IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE
COLECCICOLECCIÓÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA
DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA
TDGL POZA RICATDGL POZA RICA
TESINATESINA
PARA OBTENER EL TITULO DE :PARA OBTENER EL TITULO DE :
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTAINGENIERO MECANICO ELECTRICISTA
PRESENTAN:PRESENTAN:
ANGELES SANCHEZ JESUS MOISESANGELES SANCHEZ JESUS MOISES
MORA GALICIA LUIS DAVIDMORA GALICIA LUIS DAVID
POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010
UNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA ZONA POZA RICA -- TUXPANTUXPAN
IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE
COLECCICOLECCIÓÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA
DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA
TDGL POZA RICATDGL POZA RICA
TESINATESINA
PARA OBTENER EL TITULO DE :PARA OBTENER EL TITULO DE :
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Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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INDICE
Introducción……………………………………………………………………………......4
Capítulo I
Generalidades……………………………………………………………………………..7
Justificación………………………………………………………………………………..8
Naturaleza sentido y alcance del trabajo……………………………………………….9
Enunciado del tema……………………………………………………………………..10
Explicación de la estructura del trabajo……………………………………………….11
Capítulo II
Desarrollo del tema……………………………………………………………………..12
Planteamiento del tema de investigación……………………………………….…….13
Marco contextual………………………………………………………………………...14
Marco teórico………………………………………………………………………...…..16
SUB-TEMA 1.0 GENERALIDADES…………………………………………………16
SUB-TEMA 2.0 PELIGRO DE LOS RAYOS Y SUS EFECTOS
ASOCIADOS……………………………………………………………………………..16
2.1 El problema de las descargas atmosféricas…………………………………….18
2.1.1 Efectos directos………………………...…………………………………….….18
2.1.2 Efectos secundarios……………………………………………………….…….19
2.1.3 Líneas energizadas……………………………………………………………...20
2.2 Operación de una descarga atmosférica………………………………………..21
2.2.1 Mecánica del rayo……………………………………………………………….22
2.2.2 Efectos de la descarga atmosférica…………………………………………...25
2.3 Sistema contra descargas atmosférica…………………………………………..33
2.3.1 Factores de riesgo………………………………………………………………..33
2.3.2 Dentro y sobre edificios……………………………………………………….....34
SUB-TEMA 3.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS………………………………….36
3.1 Teorías sobre la formación de las descargas atmosféricas…………………….36
3.1.1 Teoría de Simpson………………………………………………………………..36
3.1.2 Teoría de Elster y Geitel………………………………………………………….37
3.1.3 Teoría de Wilson…………………………………………………………………..37
3.1.5 Teoría de Brooks………………………………………………………………….38
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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3.1.6 Teoría de sir Basil Schonlan…………………………………………………….39
3.2 Características de las descargas eléctricas………………………………………41
3.3 Campos eléctricos…………………………………………………………………..44
3.3.1 Campos eléctricos de la atmosfera……………………………………………..44
3.3.2 Campos eléctricos en el núcleo de las nubes…………………………………46
3.4 Formación y producción de las descargas……………………………………….47
3.5 Estructura eléctrica de una tormenta……………………………………………...49
3.6 Diferencia de potencial en las descargas atmosféricas…………………………50
3.7 Longitud de las descargas atmosféricas………………………………………….51
3.8 Nubes de tormenta………………………………………………………………….51
3.9 Tipos de descarga…………………………………………………………………..52
3.10 Física de la formación de la descarga nube – tierra…………………………...55
3.11 Contabilización de las descargas atmosféricas………………………………...62
3.12 Parámetros importantes del rayo, para aplicaciones prácticas
amplitud…………………………………………………………………………………...67
3.13 Calculo de índices de riesgo para protección de estructuras y
edificaciones……………………………………………………………………………...71
3.14 Protección contra rayos…………………………………………………………...84
3.15 Protección convencional………………………………………………………….85
3.16 Protección no convencional……………………………………………………....87
3.17 Sistemas de eliminación…………………………………………………………..89
SUB-TEMA 4.0 SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS
ATMOSFERICAS………………………………………………………………………..91
4.1 Método de volumen de colección CVM…………………………………………..91
4.2 Procedimiento de cómputo del CVM……………………………………………..94
4.3 componentes del CVM para la protección contra descargas
atmosféricas……………………………………………………………………………...97
