7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
1/23
Ao de la inversin para el desarrollo y la seguridad alimentaria
ApantallamientoElectroesttico
Agosto
2013
Asignatura
Catedrtico : Ing. Cesar Chilet Len
Integrantes :
ROMAN BERROCAL, Hernn 2010210422
TOVAR NAVARRO, Miguel ngel 2011119892
HUANCAYO - PER
SISTEMAS DE TRANSMISIN
Y DISTRIBUCIN
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
2/23
A nuestros padresPor su apoyo incondicional que nos
brindan.
A todas aquellas personas con sed de
conocimiento y deseos de superacin, que
leen hoy stas pginas y premian el
esfuerzo de este trabajo.
A nuestros DocentesQuienes son nuestros guas en el
aprendizaje, dndonos los ltimos
conocimientos para nuestro bien
desenvolvimiento en nuestras
profesiones.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
3/23
NDICE
Caratula ............................................................................................................................. 1
Dedicatoria ........................................................................................................................ 2
ndice ................................................................................................................................. 3
Introduccin ...................................................................................................................... 4
CAPITULO I
1.1. Apantallamiento electrosttico .........................................................................
1.2. Jaula de Faraday.................................................................................................
1.3. Funcionamiento de la Jaula de Faraday .............................................................
1.4. Aplicaciones de la Jaula de Faraday ...................................................................
CAPITULO II
2.1. Forma de apantallamiento contra descargas atmosfricas...............................
2.2. Tipos de apantallamiento ..................................................................................
2.2.1. Apantallamiento con hilos de guarda. ....................................................
2.2.2. Apantallamiento con mstiles.................................................................
2.2.3. Apantallamiento con elementos de ionizacin.......................................
2.3. Proceso de las descargas atmosfricas ..............................................................
2.4. Estadsticas de probabilidad de descargas atmosfricas ...................................
2.5. Zonas de proteccin para las descargas atmosfricas.......................................
2.6. Apantallamiento con elementos de ionizacin .................................................
Bibliografa ..........................................................................................................................
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
4/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 4
INTRODUCCIN
Los sistemas elctricos, maquinarias, herramientas y personal que se encuentran a la
intemperie y estn permanentemente expuestos a la accin de las descargas atmosfricas y
entre ellas a la ms comn, conocida como Rayo, en este estudio descargas atmosfricas o
rayo se los empleara como sinnimos. La proteccin clsica de una instalacin o equipos se
debe protegerse en forma semejante a las lneas de transmisin contra las descargas
directas e indirectas ya que los pararrayos convencionales sirven para proteger nicamente
contra ondas entrantes, porque es necesario apantallar ya sea con mstiles, hilos de guarda
para subestaciones elctricas, y actualmente con elementos electrnicos como son los de
ionizacin, que sirve para las industrias petroqumicas, elctricas, grandes edificios.
Para poder realizar un adecuado apantallamiento es necesario conocer el proceso bsico de
formacin y descarga de los rayos hacia la tierra y luego como interceptarlos y desviarlos a
tierra, para que ocasionen dao, constituyndose este mtodo la filosofa de este tipo
particular de proteccin. El proceso de descarga determina que el punto final de incidencia
siga un patrn probabilstica, esta caracterstica se la considera al emplear los diferentes
mtodos de apantallamiento de describiremos luego.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
5/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 5
CAPITULO I
1.1. APANTALLAMIENTO ELECTROSTTICO
El apantallamiento electrosttico es el fenmeno que se presenta en el interior de un
medio cerrado, en el que no existir campo elctrico alguno ya que ninguna carga
puede atravesarla. Por esta razn se hace uso de este fenmeno para proteger
dispositivos de cargas elctricas.
1.2. JAULA DE FARADAY
Una jaula de Faraday es una caja metlica que protege de los campos elctricos
estticos. Debe su nombre al fsico Michael Faraday, que construy una en 1836. Se
emplean para proteger de descargas elctricas, ya que en su interior el campo
elctrico es nulo.
