestaciones elctricas, uno de los aspectos principales para laproteccin contra sobre tensiones, ya sea en origen interno o externo, es eldisponer un adecuado sistema de tierras al cual se conecta el neutro de losequipos elctricos y a todas aquellas partes metlicas que deben estar apotencial de tierra.


7/197

2

CAPITULO I


8/197

3

JUSTIFICACIN

Alcanzado por un rayo, es una metfora para lo inespe rado, un desastre

impredecible; una gran tormenta elctrica, puede producir hasta 100 descargaspor minuto y , una pequea nube de tormenta puede generar la energa de unapequea planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de Megawatts).

No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando sto ocurre, esa energapuede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, puede salir deoperacin por horas o das, debido a daos en el equipo, o una planta

petroqumica puede tener incendios originados por rayos, con peligrososriesgos y elevados costos.

Hasta hace relativamente poco tiempo, se poda hacer para minimizar estosriesgos. Cuando y donde ocurrirn las descargas elctricas atmosfricastradicionalmente, la proteccin contra rayos ha pretendido atraer y desviar laenerga de una descarga elctrica atmosfrica hacia la tierra fsica,

Al mismo tiempo que ste puede eliminar algunos de los graves efectos de unimpacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellosafectados por los efectos secundarios en relacin a la proximidad con loscampos electrostticos y campos electromagnticos. Todos los rayos son

peligrosos, especialmente en reas donde se manejan productos flamables,explosivos y equipos electrnicos.


9/197

4

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados

a incendios, lesiones o perdida de la vida, daos, destruccin a propiedades,perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operacin, debidas adaos en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza

Los efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resultaespecialmente cierto para lneas de energa e instalaciones en equiposelectrnicos que son muy sensibles.

Efectos DirectosLos efectos directos de un rayo, son la destruccin fsica, causada por elimpacto pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea unainstalacin donde hay materiales combustibles. Pueden estar expuestos alrayo, el canal del rayo el efecto de calentamiento del rayo.

Las estadsticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de lanaturaleza destructiva de los rayos. Millones de dlares en prdidas seregistran cada ao por la destruccin de plantas petroqumicas y muchas otrasinstalaciones, por los fenmenos relacionados con las descargas elctricasatmosfricas en muchas partes del mundo, adems de perdidas de vidacuando esas instalaciones se incendian o explotan.

Efectos Secundarios

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a unainstalacin incluyen; La carga electrosttica del pulso electromagntico y lospulsos electroestticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.

Datos estadsticos indican que los efectos secundarios, son la causa de lamayora de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.


10/197

5

ENUNCIACION DEL TEMALa Enunciacin del tema de mi trabajo recepcional es Ingeniera AplicadaPara la seleccin de pararrayos Y sistemas de tierra en donde se propone,

que permita a la persona interesada tener un procedimiento para la seleccinde pararrayos y el calculo adecuado de sistema de tierras.

Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es unadescarga elctrica, cientficos e ingenieros han estudiado e investigado conprofundidad las tormentas y descargas elctricas atmosfricas (sin embargo, laproteccin contra los rayos no han cambiado substancialmente desde los

tiempos de Benjamn Franklin).

Despus de siglos de investigacin, nuevos y sofisticados instrumentos quehan aportado grandes conocimientos, todava hay muchas incgnitas acerca deeste fenmeno que no ha sido claramente entendido como opera la proteccincontra descargas elctricas atmosfricas y cual es el sistema mas adecuadopara diferentes aplicaciones es necesario un anlisis del lo que es elfenmeno.

Una red de tierra en una subestacin es la de cumplir con las siguientesfunciones:

a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulacin delas corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o laeleccin de un pararrayo.

b) Evitar que durante la circulacin de estas corrientes de tierra puedenproducirse diferencias de potencial entre distintos puntos de lassubestaciones, que pueden ser peligrosos para el personal.

c) Facilitar mediante sistemas de relevadores, la eliminacin de las fallas atierra en los sistemas elctricos

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio elctrico


11/197

6

EXPLICACIN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

En este proyecto el lector podr ver de manera concisa y comprender los

temas que se involucran en el diseo y construccin de sistemas de proteccincontra descargas atmosfricas, as tambin como el cuidado que se debe teneral seleccionar el tipo pararrayos y sistemas de tierra. Para no caer en erroresque puedan ser costosos tanto de tiempo como econmicos.

El desarrollo de este proyecto se divide en 3 captulos y comprenden lossiguientes temas:

En el capitulo I se encuentra la justificacin de este proyecto, su naturalezasentido y alcance, la enunciacin del tema y la explicacin de la estructura deltrabajo.En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigacin, elmarco contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto,seguido por el marco terico el cual esta dividido en 6 temas los cuales son:

1) Descargas atmosfricas

2) Tipos de pararrayos existentes

3) Diseo de sistemas de proteccin Sistemas de tierra

4) Sistemas de tierra

5) Factores importantes para el diseo de red de tierras

6) Calculo de sistemas de tierra

En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, labibliografa de donde se obtuvo nuestra informacin para el desarrollo delproyecto as como los anexos y apndices.


12/197

7

CAPITULO II


13/197

8

PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIN

El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a

estudiantes de Ingeniera Mecnica Elctrica informacin relativa a laproteccin contra las descargas atmosfricas con el uso de pararrayos ysistemas de tierra

En este trabajo se utilizar de manera sencilla y prctica una teora deseleccin de pararrayos y sistemas de tierra.

Esperando que esta informacin le sirva al lector, como una consulta en losproyectos en donde se involucren la proteccin de sistemas elctricos, contradescargas atmosfricas.


14/197

9

MARCO CONTEXTUAL

Esta investigacin, se desarrolla a partir de informacin recopilada en distintasbibliotecas nacionales (Biblioteca Enzo-Levi UNAM; Biblioteca del InstitutoMexicano del Petrleo; Biblioteca del Instituto Politcnico Nacional YCINVESTAV DEL IPN); sin embargo la aplicacin de este conocimiento sellevar a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ingeniera MecnicaElctrica de la U.V. Poza Rica en el proyecto sobre Alternativas de generacinde Energa Elctrica.


15/197


16/197

11

1.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS

1.1 TEORAS SOBRE LA FORMACIN DE LAS DESCARGAS

ATMOSFERCAS

El rayo una inmensa chispa elctrica natural, llamada tambin descargaatmosfrica; es l arma ms poderosa d la naturaleza, adems de que tieneun promedio de ocurrencia d 100 veces por segundo sobr la faz d la tierra.S le conoce ms por sus efectos nocivos, aunque son ms los beneficios queproporciona.

Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmsfera o una nube adquierecargas elctricas de tal magnitud qu dan origen al rayo o descargaatmosfrica.

S han emitido varias teoras para explicar la acumulacin de stas cargas,pero el problema es complejo y aunque s reproduce en el laboratorio, ste no

es significativo por los valores de corriente alcanzados, adems de lo aleatoriode las condiciones necesarias para que ocurra la descarga en una tormenta.

1.1.1 Teora de Simpson .

Simpson manifest que la formacin de cargas elctricas en las nubes se debe

a corrientes de aire que s encuentran en su interior.

Las corrientes de aire ascendentes transportan vapor hmedo del mar o de lasuperficie terrestre, este vapor al encontrarse a determinada altura y bajocondiciones atmosfricas propicias, se condensa transformndose en gotas deagua.


17/197

12

Cuando se inicia la lluvia en su cada, las gotas encuentran corrientes de airascendentes que provocan el rompimiento de las mismas, formndose gotasms pequeas, stas gotas por un procedimiento parecido vuelven afraccionarse en tamaos menores, al ocurrir l rompimiento de las gotas, sdesprenden iones negativos; generando as, cargas elctricas que se dispersanen la atmsfera y al mismo tiempo son llevados por las corrientes de airascendentes a la parte superior de la nube, en tanto la parte inferior de la nubes carga en forma positiva.

1.1.2 Teora de Elster y Geitel.

Esta teora s fundamenta en estudios realizados sobr una gota grande delluvia a travs del campo elctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de100 volts por metro d altura; debido a la accin de est campo, la gota sepolariza en la parte inferior por una gota positiva.

La gota cargada elctricamente en su cada, se encuentra con corrientes dair ascendentes que le producen una disminucin d tamao, continuando su

cada hacia la tierra, pudiendo as encontrar gotas d mayor tamao,desequilibrndose elctricamente. El contacto d gotas d diferentes tamaosse repetir frecuentemente, originndose este valor hasta llegar a un valorcrtico, qu produce la descarga o rayo.

Est proceso descrito en 1885, permite explicar la carga positiva de la lluvia,pero no la formacin d los campos elctricos d las tormentas.

1.1.3 Teora de Wilson.

Segn C.T. Wilson, una gota polarizada capta durante su cada ms ionesnegativos qu positivos, cargndose por sta razn en medida creciente conelectricidad negativa.


18/197

13

En la atmsfera normalmente existe una gran cantidad de iones negativos ypositivos qu s mueven en diferentes direcciones con una velocidad promediod un centmetro por segundo, bajo la accin de un campo elctrico de un voltpor centmetro (experimento d Wilson).