4.3.1 Terminal aérea dynasphere…………………………………………………….99
4.3.2 Conductor de bajada a tierra…………………………………………………...104
4.3.3 Contador de descargas atmosféricas…………………………………………106
4.3.4 Sistema de tierras……………………………………………………………….108
SUB-TEMA 5.0 ESTUDIO TECNICO ECONOMICO……………………………...118
5.1 Introducción………………………………………………………………………..118
5.2 Cargos que integran el precio unitario………………………………………….119
5.2.1 Cargos directos………………………………………………………………….120
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Página 3
5.2.2 Cargos indirectos………………………………………………………………...123
5.2.3 Utilidad…………………………………………………………………………….124
5.3 Análisis del costo total de la obra………………………………………………...124
5.3.1 Materiales y equipo……………………………………………………………..124
5.3.2 Mano de obra…………………………………………………………………….127
5.3.3 Maquinaria, equipos y herramientas…………………………………….……127
5.3.4 Costo total de la obra……………………………………………………………128
Capitulo III
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………..…130
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………133
ANEXOS………………………………………………………………………………...135
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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INTRODUCCION
En cualquier instante dado, casi 1,800 tormentas eléctricas están en progreso
sobre la superficie de la Tierra, y en promedio hay 50,000 tormentas eléctricas en
México cada año. La intensidad media de la descarga de un rayo se estima en
20,000 amperios, pero se han detectado rayos de hasta 200,000 amperios.
Las características climáticas y montañosa de cada país determina el número y la
intensidad de las tormentas que se producen (nivel isoceráunico), riesgo que varía
dentro de un mismo país. El conocimiento de las zonas de riesgo es una
información importante para determinar eficazmente el tipo de protección contra el
rayo más adecuado.
Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto directo o por
causas indirectas. También pueden alcanzar las instalaciones interiores de
fábricas, hogares, comercios industrias, etc., a través de las líneas de conexión del
suministro de energía eléctrica, por las líneas de conexión de teléfonos, televisión
por cable, y también a través de la estructura metálica de los edificios, por
contacto directo o por inducción, por las raíces de los árboles. Por lo cual es
necesario que los equipos estén protegidos frente a todas estas posibilidades.
Mientras que un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas para las
personas, edificaciones, y animales; los daños por causas indirectas suelen ser
más numerosos, acompañados de cuantiosas pérdidas económicas. Se entiende
como causas indirectas como la caída de rayos en las inmediaciones o sobre los
tendidos aéreos o las inducciones electromagnéticas en estos conductores.
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
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No existe método alguno para evitar la formación de descargas atmosféricas
(rayos). Tampoco sería deseable, en vista que los rayos son responsables en gran
parte de la formación de vida en el universo.
El propósito entonces es tratar de protegerse contra las descargas atmosféricas
(rayos), controlando el paso de la corriente de las descargas eléctricas, y así
prevenir lesiones a las personas y daños a la propiedad.
La primera medida a tomar es interceptar la trayectoria del rayo y conducirlo a lo
largo de un conductor de baja resistencia, con el fin de que no se recaliente y que
no produzca elevados niveles de voltajes durante la descarga. Con tal fin, la
instalación para protección contra rayos se debe iniciar con la colocación de un
terminal aéreo de captación, de una adecuada bajante a tierra y un sistema de
electrodos de puesta a tierra.
De acuerdo a las teorías generalmente aceptadas, los rayos juegan un papel
importante en un intento de la naturaleza por mantener un balance dinámico entre
las cargas eléctricas de las capas superiores de la atmósfera y la superficie
terrestre.
Fue Benjamín Franklin el principal científico de la era moderna en estudiar el
fenómeno no solo en cuanto al origen y carga eléctrica de la nube, sino en las
alternativas de protección contra este fenómeno.
Sin embargo, el hombre desde los inicios de su existencia se ha visto fascinado y
atemorizado ante este evento natural. Alrededor de él, se han originado, Dioses,
leyendas, maldiciones, venganzas, milagros, etc.
