Post on 11-Jun-2015
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
CATEDRA INSTALACIONES ELECTRICAS
PROTECCION CONTRA
DESCARGAS ATMOSFERICAS
REALIZADO POR:
BRACAMONTE JOSE
COY NICOLAS
DELGADO VICTOR
KAMEL HEBERHT
MORALES JOSE A.
PEREIRA RONALD
Santa Ana de Coro, Abril 2009
INTRODUCCION
A través de este tema se pretende que el estudiantado, se familiarice no
solo con la terminología empleada en las protecciones contra descargas
atmosféricas, si no también con los métodos utilizados y los distintos
tipos de pararrayos para prevenir el impacto de los rayos sobre el suelo.
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
La descarga atmosférica no es mas que la igualación violenta de cargas
de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o
entre nubes y nube.
DESCRIPCION DEL RAYO.
El rayo es una descarga eléctrica de origen atmosférico, que se produce
entre las partes de distinta polaridad de una misma nube, o de nubes
vecinas (relámpagos), o de una nube cargada y el suelo (RAYO). En este
último caso se generan cargas de polaridad opuesta en la nube,
mientras que la carga del terreno inmediato situado debajo de la nube
resulta inducida por la carga inferior de ésta, actuando en realidad como
las armaduras de un enorme condensador cuyo dieléctrico es la capa de
aire (existente entre la nube y el terreno), que cuando acumula una
carga suficiente se produce la descarga.
El rayo es una de las manifestaciones de la electricidad atmosférica, que
por su naturaleza y sus efectos directos e indirectos puede producir
daños de los que, sin embargo, podemos protegernos mediante la
instalación de pararrayos y de limitadores de sobretensión.
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.
Usualmente las nubes están cargadas negativamente en su base y
positivamente en su parte superior. Por inducción electrostática la tierra
resultará positiva inmediatamente debajo de tal nube. Se establece así
una diferencia de potencial enorme, produciéndose el rayo cuando se
vence la rigidez dieléctrica del medio (aire o vapor de agua).
Simultáneamente con el rayo se produce la luz (relámpago) y sonido
(trueno).
EFECTOS DEL RAYO
Acústicos (el trueno), debido a la desaparición brusca, en el momento de
la extinción del arco, de la sobrepresión de aire creada por el paso de la
corriente del rayo.
Térmicos, debidos esencialmente al calor disipado por efecto Joule en los
elementos recorridos por la corriente del rayo.
Eléctricos debidos a las derivaciones y sobretensiones, a causa del
brusco frente de la onda de corriente y a la elevada impedancia que
presentan los conductores en alta frecuencia.
Eléctricos de inducción, debidos al campo electromagnético creado por
la circulación de la corriente del rayo.
Mecánicos, por la destrucción de elementos afectados
EL CONO DE PROTECCIÓN
Se utiliza el método del "cono de protección" para calcular la zona protegida por el pararrayos. Tal
método estima que una barra conectada a tierra protege una zona incluida dentro de un cono de
protección cuyo vértice está en la punta de la barra y que tiene como base una circunferencia que
rodea la misma. La abertura del cono de protección se estima entre 30º y 60º, adoptándose 45º de
modo tal que se proteja todo el edificio.
Método del Cono de Protección
A Cabeza del captor
B Plano de referencia
OC Radio del área protegida
ht Altura del captor arriba del plano de
referencia
TIPOS DE PARARRAYOS, COMPONENTES.
Pararrayos puntas simple Franklin
Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o
varias puntas, denominados punta simple Franklin; no tienen ningún
dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía en función
del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema
metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador.
Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta
tensión entre nube y tierra, Las cargas se concentran en las puntas más
predominantes a partir de una magnitud del campo eléctrico. Alrededor
de la punta o electrodo aparece la ionización natural o efecto corona,
resultado de la transferencia de energía.
El objetivo de estos pararrayos atrae-rayos es proteger las instalaciones
del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su
impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra
eléctrica.
Se conocen casos en los que parte del pararrayos ha desaparecido a
causa del impacto, que superó los 200.000 amperios. Algunos estudios
demuestran que estos equipos no son eficaces.
Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC)
Están formados por electrodos de acero o de materiales similares
acabados en una punta. Incorporan un sistema electrónico que genera
un avance teórico del trazador; otros incorporan un sistema
piezoeléctrico que genera un efecto similar. Los dos sistemas se
caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo, una vez
que se produce la carga del dispositivo electrónico de excitación
(cebador).