1.3. FUNCIONAMIENTO DE LA JAULA DE FARADAY
El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor
en equilibrio electrosttico. Cuando una caja metlica se coloca en presencia de un
campo elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los
electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
6/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 6
Como la carga del electrn es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario
al campo elctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la
caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa,
mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este
desplazamiento de las cargas hace que se cree un campo elctrico de sentido contrario
al campo inicial.
Una jaula de Faraday es una caja metlica que protege de los campos elctricos
estticos. Debe su nombre al fsico Michael Faraday, que construy una en 1836. Se
emplean para proteger de descargas elctricas, ya que en su interior el campo
elctrico es nulo.
El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en las propiedades de un conductor en
equilibrio electrosttico. Cuando la caja metlica se coloca en presencia de un campo
elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los
electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que
sobre ellos acta una fuerza dada por:
Donde es la carga del electrn. Como la carga del electrn es negativa, los electrones
se mueven en sentido contrario al campo elctrico y, aunque la carga total del
conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se
queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un
defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en
el interior de la caja se cree un campo elctrico (representado en rojo en la siguiente
animacin) de sentido contrario al campo externo, representado en azul.
El campo elctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
7/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 7
Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello
se emplea para proteger dispositivos de cargas elctricas. El fenmeno se denomina
apantallamiento elctrico.
1.4. APLICACIONES DE LA JAULA DE FARADAY
Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana estn provistos de una
jaula de Faraday: los microondas, escneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar
provistos de una jaula de Faraday actan como tal: los ascensores, los coches, los
aviones, etc. Por esta razn se recomienda permanecer en el interior del coche
durante una tormenta elctrica: su carrocera metlica acta como una jaula de
Faraday.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
8/23
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
9/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 9
CAPITULO II
2.1. FORMA DE APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS
El elemento protector o guardia (mstil, hilo de guarda) tiene entonces por finalidad
atraer sobre si la descarga y conducirla a tierra, de la forma que no dae a los
elementos protegidos. Este efecto se denomina apantallamiento o blindaje y
constituye uno de los medios ms utilizados para el control de los rayos.
Est claro que mientras ms alto est el elemento protector sobre los elementos
protegidos, mayor ser la probabilidad de intercepcin de un rayo, y por lo tanto
existir un mayor grado de proteccin. Pero por otra parte, subsiste la probabilidad de
que el rayo no sea interceptado, esta ocurrencia se denomina falla del
apantallamiento una elevacin extrema de la guardia produce situaciones no
aceptables en ingeniera e incrementan excesivamente los costos de la proteccin, por
lo que una cierta probabilidad de falla del apantallamiento debe ser aceptada. Esta
probabilidad se la define cuantitativamente, segn Link, como el nmero de aos que
debe transcurrir para que ocurra una nica falla del apantallamiento y quedenominaremos periodo de proteccin del blindaje que es el tiempo en el cual
podra haber una probabilidad de una descarga elctrica en la zona protegida esto
veremos ms profundamente ms adelante
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
10/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 10
No existen medios para evitar las descargas atmosfricas creadas por tormentas
elctricas, pero existen medidas que permitan ejercer un control que ofrezca
seguridad de las personas y los equipos elctricos y electrnicos. Por tanto las
precauciones de proteccin apuntan hacia los efectos secundarios y a las
consecuencias de una descarga elctrica atmosfrica, la descarga de un rayo genera
una onda de choque como se ve en la figura.
NIVELES CERAUNICOS
El nivel ceranico se define como el nmero de das de tormenta ao en una regin y
un da de tormenta en el cual por lo menos se oye un trueno.
En base donde se requiere realizar la proteccin se debe determinar si es necesario
protegerla contra los efectos de las descargas atmosfricas.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
11/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 11
Los rangos de los niveles ceranicos se pueden clasificar como:
NIVEL CERAUNICO
(das de Tormenta)
CATEGORIA
30 a 50 Bajo
50 a 70 Medio
70 a 100 AltoMayor que 100 Muy Alto
2.2. TIPOS DE APANTALLAMIENTO
La zona por proteger contra las descargas atmosfricas debe incluir todas las
Estructuras y equipos en general a ser protegidos.
Existen tres tipos para el apantallamiento.