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Se habla de protección, pues a pesar de tratarse de un evento natural de
espectacular belleza, su poder destructivo debido a la gran energía que maneja en
mínimos intervalos de tiempo, es muy grande.
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CAPITULO I
GENERALIDADES
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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JUSTIFICACION
“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre
impredecible; Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta cien descargas
por minuto y, una pequeña nube de tormenta pude generar la energía de una
pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de megawatts).
No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía
puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, pude salir de
operación por horas o días, debido a daños en el equipo, o una planta
petroquímica puede tener incendios originados por rayos, peligrosos riesgos y
elevados costos.
Hasta hace relativamente poco tiempo, poco se podía hacer para minimizar estos
riesgos. Cuando y donde ocurrirán las descargas eléctricas atmosféricas
tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la
energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física.
Al mismo tiempo que este puede eliminar algunos de los graves efectos de un
impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.
Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellos afectados
por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos
electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos los rayos son peligrosos,
especialmente en áreas donde se manejan productos flamables, explosivos y
equipos electrónicos, razón por la cual, se justifica el estudio y la mejor
implementación del sistema de protección contra descargas atmosféricas.
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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO
No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados a
incendios, lesiones o perdida de la vida, daños, destrucción a propiedades,
perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operación, debidas a
daños en los equipos , todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza. Los
efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resulta especialmente
cierto para líneas de energía e instalaciones en equipos electrónicos que son muy
sensibles.
Los efectos directos de un rayo, son la destrucción física, causadas por el impacto
directo que puede producir incendios cuando un impacto golpea a una instalación
donde hay materiales combustibles.
Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la
naturaleza destructiva de los rayos. Perdidas de millones de dólares se registran
cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y de otras instalaciones.
Además de las perdidas de vida cuando estas se incendian ò explotan
Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una
instalación incluyen; la carga electrostática del pulso electromagnético y los pulsos
electrostáticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.
Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la mayoría
de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.
El alcance de este trabajo es el de proponer una guía de la metodología en la
implementación de sistemas de protección contra descargas atmosféricas.
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ENUNCIACION DEL TEMA.
La enunciación de tema de nuestro trabajo excepcional es “Implementación del
Método de Volumen de Colección para la Protección Contra Descargas
Atmosféricas en la TDGL Poza Rica” en donde se propone, que permita a las
personas interesadas tener un procedimiento para la selección de pararrayos y su
calculo adecuado. Desde el primer momento en que se tiene el conocimiento de
que un rayo es una descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e
investigado con profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin
embargo, la protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde
los tiempos de Benjamín Franklin).
Después de siglos de investigación, nuevos y sofisticados instrumentos que han
aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de este
fenómeno que no ha sido claramente entendido como se produce y opera la
descarga eléctrica atmosférica y cual es el sistema de protección mas adecuado
para diferentes aplicaciones, por lo que es necesario un análisis de lo que es el
fenómeno.
a) Instalar el mejor pararrayos o terminal aérea que tenga la función de
atracción de rayos.
b) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las
corrientes del rayo a tierra.
c) Evitar que durante la circulación de las corrientes de rayo a tierra se puedan
producir diferencias de potencial entre distintos puntos de las bajadas a tierra, que
puedan ser peligrosas para el personal, el equipo eléctrico y electrónico.
d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico y la mayor
protección al equipo electrónico y el mejor cuidado a la vida humana.
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EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
En ese proyecto el lector podrá ver de manera concisa y comprender los temas
que se involucran en el diseño y construcción de sistemas de protección contra
descargas atmosféricas, así también como el cuidado que se debe tener al
seleccionar el tipo de pararrayos. Para no caer en errores que puedan ser
costosos tanto de tiempo como económicos y de perdidas humanas.
El desarrollo de este proyecto se divide en tres capítulos y comprenden los
siguientes temas:
En el capitulo I se encuentra la justificación de este proyecto, su naturaleza
sentido y alcance, la enunciación del tema y la explicación de la estructura del
trabajo.
En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigación, el marco
contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto, seguido por el
marco teórico el cual esta dividido en cinco sub.-temas los cuales son:
1) Generalidades.