El principio de funcionamiento sigue siendo el mismo que los pararrayos
tipo Franklin, la diferencia tecnológica de estos equipos está en el
sistema electrónico, que sirven para excitar la avalancha de electrones
(ionización). La excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por
impulsos repetitivos. Según aumente gradualmente la diferencia de
potencial entre el pararrayos y la nube, aparece la ionización natural o
efecto líder. Son mini descargas que salen de la punta con más
intensidad para ionizar el aire más lejos; este fenómeno es el principio
de excitación para trazar un camino que facilitará la descarga del
fenómeno rayo.
El conjunto electrónico (cebador) está dentro de la influencia directa de
los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos que genera
el impacto del rayo durante la descarga. En función de la intensidad de
descarga del rayo, la destrucción del dispositivo electrónico es
irreversible. A partir de ese momento, la eficacia del PDC no está
garantizada.
Pararrayos des-ionizadores de carga electroestática
El objetivo de los también llamados pararrayos PDCE es evitar la
saturación de carga electrostática entre la instalación de tierra y la
atmósfera que nos rodea. Concretamente, compensar pacíficamente la
diferencia de potencial eléctrico de la zona durante el primer proceso de
la formación del rayo.
Se destacan por el hecho de que su forma es esférica.
Están instalados en la parte más alta de la instalación y
conectados a tierra.
Durante la aparición en tierra del proceso de la carga electrostática del
fenómeno del rayo, el pararrayos facilita la transferencia de energía a
tierra y se transforma en una pequeña corriente de fuga que circula por
el cable de tierra a la toma de tierra. El valor eléctrico resultante se
puede registrar con una pinza amperimétrica de fuga a tierra. El valor
máximo de lectura en plena tormenta no supera los 300 miliamperios, y
es proporcional a la carga eléctrico-atmosférica durante la tormenta. Los
pararrayos se instalan según unas normativas actuales y se resumen en
4 elementos básicos:
1. La toma de tierra con una resistencia inferior a 10 ohmios.
2. El equipotencial de masas.
3. El mástil y cable conductor que conecta la tierra con el cabezal
aéreo.
4. El pararrayos (electrodo aéreo captador).
Características básicas. Se caracteriza por facilitar la transferencia de la
carga electrostática entre nube y tierra antes del segundo proceso de la
formación del rayo, anulando el fenómeno de ionización o efecto corona
en la tierra.
El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio
separados por un aislante dieléctrico. Todo ello está soportado por un
pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema
está conectado en serie entre la toma de tierra eléctrica y la atmósfera
que lo rodea. Durante el proceso de la tormenta se genera un campo de
alta tensión en tierra que es proporcional a la carga de la nube y su
distancia de separación del suelo.
A partir de una magnitud del campo eléctrico natural en tierra, la
instalación equipotencial de tierras del pararrayos, facilita la
transferencia de las cargas por el cable eléctrico. Estas cargas,
indiferentemente de su polaridad, se concentran en el electrodo inferior
del pararrayos que está conectado a la toma de tierra por el cable
eléctrico y situado en lo más alto de la instalación.
La baja resistencia del electrodo inferior del pararrayos en el punto más
alto de la instalación, facilita la captación de cargas opuestas en el
electrodo superior. Durante este proceso de transferencia de energía se
produce internamente en el pararrayos un pequeño flujo de corriente
entre el ánodo y el cátodo. El efecto resultante genera una corriente de
fuga, que se deriva a la puesta a tierra eléctrica de la instalación y es
proporcional a la carga de la nube. Durante el proceso de máxima
actividad de la tormenta se pueden registrar valores máximos de
transferencia de 300 miliamperios por el cable de la instalación del
pararrayos. La carga electrostática de la instalación se compensa
progresivamente a tierra según aumenta la diferencia de potencial entre
nube y tierra, neutralizando el efecto punta en tierra en un 100 % de los
casos (trazador o líder). El cabezal captador del pararrayos no incorpora
ninguna fuente radioactiva.
El efecto de disipar constantemente el campo eléctrico de alta tensión
en la zona de protección, garantiza que el aire del entorno no supere la
tensión de ruptura evitando posibles chispas, ruido audible a frito,
radiofrecuencia, vibraciones del conductor y caídas de rayos.