2.2.1. APANTALLAMIENTO CON HILOS DE GUARDA.
Los hilos de guarda son utilizados con mayor frecuencia para apantallamiento
de subestaciones elctricas y lneas de transmisin. Los hilos de gurda tambin
se los conoce en algunos pases como cables de tierra, generalmente son de
acero y se instalan encima de los conectores y conductores de fase.
Existes diferentes mtodos para ubicar los cables de guarda y cada uno de
ellos proporciona una zona de proteccin contra descargas. Los mtodos
clsicos se basan principalmente en criterios geomtricos sin mayores
fundamentos tericos que los resultados de su aplicacin. Los mtodos
clsicos que se utilizan son:
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
12/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 12
Charles Wagner y Mac Cann Schwaiger Langrehr
Tambin existen mtodos modernos que se basan en modelos tericos del
fenmeno de descargas atmosfricas.
Los datos necesarios para l clculo de la altura a la cual van a estar apoyados
los cables de guarda son como se muestra en la figura.
Dnde:
H = Altura del hilo de guarda.M = Centro de la carga.G = Hilo de guarda.L = distancia de un objeto a la posicin del hilo de guarda.
Si se emplean dos hilos de guarda el esquema de proteccin toma la forma
siguiente.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
13/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 13
Para determinar la mxima altura protegida es funcin de la altura del objetopor proteger y la distancia a la torre del hilo de guarda.
H = ( L. S ).
H = (1/3)x* (2S 3L) (1/3).(S2 4.(3.L.S))+
El mtodo de clculo mencionado anteriormente est basado en la proteccin
de los equipos principales de la subestacin contra descargas directas por rayo
y las expresiones matemticas indicadas para l clculo de la altura a la que
deben de -33- estar los hilos de guarda se obtienen a partir de un modelo
electromagntico de blindaje en las subestaciones elctricas.
Los hilos de guarda se instalan directamente sobre las estructuras por lo
general son de acero galvanizado con una seccin no inferior a 500 mm2
usndose conectores para unirlos a la estructura se conectan a tierra por lo
menos en dos puntos con cable de acero galvanizado tambin con una seccin
no inferior a 500 mm2. La distancia de proteccin horizontal de los
conductores de guardia, se los llama distancia protegida esta y su altura
efectiva definen el ngulo de apantallamiento, y por lo tanto el ngulo de
apantallamiento correspondiente considera adems la magnitud de la
corriente del rayo y su distribucin estadstica.
2.2.2. APANTALLAMIENTO CON MSTILES
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
14/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 14
Los mstiles o bayonetas con electrodos de acero cuya funcin principal es la
concentracin de los electrones de pre-descarga para su descarga a tierra a
travs de la puesta a tierra del sistema, deben estar terminadas en punta y se
deben instalar en los puntos ms altos de las estructuras del sistema.
La zona de proteccin que brinda la bayoneta se calcula a travs de las zonas
de proteccin que veremos ms adelante.
2.2.3. APANTALLAMIENTO CON ELEMENTOS DE IONIZACIN
A fin de conseguir una zona de proteccin ms efectiva contra los defectos de
una descarga directa, se propone. La instalacin del sistema de elementos de
ionizacin.