2) Peligro de los rayos y sus efectos asociados.
3) Descargas atmosféricas.
4) Sistema de protección contra descargas atmosféricas.
5) Estudio técnico económico.
En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, la bibliografía
de donde se obtuvo nuestra información para el desarrollo del proyecto así como
los anexos y apéndices.
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CAPITULO II
DESARROLLO DEL TEMA
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PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION
Todos los días del año y en casi todo el mundo se originan cambios del clima y en
consecuencia la posibilidad de que se produzcan tormentas eléctricas asociadas
con descargas atmosféricas que pueden golpear directamente o indirectamente a
instalaciones de energía eléctrica y de comunicaciones que son las mas
afectadas, causando perdidas humanas y daños materiales, que se traducen en
grandes perdidas económicas, por lo que surge la necesidad de diseñar
adecuadamente el sistema de pararrayos, con el objeto de desviar la trayectoria
de los impactos de los rayos y transferir toda esa energía a tierra y de esta forma
minimizar los efectos primarios y secundarios de los rayos .
El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a
estudiantes de ingeniería mecánica eléctrica información relativa a al protección
contra las descargas atmosféricas con el uso de pararrayos y sistemas de tierras.
Este trabajo se utilizara de manera sencilla y práctica una teoría de selección de
pararrayos y sistemas de tierra.
Esperando que esta información le sirva al lector, como una consulta en los
proyectos en donde se involucren la protección de sistemas eléctricos, contra
descargas atmosféricas.
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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MARCO CONTEXTUAL
Las descargas atmosféricas pueden ser devastadoras. Además del peligro para
las personas, es una causa importante de costosas fallas en los equipos
electrónicos y la interrupción onerosa de la actividad comercial.
Por lo general, el punto más alto de una instalación es el lugar más vulnerable a
ser objeto del impacto de una descarga atmosférica. Los pararrayos o terminales
aéreas son necesarias para capturar la descarga atmosférica en un lugar
específico y dirigir la energía en forma segura a tierra para minimizar el riesgo.
En la actualidad se ha desarrollado un avanzado sistema de protección contra
descargas atmosféricas, conocido con el nombre de Método de Volumen de
Colección para la Protección Contra Descargas Atmosféricas.
Este sistema innovador es un ejemplo de la aptitud del sistema para una amplia
variedad de tipos de estructuras, se dedica a proporcionar la mejor solución para
la protección contra descargas atmosféricas para cualquier aplicación
determinada.
Este método o sistemas de protección contra descargas atmosféricas cumplen
totalmente con más de doce estándares nacionales e internacionales así como
también sistemas no convencionales basados en terminales aéreas optimizadas y
conductores aislados para aplicaciones en las cuales dichos elementos
proporcionan una solución ventajosa para el cliente.
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El enfoque del Método de Volumen de Colección para la Protección Contra
Descargas Atmosféricas se basa en las soluciones mas adecuadas. El objetivo es
proporcionar la mejor solución para una aplicación determinada. Algunas
estructuras son más aptas para la protección tradicional y convencional contra las
descargas atmosféricas y diseños que requieren protección mediante el enlace de
la estructura del edificio completo. Otras estructuras se ajustan más a un método
que utilice protección mediante aislamiento.
Cualquiera que sea la aplicación o el problema de protección presentado, el
Método de Volumen de Colección para la Protección Contra Descargas
Atmosféricas ofrece una mejor solución.
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MARCO TEORICO
SUB-TEMA 1.0 GENERALIDADES
A continuación trataremos como opera una descarga eléctrica atmosférica (rayo)
y los efectos secundarios, generados por la misma (Pulsos Electromagnéticos,
Pulsos Electrostáticos, Corrientes de tierra y Carga Estática).Debido a la gran
cantidad de descargas eléctricas que generan al año muchas empresas tienen
problemas con sus equipos e instalaciones.
“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre
impredecible. Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas
por minuto y lo mismo, una pequeña nube de tormenta puede generar la energía
de una pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de megawatts).