La existencia d iones en l air los estima en el orden d 1000 positivos y 800negativos por centmetro cbico, Juan Jagsich nos dice qu en Pilar, cerca dCrdova, Argentina, s registraron en trmino medio 2,272 iones porcentmetro cbico, de los cuales 1,147 fueron d carga positiva y 1,125 decarga negativa.

Wilson especifica tambin qu para estudiar l origen de las descargasatmosfricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento d las gotasde una tormenta; por consiguiente, una separacin d su carga elctricarespectiva en l proceso d lluvia, las gotas hacen contacto con ioneselctricos dando origen a qu aument la ionizacin de la atmsfera, facilitandola formacin de trayectoria del canal del rayo para descargar hacia la tierra ohacia la nube.

1.1.4 Teora de Findeisen y Wichamann

El hielo en la nube tiene importancia en la acumulacin de cargas elctricasque produce el rayo. La teora de Findeisen y Wichmann, suponen que de loscristales de hielo en cada se desprenden astillas cargadas de electricidadnegativa.

Estas astillas, debido a su reducido peso, quedaran flotando en el espacio,mientras que los "granos" de hielo, considerablemente ms pesados y encontinuo crecimiento, prosiguen su cada. De esta manera hay una separacinde cargas en la nube.


19/197

14

1.1.5 Teora de Brook

Esta teora se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efectovolta permitiendo as que el aire adquiera una carga positiva y el hielo quedecargado negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hieloal formarse queda cargado negativamente.

1.1.6 Teora de Sir Basil Schonland.

Segn este cientfico la descarga atmosfrica est vinculada con las nubes.

Cuando una tpica nube de tormenta comienza a formarse, una masa de aireclido asciende; esta masa transporta una considerable cantidad de humedad,en forma de vapor de agua.

A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces puede retenermenos vapor de agua que cuando estaba ms caliente. El vapor sobrante secondensa en diminutas gotas que forman nubes.

El agua generalmente se congela a cero grados centgrados, sin embargo, bajociertas condiciones permanece lquida a temperatura mucho mas baja, an a -4 grados centgrados, en este estado se dice que el agua esta sobre enfriada.

Las gotas que se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfran,elevndose mucho ms arriba que el nivel en que la atmsfera se encuentra a

cero grados centgrados.

Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a -40grados centgrados, entonces las gotas se transforman en pequeos trozos dehielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras.

De esta manera forman pequeas piedras de granizo que comienzan a caer acausa de su peso; pero continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas


20/197

15

que ascienden, el agua de cada gota se congela sobre la piedra de granizo conla que choca, y gradualmente, estas piedras aumentan de tamao. Al chocar contra cada gota, la piedra de granizo adquiere una carga negativa,Sir Basil estaba convencido de que millones de estos choques entre las gotasde agua y las piedras de granizo producen en la nube la carga elctrica queorigina el rayo.

Al mismo tiempo, una pequea astilla de hielo se desprende de la gota de aguacuando esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aireascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes mselevadas de la nube.

A medida que las astillas con carga positiva se elevan en la nube, las piedrasde granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es ms caliente,entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.

Este proceso puede continuar por una hora, durante este tiempo toda la nubees como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso

principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido enla base de la nube, debajo del polo negativo. Ah es donde ocurre el disparoque desata el rayo.

La descarga salta de este receptculo de electricidad positiva al polo negativo,situado un poco ms arriba, entonces toda la carga positiva inferior, as comoparte de la negativa queda neutralizada, adems, el trayecto a travs del cual

ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como unconductor.

Por l desciende el resto de la carga negativa, que contina en su trayectoriahacia abajo, atrada por una carga positiva en la superficie de la tierra.


21/197

16

La descarga no salta en una enorme chispa, sino que se orienta guiada porvariaciones locales en el campo elctrico que tiene por delante. Puede formarramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado.(VER EN ANEXOS FIGURA 1, 2,3) se observa que al formarse el hielo

queda cargado negativamente

1.2 CARACTERSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS.

El aislamiento de los sistemas elctricos, est continuamente bajo esfuerzo ypara que no se dae o falle, debe limitarse al valor de las sobr tensiones quese presenten durante el funcionamiento de dichos sistemas.

Las sobretensiones en cuestin, pueden ser de origen interno y de origenexterno o atmosfrico, siendo estas ltimas las que mayores magnitudesalcanzan, aunque se presentan con menor frecuencia que las primeras.

Las descargas atmosfricas se deben principalmente a nubes cargadas a unpotencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra.

Puede compararse el rayo con el salto de la chispa entre las placas de uncondensador de enormes dimensiones, donde las nubes forman una placa, lasuperficie de la tierra otra y el aire su dielctrico.

Cuando la carga de algunas nubes adquiere una elevada concentracin y elgradiente de potencial supera la rigidez dielctrica del aire interpuesto, se

produce la ruptura, constituyendo el rayo una comente de aire ionizado.

Las descargas atmosfricas sobre lneas areas pueden alcanzar magnitudeshasta de 2500 KV, 200 KA y frecuencias del orden de 100 KHz. Sin embargo,aunque la tensin y la intensidad de la corriente de un rayo sonextremadamente grandes, la energa efectiva es relativamente pequea, delorden de 4 KwH, puesto que su duracin es solo de unos cuantos

microsegundos.


22/197

17

El rayo es un suceso aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, noocurre cuando la carga elctrica acumulada en la nube no es suficiente, aspodemos ver tormentas con descargas atmosfricas o bien sin rayos.

Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas condistinta configuracin e inclusive invertido el orden de signos.Un anlisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver sufuncionamiento antes, durante y despus de una descarga atmosfrica, que escontra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite por lo menos dosveces (50% restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gasesfuertemente ionizados que dej la primera, al provocar fallas o reduccin deeficiencia, descarga lo que puede en algunos pararrayos.

No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga,se puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isocerunico, es decir,mapas que nos muestran regiones con igual probabilidad de descargaatmosfrica, por lo que los sistemas de pararrayos tambin, deben de serdiferentes en su diseo o componente de tierra, igualmente la altura de la

edificacin por proteger influye, an cuando estn en una regin con igual nivelisoceranico, el de mayor altura tiene mayor probabilidad de rayo.

La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilo amperes,con un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se hanpodido medir, en las lneas y subestaciones elctricas.

La diferencia de potencial, tiene variacin de valores desde 100 hasta1, 000,000 de kilo Volts, aunque para la instalacin de pararrayos, es msimportante la tensin que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjuntoreceptor o pararrayos que se encuentre a mayor altura en la instalacinprotegida, porque de ello depende la disipacin de la carga en el terreno, segnel sistema de pararrayos para evitar la incidencia del rayo.


23/197

18

Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; Estudios realizados enEstados Unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1,000 pies), hastaaproximadamente 160 kilmetros (100 millas).

Pero la carga total liberada por un rayo, es relativamente pequea por el tiempotan corto de vida que es del orden de los microsegundos, as los valores decarga de una sola descarga es de 7 coulombios y an con las descargassucesivas, sta no supera los 200 coulombios.El fenmeno nos parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces porsegundo, sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca unapersona o instalacin no protegida, causa daos, pero las prdidas queocasiona, sobre todo en interrupciones de energa elctrica, hacen que tenga elnombre de daino, aunque proporcione ms beneficios, al ser el principalabastecedor natural de nitrgeno para la tierra y de ozono para la atmsfera,sin embargo, los daos existen y tiene probabilidad de causar muchos ms yaunque en Mxico no se lleva una estadstica.

Los cambios de direccin en un conductor de pararrayos no pueden ser

bruscos, por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensin alcircular por un conductor, genera un frente de onda.

1.3 CAMPOS ELCTRICOS.

1.3.1 Campos Elctricos de la Atmsfera.

Rodeando la tierra existe en la atmsfera en condiciones normales de buentiempo. Un campo elctrico permanente con superficies equipotencialesconcntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tantovertical el vector de intensidad de campo (E) en cada punto.


24/197

19

El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra, lo queindica que esta ltima posee una carga negativa, mientras que las distintascapas de la atmsfera son ms positivas cuanto ms alejadas estn de lasuperficie terrestre y de tal forma que el gradiente elctrico decrece con laaltura.

Como consecuencia de la existencia de ese campo elctrico permanente, losiones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivoscaen hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos inicos esllamada "corriente de conduccin", dirigida hacia abajo (segn el sentidoconvencional de la corriente) cuyo valor medio es de 2 x l0-16 Amperes porcentmetro cuadrado (A/cm2) lo que representa una corriente total entreatmsfera y tierra de unos mil Amperes.

Corriente de conduccin puede considerarse tambin permanente como elcampo que la produce, variando muy poco tanto con la situacin geogrfica,como con la estacin, da y hora.