Sistema de Ionizacin de auto cebado. La cual crea una zona ionizada ms
amplia y dinmica, lo que elimina la Ineficiencia del flujo ascendente de
conexin con el canal descendente que presenta el tipo de pararrayos
convencional, ya que al disponer de fuentes radioactivas que emiten
continuamente partculas radiactivas, provocando una regin ionizada del aire
ms amplia, liberando electrones, que proporcionan caminos fciles para las
descargas del rayo en direccin al terminal captor, es decir que genera
electrones o cargas de signo contrario a la de la nube al aproximarse la
tormenta, para que se descargue por medio de este y poder enviarlo a tierra
en forma controlada y no cause ningn dao.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
15/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 15
El propsito de Pararrayo es mejorar el desarrollo de la conductividad hacia
arriba del lder creando un intenso efecto corona en la punta, este aparato
adems produce la ionizacin requerida en el momento preciso, en el instante
de mayor riesgo de descarga de un rayo, La ionizacin es creada por el paso o
salto de la chispa entre la punta del pararrayo y los electrodos ubicados en los
costados de la punta, como muestra la figura
2.3. PROCESO DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS
El proceso de la descarga se describe como sigue: se tiene una conduccin
descendente de carga negativa que avanza desde la nube hacia tierra a travs de una
secuencia de pasos de canal de 50 a 80m de longitud, con velocidades de 105 m/s
transportando una cierta cantidad de carga. Como los pasos de canal avanza hacia
abajo se produce un aumento rpido del campo elctrico sobre el suelo de preferencia
en los objetos puntiagudos localizados a gran altura (poder de puntas). Cuando el
campo elctrico alcanza un valor crtico ver figura, determinados puntos sobre el sueloorigina el lanzamiento de flujos de corriente ascendente de carga positiva, tal que, el
primer punto que intercepte la punta del paso del canal ms cercano (canal principal o
lder) completa el camino de ionizacin entre la nube y tierra.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
16/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 16
La longitud mnima del flujo ascendente para conectar con el canal descendente se
denomina distancia de impacto (Di), distancia crtica de arqueo (Rs) o radio de
atraccin (R) de acuerdo al mtodo a utilizar. Una vez completado el canal o retorno
de impacto, este permite la circulacin de la corriente.
Cabe indicar que el proceso de unin, Flujo / canal se realiza en forma probabilstica,
ya que cualquier flujo puede llegar a alcanzar la distancia de impacto Este principioconstituye la base del modelo electro geomtrico.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
17/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 17
Por ejemplo, Una descarga de 10 KA permite generar un flujo ascendente desde un
punto del suelo, si alguno de los pasos del canal descendente alcanza o se aproxima a
los 40 m. Ms all de esta distancia el canal avanza hacia abajo hasta alcanzar un flujo
producido en algn otro punto del suelo.
Esto se observa en la figura 2.8b donde le rayo ingresa al cono de proteccin de una
estructura alta debido a la incapacidad de emprender un flujo ascendente desde la
cima de la estructura.
Una forma de determinar Di (distancia de impacto) es por medio de la curva
recomendada por Golde que se muestra en la figura 2.9, donde relaciona la longitud
del camino y la corriente pico subsiguiente a la descarga tanto para impulsos de rayosnegativos como para impulsos de rayos positivos los cuales son menos frecuentes.
Por los campos estudiados se indica que hay un grado de correlacin entre la carga del
canal de conduccin y la corriente pico posterior a la descarga. Una relacin empricaest dada por:
I = 10.6 x Q0.7. (2.3)
Dnde:
I es la corriente medida en KA`
Q carga en culombios.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
18/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 18
Esta relacin puede ser usada para determinar la distancia de impacto entre el canal
lder y el flujo ascendente, al aplicar las siguientes expresiones empricas, desarrolladas
por cientficos dedicados a esta rama como son Link, Eriksson.
Link Rs = 7.1 X I0.75 (2.4)
Eriksson: Di = 10 x I0.65. (2.5)
O bien Di = 6.7 x I0.8 (2.6)
Siendo: Di = es la distancia de impacto en metros.
Rs = Es la distancia crtica de arqueo en metros.
2.4. ESTADSTICAS DE PROBABILIDAD DE DESCARGAS ATMOSFRICAS
Cabe mencionar que la corriente de descarga es un parmetro cuyos valores de
intensidad son de carcter probabilstica, son ms probables las corrientes de
descargas relativamente dbiles y menos probables las de gran intensidad.
La norma AS 1768 1983 (tablas 2.1) rene una serie de valores relacionados con la
distribucin estadstica de los parmetros de las descargas atmosfricas, cuyos datos
provienen de las investigaciones realizadas en diferentes partes del mundo.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
19/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 19
2.5. ZONAS DE PROTECCIN PARA LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS
Un factor importante para determinar la ubicacin del terminal de aire es el concepto
de zona de proteccin contra rayos. Generalmente, se asume que la zona de
proteccin es cnica o cilndrica, la base del cono o cilindro es un crculo, cuyo radio
depende de la altura del elemento captor, y las experiencias observadas. Esta
propiedad indica que las descargas del rayo que debieran ocurrir dentro del rea
protegida, son atradas hacia el pararrayos.