No todos los rayos son a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía puede ser
devastadora. Una empresa de Telecomunicaciones, puede salir de operación por
horas o por días debido a daños en el equipo, o una planta petroquímica puede
tener incendios originados por rayos, con peligrosos riesgos y elevados costos.
Hasta hace relativamente poco tiempo, muy poco se podía hacer para minimizar
esos riesgos. Cuando ocurrían y donde ocurrirán descargas eléctricas
atmosféricas.
Tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la
energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Al mismo
tiempo que esto puede eliminar algunos de los graves efectos de un impacto
directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos, y todos ellos son
afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos
electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos ellos son peligrosos,
especialmente, en áreas donde se manejan productos flamables, explosivos y
equipos electrónicos. Una pregunta sin respuesta es: en primer lugar, ¿por qué
atraer un rayo cuando estos crean efectos secundarios peligrosos que puede
eliminarse? se ha demostrado que es posible eliminar los rayos totalmente y en
consecuencia, eliminar todos los riesgos relacionados con ellos.
En plantas químicas, plantas nucleares de generación de energía, refinerías e
instalaciones petroleras y muchas otras instalaciones, y se han demostrado que
las pérdidas y daños relacionados con los rayos son completamente previsibles.
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SUB-TEMA 2.0 PELIGRO DE LOS RAYOS Y SUS EFECTOS
ASOCIADOS
2.1 EL PROBLEMA DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS
No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados.
Incendios, lesiones o pérdida de la vida, daños y destrucción a propiedades,
pérdidas significativas de tiempo y de dinero por salidas de operación, debidas a
daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza. En
tanto que los efectos directos de un rayo son obvios, los efectos secundarios
pueden resultar devastadores. Esto resulta especialmente cierto para líneas de
energía e instalaciones con equipo electrónico que es muy sensible.
2.1.1 EFECTOS DIRECTOS.
Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto
de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una
instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al
canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo.
Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la
naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se registran
cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras
instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas
atmosféricas en muchas partes del mundo, además de pérdidas de vidas cuando
esas instalaciones se incendian o explotan.
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Por ejemplo, en 1990, en Nigeria se incendió un área de tanques de
almacenamiento a causa de un rayo, quemándose totalmente un tanque de
670000 barriles de petróleo crudo. El tanque estaba lleno, con la pérdida total del
producto y el tanque. Este tanque estaba “protegido” con un sistema radioactivo
convencional, lo que demostró claramente que estos sistemas de protección
tradicionales no son suficientemente efectivos.
Es verdad que el riesgo de la pérdida de un tanque de almacenamiento de
productos derivados del petróleo, es pequeño. Pero también es cierto que cuando
llega a ocurrir un siniestro, se pone en riesgo toda el área de tanques, no
solamente el tanque siniestrado.
2.1.2 EFECTOS SECUNDARIOS.
Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación
incluye; la carga electrostática, los pulsos electromagnéticos, los pulsos
electrostáticos, las corrientes de tierra y el sobre voltaje transitorio. La carga
electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común. Datos
estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la mayoría de
los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras. Estos incendios
con frecuencia se extinguen por sí mismos hasta que se aíslan o consumen los
vapores de combustión. Por ejemplo, la carga electrostática y los pulsos
electromagnéticos inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los
conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos
transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables
conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente
electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Los
gases ventilados a la atmósfera por chimeneas que normalmente no son
quemados en su totalidad, serán incendiados como resultado de los arcos
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eléctricos de los efectos secundarios. La compañía PPG de Lake Charles,
Louisiana, experimentó por años este fenómeno en sus chimeneas que
normalmente ventean hidrógeno. Los efectos secundarios no siempre son
fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección
convencional no influirá en ninguno de los efectos secundarios, excepto que
aumenta el riesgo de un evento. Las puntas pararrayos o terminales aéreos atraen
el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de los materiales
combustibles. Además, la tendencia hacia la micro miniaturización en el desarrollo
de los Sistemas Electrónicos, trae como consecuencia que sean más sensibles a
los fenómenos transitorios. Transitorios de menos de 3 volts en el pico o niveles
de energía más bajos que 10-7 Joules, pueden dañar o “confundir” esos Sistemas
y sus componentes.