Independientemente de la corriente de conduccin, existen "corrientes deprecipitacin", llamadas as por originarlas el transporte de cargas elctricas,producida por las precipitaciones atmosfricas, dichas corrientes deprecipitacin son en general del mismo sentido que la de conduccin,aportando tambin cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a serde 2 x l0-11 A/cm2. , o sea superior a la de conduccin que es.

Al contrario que esta ltima variable con las condiciones de tiempo y lugar, suvalor medio resulta inferior, habindose estimado en unos 400 amperes.

Considerando la accin continua de estas dos corrientes, resulta a primeravista sorprendente que la carga negativa que posee la tierra permanezcaconstante y aproximadamente igual a 500,000 Coulombios.


25/197

20

Sin embargo, este es un hecho incuestionable, demostrado por la experienciaque obliga a admitir la existencia de otros fenmenos compensatorios sobre losque se han establecido multitud de hiptesis, de las cuales destacan lassiguientes:

Por efecto de altas temperaturas existentes en el ncleo de la tierra. Escapaaire ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre,que es elevado por corrientes convectivas a considerables alturas (efectoEbert).

1. La radiacin tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, dalugar a una ionizacin de las molculas de aire. Los electronesproducidos se escapan de la atmsfera gracias a su gran movilidadoriginndose por tanto una acumulacin de cargas positivas en ellas.

2. Cuando las condiciones normales de buen tiempo se alteran pordistintos fenmenos atmosfricos, tales como la lluvia, nieve, granizonubes tormentosas, etc., se producen casi siempre inversiones del

campo elctrico, aportando gran cantidad de carga negativa a la tierracomo consecuencia de los procesos siguientes:

Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductoresconectados a tierra, descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidadpositiva, como consecuencia de cadas de rayos.

1.3.2 Campos Elctricos en el ncleo de las nubes.

Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que puedenllegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarsea base de aire hmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, delorden de los 30 a 35 metros por segundo.


26/197

21

Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes convectivas llegan aconvertirse en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendopaulatinamente su velocidad de ascensin, hasta que se inicia su cada, esdurante este descenso de los cristales de hielo, cuando se verifica porfrotamiento una separacin de gran magnitud de los iones de distinto signo,establecindose en el interior de la nube el campo elctrico consiguiente, con ladistribucin de carga representada (VER EN ANEXOS FIGURA 4).

A pesar de que la distribucin anterior es estadsticamente la ms frecuente,existen casos, que se pueden estimar en un 10%, en que la polarizacin resultainvertida. Concentrndose las cargas negativas en la parte superior de la nube,mientras que las cargas positivas se distribuyen en su parte inferior.

1.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS.

Los campos elctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que laparte inferior de stas y el terreno sobre el que se encuentran, acten como lasarmaduras de un gran condensador, cuyo dielctrico est constituido por el aire

existente entre ambas, lo ms probable es que la base de la nube seanegativa, con lo que se inducirn cargas electrostticas positivas en el terreno,aunque no se debe de olvidar que en el 10% de los casos ocurrir todo locontrario.

Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER ENANEXOS FIGURA 5,6) se representa el proceso ms frecuente de formacin y

cada del rayo, que es anlogo a la descarga de un capacitor por perforacindisruptiva del dielctrico.

De la zona de la base de la nube, en que la concentracin de cargas negativases mxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminosramificados, llamados descargas piloto.


27/197

22

Propagndose intermitentemente con detecciones de 10 a 12 microsegundosentre cada dos impulsos, avanzando en cada uno de los saltos algunasdecenas de metros a velocidades del orden de los 10,000 Km. /s.

Teniendo en cuenta los tiempos de detencin antes mencionados la velocidadresultante de propagacin puede estimarse en un valor de 100 a 300 km. /s.La descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad

del campo electrosttico inducido en el terreno, hasta que partiendo de ste seeleva una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentrode la descarga piloto.

Este encuentro normalmente se origina entre los 5 y 120 metros de altura,medidos desde el punto de salida y vara segn haya o no pararrayos. Hastaeste momento el fenmeno ha sido silencioso y dbilmente aluminoso, pero alestablecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga.Llamada descarga principal que se manifiesta por la aparicin de una

intensidad luminosa acompaada de un fuerte trueno.

Esta descarga principal est formada por una gran corriente de carga positiva,que partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorridopor la descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidadesdel orden de los 200.000. Amperes.

Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta uncampo elctrico, ms intenso durante la sucesin de las ltimas descargas

piloto sern los puntos donde se partirn ms probablemente las descargas deretorno y por lo tanto de los que surgirn tambin con ms frecuencia lasdescargas principales.
http://tanto.de/http://tanto.de/


28/197

23

La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertementeionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamenteneutralizada despus de la descarga principal, aparecern otras secundariasque seguirn el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,producindose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, lasdescargas sucesivas como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 7) severifican a intervalos en algunas centsimas de segundo, tiempo necesariopara permitir el movimiento de las cargas elctricas en el interior de la nube.

El rayo que comprende un cierto nmero de descargas, se llama mltiple. Elnmero promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6, pero se han observadoalgunos hasta de 42 descargas distintas, de una duracin de 0.6 segundosaproximadamente.

El proceso descrito es solamente el ms probable, pero no el nico posible, encaso que la parte inferior de la nube posea una acumulacin de cargaspositivas. Se inducirn en el terreno cargas electrostticas negativas y el efectoseria una inversin de polarizacin en el capacitor nube-tierra que se ha

considerado, como se ve en (VER EN ANEXOS FIGURA 8)

1.5 ESTRUCTURA ELCTRICA DE UNA TORMENTA.

El campo electrosttico de una atmsfera, en buen tiempo y ausencia denubes, es prcticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque lasuperficie de la tierra ana carga negativa y la atmsfera tiene carga elctrica

neta de signo positivo.

El medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente yunos 130 por metro sobre el ocano, donde la contaminacin ambiental esgrande, stos pueden aumentar mucho. Se han observado en Mxico, D.F.,valores de 220 por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kkiev en laUnin de Estados Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts

por metro.
http://positivas.se/http://positivas.se/


29/197

24

El gradiente de potencial elctrico disminuye mucho con la altura y a l0km esapenas de un 3 % de su valor en la superficie, segn las mediciones hechaspor los norteamericanos, a los 20 km los valores de ese gradiente sonsumamente pequeos, lo que demuestra que el aire a esas alturas essumamente conductor.

Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera puedenafectar la transmisin de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, losciclones del Caribe o los frentes fros de los nortes.

1.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS.

La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosfrica tiene valoresextremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como laaltitud de la sube con relacin a la tierra, las caractersticas del pararrayos, lasdel edificio, la configuracin de las instalaciones y otros ms.

Para efectos prcticos en el funcionamiento del pararrayos y del sistema detierra, reviste un mayor inters, la diferencia de potencial que aparece entre elsistema de tierra y la parte ms alta del edificio o sea, donde debe estarcolocado al menos un conjunto receptor, valores que dependen de laimpedancia del conductor, o mejor dicho, tratndose de impulsos de granpendiente.

Para facilitar el clculo, si consideramos que la tensin antes de la descarga esde 10 kilovolts por metro de altura, el potencial transportado ser de 200kilovolts aproximadamente.


30/197

25

Estudios realizados por el Laboratorio Atmosfrico Ocenico Nacional de losEstados Unidos, situado en Colorado, despus de estudiar 300 tormentaslocales, establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargasatmosfricas alcanzan valores de 2400 kilovolts por metro.Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 9), que el 85% de losrayos alcanzan los 30 kilovolts por metro.

1.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS

Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany ,dicen que los rayos varan en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies)hasta los 160 kilmetros (100 risillas), siendo el ms comn el de 1609 metros(1 milla).

Cleirici nos muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 10) que los rayos varanentre los 500 y los 7000 metros Si situamos a la ciudad de Mxico a una alturade 2450 metros sobre el nivel del mar, entonces tendremos un gran nmero derayos cercanos a los 240 kilovolts por metro, es decir, rayos de 2350 metros (o

sea 7700 pies).

1.8 OTRAS MAGNITUDES ENERGTICAS.

La carga total liberada por un rayo dado el tiempo tan corto de vida que tiene,unifica los criterios tanto de Mc Cann, Lewis y Cleirici que nos dicen que, stano supera los 200 coulombios en la totalidad de la descarga y en una sola

descarga los valores que se alcanzan son del orden de los 7 coulombios quese muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 11).

Se han efectuado experimentos para almacenar la carga de los rayos peroeconmicamente no se ha llegado a resultados satisfactorios por lo aleatorio deque se repita la descarga en el lugar de almacenamiento.


31/197

26

1.9 DAOS QUE PUEDE CAUSAR.

El rayo es un fenmeno que nos parece aislado, el cual lo vemos nicamenteen la poca de lluvias y solo espordicamente en la poca de estiaje, pero esun evento que se repite en un promedio de 100 veces por segundo sobre latierra, as la posibilidad de que cause daos es de valor apreciable.

