UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA.

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS,

EELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.

“DISMINUCIÓN DE DAÑOS POR DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS EN LA RED ELÉCTRICA”

Trabajo de Investigación Previo

a la Obtención del Título de

Ingeniero Eléctrico.

Investigador:

Tnlg. José Gonzalo Guanoquiza Fajardo.

Director:

Ing. Giovanni Lafebre.

CUENCA – ECUADOR

2010-2011

CERTIFICACIÓN

ING. GIOVANNI LAFEBRE

CERTIFICA:

Haber dirigido y revisado prolijamente cada uno de los capítulos del

presente Trabajo de Investigación cuyo tema es “DISMINUCIÓN DE

DAÑOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA RED

ELÉCTRICA” realizado por el Tnlg. Gonzalo Guanoquiza Fajardo.

f…………………………………..

Ing. Giovanni Lafebre

RESPONSABILIDAD

Todas las opiniones, comentarios y textos incluidos en este trabajo

Investigación, son de absoluta responsabilidad de su autor.

f……………………………………………

Tnlg. Gonzalo Guanoquiza Fajardo.

DEDICATORIA

A la memoria de mi digna madre que siempre estuvo

apoyándome en todo momento. Aida Fajardo. A mi padre

por darme apoyo para seguir adelante. Cesario

Guanoquiza. A toda mi familia que de una u otra forma

siempre estuvieron conmigo.

AGRADECIMIENTO

A Dios por darles la oportunidad a mis padres de

traerme a este mundo y de colmarles de bendiciones

para que hicieran de mi una persona respetuosa,

responsable y sentirme orgulloso de ellos que me han

dado la vida y con su esfuerzo me pusieron un día en

este camino para poder terminar una meta en mi vida

¨Gracias Señor¨

NDICE GENERAL

C A P Í T U L O I

INTRODUCCIÓN………………………………………………………….…….1

1.1 ¿Que es una descarga atmosférica y como se produce?...................2

1.1.2 Concepto de descarga atmosférica...……………………..……………2

1.1.3 ¿Como se produce una descarga atmosférica?……………………...3

1.2 Equipos y materiales………………………………………………………..5

C A P Í T U L O II

ATERRAMIENTO ADECUADO PARA LA RED ELÉCTRICA

2.1 Aterramiento para la red eléctrica…….……..………………………...….7

2.1.1 Aterramiento……………………………………………………………….7

2.1.2 Preparación del terreno…………………………………………………..8

2.1.2.1 La tierra y la resistividad...……………………………………………..8

2.1.2.1.1 Sales solubles………………………………………………………...9

2.1.2.1.2 Composición propia del terreno……...……………………………10

2.1.2.1.3 Estratigrafía………………………………………………………….10

2.1.2.1.4 Granulometía………...……………………………………………...10

2.1.2.1.5 Estado Higrométrico…..……………………………………………10

2.1.2.1.6 Temperatura…………………………………………………………11

2.1.2.1.7 Compactación……………………………………………………….11

2.1.2.1.8 Anisotropía………...………………………………………………...11

2.1.3 Medición de la resistividad del terreno………………………………..11

2.1.3.1 Telurómetro……..……………………………………………………..12

2.1.3.2 Métodos de medición…………………………………………………13

2.1.3.2.1 Método de wenner………………………………………………….13

2.1.3.2.2 Método de schlumberger…………………………………………..15

2.1.4 Métodos para la reducción de la resistencia eléctrica………………16

a) El aumento del número de electrodos en paralelo…….………………..17

b) El aumento de la longitud y el diámetro de los electrodos……………..18

c) El aumento de la distancia entre ejes de los electrodos………………..18

d) Cambio del terreno existente por otro de menor resistividad…….19

e) Tratamiento químico, electrolítico del terreno. ...………………………..20

e.1) Tipos de tratamiento químico……..…………………………………….21

e.1 a) Cloruro de sodio + carbón vegetal…..……………………………….21

e.1 b) Bentonita……..…………………………………………………………22

e.1 c) Thor-gel…...……………………………………………………………..23

e.1 c.1) Método de aplicación del thor-gel...………………………………..23

e.1.1) Características principales de los tratamientos químicos……........24

2.1.5 Finalidad de las puestas a tierra……………………………………….24

2.2 Pararrayos………………………………………………………………….25

2.4.1 Modo de funcionamiento………………………………………………26

2.4.2 Funciones y principios de operación de los pararrayos…………….26

2.4.3 Voltaje de operación permanente uc………………………………….27

2.4.4 Voltaje nominal del pararrayo ur……………………………………....28

2.4.5 Nivel de protección a impulsos atmosféricos……..…………….……29

2.4.6 Voltaje normalizado resistido de impulso (bil)………………………..29

2.4.7 Sobrevoltaje temporal utov…………………………………………….30

2.4.8 Voltajes superiores al nivel de protección a impulsos atmosféricos

del los pararrayos………………………………….…………………………..31

2.4.8.1 Procesos de ondas progresivas……………………….…………….31

2.4.8.2 Caídas de voltaje inductivos…..…………………………………….32

2.4.8.3 Corrientes de descarga mayores que la corriente nominal…..….32

2.5 Incrementación de pararrayos……………………………………………33

2.5.1 Selección y revisión de los niveles de protección……………………33

2.6 Ubicación de los pararrayos………...……………………………………36

2.6.1 Estudios climatológicos………………………………………………...36

2.6.2 Condiciones ambientales……………………………………………….37

C A P Í T U L O III

CONDUCTORES ADECUADOS Y DE CALIDAD

3. 1 Conductores……………………..………………………………………..38

3.2 Tipos de conductores………………………………..……………………39

3.2.1 Hilo de guarda………...…………………………………………………39

3.2.1.1 Impacto directo sobre el cable de guarda……...…………………..41

3.2.2 Torres o apoyos…...……………………………………………………42

3.3 Conductores eléctricos..……….………………………………………….42

3.2.3.1 Los conductores de aluminio desnudo………..……………………43

3.2.3.2 Conductores de cobre desnudo…………………………………….44

3.3 Disminución de fallas en los conductores. .…………………………….44

3.3.1 Fallas de blindaje descargas directas…..…………………………….45

C A P Í T U L O IV

Equipos de protección…………………...…………………………………...47

4.1 Equipos limitadores de sobretensiones…………………………………48

4.1.1 Los descargadores…..………………………………………………….48

4.1.1.1 Descargadores de sobretensiones de media tensión…………….50

4.1.1.2 Elección de los descargadores de sobretensiones de media

tensión…………………………………………………………………………..51

4.1.2 Los varistores óxido de zinc……..…………………………………….52

4.1.3 Diodos supresores…..………………………………………………….53

4.2 Incrementación de equipos de protección………………………………53

4.2.1 Funcionamiento general………..………………………………………53

4.2.2 Niveles de protección..…………………………………………………54

4.3 Planificación de la ubicación para la instalación de equipos………..54

4.3.1 Tecnologías de los dispositivos de protección de sistemas de

energía………………………………………………………………………….55

4.3.1.1 Protección contra rayos, clase I……………………………….…….55

4.3.1.2 Protección contra sobretensiones, clase II……………….………..56

4.3.1.3 Protección contra sobretensiones, clase III………………………..58

4.4 Ubicación de los equipos….……………………………………………...58

4.4.1 Normalización………………………………………………………...….59

4.4.2 Protección de las líneas de energía…………………………………..60

4.4.3 Protección de las líneas de telefonía y transmisión de datos…...…61

C A P Í T U L O V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones……………………………………………………………….63

5.2 Recomendaciones……………………………………………………..….64

ÍNDICE DE FIGURAS

C A P Í T U L O I

Figura 1: Descarga de un rayo…………………………………………..…….4

C A P Í T U L O II

Figura 2: Método de Wenner…………………………………………………14

Figura 3: Método de Schlumberger………………………….………………16

Fiura 4: Dos tipos de pararrayos………….………………………………….25

Figura 5: Voltajes de un sistema de energía eléctrica de alto voltaje……27

Figura 6: Disposición de un pararrayo……………………………………….32

C A P Í T U L O IV

Figura 7: Propagación de sobretensiones en una línea eléctrica……...…51

Figura 8: Estructura modular del DEHNmid……………………..………….52

Figura 9: Muestra el comportamiento de un descargador tipo vía de

chispas……………………………………………………………………..……56

Figura 10: Curva U / I para un Varistor……………………………………...57

Figura 11: Principio de Protección escalonada…………………..…………59

1

C A P Í T U L O I

Introducción

En la naturaleza existen factores que no son predecibles, como son las

tormentas y precipitaciones.

Estas precipitaciones vienen acompañadas por descargas atmosféricas

también conocidas como rayos, los cuales al descargase en las redes

eléctricas pueden ocasionar daños irreparables en todos los

equipamientos que están conectadas a la red eléctrica que es la que

distribuye energía.

Para lograr reducir estos daños existen métodos y estrategias como son

los aterramientos, pararrayos y conductores que son dimensionados

acorde a las especificaciones técnicas con las que son elaborados.

Estos métodos nos permitirán reducir los daños que pueden ocasionar las

descargas atmosféricas, teniendo que proteger los equipamientos que

están expuestos a estos fenómenos de la naturaleza.

Teniendo en cuenta que la red eléctrica es la que transporta energía para

el desarrollo de la sociedad, se necesita conocer las causas y las

soluciones para esas causas, tomando en cuenta diversos factores se ha

recolectado información de cómo se puede disminuir los daños de las

descargas atmosféricas.

Las descargas atmosféricas causan serias perturbaciones en las redes

aéreas de transmisión y distribución de energía eléctrica, antes de

provocar daños materiales en las construcciones atendidas por ellas, sin

contar los riesgos de vida a que las personas o animales están

sometidas.

2

Las descargas atmosféricas inducen ciertas tensiones que llegan a

centenas de kV en las redes aéreas de transmisión y distribución de las

concesionarias de energía eléctrica, obligando a utilizar cables de guardia

a lo largo de las líneas de tensión más elevadas y pararrayos para la

protección de equipos instalados en ese sistema.

Por lo cual los seres humanos tenemos que tomar en cuenta las

magnitudes de los daños que pueden ocasionar al descargarse en las

redes eléctricas, las cuales causan grandes daños en los equipos que

están conectados a la red eléctrica.

1.1 ¿QUE ES UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA Y COMO SE

PRODUCE?

1.1.2 CONCEPTO DE DESCARGA ATMOSFÉRICA.

Se estima que en nuestro planeta existen simultáneamente unas 2000

tormentas y que cerca de 100 rayos se descargan sobre la Tierra cada

segundo.

En total ello representa unas 4000 tormentas diarias y unos 9 millones de

descargas atmosféricas cada día.

Las descargas atmosféricas son impredecibles. En tan sólo millonésimas

de segundo los rayos pueden descargar intensidades de 200 kA

(ocasionalmente 500 kA), con una energía total que podría elevar el

trasatlántico unos 50 cm sobre el agua. La energía media disipada por

unidad de longitud del canal de descarga formado por un simple rayo es

de 105 J/m, equivalente a uno 100 kg. De dinamita. Llega a alcanzar

longitudes de unos 3km., una potencia de 20 billones de vatios y una

temperatura de 30.000 ºC.

Las tensiones que se ponen en juego en las descargas atmosféricas,

según las estimaciones más verosímiles, son del orden de 5 a 10 kV/cm.