2.1.3 LINEAS ENERGIZADAS
Las anomalías en los voltajes de líneas de energía son la causa más grave de
destrucción y disturbios que día a día sufren en su operación los equipos
eléctricos y electrónicos. Existen cuatro fuentes básicas de falla: las descargas
eléctricas atmosféricas, el servicio eléctrico local, los sistemas eléctricos vecinos y
el equipo eléctrico propio de la instalación. Cada uno de estos factores puede
crear sus propias formas de anomalías. De todas estas fuentes de falla, el rayo es
obviamente la mayor amenaza, el que representa el mayor riesgo, en términos de
potencial destructivo y fenómeno de falla. Un impacto de rayo directo en la línea
de energía en la entrada del servicio, puede causar daños muy graves dentro de
las instalaciones que no están protegidas o que están mal protegidas. Una
instalación protegida adecuadamente contra descargas eléctricas atmosféricas,
también está protegida contra otras anomalías en el sistema eléctrico. Por
ejemplo: que un vehículo choque contra un poste de una línea de energía de 220
kV y que los cables caigan sobre otra línea de 13.2 kV momentáneamente y que
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esta línea sea el alimentador principal de la instalación. El resultado serían altos
voltajes y grandes sobrecargas hacia los usuarios de esas fuentes de energía.
Aunque las causas de las anomalías en una línea de energía pueden variar
significativamente de acuerdo con su localización, los resultados son los mismos.
Los equipos fallarán inmediatamente o se degradarán en poco tiempo. Las fallas
pueden ser catastróficas y de alguna manera, en poco tiempo, se requerirá la
reposición, la reparación, la reprogramación, o el re arranque del programa en
ejecución. Cualquiera de estos eventos puede originar pérdida de tiempo y de
dinero. Todos estos eventos pueden ser eliminados con el acondicionamiento
apropiado del equipo de fuerza, adecuadamente instalado y mantenido. La
mayoría de estos eventos pueden ser eliminados por medio del uso de equipo de
protección relativamente barato.
2.2 OPERACIÓN DE UNA DESCARGA ATMOSFERICA
Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una
descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con
profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la
protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde los tiempos
de Benjamín Franklin). Después de siglos de estudios e investigaciones, nuevos y
sofisticados instrumentos que han aportado grandes conocimientos, todavía hay
muchas incógnitas acerca de este fenómeno que no ha sido claramente
entendido. Para entender como opera la protección contra descargas eléctricas
atmosféricas y cuál es el sistema más adecuado para diferentes aplicaciones, es
necesario un análisis de lo que es el fenómeno.
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2.2.1 MECANICA DEL RAYO
Las nubes de tormenta son cuerpos cargados eléctricamente, suspendidos en una
atmósfera que puede considerarse, en el mejor de los casos, como un conductor
pobre. Durante una tormenta, ocurre una separación de cargas dentro de la nube.
El potencial en la base de la nube, generalmente se considera alcanza cerca de
cien millones de volts y el campo electrostático resultante es de 10 kV por metro
de elevación sobre la superficie de la tierra. El proceso de carga (o separación de
carga) dentro de la célula de tormenta, generalmente deja a la base de la nube
con una carga eléctrica de polaridad negativa, sin embargo, en muy raras
ocasiones, llega a ocurrir lo contrario.
Esta carga resultante, induce una carga similar de polaridad positiva en la tierra,
concentrándose en la superficie, justo en el rastro o la sombra que deja la nube y
más o menos, con el mismo tamaño y forma de la nube (Ver figura 1).
Figura 1: Separación de Cargas
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 23
A medida que la tormenta crece en intensidad, la separación de carga continúa
dentro de la nube, hasta que el aire entre la nube y la tierra no puede actuar más
como aislante eléctrico. El punto de ruptura específico varía con las condiciones
atmosféricas.