En Estados Unidos el nivel isoceranico es menor, Cleirici nos dice queestadsticas efectuadas, muestran que ms de 400 personas mueren cada aoa causa de los rayos y ms de 1000 resultan heridas por la misma causa, datosdel Depto. de Agricultura del mismo pas nos dicen que los incendios forestalesen el perodo de 1930 a 1947 causaron un total de prdidas por 2,920,000dlares, en un total de 1200 incendios , y estos datos no incluyen el costo de104 viviendas de propiedad privada, que fueron daadas por estos incendios.

En. estudios realizados en Gran Bretaa en lneas de transmisin y distribucinnos muestran los incidentes por rayo provocados en 160 km. (1000 millas) paralneas con tensiones de operacin desde los once kilo-volts a 132 kilo-volts,

como se muestra en (VER EN ANEXOS FIGURA 12),

donde las lneas que tienen un tele pararrayos como son las de 132 kilo-voltscasi no tienen incidentes por rayos, esto se hace ms patente en l (VER ENANEXOS FIGURA 13) donde las incidencias para lneas de 66 kilo-volts altener mejor sistema de tierra en sus torres, tienen menor incidencia de rayos.(VER EN ANEXOS FIGURA 14), nos muestra incidencias para una misma

tensin de 11 kilo-volts, donde se hace patente la importancia del nivelisoceranico y como varia sta en un pas de poca extensin territorial.


32/197

27

1.10 GENERALIDADES SOBRE EFECTOS DE LOS RAYOS.

El rayo que impacta en una instalacin u objeto, produce efectos de naturalezavariada caprichosa, los cuerpos no conductores, se rompen a menudo, comopor ejemplo los rboles, mientras que los conductores se fundencompletamente, por ejemplo, un conductor de calibre 14, aislado con unacubierta de goma puede fundirse por una descarga de poca duracin pero degran intensidad, esto se puede comprobar por la cantidad de incendios defactoras en horas no laborables, despus de una tormenta elctrica y lascausas son:

Corto circuito como si no existiera una coordinacin de proteccin. Unadescarga con una sucesin de un mximo de comente superpuesta a uncomponente continuo, puede provocar un incendio 16, estos casos tambin sehan repetido en laboratorios con modelos a escala por Belfashi aunque con laslimitaciones de corriente que tiene la reproduccin de un rayo artificial.

1.11 CONSECUENCIAS TERMICAS DEL RAYO.

La energa trmica que se desarrolla en la descarga del rayo depende, deacuerdo con la Ley de Joule, del cuadrado de la corriente y de la resistencia delmedio encontrado por aquella, adems, naturalmente, el tiempo que dura ladescarga por lo que la expresin de la cantidad de calor producida adopta laforma:

dt I RW 2 Formula (1.1)

Donde:W =Energa transformada en calor (expresada en Joules, si la corriente semide en amperes y el tiempo en segundos; la energa puede expresarsetambin en caloras; 1 calora = 4.186 Joules .)l =valor instantneo de la corriente circulante en amperes.R=resistencia del medio por el que circula la energa en ohms.


33/197

28

Carece, por tanto de importancia fundamental la resistencia del medio queencuentra el rayo en su camino para descargarse a tierra dado, que fijado elvalor de la corriente, dependiente de la diferencia de potencial entre nube ytierra, la energa trmica desarrollada ser ms grande, cuando mayor sea laresistencia del medio por donde circula.

En esa forma la descarga de un rayo a travs de un material de un conductorde energa elctrica y de seccin suficiente, no desarrolla generalmentecantidades apreciables de calor.

En caso de materiales que son malos conductores, tienen gran inters en elexamen de aquellos en que la descarga atraviesa materiales con elevadocontenido de agua, porque el calor generado provoca la evaporacininstantnea del agua contenida, la cual se evapora o se disocia de suselementos, provocando un fenmeno de explosin, como se ha observado enrboles, postes de madera y muros hmedos que son impactados por un rayo.

Tambin es necesario hacer notar que los rayos de gran intensidad pero poca

duracin, provocan una destruccin de materiales pero no llega a producirignicin, (lo que resalta la importancia de los pararrayos activos), mientras quelos de corriente modesta pero de gran duracin provocan fcilmente la ignicinde los materiales.

En general, la peligrosidad del rayo que cae sobre materiales inflamables esalta, porque como ya se vio, a la descarga principal suceden descargas

sucesivas.

Los aviones estacionados, se deben conectar firmemente a tierra para evitaresta posibilidad, igualmente cuando se abastecen de combustible para evitarque la descarga de electrosttica pueda iniciar la ignicin. La misma regla sedebe seguir en transportes depsitos de combustibles.


34/197

29

1.12 CONSECUENCIAS DINMICAS DEL RAYO.

La energa liberada por un rayo no es muy elevada, sin embargo, al serliberada en un tiempo muy corto (100 a 120 microsegundos), la potenciapuesta en juego alcanza valores de millares de kilowatts, por lo que lasconsecuencias pueden ser importantes.

La descarga de retomo, de un rayo produce en torno a la columna de gasesfuertemente ionizados que constituyen el recorrido de la descarga, una onda depresin de dimensiones limitadas en las que se generan presiones elevadasque pueden destruir todo cuanto rodea al conductor principal; en el interior dechimeneas y habitaciones, se pueden producir presiones tan elevadas queproduzcan una explosin.

El campo magntico que se forma, puede deformar estructuras y ventanasmetlicas, o el conductor de cable sufre una expansin por el campo que seforma entre hilo e hilo del cable, por lo que se debe evitar la sujecin porpresin nicamente.

1.13 EFECTOS QUMICOS.

Las descargas atmosfricas son el principal abastecedor de nitrgeno para latierra y el rayo lo inyecta directamente al terreno; se Peterson W., tambin seforma ozono alrededor del canal del rayo, el cual protege a la tierra de los rayos

ultravioleta, tambin por la intensidad de corriente, produce efectos galvnicospor donde circulan en forma unidireccional.


35/197

30

1.14 CONCLUSINES DE LAS TEORAS SOBRE LA FORMACIN DELRAYO.

Como se podr ver, las teoras sobre la formacin del rayo difieren entre s, sinembargo, la mayora de los meteorlogos apoyan la explicacin del origen de lacarga de una nube de tormenta, mediante el mecanismo hielo-gotita de aguaque es la teora expuesta por Sil Basil Schonland.

No obstante, algunos no estn de acuerdo sosteniendo que las partculas dehielo no son necesarias para que se produzca dicha carga en las nubes. Y auncontinan investigando cmo se forma exactamente la electricidad de lamisma.


36/197

31

2.0 TIPOS DE PARARRAYOS EXISTENTES

2.1 GENERALIDADES SOBRE PARARRAYOS.

PARARRAYOS: Se trata de un dispositivo acabado en punta que excita laaparicin de impulsos o efluvios durante la formacin de carga de unatormenta. Una vez excitado el rayo, el pararrayos intentar captarlo ydescargarlo a tierra por un conductor elctrico, la energa de descarga estcatalogada como alta tensin con un potencial incontrolado y destructible.

El pararrayos se situar en el punto ms alto de la instalacin, al menos dosmetros por encima de la zona a proteger, lo cual proporcionar un camino debaja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita del modo mssencillo la descarga a tierra del rayo.

Algunos tipos de instalaciones a proteger

Torres de control aeropuertos. Antenas de navegacin area.

Antenas de televisin, telefona mvil y radio.

Subestaciones elctricas

Centrales nucleares.

Hospitales.

Industrias petroqumicas

Gasolineras.Barcos.

Edificios pblicos.

Torres de alta tensinCasas particulares.


37/197

32

2.1.1 Seleccin de pararrayos

Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materialesradiactivos.

Los factores que se deben considerar para la determinacin de la obligacin deinstalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar atierra la descarga elctrica atmosfrica, son:

a) el nivel Isocerunico de la regin.

b) las caractersticas fisicoqumicas de las sustancias inflamables oexplosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro detrabajo.

c) la altura del edificio en relacin con las elevaciones adyacentes.

d) las caractersticas y resistividad del terreno.

e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustanciasqumicas, inflamables o explosivas.

f) el ngulo de proteccin del pararrayos.

g) la altura de instalacin del pararrayos y el sistema para drenar a tierralas corrientes generadas por la descarga elctrica atmosfrica.


38/197

33

Pararrayos es el dispositivo ms usado para la proteccin contra descargasatmosfricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipoelctrico; colocados en la parte ms alta, para poder recibir la descargaatmosfrica y drenarla a tierra; comnmente son conocidos como puntaspararrayos y es el elemento primario para la coordinacin de aislamiento, enbase a las siguientes funciones.

a) Opera con sobre tensiones en el sistema permitiendo el paso de lascorrientes del rayo y sin sufrir dao.

b) Reduce las sobre tensiones peligrosas a valores que no daen elaislamiento del equipo.

Las caractersticas principales para la seleccin correcta de un pararrayos enun sistema de distribucin son las siguientes:

1. La tensin nominal2. La corriente de descarga

Estas se pueden calcular por promedio de la frmala siguiente

1.2 FormulaV K V f f en Donde:

V n Tensin nominal de pararrayos en kv

K e = Factor de correccin a tierraV f f Tensin de lnea a lnea

El factor Ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra, lainstalacin elctrica del sistema, considerando que una falla de lnea a tierra,es lo que produce una sobre tensin en las fases no falladas.