3

De todo ello se deduce que la energía de la descarga es relativamente

pequeña por el corto período de tiempo que entra en juego. Sin embargo,

la potencia es grande dado que los valores de tensión e intensidad son

muy elevados y el del tiempo, muy pequeño. La cantidad de electricidad

que interviene en este fenómeno está comprendida entre 10 y 20

culombios.

1.1.3 ¿COMO SE PRODUCE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA?

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de

cargas de un campo eléctrico 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 éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes,

y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más

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 montañas o en estructuras altas, por lo que no los

tomaremos en cuenta en lo subsiguiente.

Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en

nubes de tormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente

miden de 3 a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un

rompimiento dieléctrico atmosférico.

Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50

metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.

Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la

descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de

unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto

puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas,

aún desde una parte metálica debajo de una torre.

4

Figura 1: Descarga de un rayo¹

La figura 1 muestra el rayo producido por una nube cargada

negativamente contra tierra.

Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, 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 más rápidos, aunque la velocidad de las

descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La

primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y

13 x 10E7 m/s.

Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de

potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de

estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes

corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que

conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube

cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra

directamente debajo de ella.

El campo eléctrico 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.

¹._Tomado de la pagina web http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html

5

Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de

energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento

intranube de unos 40 culombios.

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

contrapartes negativas, por lo que son muy estudiados. En general no

exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden

más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes

altas.

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída 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.

Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una

descarga.

Se aborda especialmente el tema de Sistemas de Puesta a Tierra y

Protección Contra Descargas Atmosféricas, como consecuencia de la

gran cantidad de interrogantes que surgen actualmente a los estudiantes

al toparse con este tipo de sistemas en el transcurso de su estudio.

1.2 EQUIPOS Y MATERIALES.

Ingenieros eléctricos se han especializado en atender los requerimientos

del Sector Eléctrico e Industrial en lo referente a equipos para montaje,

medición, monitoreo y protección de instalaciones eléctricas de descargas

atmosféricas en Alta, Media y Baja Tensión.

Las instalaciones eléctricas y electrónicas, el proceso de datos, los

ordenadores, los sistemas de CAD/CAM, “Diseño asistido por ordenador

(computer-aided design – CAD), y Fabricación asistida por ordenador

(computer-aided manufacturing – CAM)”. Los aparatos de medición,

control y regulación, etc. constituyen una parte cada vez más importante y

6

necesaria de nuestra vida hasta el punto de que parecería indispensable

no poder contar con ellos en la mayoría de los procesos de producción,

de los centros informáticos, en la construcción o la administración e

incluso en el ámbito de la vida privada.

En el corazón de tales instalaciones se encuentran circuitos electrónicos

altamente integrados que concentran en unos milímetros cuadrados miles

de unidades funcionales distintas. Se esconde allí toda la potencia del

proceso pero también la vulnerabilidad del mismo, pues un fallo en los

equipos significará para la empresa pérdidas financieras importantes.

Entre los potenciales factores de interferencia más peligrosos para

cualquier instalación que se precie, se encuentra el fenómeno de las

sobretensiones.

Las perturbaciones atmosféricas o los procesos de conmutación en las

redes de alimentación pueden provocar gravísimos daños a la instalación

y fallos en la producción. Dichos daños materiales y los derivados de tales

fallos se evalúan en centenares de cientos de miles de dólares. Incluso

una sobretensión muy pequeña, de menos de 10 V puede tener como

consecuencia la destrucción de elementos cada vez más sensibles y el

colapso total de una instalación.

Para evitar tales problemas, conviene tomar medidas preventivas en

cuanto a seguridad, capaces de garantizar la capacidad de

funcionamiento de todas las partes de la instalación existentes en las

redes y los edificios aun en el caso de que se vean afectados por los más

elevados fenómenos de sobretensiones.

Con esta orientación se crea un extensísimo programa de elementos de

protección contra sobretensiones basados en vías de chispas,

descargadores abiertos, de contorneo deslizante, de gas, varistores,

diodos supresores y pararrayos cuya adecuada combinación en la red

dará lugar a la más elevada de las protecciones.

7

C A P Í T U L O II

Aterramiento adecuado para la red eléctrica.

Tomando en cuenta muchos factores que conllevan para tener un

aterramiento adecuado para la red, se han hecho un sinnúmero de de

estudios, para tratar de disminuir los daños que provoca la naturaleza, con

sus descargas sobre las redes eléctricas que son las que distribuyen la

energía eléctrica.

Los aterramientos o también conocidos como puestas a tierra, son de

suma importancia porque son los encargados de absorber las descargas

atmosféricas y de esta manera dar protección, tanto los equipos que

están conectados a la red como a las personas que los manipulan.

Los aterramientos se deben construir a lo largo de la red eléctrica, previo

estudios que se deben hacer al terreno, y a los materiales que se

utilizaran para su construcción.

2.1 ATERRAMIENTO PARA LA REDE ELÉCTRICA.

2.1.1 ATERRAMIENTO

Aterramiento o puesta a tierra es la conexión de un equipo a través de un

conductor hacia tierra. La tierra está compuesta por muchos materiales

los cuales pueden ser buenos o malos conductores de la electricidad,

pero la tierra como todo es considerada como un buen conductor. La

puesta a tierra comprende cualquier conexión metálica sin fusible ni

protección alguna de sección suficiente, entre una parte de una

instalación y una varilla llamada electrodo o placa metálica de

dimensiones y situaciones tales que, en todo momento se puede asegurar

que los elementos se encuentran al mismo potencial de tierra.

8

Objetivos del aterramiento:

a) Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la

operación de descarga en condiciones de falla.

b) Asegurar que las personas que estén cerca de las redes, no queden

expuestos a potenciales inseguros en régimen permanente en

condiciones de falla.

c) Mantener los voltajes del sistema dentro de los límites razonables bajo

condiciones de falla. (Descargas atmosféricas, ondas de maniobra o

contacto inadvertido con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se

exceda el voltaje de ruptura dieléctrica del aislante.

d) Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan

conductores o equipos eléctricos.

2.1.2 PREPARACIÓN DEL TERRENO.

Para un adecuado aterramiento se debe preparar adecuadamente el

terreno, para lo cual realizamos análisis del terreno en donde se realizara

la puesta atierra y las respectivas mediciones de resistividad del terreno.

2.1.2.1 LA TIERRA Y LA RESISTIVIDAD.

En los sistemas de aterramiento el factor más importante de la resistencia

a tierra no necesariamente es el electrodo, si no la resistencia del suelo

mismo por lo cual es sumamente importante y es uno de los requisitos

conocerla para calcular y diseñar puestas a tierra de un sistema.

La resistividad del suelo es la propiedad que tiene para conducir

electricidad, es conocida también como la resistencia del terreno. En su

medición se promedian los efectos de las diferentes capas de las que está

compuesto el terreno, estas diferentes capas no suelen ser uniformes en

9

cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina “Resistividad

Aparente” también se la conoce como “Resistividad del Terreno”.

En la NOM-022-STPS-1999 se define el término resistividad, como la

resistencia que ofrece el paso de la corriente un cubo de un metro por

lado.

De acuerdo con la NOM-008-SCFI-1993, su representación

dimensional debe estar expresada en Ohm-m, cuya acepción es utilizada

internacionalmente.

La resistividad del terreno varía notablemente a lo largo y ancho del globo

terrestre. Está se la determinada por las siguientes variaciones:

Sales solubles

Composición propia del terreno

Estratigrafía

Granulometría

Estado higrométrico

Temperatura

Compactación

Anisotropía

2.1.2.1.1 SALES SOLUBLES

La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad

de electrolitos; esto es por la cantidad de humedad, minerales y sales

minerales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal

(NaC1) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero para

valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta.

10

2.1.2.1.2 COMPOSICIÓN PROPIA DEL TERRENO.

Depende de la naturaleza del mismo terreno. Por ejemplo, el suelo de

arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una

varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200

ohms respectivamente. En cambio la resistividad de un terreno rocoso es

de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra

de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente

imposible.

2.1.2.1.3 ESTRATIGRAFÍA

El terreno es diferente en sus capas. En los tres metros de longitud de

una varilla electrodo común, en su penetración se encuentran al menos

dos capas diferentes de suelos que dan diferentes tipos de resistividad.

2.1.2.1.4 GRANULOMETÍA

Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y

sobre la calidad de contacto con los electrodos aumentando la resistividad

con el mayor tamaño de los granos de la tierra.

2.1.2.1.5 ESTADO HIGROMÉTRICO

La humedad y el agua influyen directamente. Su valor cambia con el

clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la

resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de

la humedad se reduce a menos del 15% de peso de éste. Pero, un mayor

contenido de la humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad

sea prácticamente constante. Y puede tenerse el caso de que en tiempo

de secas resistividad, un terreno puede tener tal resistividad que no

pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por estas razones el

sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor

de los casos.

11

2.1.2.1.6 TEMPERATURA

Al descender la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese

aumento se nota más cuando llega a los 0°C, hasta el punto que, es

mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el

movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la

tierra.

2.1.2.1.7 COMPACTACIÓN

La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del

mismo. Por ello se procurará siempre colocar los electrodos en los

terrenos más compactos posibles.

2.1.2.1.8 ANISOTROPÍA

En muchas sustancias la medida de los índices de refracción es distinta

para cada dirección de espacio, de tal manera que se pueden detectar

ciertas diferencias en función de la cara que recibe la luz y de la

trayectoria que esta lleve. Queda claro que las propiedades estructurales

de la materia son dependientes de la dirección en que se observen. A

este hecho se lo denomina Anisotropía.

2.1.3 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la

profundidad y el grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para

encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una

subestación, sistemas eléctricos, electrónicos, planta generadora o

trasmisora de radiofrecuencia, descargas atmosféricas. A si mismo puede

ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.

El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a

tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

12

Para medir la resistencia del suelo se requiere de un terrómetro (llamado

en otros países telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales.

Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación,

pueden ser de dos tipos, de tipo de compensación de equilibrio en cero y

el de lectura directa. Nosotros utilizaremos como equipo el telurómetro.

2.1.3.1 TELURÓMETRO

Concepto._ Es un equipo digital de alta frecuencia diseñado para la

medición de puestas a tierra, miden la resistencia de puesta a tierra y la

resistividad por el método de Wenner.

El telurómetro debe inyectar una corriente de frecuencia que no sea de

60 Hz para evitar que se midan voltajes y corrientes que no se deban al

aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo, si estamos cerca de una

subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de

resistividad y resistencia del suelo, con un aparato de 60Hz, dichos

sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos

electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea.

El Telurómetro tiene cuatro terminales dos de corriente (C1, C2) y dos de

potencia (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. El

telurómetro debe estar certificado y probado en el campo con una

resistencia antes de realizarlas mediciones.

Como la medición es puntual, se debe hacer las mediciones en un

sentido, en otro a 90 grados del primero, y en el sentido de las

diagonales. En la medición de la resistividad de un terreno es común

encontrar valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por

lo que es una práctica común de una tabla con lecturas, el eliminar los

valores que estén 50% arriba o abajo del promedio aritmético de todos los

voltejes capturados.

13

2.1.3.2 MÉTODOS DE MEDICIÓN.

Hay varios métodos de medición pero nosotros tomaremos dos de ellos

como referencia:

Método de Wenner y el método de Schlumberger.

2.1.3.2.1 MÉTODO DE WENNER.

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la

teoría de este método de prueba, y la ecuación que lleva su nombre.