El objetivo del conjunto de la instalación, se diseña como sistema de
protección contra el rayo (SPCR) donde el motivo principal es evitar la
formación y descarga del rayo en la zona de protección.
COMPONENTES DEL PARARRAYOS
Cabezal Captador.
Mástil
Cable conductor de bajada
Tubo de protección del cable de bajada.
Electrodo de toma de tierra.
Protector contra sobre tensiones eléctricas
MÉTODOS DE PROTECCIÓN Y NECESIDADES DE INSTALACIÓN DE
UN PARARRAYOS.
Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros países
latinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre
los métodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen
los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el
tradicional, y el de puntas de inicio (early streamers en inglés). En EUA,
el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el
Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado
como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que
una punta del tipo Franklin.
Los equipos y estructuras son clasificados según su necesidad de
protección contra descargas atmosféricas.
PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o
ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén
conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son:
a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras
que contengan materiales inflamables.
b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas
mayormente de metal.
c) Astas bandera construidas de algún material conductor.
SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta
conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta
metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a
electrodos en la tierra.
TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura
metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales
aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar
como terminales pararrayos.
CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que
requieren una protección. Se incluyen en esta clase:
a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no
conductores, sin elementos de refuerzo metálicos.
b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una
gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y
electrodos de aterrizado.
QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de
aquellas cosas cuya pérdida puede ser de
consecuencias, y que normalmente recibe un
tratamiento pararrayos completo, incluyendo
terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de
aterrizado. Entre éstas están:
a) Edificios de gran valor estético, histórico o
intrínsico.
b) Edificios conteniendo combustibles o materiales
explosivos.
c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden
ser peligrosas si se derraman como consecuencia
de una descarga.
d) Tanques o conjuntos de tanques.
e) Plantas de energía y estaciones de bombeo.
f) Líneas de transmisión.
g) Subestaciones eléctricas.
GRAFICACION DEL SISTEMA DE PARARRAYOS
1) CABEZAL O PUNTA: Este es elemento que atrae al rayo, permitiendo dirigir la corriente de descarga del rayo hacia la puesta a tierra.
2) BASE O PIEZA DE ADAPTACION: La pieza de adaptación permite la unión entre el cabezal o punta con el mástil.
3) MASTIL: Elemento que permite instalar al cabezal o punta en la posición (altura) adecuada.
4) PROTECTOR DEL MASTIL DE ANTENA: Elemento que permite la puesta a tierra instantánea del mástil de antena en el momento de la caída del rayo. Permanece aislado en condiciones normales.
5) ANCLAJE DEL MASTIL: Debe realizarse al menos en dos puntos; o si se instalo en forma de torre, debe poseer 3 vientos desfasados 120º entre si, y cada viento debe poseer al menos dos aisladores.
6) CONDUCTOR BAJANTE: Conductor de cobre de al menos 50 mm², destinado a encaminar la corriente del rayo desde el cabezal o punta hasta la toma a tierra.
7) SOPORTES AISLADOS PARA EL CONDUCTOR BAJANTE: Fija el conductor de bajada en toda su trayectoria para evitar movimientos del mismo. Normalmente contiene un aislador de porcelana con un orificio pasante.
8) CONTADOR DE DESCARGAS: Indica los impactos recibidos por la instalación de protección.
9) JUNTA DE CONTROL: Permite desconectar la toma de tierra con el fin de efectuar la medición de la resistencia de la misma.
10) TUBO DE PROTECCION: Caño o media caña de hierro o chapa galvanizada para protección mecánica del conductor bajante.
11) TOMA DE TIERRA
CONCLUSIÓN
Es muy importante conocer los métodos para la colocación de
pararrayos, ya que si bien es cierto que no existe la certeza de donde ni
cuando se va a producir una descarga atmosférica (rayo), si se puede
prevenir las consecuencias producidos por estos a través de la
colocación de dispositivos, tomando en cuenta según el tipo de uso para
determinar la protección mas adecuada en contra de los rayos.
BIBLIOGRAFÍA
https://sertec1.sslpowered.com/sertec.com.py/telergia/telergia/
informaciones/tomas_tierra14.html
http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe50.html
http://www.cibernautica.com.ar/rayosycentellas/index.htm
http://www.electricasas.com/electricidad/protecciones/pararrayos/
sistema-externo-de-proteccion-contra-el-rayo/
http://es.wikipedia.org/wiki/Pararrayos
http://www.arquimaster.com.ar/articulos/articulo51.htm