39/197

34

2.1.2 Radio de proteccin de un pararrayos

El radio de proteccin de un pararrayos depende de su altura respecto a lasuperficie a proteger. Altura: Es la distancia entre la punta final del pararrayos y

el punto que se desea proteger. El radio de proteccin se calcula con lasiguiente formula y se ejemplifica en (VER EN ANEXOS FIGURA 15)

La formacin de un rayo va precedida de una elevacin del campo elctricoambiental por encima de los 10kv/m. Esta energa natural es acumulada por eldispositivo del pararrayos que de esta forma queda en situacin de precontrol.

A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y bruscoincremento del campo elctrico, originndose una zona de riesgo de impacto.Si esta zona de riesgo tiene lugar en la zona de proteccin del pararrayos, labrusca variacin del campo elctrico acciona simultneamente el sistema deproteccin, en sincrona con la aproximacin del rayo, proporciona una va dedescarga a tierra controlada y segura.

2.2.3 Clasificaciones de los pararrayos

ACTIVOS: generan la ionizacin y excitacin por impulsos de alta tensinsuperiores a 10 KV en la punta, este fenmeno se representa a partir de unvalor del campo elctrico- atmosfrico natural.

El objetivo de este proceso es intentar excitar y captar la descarga del rayo,conducir todo su potencial de alta tensin a tierra por un conductor activoinstalado, con el resultado de la sobre tensin e induccin generada.

El resultado es una corriente de defecto alta tensin que circula por unconductor desnudo, superando la energa de descarga del rayo.

Tratan de facilitar el camino del rayo positivo, dirigindolo o provocando uncamino de baja resistencia, acta con el gradiente electrosttico de laatmsfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando queocurra el rayo en ese sitio, convirtindose en preventivos, adems el encuentro


40/197

35

entre el rayo positivo y negativo se realiza ms alto, alejando con ello el puntode mayor temperatura de la descarga atmosfrica.

Este fenmeno puede crear en momentos crticos durante la descarga,

corrientes de contacto con intensidades de defecto superiores a las permitidasconsideradas como muy graves que pueden afectar a la seguridad de laspersonas

PASIVOS: Concentran la ionizacin y excitacin constante del rayo en lapunta, estos descargan en el terreno donde estn instalados nicamente porefecto de puntas por lo que materialmente "esperan" el rayo para disiparlo a

tierra, por lo que tienen mayor probabilidad de impacto por rayo.

2.1.4 Elementos que constituyen un pararrayos

Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la proteccin de unedificio o instalacin, estar formado por los siguientes elementos bsicos:

Elemento receptor: colocado en la parte ms alta del edificio. Puede estarconstituido por puntas metlicas o conductores dispuestos de varios modossegn las dimensiones y la estructura de la instalacin para proteger. Unelemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de protecciny los cables colocados estratgicamente en las partes de la estructura quepueden recibir una descarga (VER EN ANEXOS FIGURA 16 A)

Conductor a tierra, : puede estar formado por dos o varios conductores y tienela misin de transportar a tierra la corriente del rayo, segn el camino

perfectamente determinado y de baja impedancia, pasando por la parte exteriordel edificio, que queda as, fuera de peligro. La realizacin prctica de estas. Larealizacin prctica de estos elementos debe de efectuarse teniendo en cuentaque por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una importancia notablela reactancia del circuito. Cuya influencia puede originar grandes cadas detensin en el circuito (VER EN ANEXOS FIGURA 16 B)


41/197

36

Electrodos a tierra: Electrodos a tierra llamados tambin dispersores de tierralos que proveen de un contacto ntimo del sistema con el terreno, facilitando ladispersin de la corriente, en el terreno propiamente dicho (VER EN ANEXOSFIGURA 16 C) Existen en la actualidad para el clculo y diseo de estoselectrodos a tierra, as como procedimientos de medicin de la resistencia,lograda. Se ha desarrollado tambin algunos productos que pueden usarsecomo aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia atierra.

2.2 ESTRUCTURA DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS

Para el desarrollo de la correcta instalacin de un sistema de pararrayos sedeben-considerar los siguientes aspectos bsicos:

Debe respetar absolutamente las normas existentes.

Realizar la correcta ubicacin y distribucin de todos los elementos.

Utilizar estrictamente los materiales especificados.

Es de especial inters al anlisis de las siguientes observaciones generalesrelativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalacin de estetipo, que son: (VER EN ANEXOS FIGURA 17)

1. Localizacin de la posicin de las puntas2. Fijacin de las bases para la localizacin de las puntas.3. Determinacin del recorrido de conductores.

4. Fijacin de conductores.5. Conexiones.6. Determinacin de la posicin de los electrodos a tierra.7. Instalacin de los electrodos.8. Pruebas.


42/197

37

1.-Localizacin de la posicin de las puntas.

La parte ms alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. ms alta queel contorno protegido. La separacin mxima de la orilla del contorno protegidoes de 60 cm. El espaciamiento mximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +-10%.

2.-Fijacin de las bases para la colocacin de las puntas.

Se debe usar algn elemento rgido adecuado al ambiente en el que se instale,por ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plsticocon tornillo de latn, considerando que adems de corrosivo es hmedo.

3.-Determinacin de recorrido de conductores.

Horizontales:

De cada punta debern existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas

ascendentes.Los cambios de direccin no deben tener un radio menor de 20 cm.

Verticales:

Deben ser lo ms directo posible.

No deben tener curvas inversas.

Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metlicas.Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme.

En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel delterreno), deber instalarse una guarda de proteccin, con la finalidad deproteger al conductor de dao mecnico, se sugieren tuberas nometlicas.


43/197

38

4.-Fijacin de conductores.

Antes de sujetarse el cable, deber ser tomado para garantizartrayectorias lo ms rectas posible.

El espaciamiento mximo entre puntos de sujecin (abrazaderas), serde 90 cm.

Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medioambiente en l que se instale.

5.-Conexiones

Las conexiones debern ser las mnimas necesarias y de la mximarigidez mecnica.

Siempre se debern usar conectores mecnicos especiales para esteuso.Las conexiones soldadas debern evitarse.

6.-Determinacin de la posicin de los electrodos de tierra.

Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra.

Preferentemente fuera de cimentaciones.

Separados por lo menos 60 cm. de la construccin.De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo ms hmedoposibleeste en el mximo contacto con humedad.

7.-Instalacin de los electrodos

Varillas o bayonetas:


44/197

39

Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno esbueno, o sea, que a travs de ta superficie de la varilla se establezca unbuen contacto con el terreno, por lo tanto, deber evitarse el hacer unaexcavacin para colocar en ella la varilla.

La conexin entre el cable y la varilla se har con un conector especialpara este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada.

Preferentemente, pero no indispensable, se construir un registro paratener acceso al conector mencionado anteriormente y 'colocado en elextremo superior de la varilla.

Rehiletes:

Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavacionesEspeciales para ellos, de la mxima profundidad posible.

El rehilete se colocar en el fondo de la excavacin en una mezcla de cisco decarbn (carbn menudo) y sal en proporcin de 5 a 1.

Es muy importante que la excavacin sea tapada con tierra de las mejorescondiciones de conductividad, al mximo grado de compactacin que seaposible.

Desconectadores de tierras:

Cada electrodo de tierra deber proveerse de un medio que permita sudesconexin del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de suresistencia a tierra.

Normalmente es recomendable la instalacin de un desconectador en elextremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en cuentaque es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber ninguna

otra conexin.


45/197

40

8.-Pruebas

Para considerar satisfactoria una instalacin, deber tener:

Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendopasar una corriente a travs de ellos.

Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (mximo 25 ohms).Rigidez mecnica en sus elementos de soporte.

2.2.1Los materiales necesarios para la instalacin de un sistema son lossiguientes:

A) Puntas

Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mnima de 25 cmquedando ms altas del contorno que protegen, tendrn sus bases adecuadasa la superficie donde se coloquen e irn fuertemente fijadas a la misma (VEREN ANEXOS FIGURA 18)

B) Conductores

Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:

Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de dimetro. para edificios conaltura menor o igual a 23 m, (VER EN ANEXOS FIGURA 19).

Cable de cobre desnudo de 13mm de dimetro, para edificios con alturamayor de 23m. (VER EN ANEXOS FIGURA 20).

En cualquiera de los casos, se colocar el conductor de manera a proveer undoble paso a tierra desde cada punta.
http://13mm.de/http://13mm.de/


46/197

41

C) Conductores de baja

Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mstiles o estructurassimilares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada. Su colocacinestar tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal, enesquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmenteopuestas en estructuras cilndricas.

Cuando una estructura tenga un permetro que exceda de 75 m., debe teneruna bajada adicional por cada 30 metros de permetro. Para el clculo delpermetro se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno,excluyendo cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran deproteccin. El nmero total de conductores de bajada en estructuras conazoteas planas o ligeramente inclinadas y en las de forma irregular secalcularn de tal manera que la distancia promedio entre ellos no sea mayor de30 m.