Para medir la resistencia de suelo se insertan los cuatro electrodos en el

suelo. Se colocan en línea recta y con la misma profundidad de

penetración, las mediciones dependerán de la distancia de los electrodos

y la resistividad del terreno.

El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa

o de baja frecuencia atreves de la tierra entre dos electrodos C1 y C2, el

potencial se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos están enterrados

en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida

como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una

función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.

14

Figura 2: Método de Wenner.

En la figura se observa esquemáticamente los electrodos, los exteriores

reciben la corriente y en los interiores se miden el potencial. La

resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:

Donde:

p: Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m

a: Distancia entre electrodos en metros.

b: Profundidad de enterrado de los electrodos en metros.

r: Lectura del telurómetro en ohms.

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de

separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, se puede aplicar la

siguiente fórmula simplificada.

15

De donde:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la

resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la

separación de los electrodos. Como ejemplo, si la distancia entre

electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es

de 0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3

metros, es de 8.141 ohm-m según la fórmula completa y de 8.105 ohms-m

según la fórmula simplificada.

Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados

unas de otras para que no sean afectadas por estructuras metálicas

subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio.

2.1.3.2.2 MÉTODO DE SCHLUMBERGER.

Este método es una modificación del método de Wenner, ya que también

emplea cuatro electrodos, pero en este caso la separación entre los

electrodos centrales o de potencial, se mantiene constante, y las

mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a

partir de los interiores, a distancia múltiplos de la separación base de los

electrodos internos.

En este método la resistividad viene dada por la siguiente fórmula:

p=2*π*R*(n+1)*na

Donde:

p: Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m

a: Distancia constante entre electrodos en metros.

16

n: separación de los electrodos exteriores.

R: Lectura del telurómetro en ohms.

Figura 3: Método de Schlumberger.

Este método es de gran utilidad cuando se requiere conocer las

resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas

mediciones como con el método de Wenner. Se utiliza también cuando los

aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda

hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas

por estructuras subterráneas.

2.1.4 MÉTODOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA

ELÉCTRICA.

Existen distintos métodos para lograr la reducción de la resistencia

eléctrica, aunque todos ellos presentan un punto de saturación que es

conveniente conocer para evitar diseños antieconómicos.

Los métodos para la reducción son los siguientes:

a) El aumento del número de electrodos en paralelo.

b) El aumento de la longitud y del diámetro de los electrodos.

c) El aumento de la distancia entre ejes de los electrodos.

d) El cambio del terreno existente por otro de menor resistividad.

17

e) El tratamiento químico electrolítico del terreno.

a) EL AUMENTO DEL NÚMERO DE ELECTRODOS EN PARALELO.

La acción de aumentar el número de electrodos conectados en paralelo

disminuye el valor de la "Resistencia Equivalente", pero esta reducción no

es lineal puesto que la curva de reducción tiene tendencia asintótica a

partir del 6to. Ó 7mo. electrodo y además existe el fenómeno de la

resistencia reciproca.

Suponiendo un medio ideal en el que la resistividad del terreno

homogéneo es de 600 Ω-m y se clava un electrodo estándar de 2.4 m

donde:

K= (ln2l/d)/2πl

l= longitud del electrodo.

d= diámetro del electrodo.

La fracción vale 0.49454 por lo tanto

R = (ρ/2πl)*(ln2l/d)/2πl)

R = 600 x 0.49454 ≈ 300 Ω

Según la ecuación de sumatoria de resistencias en paralelo, al aumentar

un electrodo, (el segundo) obtendríamos aproximadamente 150 Ω al

aumentar un electrodo, (tercero) 100 y para llegar a 5 Ω tendríamos que

clavar 60 electrodos tal como se muestra en la siguiente ecuación.

5Ω =

18

b) EL AUMENTO DE LA LONGITUD Y EL DIÁMETRO DE LOS

ELECTRODOS.

La longitud del electrodo está en función a la resistividad y profundidad de

las capas del terreno, obviamente se prefiere colocar el electrodo dentro

de la capa de menor resistividad.

Por otro lado debemos indicar antes de proseguir con las demás variables

que los resultados están ligados íntimamente a la resistividad del terreno

donde se está trabajando, teniendo valores variables entre 200 a 600 Ω-m

en condiciones normales, si aplicamos la fórmula de la Resistencia:

R = (ρ/2pi l) *Ln (2l/d)

En el mejor de los casos conseguiremos una Resistencia de ≈ 0.5ρ con

un electrodo de dimensiones comunes y usuales; luego al aplicar la

reducción recomendada se podrá llegar en el mejor de los casos a ≈ 0.1ρ

lo cual en la práctica nos resulta un valor de aproximadamente 20 Ω para

el caso más favorable; siendo este valor muy alto para Sistemas de Tierra

usados en Pararrayos, Centros de Cómputo y Telefonía.

El aumento en el diámetro del electrodo tiene que ser mayúsculo para que

su aporte reduzca significativamente la resistencia, debido a que en la

fórmula de la resistencia el producto de la longitud x el diámetro del

electrodo se multiplica por un logaritmo natural.

c) EL AUMENTO DE LA DISTANCIA ENTRE EJES DE LOS

ELECTRODOS.

Normalmente la distancia entre ejes de los electrodos debe ser ≥ 4L

siendo l la longitud del electrodo; pero en los casos donde se requiera

obtener resistencias eléctricas muy bajas y exista disponibilidad de área

de terreno, las distancias entre de los electrodos, deberán ser lo máximo

posible; pues a mayor distancia entre ejes de electrodos, mayor será la

19

reducción de la resistencia a obtener; y ello por el fenómeno de la

resistencia mutua entre electrodos.

d) CAMBIO DEL TERRENO EXISTENTE POR OTRO DE MENOR

RESISTIVIDAD.

Los terrenos pueden ser cambiados en su totalidad, por terreno rico en

sales naturales; cuando ellos son rocosos, pedregosos, calizas, granito,

etc., que son terrenos de muy alta resistividad y pueden cambiarse

parcialmente cuando el terreno está conformado por componentes de alta

y baja resistividad; de modo que se supriman las partes de alta

resistividad y se reemplacen por otros de baja resistividad; uno de estos

procedimientos es el zarandeo del terreno donde se desechan las piedras

contenidas en el terreno.

El cambio total parcial del terreno deberá ser lo suficiente para que el

electrodo tenga un radio de buen terreno que sea de 0 a 0.50 m en todo

su contorno así como en su fondo.

La resistencia crítica de un electrodo se encuentra en un radio contorno

que va de 0 a 0.5 m de este, por lo que se tendrá sumo cuidado con las

dimensiones de los pozos para los electrodos proyectados.

El % de reducción en estos casos es difícil de deducir, debido a los

factores que intervienen, como son resistividad del terreno natural,

resistividad del terreno de reemplazo total ó parcial, adherencia por la

compactación y limpieza del electrodo, pero daremos una idea porcentual

más menos en función al tipo de terreno y al cambio total ó parcial.

Para lugares de alta resistividad donde se cambie el terreno de los pozos

en forma total, el porcentaje puede estar entre 50 a 70 % de reducción de

la resistencia eléctrica resultante.

20

Para terrenos de media resistividad donde se cambie el terreno de los

pozos en forma parcial ó total, el porcentaje de reducción puede estar

como sigue:

- Cambio parcial de 20 a 40 % de reducción de la resistencia eléctrica

resultante.

- Cambio total de 40 a 60 % de reducción de la resistencia eléctrica

resultante.

Para terrenos de baja resistividad donde se cambiará el terreno de los

pozos en forma parcial, el porcentaje de reducción puede estar entre 20 a

40 % de la resistividad natural del terreno.

La saturación en este caso se dará si cambiamos mayor volumen de tierra

que la indicada, los resultados serán casi los mismos y el costo será

mucho mayor, lo cual no se justifica.

e) TRATAMIENTO QUÍMICO, ELECTROLÍTICO DEL TERRENO.

El tratamiento químico del suelo surge como un medio de mejorar y

disminuir la resistencia eléctrica del SPAT sin necesidad de utilizar gran

cantidad de electrodos.

Para elegir el tratamiento químico de un SPAT se deben considerar los

siguientes factores:

-Alto % de reducción inicial.

-Facilidad para su aplicación.

-Tiempo de vida útil (del tratamiento y de los elementos del SPAT).

-Facilidad en su reactivación.

-Estabilidad (mantener la misma resistencia durante varios años).

21

Las sustancias que se usan para un eficiente tratamiento químico deben

tener las siguientes características:

- Higroscopicidad -Alta capacidad de Gelificación.

- No ser corrosivas -Alta conductividad eléctrica.

-Químicamente estable en el suelo -No ser tóxico.

- Inocuo para la naturaleza.

e.1) TIPOS DE TRATAMIENTO QUÍMICO.

Existen diversos tipos de tratamiento químico para reducir la resistencia

de un SPAT los más usuales son:

a) Cloruro de Sodio + Carbón vegetal.

b) Bentonita.

c) Thor-Gel.

e.1 a) CLORURO DE SODIO + CARBÓN VEGETAL.

El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera muy conductiva que se

precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación,

capilaridad y evapotranspiración; la solución salina tiene una elevada

actividad corrosiva con el electrodo, reduciendo ostensiblemente su

tiempo de vida útil, la actividad corrosiva se acentúa si el electrodo es de

hierro cobreado (copperweld). Si bien es cierto que el cloruro de sodio

disuelto en agua no corroe al cobre (por ser un metal noble) no es menos

cierto que la presencia de una corriente eléctrica convertirá al sistema,

Cobre - solución cloruro de sodio, en una celda electrolítica con

desprendimiento de cloro y formación de hidróxido de sodio en cuyo caso

ya empieza la corrosión del cobre.

22

El objetivo de la aplicación del carbón vegetal molido (cisco de

carbonería) es aprovechar la capacidad de este para absorber la

humedad del medio, (puesto que el carbón vegetal seco es aislante) y

retener junto a esta algunos de los electrolitos del cloruro de sodio que se

percolan constantemente.

e.1 b) BENTONITA.

Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales arcillosas

que no tienen composición mineralógica definida y deben su nombre al

hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton,

en los estratos cretáceos de Wyoming en 1848; Aun cuando las distintas

variedades de bentonitas difieren mucho entre sí en lo que respecta a sus

propiedades respectivas, es posible clasificarlas en dos grandes grupos:

- Bentonita Sódica.- En las que el ion sodio es permutable y cuya

característica más importante es una marcada tumefacción o

hinchamiento que puede alcanzar en algunas variedades hasta 15 veces

su volumen y 5 veces su peso.

- Bentonita Cálcica.- En las que el ion calcio es permutable, tiene menor

capacidad para absorber agua y por consiguiente solo se hinchan en la

misma proporción que las demás arcillas.

Las bentonitas molidas retienen las moléculas del agua, pero la pierden

con mayor velocidad con la que la absorben debido a la sinéresis

provocada por un exiguo aumento en la temperatura ambiente, al perder

el agua pierden conductividad y restan toda compactación lo que deriva

en la pérdida de contacto entre el electrodo y el medio, elevándose la

resistencia del pozo ostensiblemente, una vez que la Bentonita se ha

armado, su capacidad de absorber nuevamente agua es casi nula.

23

e.1 c) THOR-GEL.

Es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en

el terreno las soluciones acuosas de sus 2 componentes. El compuesto

químico resultante tiene naturaleza coloidal, formando una malla

tridimensional, que facilita el movimiento de ciertos iones dentro de la

malla, de modo que pueden cruzarlo en uno u en otro sentido;

convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico.