A travs del tiempo se ha ido modificando las zonas de proteccin en principio el radio
de la base era igual, en ediciones posteriores se redujo a 1.75 x h (altura a la cual est
colocada el elemento de proteccin) debido a informes insatisfactorios,
posteriormente se adopt la relacin r = 1.5 h, pero siempre no ha de ser confiable.
Principio de la distancia corta, evaluado por Walter asume que el rayo sale de la base
de la nube y busca un punto exterior lo ms cercano a la superficie de la tierra (pero
esto no es tan cierto). De acuerdo a estas consideraciones la expresin encontrada
para el radio es:
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
20/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 20
r = (2.H h). (2.10)
Siendo: H es la distancia entre la base de la nube y el suelo (200-4000 metros).
h altura del pararrayos.r Radio de proteccin.
La solucin ms aproximada y la que se utiliza actualmente para la determinacin y
clculo de la zona de proteccin es sobre la base del modelo electromtrico que toma
en cuenta el proceso de la descarga a tierra. Este concepto, se aplica en los
denominados mtodos de Golde H, Link H. Erisson, mismos que se detallan ms
adelante. De acuerdo al modelo electro geomtrico se puede determinar la incidencia
de descargas en una estructura en base a la zona de atraccin de captura, cuyoconcepto depende de los radios de atraccin o de captura, cuyo concepto depende de
los radios de atraccin natural en la estructura. Los mismos se determinan mediante la
integral de la frecuencia de distribucin estadstica y segn un modelo computacional.
De acuerdo a la expresin siguiente de simulacin:
Rn = F*Q(p), C, A, E, V, H, K, G, T+ . *Lp+- dp (2.11)
Siendo:
Rn = Radio promedio de atraccin natural de la estructura.
L(p) = Distribucin de probabilidad natural de intensidad de descarga del rayo
(similar al de la figura (2.10)
F[Q(p),C,A,E,V,H,K,G,T] = Define la distancia de los radios por anlisis
computacional a travs de un conjunto de datos de entrada.
C = altura de la carga nube tierra, generalmente es 3000 m.
A = Altitud del lugar.
E = Voltaje de ruptura del aire, se considera como valor tpico 3.1MV/m.
V = Relacin de la velocidad de conduccin descendente / ascendente. Por
experimentos de campos y observaciones fotogrficas, normalmente vara entre
0.9 y 1.1.
H = Altura de la estructura.
K = Caractersticas de la intensificacin del campo. Un K tpico esta entre 6 y 20 en
las esquinas y de 1 a 5 en paredes.
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
21/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 21
G = Factor de representacin de la forma geomtrica de la estructura,
generalmente es 1.
T = Factor de la representacin fsica del suelo e incluye la influencia de
estructuras cercanas, valor tpico 1.
La zona de captura (CA) de una estructura se define como el rea lmite de ingreso de
la punta del canal principal para producir el lanzamiento de flujo ascendente desde la
estructura, como se muestra en la figura 2.14 se lo aplica principalmente en todas las
esquinas o bordes de la estructura, puesto que son los puntos ms probables a
producir radios de atraccin. En reas tpicas la evaluacin del CA es por medio de las
siguientes expresiones:
Para una estructura rectangular CA = (L + 2.Rn) . (A + 2.Rn) (2.12)
Para una estructura circular CA = .(Ra Rn)2 (2.13)
Dnde:
Rn es la probabilidad promedio de los radios de atraccin.
L y A dimensiones de la estructura rectangular.
Ra radio de la estructura circular.
Los radios de atraccin se pueden determinar en base a la altura de la estructura
Mediante la tabla
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
22/23
Apantallamiento Electroesttico
Universidad Continental Pgina 22
7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico
23/23
Apantallamiento Electroesttico
U i id d C ti t l P i 23
BIBLIOGRAFA
http://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoY
http://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dc
http://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dc
TESIS DE GRADO
Escuela Politcnica del Ejrcito. ESPE Latacunga Facultad de ingeniera de Ejecucin en
Electromecnica.
http://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoYhttp://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoYhttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoYTop Related