D) Fijaciones.

Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas y serndel mismo metal que estos, debern quedar lo suficientemente fuertes parasujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas deotras (VER EN ANEXOS FIGURA 18, 19,20).

2.2.2 Conexin a Tierra. Interconexin de Metales, Tuberas y Equipos

Todos los objetos metlicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra,que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados a)mismo, debern ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas yconectores especiales (VER EN ANEXOS FIGURA 21).


47/197

42

Las conexiones a tierra se harn por medio de bayonetas y/o rehiletes, paraconseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentrode las normas referidas.

En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a losrecomendados (mximo 25 ), sern necesarios trabajos adicionales paramejorar las condiciones del terreno.

Es importante, tambin, considerar lo siguiente:

A) Ubicacin

Las conexiones a tierra se harn en aquellos lugares donde se logre una fcildispersin de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de lacimentacin y en un rea de jardines.

B) Medio de conexin

Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de dimetro (vasela figura 23).

Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad.

Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. deprofundidad.

Varilla de cobre-acero, en registro de mampostera (en el caso de suelosrocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capasalternadas de 10 cm. de carbn de piedra en polvo, cloruro de sodio engrano, cloruro de calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio.


48/197

43

C) Tierras comunes

Se debern realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del sistemade pararrayos y las de otros servicios como elctrico, antenas de radio ytelevisin, etc.

D) Instalacin

La instalacin se har de manera poco visible. El conductor se colocara amenos de 60 cm. de !a orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre oatrs de los pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrs de lasbajadas de agua y en general, procurando esconder el equipo lo ms posible.Todos los materiales se fijaran fuertemente a la construccin para evitarcualquier posibilidad de desplazamiento y para facilitar el mantenimientosubsiguiente.

2.3 PARARRAYOS DE FRANKLIN.

Benjamin Franklin fue el pionero del desarrollo de la proteccin contra lasdescargas atmosfricas y tambin fue el primero que demostr en una formafehaciente la naturaleza elctrica de los rayos, en base a sus investigaciones,fue tambin el primero que busc la forma de protegerse efectivamente contradichos fenmenos, inventando el primer pararrayo, estableciendo las basestcnicas para su desarrollo, instalando el primero de estos sistemas deproteccin en un edificio de Philadelphia en los Estados Unidos de Amrica en

el ao de 1752.

El pararrayo de Franklin, consta de una barra metlica cilndrica, de tres metrosde longitud y con un dimetro de 13 mm.


49/197

44

El receptor colocado verticalmente, termina en una punta muy aguda,conectada a tierra mediante un conductor de hierro. Este pararrayo se clasificadentro de los pasivos, su eficiencia disminuye con la altura. En principio sepuede decir que su ngulo de proteccin es de 45 grados (VER EN ANEXOSFIGURA 24) sin embargo, para compensar la disminucin de la eficiencia, enalgunas instalaciones en que se utiliza este tipo de pararrayos, se coloca unapunta principal en la parte ms alta de la construccin a proteger y algunassecundarias que aumentan la eficiencia de la proteccin.

En el ao de 1890, los franceses instalaron pararrayos en Mxico, con unaserie de 4 o 5 puntas, donde la nica punta que acta es la superior, laslaterales se colocaron, por la serie de fallas que presenta este tipo depararrayos, al no tener en cuenta el efecto superficial de la comente alterna.

Este tipo de pararrayos se muestra esquemticamente en (VER EN ANEXOSFIGURA 25), aunque tiene muchas variantes de configuracin, todasterminadas en punta aguda, colocada en aparte ms alta de la instalacin aproteger, la podemos ver en casi todos los edificios pblicos de hace algunos

aos. En algunas regiones del pas es muy comn todava su venta, a pesar desus deficiencias.

En la subestaciones de la C. F. E, al igual que en muchas subestacionesindustriales se utilizan las barras soldadas a la estructura, donde la puntapuede ser roma o puntiaguda, como otra variante de este tipo de pararrayos

2 .4 PARARRAYOS DE MELSENS.

En el ao de 1875, Melsens utiliz en Bruselas un tipo de pararrayos formadopor una jaula de conductores (jaula de Faraday), en la parte superior, de la cualdispuso numerosas puntas reunidas en un haz sobre una barra.


50/197

45

Este sistema se ha perfeccionado despus con la intencin de reducir laextensin y nmero de las mallas de la jaula, mientras que se pensaba lograrque las puntas mltiples aumentaran la dispersin de las cargas elctricas en laatmsfera. Tales previsiones resultaron fallidas, segn afirma Cleirici, y laeficacia protectora ha de buscarse ms bien en la jaula que en la existencia delas puntas.

Este es el sistema ms comn en Mxico, y est basado en las normas de laNFPA y UL de U.S.A., por la gran cantidad de puntas que es necesario utilizar(una cada 3 o 6 metros segn la norma 2371), hacen que la inversin inicialsea elevada, como se ve en el anlisis de costos, adems de que en Mxico,se utilizan dos o ms metales en su construccin, lo que provoca un rpidoenvejecimiento del sistema, aumentando su mantenimiento y por tanto el costo.

Otro inconveniente de este sistema es que segn las normas, se deben colocaren todos los pretiles, por lo que se desprecia el ngulo de proteccin quepudiera generar el conductor, o bien las puntas, lo que hace que el uso dematerial se eleve y por tanto el gasto inicial.

Las normas NFPA y UL de U.S.A., estn basadas en datos experimentales deEstados Unidos, adems estn adoptadas al tipo de construccin de ese pas,pero no se toma el nivel isoceranico de Mxico, adems aqu es otro tipo deconstruccin, por lo que no son aplicables en toda su extensin. (VER ENANEXOS FIGURA 26) se muestra un edificio protegido con este sistema y en(VER EN ANEXOS FIGURA 27) se muestran varias formas de puntas para

este tipo de pararrayos.El tipo de sujecin utilizado es por medio de grado de presin, esto loconsideramos inconveniente porque el conductor de cable, por efectomagntico o trmico al conducir la energa de un rayo sufre expansinprovocando con ello que el contacto entre grapa y conductor ya no sea tanfirme, aumentando la impedancia del sistema sobre todo en la reflexin de laonda y en las descargas sucesivas.


51/197

46

Este pararrayos, tambin del tipo de los pararrayos pasivos, es en s unavariante de la Jaula de Fadaray, a la cual Melsens le agreg en la partesuperior numerosas puntas distribuidas.

Posteriormente se trat de mejorar el sistema de Melsens, tratando de reducirla extensin y nmero de mallas de la jaula, intentando dispersar con laspuntas mltiples la carga elctrica de la atmsfera, pero no se lograrnresultados satisfactorios de acuerdo con Cleirici, quien afirma que la efectividadde la proteccin se logra ms bien con la jaula que con las puntas. Figura 26.

2.5 PARARRAYOS PASIVOS.

Algunos de estos mtodos slo tiene hoy importancia histrica al haber sidosuperados, tales como el pararrayo de Kleckner y el de Brown mostrados en(VER EN ANEXOS FIGURA 28,29) de los aos 1875 y 1883 son fotocopias delas patentes en los Estados Unidos.

2.6 PARARRAYOS DE JAULA.

La conocida "Jaula de Faraday", experimento fsico, Segn el cual, en elinterior de una envoltura metlica cerrada y conectada a tierra, y disponiendode instrumentos de gran sensibilidad (electrmetros y electroscopios), no sedejan influir por ningn fenmeno elctrico por intenso que sea, cuando ste se

produzca en el exterior o en la propia superficie de la envoltura metlica, nosda la idea de un pararrayos ideal.


52/197

47

As, un edificio con revestimiento exterior completamente metlico y conectadofirmemente a tierra, queda protegido contra descargas atmosfricas, se obtieneuna buena proteccin si la cubierta metlica se substituye por una malla o redde conductores, pero por razones econmicas la red no puede ser muycerrada, adems de que debe buscarse la esttica del edificio para no daar laarquitectura del mismos, por lo que la red superior puede hacerse cerrada,,reduciendo solo los conductores de bajada, (VER EN ANEXOS FIGURA 30) se muestra un edificio con este sistema de proteccin. Se le puede considerarel pararrayos pasivo, que espera el rayo para disiparlo a tierra, al no tenerefecto de puntas.

La mxima proteccin se logra con una cubierta laminar, sin embargo, porrazones de costo, se prefiere usar mallas las cuales se hacen muy cerradas enla parte superior de los edificios y ms abiertas en la parte inferior y an msabiertas en las partes laterales, las cuales van conectadas.

2.7 PARARRAYOS ACTIVOS.

Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar 2 modelos bsicamente:el radiactivo y el de efecto corona. Analizaremos primeramente el radiactivo por ser el ms conocido sabiendo queel de efecto corona est basado en la experiencia adquirida con el radiactivo.