Tiene una gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla

manteniendo un equilibrio con el agua superficial que la rodea; esto lo

convierte en una especie de reservorio acuífero.

Rellena los espacios intersticiales dentro del pozo, constituyendo una

excelente conexión eléctrica entre el terreno (reemplazado) y el electrodo,

asegurando una conductividad permanente. Integradores de soluciones

en protección.

THOR-GEL® tiene el PH ligeramente básico y no es corrosivo con el

cobre, por lo que la vida media de la puesta a tierra con el producto

THOR-GEL®, será de 20 a 25 años, manteniéndola de vez en cuando si

la perdida de humedad es mayúscula y hay elevación de la resistencia

eléctrica.

e.1 c.1) MÉTODO DE APLICACIÓN DEL THOR-GEL.

El tratamiento consiste en incorporar al pozo los electrolitos que

aglutinados bajo la forma de un Gel mejore la conductividad de la tierra y

retenga la humedad en el pozo por un periodo prolongado de manera que

se garantice una efectiva reducción de la resistencia eléctrica y una

estabilidad que no se vea afectada por las variaciones del clima. La

cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del SPAT, varía de 1 a 3*, y

está en función a la resistividad natural del terreno.

24

e.1.1) CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS TRATAMIENTOS

QUÍMICOS.

Ninguna Sal en estado seco es conductiva, para que los electrolitos de las

sales conduzcan corriente se deben convertir en soluciones verdaderas o

en seudo soluciones, por ejemplo: el cloruro de sodio en agua forma una

solución verdadera lo mismo que el azúcar, el mismo cloruro de sodio

disuelto en benceno formara una seudo solución o dispersión coloidal

como también se le conoce.

2.1.5 FINALIDAD DE LAS PUESTAS A TIERRA.

Los objetivos principales de las puestas a tierra son:

1._Obtener una resistencia eléctrica de bajo valor para derivar a tierra

Fenómenos Eléctricos Transitorios (FETs.), corrientes de falla estática y

parásita; así como ruido eléctrico y de radio frecuencia.

2._Mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro

de los límites de seguridad de modo que las tensiones de paso o de toque

no sean peligrosas para los humanos y/o animales.

3._Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita

una rápida derivación de las corrientes defectuosas a tierra.

4._Proporcionar un camino de derivación a tierra de descargas

atmosféricas, transitorios y de sobretensiones internas del sistema.

5._Ofrecer en todo momento y por el tiempo de vida útil del SPAT (±20

años) baja resistencia eléctrica que permita el paso de las corrientes de

falla.

6._Servir de continuidad de pantalla en los sistemas de distribución de

líneas telefónicas, antenas y cables coaxiales.

25

2.2 PARARRAYOS

La protección de la red eléctrica se hace necesaria hoy en día por las

constantes descargas atmosféricas a las que está expuesto nuestro

planeta debido a los cambios climáticos que soportamos en estos

momentos, por lo que se nos hace necesario y urgente buscar alternativas

de protección contra estos fenómenos que la naturaleza nos brinda. La

implementación de protecciones puede ser muy intensa pero nos

limitaremos a estudiar solo uno de los tantos que existen, como son los

pararrayos.

DEFINICIÓN: Los pararrayos son conjuntos de dispositivos destinados a

la protección contra picos de descargas atmosféricas y sobretensiones de

maniobra. Su construcción en distintos materiales antifuego los

convierten en bastantes versátiles y seguros. Se muestran unos tipos de

pararrayos.

Fiura 4: Dos tipos de pararrayos²

²._Figuras tomadas de la ppagina web Pararrayosdistribucion pdf,Industrias de Aparellaje

Eléctrico, S.A. "INAEL".

26

2.4.1 MODO DE FUNCIONAMIENTO.

Los pararrayos son de tipo expulsión. Las fases del sistema y la tierra son

conectadas al pararrayos. Cada uno de los polos está conectado a un

centellador interno, formando un ¨GAP¨ a través del aire contenido en el

interior. Al llegar un pico de tensión al pararrayos, y éste alcanza la

tensión de ruptura, provoca un arco a través del centellador calibrado.

Este arco voltaico es enseguida alargado y apagado por un disco de

material especial combinado con una cámara de extinción, desviando

para la tierra las ondas de sobretensión producidas por las descarga.

2.4.2 FUNCIONES Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE LOS

PARARRAYOS.

Los pararrayos constituyen un auxilio indispensable para la coordinación

de aislamiento en los sistemas de suministro de energía eléctrica. La

figura muestra los voltajes que pueden aparecer en un sistema de energía

eléctrica de alto voltaje expresados en por unidad el valor de cresta del

máximo voltaje permanente entre fases y tierra, dependiendo de su

duración.

Se divide en forma aproximada el eje del tiempo en la gama de los

sobrevoltajes atmosféricos (microsegundos), sobrevoltajes de maniobra

(milisegundos), sobrevoltajes temporales (segundos), y por último el

máximo voltaje permanente de operación del sistema, ilimitada por el

tiempo. El voltaje o sobrevoltaje que puede alcanzar sin el uso de

pararrayos es de una magnitud de varios p.u.

En la figura se muestra voltajes de un sistema de energía eléctrica de alto

voltaje.

27

Figura 5: Voltajes de un sistema de energía eléctrica de alto voltaje³.

La característica distintiva de un pararrayos es su característica de voltaje

–corriente (U – I) extremadamente a lineal. Las corrientes que atraviesan

el pararrayos dentro de la gama de posibles voltajes de frecuencia

industria aplicados, son tan pequeñas que el pararrayos prácticamente se

comporta como aislador. Si se inyectan en el pararrayos corrientes de

impulso en el orden de los kiloamperios, tales como las que aparecen con

sobrevoltajes atmosféricos o de maniobra, el voltaje resultante en sus

terminales debe permanecer lo suficientemente baja, como para proteger

la aislamiento del aparato asociado, de los efectos del sobrevoltaje.

2.4.3 VOLTAJE DE OPERACIÓN PERMANENTE Uc.

Para este parámetro se usa el símbolo Uc de acuerdo a las normas IEC,

en los círculos angloamericanos el término usual es MCOV (Máximum

Continuos Operating Voltaje “Voltaje máximo de operación permanente”).

Es el valor eficaz de voltaje a frecuencia industrial al que puede operar el

pararrayo sin restricción alguna (IEC 60099-4, cláusula 9).

³._Tomada de la pagina web T10879CAP5.pdf" PARARRAYOS TIPO DESCARGADOR"

28

2.4.4 VOLTAJE NOMINAL DEL PARARRAYO Ur.

Es el valor eficaz máximo admisible de voltaje de frecuencia industrial

entre terminales del pararrayo, para el cual está diseñado para operar

correctamente en las condiciones de sobrevoltaje temporal establecidos

en los ensayos de funcionamiento y solo puede aplicarse temporalmente

un período de 10 segundos. Algunos fabricantes permiten un tiempo de

100 segundos. La característica muestra que bajo estas condiciones

existe una corriente permanente (mas precisamente, su componente

resistiva) de aproximadamente 1 mA, lo cual conduciría a un significativo

incremento de la temperatura del pararrayo. Una aplicación prolongada

del voltaje nominal podría tornar al pararrayo incapaz de refrigerarse, en

su lugar lo volverá térmicamente inestable hasta llegar a su auto

destrucción (avalancha térmica).

El voltaje de operación permanente y nominal de un pararrayo se

relaciona directamente entre sí por medio de un valor que casi siempre es

1.25, con solo unas pocas excepciones, y además, no dependen del

fabricante.

Con esto concluye la descripción del tramo de la característica U – I

correspondiente al voltaje de frecuencia industrial.

Continúa luego la curva dentro de un área en el cual aún a incrementos

mínimos de voltaje llevan a un significativo incremento de la corriente. Se

reserva esta para eventos transitorios dentro del rango de los

milisegundos y los microsegundos, correspondientes a sobrevoltajes de

maniobra y atmosféricos. La aplicación del voltaje de frecuencia industrial

en esta área de la característica destruiría al pararrayo en una fracción de

segundos

29

2.4.5 NIVEL DE PROTECCIÓN A IMPULSOS ATMOSFÉRICOS.

La característica en la región de corrientes superiores a 100

Amperios aproximadamente, describen las características de protección

del pararrayo.

Su parámetro más importante es el nivel de protección a impulsos

atmosféricos. Este representa la caída de voltaje que se produce entre

los terminales del pararrayo cuando circula la corriente nominal de

descarga a través del mismo.

La corriente mencionada es un impulso atmosférico de corriente de forma

normalizada, cuya amplitud se asigna según las diferentes clases, de 1.5

kA a 20 kA, de acuerdo a la norma IEC 60099-4. En sistemas de alto

voltaje con Us ≥ 123 kV son comunes los pararrayos de clases 10 kA y 20

kA.

2.4.6 VOLTAJE NORMALIZADO RESISTIDO DE IMPULSO (BIL).

Valor normalizado de un voltaje de ensayo de impulso atmosférico que se

usa en un ensayo de voltaje normalizado resistido para comprobar que el

aislamiento se ajusta al voltaje resistido requerido1. En la norma IEC

60071-1 tablas 2 y 3 se encuentran los diferentes valores de voltajes

normalizados resistidas a impulsos atmosféricos, asociados al voltaje

máximo del equipamiento (Um). No obstante, no se admite que este valor

(voltaje de ensayo) sea alcanzado alguna vez en la práctica. En

conformidad con la guía de aplicación sobre coordinación de la aislación

IEC 60071-2, el máximo voltaje que puede aparecer en operación, en el

caso de una aislación no-auto regenerativa, debería estar por debajo de

este valor en un factor de 1.15 es decir:

V max ≤

30

2.4.7 SOBREVOLTAJE TEMPORAL UTOV.

Este parámetro es el sobrevoltaje de frecuencia industrial que puede tener

una duración de décimas de segundo hasta unos pocos segundos como

resultado de una maniobra o una falla del sistema. Su valor depende del

tipo de puesta a tierra del sistema. Un caso especial es cuando se tienen

sistemas con neutro a tierra resonante o con neutro aislado, en los cuales

al presentarse una falla en una de las fases, el voltaje a tierra de las fases

sanas alcanza el valor del voltaje de línea (fase – fase) y puede durar un

tiempo prolongado (hasta varias horas).

2.4.8 VOLTAJES SUPERIORES AL NIVEL DE PROTECCIÓN A

IMPULSOS ATMOSFÉRICOS DEL PARARRAYOS.

Tres son las causas por las que el voltaje en los terminales del equipo a

proteger puede superar el nivel de protección a impulsos atmosféricos del

pararrayo y estos son:

Procesos de ondas progresivas.

Caídas de voltaje inductivos.

Corrientes de descarga mayores que la corriente nominal de descarga

del pararrayo.

2.4.8.1 PROCESOS DE ONDAS PROGRESIVAS.

Los sobrevoltajes rápidamente crecientes se propagan en forma de ondas

progresivas por la línea. En aquellos lugares donde la impedancia de

onda de la línea se modifica o cambia (puntos de discontinuidad), se

producen refracciones y reflexiones. En especial una onda de voltaje se

reflejará positivamente en su totalidad cuando alcance un extremo abierto

de la línea (línea en vacío). El nivel de voltaje en todo instante y en todo

punto de la línea resulta de la suma de los diferentes valores instantáneos

de cada onda individual de voltaje. Los impulsos de voltaje y corriente se

propagan como ondas progresivas por la línea cuando su duración es

31

inferior al tiempo de propagación de una onda electromagnética en una

línea. Las amplitudes de ondas de voltaje y corriente en este caso se

vinculan entre sí mediante la impedancia de onda de la línea. Esto puede

conducirá incrementos de voltaje (en casos extremos, hasta el doble de

su valor) y debe tenerse en consideración al determinar el nivel de

protección de un pararrayo y su ubicación (zona de protección del

pararrayo).