2.8 PARARRAYOS RADIACTIVOS.

El hngaro Szillard fue el primero que pens en la aplicacin de materialesradiactivos para provocar una excitacin artificial de la atmsfera y unaproduccin de iones, con fines de proteccin contra los rayos. Para ello fabricun pararrayos formado por una barra de 4 metros de altura, encima de la cualcoloc un plato con dos miligramos de bromuro de radio.


53/197

48

Las observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos,llevaron a la comprobacin de que la cantidad de iones emitidos por este tipode pararrayos, era superior a la de una punta normal. Los estudios del profesorSzillard permanecieron durante mucho tiempo privado de aplicacionesprcticas por dos razones fundamentales:

a) A pesar de que la emisin de iones es mayor que la de una puntanormal de pararrayos sistema Franklin, la cantidad de electricidad queeste pararrayo es capaz de disipar en la atmsfera sigue siendoinsuficiente para lograr una accin preventiva eficaz.

b) La necesidad de emplear material radiactivo costoso, hacia este tipo depararrayo de escaso inters prctico.

Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producida por el pararrayosradiactivo, y limitar simultneamente la cantidad de material radiactivonecesario, aplicando al pararrayo un dispositivo de aceleracin.

La funcin especfica del pararrayo radiactivo es: producir un elevado nmerode iones y dirigirlos hacia arriba, evitando que se acumule carga en el terrenodonde est instalado, con el fin de evitar el rayo positivo o la atraccin del rayonegativo (VER EN ANEXOS FIGURA 31)se muestra un esquema de laconstitucin y funcionamiento del pararrayo radiactivo.

La materia radiactiva depositada en el ionizador emite en forma continua la

radiacin especfica del material que se trate pudiendo ser cualquiera de lastres radiaciones bsicas alfa, beta o gamma.


54/197

49

En Mxico, el material radiactivo utilizado en el ionizador, es el radio 226 convida media de 1,600 aos, con emisin alfa de 4.5 MeV y el Americio 241 convida media de 433 aos y emisin alfa de 5.5 MeV , ambos con pocapenetracin por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con unaproteccin muy delgada para obtener una mejor ionizacin, resultandopeligroso para usuarios, por lo que hizo que pasaran a control del InstitutoNacional de Energa tanto para localizacin como para mantenimiento y su usofue prohibido por la a de Salubridad y Asistencia en 1968.

El acelerador atmosfrico, es un anillo equipotencial, conectado elctricamenteal asta central, con soportes horizontales, y este acta con el gradienteelectrosttico de la atmsfera que como veamos en el captulo anterior, figura9, provocando una diferencia de potencial que acelera los iones y electronesque se encuentran entre el asta y anillo. Hasta el punto de provocar unaionizacin por choque Tiene tambin un segundo anillo deflector, que centra losiones provocando flujos dirigidos hacia la nube, pero resulta ineficiente para lascargas electrostticas muy rpidas por ser ionizacin de choque, dando comoresultado que en las descargas sucesivas la ionizacin disminuye, actuando

solamente al asta central. Como pararrayos pasivo.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 32) se muestra un pararrayos del italianoDonelli. Donde se ve, que el sostn del anillo es un aislante colocado en formahorizontal. Pero el aislante superior que contiene material radiactivo, no tomoEn consideracin el flameo que pueda ocurrir en una descarga atmosfrica loque aumenta el riesgo de desprendimiento de material radiactivo.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 33) se muestra otro tipo de pararrayosdenominado sistema Dipolo que tiene dos anillos equipotenciales, sostenidoshorizontalmente, de diferente dimensin. El ngulo de proteccin que generaeste tipo de pararrayos es de 71 grados segn dice su fabricante.


55/197

50

El ngulo de proteccin que genera depende del anillo equipotencialbsicamente, ya que la cantidad de iones producidos por el material radiactivoes prcticamente constante y no depende ms que de la cantidad de materiaradiactiva depositada.

Otra desventaja del pararrayo radiactivo es que las partculas materialesionizadas, son susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentesdirecciones, hasta el punto de que la atmsfera ionizada por el pararrayos, perode forma y dimensiones muy variables segn la intensidad y la direccin delviento, lo cual da la probabilidad de falla. Algunos ejemplos de pararrayosradiactivos en la Ciudad de Mxico, estn en

El Museo de Antropologa e Historia en su fuente principal, en los edificios deTlatelolco, en el depsito de combustible del Aeropuerto Internacional de laCiudad de Mxico y otros.

El Modelo de pararrayos empleado es el Copart, que se muestra en (VER EN

ANEXOS FIGURA 34), es fotocopia de la patente en Estados Unidos y en elque el acelerador, es el plato hedor del material radiactivo.

2.9 PARRAYOS DE EFECTO CORONA.

El pararrayos de Efecto Corona, es otro tipo de pararrayos que evita laacumulacin de cargas elctricas en el lugar donde est instalado, esto lo logra

porque al igual que el radiactivo, tiene tambin un anillo equipotencial oacelerador atmosfrico alrededor de su ncleo, pero este no contiene materialradiactivo, solo suma el efecto del anillo equipotencial al efecto de puntas quetiene todo pararrayos.


56/197

51

El anillo equipotencial de ste tipo de pararrayos se diferencia del radiactivo enque su seccin no es circular, sino que es recto en su parte interna, por lo queel campo electromagntico que genera, no es circular, siendo mayor en la parteinterna, es decir, lo que esta junto al ncleo, como se ve en (VER ENANEXOS FIGURA 35), logrando con ello mayor eficiencia en la emisin deiones, cuando aumenta el gradiente electrosttico en la direccin de la puntadel pararrayos, logrando con ello, guiar el rayo positivo que brota de la tierra.

En l(VER EN ANEXOS FIGURA 36) vemos que el conductor no puede tenercambios bruscos de direccin, por el mismo frente de onda que se genera, sinembargo, en los pararrayos radiactivos, el sostn de los anillos es horizontal,es decir, el flujo de la corriente tiene que hacer un cambio en la impedanciatotal del conjunto receptor. En el pararrayos de Efecto Corona el sostn es pormedio de anillos que tienen el ngulo de tensin del frente de onda o sea 33grados, con respecto del ncleo lo que reduce la impedancia del conjuntoreceptor y al mismo tiempo, aumenta el flujo de corriente hacia el anilloequipotencial, logrando con ello que el campo elctrico resultante en la punta,se incremente, al igual que el efecto de puntas y el Efecto Corona, supliendo

as el material radiactivo, que ioniza la atmsfera. Adems en comparacin dela influencia del viento con respecto al radiactivo, en este caso es menor porser elctricamente activo y no materia ionizada.

El ngulo de proteccin generado por el anillo equipotencial, es en este tipo depararrayos de 60 grados, lo que aumenta en 15 grados al de Franklin. Estepararrayos tiene tambin elementos para la carga sucesiva, teniendo en cuenta

el efecto superficial de la corriente alterna, para lo cual tiene el ngulo A de la(VER EN ANEXOS FIGURA 37) que desva parte de la corriente al anilloequipotencial, provocando con ello interferencia en el flujo total de energa en elconductor y cuando sucede la descarga sucesiva ascendente, actanuevamente el anillo, incrementando el campo elctrico. Se pude usar este tipode pararrayos, solo con el radiactivo o en combinacin con la Jaula de Faradaycomo el Melsens.


57/197

52

Si se utiliza con la Jaula de Faraday la separacin entre puntos es de 30metros, de que descarga en forma continua la jaula por lo que es lacombinacin que se utilizara.

En (VER EN ANEXOS FIGURA 38) se muestra una edificacin con elpararrayos de Efecto Carona m el que si se toma en cuenta el ngulo quegenera el pararrayos, ahorrando con ello conductor y conjuntos receptores. Sise utiliza slo puntas elevadas, se toma en cuenta el ngulo de proteccin de60 grados. Al no utilizar material radiactivo, se tiene un ngulo de proteccin de 60 gradosy f, tinte elementos para la descarga sucesiva, consideramos a este ltimo tipode pararrayos mejor que los anteriores.

2.10 PARARRAYOS MAGNETIZADOS

Este es un pararrayos tipo DIPOLO que ha sido diseado y construido paraconducir eficazmente a tierra descargas electrostticas de tipo atmosfrico,comnmente llamadas rayos, con el fin de evitar que estas descargas causen

daos personales y materiales.El pararrayo consiste de una barra de fierro slido cuya superficie estniquelada y cuyo extremo superior termina en punta. Por debajo de esta puntase encuentra un disco de fierro cubierto con material plstico y en el extremoinferior de la barra se encuentra un manguillo de hule vulcanizado que tiene porobjeto aislar de la barra del mstil que soporta por debajo de este manguillo seencuentra un dispositivo de conexin para conectar el cable que une el

pararrayos con los electrodos de conexin a tierra.

Todos los elementos que integran el pararrayos estn magnetizados. Estamagnetizacin produce un campo magntico de gran densidad, el cualamortigua la descarga atmosfrica y la conduce a tierra a travs del cable yelectrodos anteriormente mencionados, evitando la dispersin inica quepudiera causar daos personales o materiales.