Exactamente el valor de sobrevoltaje en este proceso depende de la

distancia entre el pararrayo y el equipo a proteger, y de la pendiente del

frente de la onda de voltaje.

2.4.8.2 CAÍDAS DE VOLTAJES INDUCTIVOS.

Esto se debe a la distancia que debe recorrer la corriente de descarga

desde la línea aérea, pasando por el pararrayo hasta llegar a tierra

efectiva como muestra la figura, existe un valor de inductancia típica de un

conductor tendido a gran distancia de otras partes energizadas o a tierra.

Este sobrevoltaje responde a la siguiente expresión:

U=L-

Donde:

U: Caída de voltaje inductivo.

: Representa la velocidad o pendiente de la descarga atmosférica

[kA/us].

L: Valor de inductancia [uH].

Este valor de caída de voltaje inductivo se puede superponerse al voltaje

residual del pararrayo.

32

Figura 6: Disposición de un pararrayo⁴.

2.4.8.3 CORRIENTES DE DESCARGA MAYORES QUE LA

CORRIENTE NOMINAL.

Se define el nivel de protección del pararrayo como su voltaje residual a la

corriente nominal de descarga. Pueden también aparecer corrientes de

descarga mayores donde el pararrayo puede resistirlas sin dañarse, pero

esto resulta un voltaje residual mayor entre los terminales, dependiendo

de la forma de la característica U–I.

De este modo cuando se selecciona un nivel de protección del pararrayo,

deben considerarse ciertos detalles, tales como la distancia entre el

pararrayo y el aparato a proteger, los esfuerzos típicos debidos a los

sobrevoltajes en el sistema. Normalmente un factor de al menos 1.4 entre

el voltaje nominal resistido a impulso atmosférico del equipo o aparato a

proteger y el nivel de protección a impulsos atmosféricos del pararrayo

⁴._Tomada de la pagina web T10879CAP5.pdf" PARARRAYOS TIPO DESCARGADOR"

33

resulta una protección segura contra los sobrevoltajes de frente

escarpado.

2.5 INCREMENTACIÓN DE PARARRAYOS.

Para incrementar pararrayos debemos tener en cuenta en donde se los

puede incrementar tomando en cuenta los niveles de protección que se

tiene al largo de la red.

Se han de cumplir las leyes y reales decretos sobre prevención de riesgos

laborales y no de guías de recomendación

2.5.1 SELECCIÓN Y REVISIÓN DE LOS NIVELES DE PROTECCIÓN.

La característica de protección de un pararrayo se evalúa más

frecuentemente por medio de su nivel de protección a impulso

atmosférico. Esto significa que se la evalúa de acuerdo a su voltaje

residual mientras está circulando la corriente nominal de descarga. Como

ya se mencionó, de acuerdo a la guía de aplicación de la coordinación de

aislación, IEC 60071-2, debe haber un factor de seguridad Ks de por lo

menos 1.15 entre el voltaje nominal resistido a impulso atmosférico (BIL)

del aparato a proteger con una aislación no auto regenerativa, y el mayor

sobrevoltaje atmosférico que se espera pueda aparecer en sus

terminales.

Si la distancia entre el pararrayo y el equipo a proteger no es demasiado

grande, los pararrayos tienen una zona de protección de solamente unos

pocos metros en un sistema de distribución y de hasta aproximadamente

sesenta metros en sistemas de alto y extra alto voltaje. Esto normalmente

significa que un nivel de protección igual al voltaje nominal resistido a

impulso atmosférico del equipo a proteger, dividida por un factor de 1.4 es

adecuado para proteger contra sobrevoltajes atmosféricos. Sin embargo

tenerse en cuenta que esta simplificación podría no ser adecuado para

configuraciones especiales de sistemas y casos de aplicación, o cuando

34

la distancia entre el equipo y el pararrayo es grande. De esta manera, el

procedimiento correcto y normalizado es determinar por cálculo los

sobrevoltajes esperados y fijar el nivel de protección necesario del

descargador por medio de estudios de coordinación de la aislación.

En los sistemas de extra alto voltaje el nivel de protección a impulso de

maniobra normalmente es el valor determinante de las características de

protección de un pararrayo. En cada caso generalmente se lo menciona

conforme a la norma IEC 60099-4 para dos valores diferentes de impulso

con corriente de maniobra.

El voltaje residual a impulso de maniobra típicamente está entre el 75% y

90% del voltaje residual a impulso atmosférico de corriente de 10 kA,

dependiendo en cada caso del resistor de óxido metálico en uso y del

valor real del impulso de corriente de maniobra.

Exactamente como se procedió con el nivel de protección a impulso

atmosférico, el nivel de protección a impulso de maniobra debe

seleccionarse sobre la base de que el sobrevoltaje de maniobra sobre el

aparato a proteger no sea mayor que su voltaje normalizado resistido a

impulso de maniobra dividido por el factor de seguridad

Ks = 1.15 en el caso de aislación no auto regenerativa.

No es necesario considerar los incrementos de voltaje (por ondas

progresivas y voltajes inductivos). Esto significa que el nivel de protección

a impulso de maniobra no necesita ser inferior que el voltaje resistido

normalizado a impulso de maniobra del aparato, dividida por un factor de

1.15.

En unas pocas aplicaciones especiales es necesario conocer el nivel de

protección a impulso escarpado, es por eso que típicamente se lo

menciona en la hoja de datos del pararrayo. El voltaje residual de los

resistores de oxido metálico es alrededor de un 5% mayor para los

35

impulsos escarpados de corriente comparada con impulsos atmosféricos

de corriente del mismo valor.

Básicamente el voltaje residual durante la elevación de la corriente

escarpada (con tiempos de frente dentro de la gama ≤ 1 us) está

influenciado por dos efectos diferentes que siempre suceden a la vez.

Uno de estos es que el comportamiento temporal del material de oxido

metálico durante la transición de un estado de no conducción a uno de

conducción se presenta cuando sólo se lo ve extremadamente como

comportamiento inductivo (el valor de cresta del voltaje residual se sitúa

temporalmente delante del valor de cresta de la corriente). El otro es que

la inductividad de la disposición geométrica tiene un efecto de cerca

de 1 uH por metro sobre la altura total pudiendo elevar el voltaje residual

con un adicional del 5% o aún más.

Si al controlar los niveles de protección de todas las solicitaciones a los

impulsos de corriente citados satisfacen los requisitos, entonces la

elección de la característica eléctrica del pararrayo finaliza en este punto.

Sin embargo si cualquiera de estos valores resultare muy alto para un tipo

de resistor de oxido metálico seleccionado, todos los valores de voltajes

residuales, como así también el voltaje de operación permanente y el

nominal se ajustan a una relación fija. De este modo, ninguno de estos

valores puede ser disminuido independientemente.

En cambio la característica U-I tendría que desplazarse hacia abajo, para

por ejemplo obtener un menor nivel de protección a impulsos de

maniobra. Sin embargo esto no sería lo aconsejable ya que el voltaje de

operación permanente y el nominal automáticamente también disminuirían

al mismo porcentaje y ya no podría garantizarse una operación

permanente estable. En este caso existe una solución, cambiar o

seleccionarse resistores de mayor dimensión lo cual implica seleccionar

otro pararrayo con una curva de característica diferente (Característica U-I

más plana.) para que cumpla con las solicitaciones requeridas.

36

2.6 UBICACIÓN DE LOS PARARRAYOS.

Para la ubicación de los pararrayos es conveniente realizar estudios de

los lugares en donde es más susceptible la caída de los rayos, para lo

cual se realizan estudios climatológicos y condiciones ambientales.

2.6.1 ESTUDIOS CLIMATOLÓGICOS.

Nivel ceráunico. Número de rayos caídos por kilómetro cuadrado.

Las características geográficas (climáticas y montañosas) de cada país

determina el número y la in-tensidad de las tormentas que se producen;

riesgo que varía dentro de un mismo país. El conoci-miento de las zonas

de riesgo es una información importante para determinar eficazmente el

tipo de protección contra el rayo más adecuada.

La densidad de descargas que caen en una región por unidad de

superficie y de tiempo es un dato mal conocido y puede variar mucho en

años consecutivos para una misma zona. Las estadísticas mejor

conocidas hacen referencia al número de días de tormenta por año, Td,

que se registran en un punto determinado. Este valor es conocido como

nivel ceráunico. El valor Ng (numero de descar-gas) se puede aproximar

en base al nivel ceráunico mediante la siguiente expresión:

[Descargas/Km

2 /Año]

A partir de esta expresión se puede llegar a calcular la tasa de avería de

una línea teniendo en cuenta los impactos de rayos directos y los

indirectos, siendo ésta, función de las características geométri-cas y del

apantallamiento (objetos cercanos) de la línea.

37

2.6.2 CONDICIONES AMBIENTALES.

Las condiciones ambientales al sitio de ubicación de un proyecto eléctrico

pueden constituir un factor determinante al momento del diseño,

principalmente en lo que a nivel de aislamiento se refiere. Las condiciones

atmosféricas estandarizadas que sirven de referencia consideran una

temperatura promedio de20°C y una presión atmosférica de 101.3 kPa

(1013 mbar), que equivale a la presión atmosférica a cero metros sobre el

nivel del mar.

38

C A P Í T U L O III

CONDUCTORES ADECUADOS Y DE CALIDAD.

3. 1 CONDUCTORES

Un conductor es cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de

electricidad.

La diferencia entre un conductor y un aislante, es cuando un mal

conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que

todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida.

Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener

una conductividad, mil millones de veces superior a la de un buen

aislante, como el vidrio o la mica.

El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al

enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su

conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los conductores sólidos

la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones;

y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.

Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos

son el cobre y el aluminio, en las torres que también son conductores se

utiliza acero.

Aunque ambos metales tienen una conductividad eléctrica excelente, el

cobre constituye el elemento principal en la fabricación de conductores

por sus notables ventajas mecánicas y eléctricas.

El uso de uno u otro material como conductor, dependerá de sus

características eléctricas (capacidad para transportar la electricidad),

mecánicas (resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que

se le quiera dar y del costo.

39

3.2 TIPOS DE CONDUCTORES.

Se considera que la intensidad media durante cada descarga principal

llega hasta 20.000 / 50.000 A, lo que origina en su recorrido una estrecha

columna de aire sobrecalentada a unos 25.000° C. No obstante, la carga

eléctrica real transferida desde la nube a tierra es pequeña, pues dura

solamente una fracción de segundo.

En total se libera una carga de unos 20 culombios y la energía promedio

de la descarga es de alrededor de 50 KWh.

Cabe señalar que las distintas normas establecen ondas de choque

típicas para simular la acción de la caída de rayos sobre las líneas de

transmisión de la energía eléctrica.

Así la norma IRAM correspondiente prescribe una onda de corriente en la

que el tiempo de crecimiento es de 8 microsegundos, mientras que el

lapso hasta que se reduce al 50 % del valor máximo dura 20

microsegundos (onda 8/20). Para ondas de tensión, se adoptan los

valores 1,2 y 50 respectivamente

3.2.1 HILO DE GUARDA.

Los hilos de guarda se colocan por encima de los conductores de fase y

están unidos a tierra en los apoyos de la línea. De esta manera se reduce

el riesgo de caída directa del rayo sobre los conductores.

Si el rayo cae sobre un hilo de guarda, se originan dos ondas de

intensidad de valor mitad del correspondiente al rayo, que caminan en

sentidos opuestos hacia los apoyos, por los cuales se descargan.

Acompañando a estas ondas aparecen otras dos de tensión, cuyo valor

depende de la impedancia involucrada. Esta tensión en el punto de caída

del rayo depende del valor relativo del tiempo que tarda la onda en llegar

al apoyo más próximo y reflejarse en él y del tiempo de subida de la onda.

40

La tensión en el hilo de guarda puede dar lugar a una falla del aislamiento

entre sí mismos, y conductores de fase o entre éstos y los apoyos

adyacentes, que depende de la distancia en el aire entre ellos. El punto

más desfavorable es en el centro del vano, en que el tiempo citado es

máximo. La menor flecha que se les suele dar a los hilos de guarda en las

líneas sirve para aumentar la distancia de aislamiento en el centro del

vano.

En el caso de impacto del rayo sobre una línea, el rayo puede caer sobre

un conductor de fase, y entonces cebarse un arco entre el conductor y un

apoyo estructural; o bien puede caer sobre un apoyo o un hilo de guarda,

en cuyo caso se puede llegar a producir un arco en el sentido inverso al

del caso anterior.

Si el rayo cae sobre un conductor de fase, bien por una falta de

apantallamiento de los hilos de guarda de la línea o bien porque estos

hilos no existen, se originan dos ondas de corriente que parten en

direcciones opuestas y de valor igual a la mitad de la intensidad del rayo,

dando lugar a dos ondas de tensión cuyo valor depende de la impedancia

involucrada.

Si dicho valor supera a la tensión de cebado del aislamiento conductor de

fase-apoyo de la línea, se producirá una falla en los dos apoyos más

próximos al punto de caída del rayo, dando lugar a dos ondas cortadas

que viajarán a lo largo de la línea hasta las subestaciones terminales. Si

esta tensión no es superior a la de cebado, no se producirá falla del

aislamiento de la línea. Se observa que, en todo caso, las ondas de

tensión que llegan a una subestación están limitadas por el nivel de

aislamiento de la línea de la que proceden.

Dado el nivel de aislamiento de una línea, se observa que sólo se produce

falla de la misma si la intensidad del rayo que cae sobre un conductor

supera cierto valor crítico. En la práctica, la mayor parte de los rayos que

caen sobre un conductor de fase dan lugar a una falla de aislamiento. Por

41

esa razón, debe evitarse la caída directa de un rayo sobre los

conductores de fase mediante una correcta instalación de los hilos de

guarda.

3.2.1.1 IMPACTO DIRECTO SOBRE EL CABLE DE GUARDA.

La incidencia de una descarga atmosférica en los cables de guarda o en

la torre de una línea de transmisión puede ocasionar su salida de servicio,

debida al crecimiento de la tensión en el punto de Incidencia de la

descarga.

A diferencia del impacto directo, la ocurrencia de fallas a consecuencia de

este fenómeno difícilmente es eliminado. Sin embargo estos efectos

pueden ser minimizados a través de la optimización de las puestas a tierra

de las estructuras y del ajuste de los elementos del cabezal de la torre.

La presencia del cable de guarda en una línea de distribución, se justifica,

no solo como protección contra descargas directas, sino por su efecto de

jaula de Faraday contra descargas indirectas.

El cable de guarda es recomendable en líneas de distribución, no tanto

por su efecto de apantallamiento contra descargas directas (contra las

cuales no es muy efectivo), sino por su blindaje contra descargas

indirectas, las cuales producen cerca del 80% de los daños y salidas de

líneas de distribución.

El efecto del cable de guarda se ve mejorado apreciablemente por una

buena puesta a tierra de los mismos, la cual se recomienda hacer en cada

poste con un valor de resistencia de puesta a tierra no mayor de 20 Ω.

El cable de guarda en líneas de distribución debe ubicarse tan alejado

como se pueda de los conductores de fase, para lo cual el ángulo de

apantallamiento no debe ser en ningún caso mayor de 30º.

42

3.2.2 TORRES O APOYOS.

Si el rayo cae sobre un apoyo, la corriente que circula por la estructura

metálica de a la que está apoyada y a través de su toma de tierra da lugar

a la aparición de una tensión importante entre la estructura y los

conductores de fase. Esta tensión depende de la intensidad del rayo y de

la impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de

tierra para la onda de frente escarpado correspondiente. Si esta tensión

supera el valor de la tensión de cebado de aislamiento conductor-apoyo,

se produce una falla de aislamiento correspondiente, que se denomina

cebado inverso.

En los apoyos de las líneas de alta tensión no es fácil obtener valores de

impedancia de la toma de tierra del apoyo para impulsos de frente

escarpado inferiores a 10 Ohm, por lo que la probabilidad de un cebado

inverso puede ser elevada para líneas de 132 kV y más pequeña para las

de 500 kV debido a la mayor distancia en ellas entre los conductores y los

apoyos.

Por el contrario, para líneas de media tensión (inferiores a 66 kV), las

distancias de aislamiento son suficientemente bajas como para que la

probabilidad de cebado inverso sea casi la unidad, no teniendo ningún

efecto la instalación de hilos de guarda sobre el riesgo de falla de la línea.

3.3 CONDUCTORES ELÉCTRICOS.

Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de

electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los

mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen

otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de

conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por

ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para

el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación

43

de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en

forma de cables de uno o varios hilos.

Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una

conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo,

un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de

transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para

aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro por su mejor

conductividad.

El uso de uno u otro material como conductor, dependerá de sus

características eléctricas (capacidad para transportar la electricidad),

mecánicas (resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que

se le quiera dar y del costo.

Estas características llevan a preferir al cobre en la elaboración de

conductores eléctricos.

El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es el cobre

electrolítico de alta pureza, 99,99%.

3.2.3.1 LOS CONDUCTORES DE ALUMINIO DESNUDO.

Los Conductores de Aluminio Desnudo son usados para transmisión y

distribución de energía eléctrica en líneas aéreas.

Los metales más utilizados para su fabricación son aluminio 1350-H19,

aleación de aluminio 6201-T81 y acero recubierto con zinc o con aluminio.

Las principales configuraciones de los Cables de Aluminio Desnudo son:

Conductores AAC: formados por alambres de aluminio 1350-H19.

Conductores AAAC: formados por alambres de aleación de aluminio

6201-T81.

44

Conductores ACSR/GA: formados por alambres de aluminio 1350-H19

reforzados con alambres de acero recubierto con zinc.

Conductores ACSR/AW: formados por alambres de aluminio 1350-H19

reforzados con alambres de acero recubierto con aluminio.

Conductores ACAR: formados por alambres de aluminio 1350-H19,

reforzados con alambres de aleación de aluminio 6201-T81.

El aluminio 1350-H19 y la aleación 6201- T81 poseen buena resistencia a

la corrosión.

El aluminio 1350-H19 tiene una conductividad de 61.2% IACS8, en

contraste con su moderada carga de rotura, mientras que la aleación

6201-T81 tiene mayor carga de rotura, pero menor conductividad, 52.5%

IACS.

3.2.3.2 CONDUCTORES DE COBRE DESNUDO.

Los Conductores de Cobre Desnudo son usados para transmisión y

distribución de energía eléctrica en líneas aéreas, sistemas de puesta a

tierra y como conductores de neutro.

Se fabrica Conductores de Cobre en tres tipos de temple: Duro, Semiduro

y Suave. Los primeros son utilizados en líneas aéreas, donde es

requerida una mayor carga de rotura, mientras que los otros temples son

utilizados en sistemas de puesta a tierra.

3.3 DISMINUCIÓN DE FALLAS EN LOS CONDUCTORES.

Para reducir la incidencia de las descargas atmosféricas en los sistemas

eléctricos como son los conductores se debe analizar en sus tres

aspectos principales:

45

a) Falla de blindaje, se analiza la incidencia de la descarga directamente

sobre el conductor. La ocurrencia de una falla de aislamiento depende

principalmente de la intensidad de la descarga de la corriente del rayo, de

la impedancia de onda de los conductores, aislamiento del sistema y del

valor de la tensión de fase en el instante de la descarga.

b) Contorneo inverso: la descarga incide en la torre o el cable de guardia,

pero se propaga a los conductores. Este estudio involucra una gran

cantidad de parámetros de origen aleatorio (corriente del rayo, aislamiento

del sistema, puesta a tierra de las torres, etc.) y por esta razón se lo trata

generalmente con métodos estadísticos.

c) Acoplamiento capacitivo: la descarga incide en las proximidades de la

línea, y la sobretensión inducida es causa de una descarga.

Para líneas de más de 69 kV la posibilidad de que ocurran fallas por esta

razón se considera despreciable.

3.3.1 FALLAS DE BLINDAJE DESCARGAS DIRECTAS.

Una descarga atmosférica impactando directamente en el conductor de

fase, desarrolla una elevada sobretensión, la que en la mayoría de los

casos provocará la falla de aislación de la línea.

El 50% de los rayos supera los 30 kA, y por ejemplo un rayo de 30 kA

impactando en un conductor de fase de una línea desarrollará una tensión

de:

30 * 400 / 2 = 6000 kV

Habiendo supuesto la impedancia de onda de la línea de 400 ohm, el 2

tiene en cuenta que la línea se prolonga hacia ambos lados del impacto.

46

Obviamente líneas y equipamientos no pueden ser aislados para soportar

sobretensiones de este orden.

La alternativa es limitar las sobretensiones a valores inferiores. Esto se

consigue utilizando cables de guarda de manera de blindar los

equipamientos y circuitos contra descargas directas.

47

C A P Í T U L O IV

EQUIPOS DE PROTECCIÓN.

Las perturbaciones atmosféricas o los procesos de conmutación en las

redes de alimentación pueden provocar gravísimos daños a la instalación

y fallos en la producción. Dichos daños materiales y los derivados de tales

fallos se evalúan en centenares de miles de dólares de pérdidas

económicas.

Las instalaciones electrónicas, el proceso de datos, los ordenadores, los

sistemas de CAD/CAM, los aparatos de medición, control y regulación,

etc. constituyen una parte cada vez más importante y necesaria de

nuestra vida hasta el punto de que parecería indispensable no poder

contar con ellos en la mayoría de los procesos de producción, de los

centros informáticos, en la construcción o la administración e incluso en el

ámbito de la vida privada.

En el corazón de tales instalaciones se encuentran circuitos electrónicos

altamente integrados que concentran en unos milímetros cuadrados miles

de unidades funcionales distintas. Se esconde allí toda la potencia del

proceso pero también la vulnerabilidad del mismo, pues un fallo en los

equipos significará para la empresa pérdidas financieras importantes.

Entre los potenciales factores de interferencia más peligrosos para

cualquier instalación que se aprecie, se encuentra el fenómeno de las

sobretensiones que son provocadas en su gran porcentaje por las

descargas atmosféricas.

Para evitar tales problemas, conviene tomar medidas preventivas en

cuanto a seguridad, capaces de garantizar la capacidad de

funcionamiento de todas las partes de la instalación existentes en las

redes eléctricas que llevan energía eléctrica a los edificios aun en el caso

48

de que se vean afectados por los más elevados fenómenos de

sobretensiones.