58/197

53

3.0 DISEO DEL SISTEMA DE PROTECCIN.

3.1 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO.

Las consideraciones que regirn para la construccin de stos sistemas depararrayos, son las que se detallan a continuacin. En su mayora, han sidotomadas de las correspondientes a la "N.F.P.A" National Fire Protection Association" y "U.L." "Underwriters Laboratories Inc." de los Estados Unidos;adaptadas a nuestras necesidades as como a la disponibilidad de nuestro pasde materiales de uso.

Adelante, en forma condensada, se indican los puntos bsicos de estasdisposiciones, por lo tanto de acuerdo a ellas, se debern interpretar los planosde proyecto. En ningn caso se aceptaran modificaciones o substicionesbasadas en sistemas de teoras diferentes.

Si durante la construccin fuera necesario modificarse la localizacin de algn

elemento, recorrido de conductores ya sea en azotea o en bajadas, oelectrodos de tierra, estas modificaciones debern hacerse de acuerdo con laespecificacin aqu indicada y previa la solucin de la direccin de la obra.

3.2 DIFERENTES TIPOS DE EDIFICIOS A CONSIDERAR PARA LAPROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS.

Para el objeto de estas normas, se puede considerar que los edificios sedividen en dos categoras cada una en dos tipos diferentes.

Clasificacin general.

1. Basada en la altura de los edificios.2. Basada en la pendiente de los techos.


59/197


60/197

55

3.3 ESPECIFICACIONES.

Una vez definido y clasificado el edificio a proteger: las especificaciones queregirn para su proteccin contra descargas atmosfricas sern las que sedetallan a continuacin y sern aplicadas de acuerdo con la clasificacin que lecorresponda.

Estas especificaciones se dividen en dos:

A. Especificaciones sobre materiales

B. Especificaciones sobre instalaciones.

3.3.1 A.-Especificaciones sobre materiales.

Generalidades.- Los materiales empleados en el sistema de proteccin contradescargas atmosfricas deben ser resistentes a la corrosin y han de estardebidamente protegidos contra ella. No utilizar combinacin alguna de

materiales que formen un par elctrico de tal naturaleza que la corrosin seacelere en presencia de humedad.

Los pararrayos debern estar construidos con los siguientes materiales:

a) Cobre . Cuando se use cobre, el mismo deber ser de la calidad quenormalmente se exige para los trabajos elctricos industriales,

generalmente especificados teniendo 95% de conductividad.b) Aleaciones de cobre . Estas debern ser, sustancialmente, tan

resistentes a la corrosin como el cobre en igualdad de condiciones.c) Diseo. Los diseos de los materiales que se utilicen en proteccin

contra rayos debern ser los que permiten el mejor aprovechamiento delos materiales y que, adems, sean adecuados para cada funcindeterminada. Su diseo ser especialmente para pararrayos.


61/197

56

En ningn caso se aceptaran improvisaciones con materiales diseados yconstruidos para otros fines.

A-1 Terminales areas o puntas .- Las terminales areas, debern serfabricadas con varilla maciza de cobre electroltico.

Su dimetro ser de 13 milmetros y el largo de las mismas habr de ser talque su extremo cnico quede a menos de 25 centmetros del objeto que hayade protegerse.

Las terminales areas estarn soportadas por bases fundidas y sujetasdirectamente a ellas, mediante una cuerda roscada de no menos de 5 hilos,para su mayor conservacin y presentacin, debern ser niqueladas ocromadas.

Cuando se unen terminales areas de ms de 60 metros estas debern quedarsustentadas por tripies unidos en forma rgida y permanente al edificio.

El punto de sustentacin de estos tripies con las terminales deber quedarcuando menos a la mitad de su altura (VER EN ANEXOS FIGURA 38 Y 39).

A-2.-Conductores .- Los conductores que se emplearn para estasprotecciones, debern estar diseados y fabricados especialmente parapararrayos. Estarn trenzados con alambres de cobre suave del calibreindicado adelante, y debern tambin ofrecer en peso y conductividad lo que

sealan estas especificaciones; para usarse en edificios clase I o clase II ,segn sea el caso.

No se aceptarn conductores de cobre duro o semi-duro normalmente usadospara sistemas de tierras u otros usos elctricos.

Los conductores para interconexin, de sistema metlicos, de conduccin de

agua, de calefaccin por agua caliente, o bien masas metlicas que tengan


62/197

57

baja resistencia a tierra, debern tener la misma medida que el conductorprincipal.

Requer im ientos m nim os d e con duc tores

CONCEPTOEDIFICIOS

CLASE 1

EDIFICIOS

CLASE ll

CALIBRE MINIMO DE

CADA HILO

17 AWG. 15 AWG.

PESO POR METRO

LINEAL

278 GRS. 558 GRS.

CONDUCTIVIDAD 57,400 CM. 115,000 CM.

AREA 29 mm 2 58 mm 2

A-3.- Bases, conectores y desconectadores. -Todo el materialempleado en estas instalaciones para cruces, derivaciones yempalmes, as como las bases para terminales areas, abrazaderaspara tierra y desconectadores de tierra debern ser fundidos en alguna

aleacin de cobre con un espesor mnimo, de 2.38 mm 2

A-4.- Terminales a tierra o electrodos.- Las terminales a tierradebern ser de acero chapado con cobre, de cobre macizo o de aceroinoxidable de 13 mm de dimetro y de 2.44 mts. De largo, comodimensiones mnimas o bien rehiletes construidos con lmina de cobrecal. 20 como mnimo, y una superficie de contacto no menor a 0.20 m2.
http://mts.de/http://mts.de/


63/197

58

A-5.-Abrazaderas para cable.- Las abrazaderas para sujetar losconductores debern ser resistentes a toda rotura, y debern ser, juntocon los clavos, tornillos o pernos con que se fijen, del mismo material queel conductor.

A-6.-Prevencin de daos mecnicos.- Cuando cualquier parte de unsistema de proteccin este expuesto a daos mecnicos, deberprotegrsele recubrindola con una cubierta moldeada o tubera.

Si en torno del conductor se utilizan tubos o conductos de un metal ferroso,el conductor deber estar elctricamente conectado por sus extremos a la

tubera o ducto.

3.3.2 B. Especificaciones sobre instalaciones

B-1-A: Instalacin de terminales areas o puntas en techos inclinados.

Las terminales areas se debern colocar en la cumbrera de lostechados, a intervalos de no ms de 6.00 m., salvo cuando se trate determinales areas de 0.60 m. o ms altas, a las que se podr colocar aintervalos no mayores de 7.60 m. Las terminales areas debern colocarsea 0.60 m. o menos de los extremos de las cumbreras o los bordes v ngulosde los techados ( VER EN ANEXOS FIGURA 40)

B-1-B Instalacin de terminales areas o puntas en azoteas planas o dependiente ligera.

En las azoteas o techos de pendiente ligera, las terminales areasdebern ir localizadas en torno al permetroCuando se trate de edificios que excedan los 15 m. de ancho, debernadems llevar terminales areas adicionales a intervalos no mayores de15 m. en las zonas intermedias.Los intervalos entre terminales no sern mayores de 6 m. en los permetrosy de 15 m. en las zonas intermedias.


64/197

59

Como en el caso anterior, cuando se usen terminales areas de 0.60 m., losintervalos de los permetros no debern ser mayores de 7.60 m. Los techadoscon pendiente ligera son los que tienen una extensin de 12 m. o menos y unapendiente de 1/8 o los que tienen una anchura de ms de 12 m. y una pendientede 1/4 o menos (VER ANEXOS FIGURA 41).

B-I-C Instalacin de terminales areas en salientes con techos inclinados.

Los salientes que tienen la misma, o mayor altura que el techado principal,deben protegerse con terminales areas, cable, conductores de bajadas y tomade tierra en la forma normalmente especificada. Los salientes localizadosabajo de la cumbrera principal necesitan proteccin en todas las superficiesque sobresalgan de una zona de proteccin, segn relacin de 2 a 1 (VERANEXOS FIGURA 42).

B-1-D Instalacin de terminales areas en azoteas con salientes en sus

permetros.

Cuando existen salientes en los permetros de las azoteas planas, seconsiderar que el borde de la azotea es continuo, y se colocarn terminalesareas a una distancia no mayor de 0.60 m, de las salientes ms prominentesdel borde del techado, (VER ANEXOS FIGURA 43).

B-1-E Proteccin proporcionada por terminales areas instaladas sobreedificios o niveles altos a zonas situadas en niveles ms bajos.

Se considera que los edificios que no rebasan los 7.50 m. sobre el nivel delsuelo, protegen las zonas situadas en niveles ms bajos formando una zonade proteccin, segn una relacin de 2 a 1, (VER ANEXOS FIGURA 44).

.


65/197

60

Para las construcciones hasta de 15 m. de altura sobre el nivel del suelo, seconsidera que estas ofrecen tambin una zona de proteccin en la misma formaque para el caso anteriormente mencionado, pero con una relacin de 1 a 1,(VER ANEXOS FIGURA 45).

Se considera

tierras y parrarayos

Documents