Con esta orientación se crea un extensísimo programa de elementos de

protección contra sobretensiones basados en vías de chispas,

descargadores abiertos, de contorneo deslizante, de gas, varistores y

diodos supresores cuya adecuada combinación en la red dará lugar a la

más elevada de las protecciones.

Actualmente existen técnicas como es el uso de descargadores de

sobretensión dispuestos de manera apropiada en los apoyos de la línea a

lo largo del tramo los cuales son los elementos que drenan a tierra las

ondas viajeras producto de la descarga.

Los descargadores deben ser seleccionados en base a estudios de la

energía que se estima, que se estarán manejando de acuerdo y según la

información ceraunia de la zona.

4.1 EQUIPOS LIMITADORES DE SOBRETENSIONES.

Los tipos de equipos limitadores de sobretensiones más habituales son

los que se describen a continuación:

4.1.1 LOS DESCARGADORES:

Existen diversos tipos de descargadores como son: abiertos, de

contorneo deslizante y de gas:

Los descargadores abiertos se usan en protecciones secundarias, en

ellos el aire ambiente se usa como dieléctrico. La tensión de encendido

del descargador no puede definirse exactamente pues depende de la

humedad o de las impurezas del aire.

Generalmente los descargadores abiertos sólo se utilizan en las

instalaciones en las que se permite una tensión residual relativamente

49

alta, por ejemplo en instalaciones de pararrayos. Después del paso del

transitorio de sobretensión, la conducción cesa y el aislamiento original se

reinstaura.

Par la red existen los descargadores abiertos o de contorneo deslizante

con electrodos de cobre-wolframio separados por un plástico muy

especial que gasea cuando el arco voltaico se encuentra muy cercano al

mismo provocando una cierta corriente de aire que empuja al arco voltaico

hacia fuera provocando el apagado de la repetición de la red. Al cesar el

impulso perturbador el arco voltaico se extingue y la acción aislante dl

descargador queda de nuevo restablecida. Tiene una tensión de

encendido relativamente alta de unos 2 o 3 kV y depende

insignificativamente del impulso perturbador.

Un descargador de gas, por su parte, está formado por un tubo de

cerámica o de cristal en el que se encuentran dos electrodos. La cámara

del tubo está llena de gas noble (generalmente argón o neón) y se

encuentra a una determinada presión. La composición del gas noble

permite un mecanismo de encendido, se inicia un proceso de ionización

por el cual la resistencia de la descarga de gas pasa de alta a baja.

Después del encendido, cuando se tiene energía suficiente en el impulso

de encendido, tiene lugar la descarga total.

La posibilidad de que el gas permanezca ionizado depende de la tensión

de servicio del sistema y de la corriente de seguimiento. La corriente de

seguimiento en los descargadores de gas es la intensidad que circula a

través de suyo mientras está descargando y ésta se origina cuando la

distancia de descarga en el descargador de gas es de baja resistencia y

la corriente de la red normal pasa a través del descargador de gas, o bien,

aumenta su valor, debido a que el descargador de gas ha pasado a tener

una resistencia más baja que la impedancia de la carga. Si el descargador

de gas no puede interrumpir independientemente la corriente de la red,

50

debe insertarse un fusible entre el descargador de gas y la red o bien un

varistor en serie.

4.1.1.1 DESCARGADORES DE SOBRETENSIONES DE MEDIA

TENSIÓN.

El descargador de sobretensiones de media tensión de óxidos de

metálicos es un dispositivo muy eficiente para proteger equipos eléctricos

contra el rayo.

Como una primera aproximación se puede suponer que el efecto de

protección está limitado al valor de la tensión residual del descargador

escogido. Un descargador de sobretensiones se conecta en paralelo

(ejemplo entre fases y tierra) con el equipo a proteger (por ejemplo

transformador de distribución) y tan cerca de éste como sea posible. De

no ser posible de lograr esta condición, la tensión que puede recibir el

equipo protegido puede resultar mayor que la tensión residual del

descargador de sobretensiones.

En la Figura 7 a continuación se analizan los factores intervinientes en la

propagación de sobretensiones en una línea eléctrica.

La figura 7 señala la onda de sobretensión Us que se propaga por la línea

de media tensión. Ut es el valor de sobretensión que recibe el

transformador de distribución, después de haber actuado el descargador.

Obsérvese que Ut = Tensión residual del descargador + Suma de caídas

de tensión inductivas en los cables de conexión del descargador + la

caída de tensión en la resistencia de P.A.T., provocada la corriente

nominal del descargador. = UL1 +Ur +UL 2 + URd.

Las caídas inductivas dependen a su vez, de la pendiente de onda de la

corriente id y de las inductancias de los cables de conexión L1 y L2.

51

UL1 = L1 d id/dt

UL2 = L2 d id/dt

Como la resistencia Rd puede llegar a ser alta, una manera de reducir la

sobretensión que recibe el transformador es que la Resistencia de puesta

da tierra del descargador y del transformador sea única.

Figura 7: Propagación de sobretensiones en una línea eléctrica⁵.

4.1.1.2 ELECCIÓN DE LOS DESCARGADORES DE

SOBRETENSIONES DE MEDIA TENSIÓN.

En una referencia de construcción y resistencia se establece un método

de selección de los descargadores de sobretensiones, según el modo de

la puesta a tierra del neutro del trasformador de alimentación de la línea

de media tensión.

Se trata de los descargadores marca DEHN, denominados DEHNmid, de

oxido de zinc.

Presentan una estructura modular como indica la Figura a continuación en

la siguiente página.

⁵._Tomado desde nota técnica "Protección contra rayos y sobretensiones DEHN Protects

Médium Voltaje Systems DS125/E/0504" www.dehnargentina.com.ar

52

Son descargadores de sobretensiones que responden a la norma

IEC600994, clase 1.

Se fabrican para instalaciones externas y para instalaciones interiores.

Para las instalaciones exteriores se emplean dos tipos:

Para condiciones normales (N) y para servicio con gran nivel de polución

(H, del inglés Heavy Duty)

Figura 8: Estructura modular del DEHNmid⁶.

4.1.2 LOS VARISTORES ÓXIDO DE ZINC.

Son resistencias no lineales cuyo valor desciende con la tensión en sus

extremos, son limitadores bipolares.

Un varistor de óxido de zinc se compone de granos de ZnO cimentados

en otros granos de óxido metálicos. El óxido de zinc es un semiconductor

de tipo N, que limita con los demás óxidos metálicos de tipo P. El

comportamiento eléctrico del varistor de óxido de zinc queda, pues,

limitado por el número de contactos PN, dispuestos en paralelo y en serie.

⁶._Tomado desde nota técnica "Protección contra rayos y sobretensiones DEHN

Protects Médium Voltaje Systems DS125/E/0504" www.dehnargentina.com.ar

53

Al sobrepasar las tensiones de conducción en los límites de los granos

individuales, el varistor pasa a ser conductor. Su tiempo de respuesta es

más rápido que el de un descargador de gas, pero más lento que el de un

diodo supresor de silicio.

4.1.3 DIODOS SUPRESORES.

Los diodos supresores de silicio son uniones PN caracterizadas por su

aguda característica de avalancha, por su alta capacidad de supresión de

sobretensiones, por su extremadamente rápida respuesta y por

su baja resistencia de conducción. Las corrientes de derivación de estos

componentes pueden ser como máximo de varias centenas de amperios.

4.2 INCREMENTACIÓN DE EQUIPOS DE PROTECCIÓN.

Para incrementar equipos de protección tenemos que tener en cuenta su

funcionamiento en general y su nivel de protección, los equipos que se los

incrementan más a menudo son los descargadores.

4.2.1 FUNCIONAMIENTO GENERAL.

La filosofía general de funcionamiento de este tipo de dispositivos

supresores situados en paralelo con el equipo que van a proteger es la

siguiente: en estado normal, los elementos presentarán una impedancia lo

más elevada posible de modo que su presencia no altere el

funcionamiento de la línea.

Llegado un cierto nivel de tensión superior a la tensión nominal de

la red, el protector pasa a ser de baja impedancia y deriva a tierra

protegiendo así los equipos de la instalación.

Dos de los parámetros que determinarán los elementos que se van a

colocar en la instalación son la Intensidad máxima de descarga (Imáx) y la

Tensión residual (Up). El primero de ellos, Imax, es el valor de la corriente

54

en Amperios que es capaz de descargar a tierra un protector sin resultar

averiado, mientras que el segundo, Up, es el valor máximo de la tensión

en los bornes del descargador cuando fluye la corriente de descarga.

Un descargador ideal sería aquel que tuviese una capacidad máxima de

descarga y una mínima tensión residual. Conseguir alto poder de

descarga y mínimo valor de la tensión residual en un mismo protector es

prácticamente imposible, por lo que la utilización de un único equipo no

asegura la protección de toda la instalación. Debido a ello se emplearán

varios descargadores de forma coordinada que permitirán alcanzar el

nivel de protección deseado.

4.2.2 NIVELES DE PROTECCIÓN.

Se puede establecer una clasificación de tres niveles de protección,

contra los efectos de los rayos tanto directos como indirectos: el nivel

primario está constituido por los sistemas de pararrayos, terminales

aéreos, estructuras metálicas, blindajes y tomas de tierra; el nivel

secundario sería el necesario a nivel de la alimentación del equipo o

sistema, y se dividirá, a su vez en dos subniveles: general y medio en el

que se utilizarán descargadores de clases B y C; el terciario sería a nivel

de circuito impreso y componentes electrónicos y recibe la denominación

de protección fina. Los elementos protectores empleados en este caso

son los de tipo D, que describiremos más adelante.

4.3 PLANIFICACIÓN DE LA UBICACIÓN PARA LA INSTALACIÓN DE

EQUIPOS.

Las descargas atmosféricas producen sobretensiones transitorias que

forman picos de tensión muy elevados y de muy corta duración que

pueden llegar a dañar equipos que están conectados a la red eléctrica.

El protector de este tipo de sobretensión actúa como conmutador

controlado por tensión, cuando el valor de tensión es inferior al valor de la

55

tensión de cebado el protector actúa como un elemento de resistencia

infinita, y cuando el valor de la tensión es superior a la de cebado durante

un periodo de microsegundos, el protector actúa como resistencia cero.

Si desea proteger correctamente un receptor, se ha de tomar en cuenta

una planificación adecuada para ubicar los dispositivos que van a

encargar de proteger los equipos que están conectados a la red eléctrica.

Los protectores para las posibles vías de propagación de la sobretensión,

se planifican con una solución completa y eficiente contra las

sobretensiones transitorias protegiendo a los equipos y bienes

conectados a la red eléctrica de baja tensión y por cualquier otra vía

posible de propagación.

4.3.1 TECNOLOGIAS DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN DE

SISTEMAS DE ENERGÍA.

Hay tres clases de tecnologías para protecciones de los sistemas de

energía como son:

4.3.1.1 PROTECCIÓN CONTRA RAYOS, CLASE I.

La protección contra rayos considerando las elevadas exigencias a que

está sometido, con corrientes de rayos hasta 100 kA, son construidos

principalmente con vías de chispas de deslizamiento en aire, capaces de

apagar por si mismos la corriente residual de la red, que fluye tras la

activación del descargador. Las vías de chispa operan libres de corrientes

de fuga; se componen de electrodos simétricos, recubiertos con un

material aislante, que tiene el efecto de contribuir a la extinción del arco.

Los equipos fabricados para proteger, emplean la tecnología patentada de

soplado radial y axial, conocida como RadaxFlow, cuyo esquema básico

de construcción se muestra en la figura , con gran capacidad de limitación

(100 KA en onda 10/350usg), de las corrientes residuales; se basa en la

56

refrigeración optimizada del arco eléctrico mediante el soplado radial y

axial , a partir del gas obtenido del material plástico circundante, el cual

comprime el arco, con lo cual aumenta su resistencia y por lo tanto el

voltaje requerido para mantenerlo, con lo cual se limita la corriente

residual que fluye en el descargador (corriente de paso) a un valor

mínimo, independiente de la corriente de cortocircuito de la red en el

punto de aplicación.

Figura 9: Muestra el comportamiento de un descargador tipo vía de

chispas⁷.

Una de las ventajas más significativas de los descargadores de rayos de

vía de chispas es su “efecto rompeolas”. Las corrientes de rayos, con

forma de onda 10/350 us, se reducen a corrientes de choque de forma de

onda 8/20 us (Fig. 11), para que puedan ser soportadas por los

descargadores de sobretensiones conectados aguas abajo.

Los descargadores de rayos deben ser conectados, preferiblemente en la

acometida del servicio a la edificación.

⁷._Tomado" 1er seminario protección contra sobretensiones transitorias en redes de baja

tensiondehn+sohne. "www. ingenieriadelfuego.com

57

4.3.1.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES, CLASE II.

Las protecciones contra sobretensiones, son fabricadas a base de

varistores de oxido de zinc, ZnO. La atenuación de la tensión se

determina exclusivamente por la tensión residual producida en la

descarga de la corriente de choque

La figura 10 muestra la curva U / I para un varistor, en base a la cual

determina la tensión residual.

Figura 10: Curva U / I para un Varistor⁸.

En el varistor, fluye constantemente una corriente, en el orden de los uA,

lo cual no ocurre con las vías de chispas.

Las protecciones contra sobretensión, están compuestos por dos piezas,

una base y un módulo extraíble, el cual contiene el varistor. Tienen una

capacidad de hasta 65 KA en onda 8/20. Adicionalmente dispone de:

⁸._Tomado" 1er seminario protección contra sobretensiones transitorias en redes de

baja tensiondehn+sohne. "www. ingenieriadelfuego.com

58

Indicador visual para señalar el estado del dispositivo, presentando el

color VERDE para indicar que se encuentra operativo y el color ROJO que

indica que el cartucho debe ser reemplazado.

Contactos secos, libre de potencial, para señalización remota del estado

del dispositivo, contacto forma C.

Dispositivo de desconexión térmico para desconectar el equipo y así

evitar que sea afectada la red protegida.

4.3.1.3 PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES, CLASE III.

El Nivel III de protección es fabricado a base de oxido de zinc, ZnO y

tubos de descarga. Este nivel es el punto final de la cadena de

protección y debe ser colocado, justo al lado del equipo a proteger.

Para este caso, se tiene la línea la cual combina equipos con gran

capacidad de derivación, basado en varistores de óxido de Zinc y vías de

chispas con cartuchos intercambiables, señalización en sitio y remota y

ocupando un reducido espacio, para ser aplicado directamente, sobre los

paneles de control de los equipos a proteger.

4.4 UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS.

El programa de protección contra rayos y sobretensiones, se divide en:

a) Protecciones a instalar en la red de alimentación en B.T.

b) Protecciones a instalar en las líneas de comunicaciones y transmisión

de datos.

En el proceso de selección, rige el principio de protección escalonada en

virtud del cual se distinguen tres clases de protección, según la norma IEC

61-643-1

59

Figura 11: Principio de Protección escalonada⁹.

1.- Clase I: Protección basta. Son descargadores de corrientes de rayo

destinados a la protección frente a corrientes de rayos. Se instalan lo más

cerca de la acometida en baja tensión.

2.- Clase II: Protección media. Son descargadores de sobretensiones

destinados a la protección de la instalación frente a sobretensiones

transitorias (originadas por descargas de rayo indirectas, conmutaciones

en alta, inducciones, etc.). Se instalan en los tableros de distribución.

3.- Clase III: Protección fina. Son descargadores de sobretensiones para

protección específica de equipos finales. Se instalan lo más cerca posible

del equipo a proteger.

4.4.1 NORMALIZACIÓN

Las normas a seguir para instalar las protecciones recomendadas, son las

siguientes:

1) Siempre descargadores Clase II (protección media). Es el protector que

cubre el abanico de riesgos más amplio; hace frente a las sobretensiones

más frecuentes (tengan su origen en rayos o no) y que complementa al

descargador de Clase I cuando éste es necesario.

⁹._Tomado" 1er seminario protección contra sobretensiones transitorias en redes de baja

tensiondehn+sohne. "www. ingenieriadelfuego.com

60

2) Añadir protección Clase I es obligatorio en edificios protegidos con

pararrayos, según la norma IEC 62305. También debe utilizarse en

instalaciones en las que existan riesgos de descarga directa de rayo

(acometidas aéreas, instalaciones en campo abierto).

3) Añadir protección Clase III en aquellas instalaciones en las que, entre

el punto donde se instala el descargador de protección media y el

consumidor final, existen distancias de cables en las que pueden

inducirse sobretensiones y que el equipo final merezca una protección

especial debido a su coste, a su sensibilidad a estos problemas, la

necesidad de continuidad en el servicio, perdida de información etc.

4) Identificar las líneas de telecomunicaciones, transmisión de datos,

instrumentación y control existentes (telefonía, TV, señales) y seleccionar

el descargador correspondiente.

4.4.2 PROTECCIÓN DE LAS LÍNEAS DE ENERGÍA.

La protección de las líneas de alimentación de baja tensión se realiza de

acuerdo con los principios de protección escalonada y coordinación

energética, recogidos en la normativa internacional vigente sobre la

materia.

Esta protección consistiría, de manera muy básica, en la disposición

selectiva de protecciones en los cuadros principales, cuadros secundarios

y de distribución así como de los diferentes equipos que reciben

alimentación.

A la salida del transformador o transformadores que alimenten al edificio,

ya en la parte de baja tensión, se ha de disponer en todos ellos de un

descargador con capacidad para derivar a tierra incluso una descarga

directa de rayo en la línea general que alimenta la instalación.

61

Son los denominados descargadores de corrientes de rayo (onda 10/350).

Se trata de una protección basta y constituye como el primer nivel de

protección (Clase I).

El segundo escalón de protección (Clase II) lo constituyen los

denominados descargadores de sobretensiones (onda 8/20). A diferencia

de los primeros, tiene un poder de derivación mucho menor, pero aportan

un nivel de protección mucho más fino. Es ya una protección media. Su

lugar habitual de instalación son los diferentes cuadros de distribución y

su misión atenuar la tensión residual que hubiese dejado pasar el

descargador de cabecera, a valores más bajos, admisibles por

consumidores eléctricos y electrónicos.

Los descargadores unipolares que se sitúan como segundo escalón de

protección son aptos también para derivar a tierra sobretensiones

inducidas que pueden tener su origen en diferentes causas (por ejemplo

descarga lejana de un rayo).

El grado o nivel de protección será mayor o menor en función de las

necesidades del caso concreto. Así, se contempla un tercer escalón de

protección (Clase III) para instalaciones en las que, por diferentes

razones, las medidas de protección son más exigentes y existen

consumidores que requieran una protección más específica. Los

descargadores de corrientes de rayo y sobretensiones para redes de

alimentación de baja tensión se instalarán en serie en circuito 3 +1, es

decir, se dispondrán descargadores de un tipo entre fases y neutro y otro

de diferentes características entre neutro y tierra.

4.4.3 PROTECCIÓN DE LAS LÍNEAS DE TELEFONÍA Y TRANSMISIÓN

DE DATOS.

El diseño del sistema de protección está basado, como es lógico, en los

mismos principios. Sin embargo, la elección de los dispositivos de

62

protección está condicionada por las características de trabajo de los

equipos a proteger, existiendo una amplia gama de productos que se

ajustan a las necesidades específicas de aquellos.

Estos dispositivos de protección se instalan en serie por lo que resulta

imprescindible tener en consideración diferentes características tanto del

equipo a proteger como de la línea donde debe instalarse, con objeto de

escoger adecuadamente el descargador adecuado. Así, intensidad,

tensión, tipo de señal, frecuencia, tipo de conexión, apantallamientos son

algunos de los datos a tener en cuenta.

Existen dispositivos de protección específicos para líneas telefónicas,

señalización, audio, datos y equipos emisores-receptores de radio.

Por lo tanto, en la planificación y realización de una protección contra

rayos y sobretensiones es preciso contemplar un concepto de protección

integral.

En su elaboración debe procederse con rigor y guiarse por las normas

que regulan esta materia tanto en lo que se refiere a su diseño, como a

los niveles de protección, características de los materiales, etc., con

objeto de aportar la mayor seguridad posible a personas, instalaciones y

equipos que se encuentran o pueden estar en riesgo eminente de sufrir

daños por descargas atmosféricas.

63

C A P Í T U L O V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

5.1 CONCLUSIONES

La medición de la resistencia de tierra no puede alcanzar una exactitud de

laboratorio, pero realizada correctamente permite obtener resultados con

precisión suficiente para realizar un aterramiento adecuado a su utilidad.

Las dificultades, que pueden hasta imposibilitar su realización, son de

orden práctico, como por ejemplo falta de espacio donde situar el

electrodo auxiliar, en el caso de redes pequeñas en áreas urbanizadas, o

no disponibilidad de una línea o cable de suficiente longitud o de una

alimentación de potencia suficiente, en el de redes grandes. Cuando no

sea posible alejar convenientemente el electrodo auxiliar, la medición

puede producir una sensación injustificada de seguridad, ya que, se

medirán resistencias y tensiones de contacto inferiores a las reales.

Cuanto mayores sean las dimensiones de la red, más difícil será medir su

resistencia, puesto que habrá que llevar el electrodo auxiliar a mayor

distancia, lo que supone mayor potencia de la fuente de intensidad y más

interferencias, y, al ser menor la resistencia, las tensiones que se miden

serán cada vez menores y mayor el error relativo.

Todo lo expuesto sobre medición de la resistencia de tierra de redes

grandes es trasladable, en principio, a la medición de tensiones de

contacto, ya que se trata de los mismos campos electrodinámicos.

Este concepto debe ser tenido en cuenta en el momento de construir las

edificaciones disminuyendo el riesgo de pérdidas humanas y económicas.

Por sus características constructivas, un sistema de protección contra

descargas atmosféricas es viable económicamente si se tienen en cuenta

los perjuicios que podría causar un rayo.

64

5.2 RECOMENDACIONES

El diseño presentado no sería funcional sin un sistema de puesta a tierra

efectivo que permita disipar las descargas atmosféricas. Esto hace que el

sistema de puesta a tierra se convierta en la parte más importante de la

protección de redes eléctricas y sea la única parte del sistema completo

de protección contra rayos que es tenida en cuenta en la normatividad.

Toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación

de tierra diseñada en forma tal que, en ningún punto normalmente

accesible del interior o exterior que las personas pueden circular o

permanecer, y que no exista el riesgo de que puedan estar sometidas a

una tensión peligrosa, durante cualquier defecto de la instalación

eléctrica o en la red unida a ella.

65

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