Las formaciones de relámpagos de baja intensidad llamadas “paso líder”, se
mueven de la base de la nube hacia la Tierra. Estos pasos son de más o menos la
misma longitud, y esa longitud está en relación directa con la carga eléctrica en la
célula de la tormenta (la nube) y la corriente pico del rayo. Estos pasos líder,
varían en longitud de 10 metros a más de 160 metros, para una descarga eléctrica
de polaridad negativa. A medida que los pasos líder se acercan a la tierra, el
campo eléctrico entre los pasos líder se incrementa con cada paso. Finalmente, a
casi un paso de distancia de la tierra (o en una instalación sobre la tierra), se
establece una “zona de impacto”, como se ilustra en la Figura 2. Una zona de
impacto en forma de hemisferio, con un radio igual a la longitud de un paso líder.
Figura 2: Zona de Impacto
ZONA DE IMPACTO PUNTO DE
DISCRIMINACION
SOMBRA ELECTRICA DE LA NUBE
PUNTO DE DISCRIMINACION
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
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El campo eléctrico dentro de la zona de impacto es tan grande, que crea
“streamers” o flámulas, moviéndose hacia arriba desde los objetos que están
sobre la tierra. El primer streamer que alcance al paso líder, cierra el circuito
eléctrico e inicia el proceso de neutralización de la carga eléctrica de la nube.
Cuando se encuentran estructuras entre la tierra y la célula de tormenta (nube),
esas estructuras se cargan eléctricamente. Puesto que ellas acortan una parte de
la separación del espacio de aire, ellas pueden disparar un rayo, ya que la
estructura reduce una porción significativa del espacio de aire intermedio. La
neutralización de la carga (el rayo), es causada por el flujo de electrones de un
cuerpo a otro, de tal manera que como resultado, no hay una diferencia de
potencial entre dos cuerpos (Ver Figura 3).
Figura 3: Neutralización de la carga eléctrica (“Rayo”)
El proceso crea el mismo efecto que se tiene cuando se acercan las terminales de
una batería. Un arco eléctrico.
FLUJO DE CORRIENTE DE CARGA
EN LA SUPERFICIE HACIA EL
CANAL DEL RAYO
SOMBRA DE
NUBE
ELECTRICA
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2.2.2 EFECTOS DE LA DESCARGA ATMOSFERICA
El relámpago se define como el resultado de un canal ionizado de una descarga
eléctrica atmosférica; un rayo es una sobre corriente en ese canal. Hay cuatro
diferentes efectos secundarios que acompañan a un relámpago. Estos son:
Pulsos Electromagnéticos (EMP)
Pulsos Electrostáticos
Corrientes Transitorias de Tierra
Carga Electroestática
PULSOS ELECTROMAGNÉTICOS
Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos
transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga
del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube
y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico.
La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente, en relación directa
con la impedancia en el canal de descarga y la carga eléctrica de la nube de
tormenta. La relación de crecimiento de estos pulsos de corriente, varía en
órdenes de magnitud. Ellos han sido medidos en niveles de arriba de 510 ka por
microsegundo. Un promedio práctico, podría ser de 100 ka por microsegundo. Las
corrientes que fluyen a través de un conductor, producen un campo magnético en
relación a las mismas. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y
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alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperes, los pulsos magnéticos
que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP)
dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente,
puede también ser muy significativo (Ver figura 4).
Figura 4: Canal de Descarga del Rayo (EMP)
A medida que las nubes se cargan eléctricamente, aparece un paso líder hacia
abajo en la base de la nube de tormenta. Conforme el paso líder descendente se
acerca a la tierra, otro paso líder ascendente lo alcanza, y entonces ocurre el rayo
de retorno. Un descomunal aumento de carga acompaña a este rayo de retorno, la
cual actúa como una gigantesca antena de onda viajera, generando potentes
ondas de pulsos electromagnéticos. Por lo que, los EMP de una descarga eléctrica
atmosférica, pueden propagarse a grandes distancias y afectar grandes áreas (Ver
Tabla 2).
TABLA 2
Di /dt=100kg/1s
SISTEMA DEL
SATELITE
PROCESADOR DE
DATOS
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DATOS DEL RAYO DE RETORNO DE UNA DESCARGA ELÉCTRICA
ATMOSFÉRICA
Corriente 1 de Retorno 5 kA – 200 Ka
di/dt 7.5 kA/ s a 500 kA/ s
Velocidad 1/3 velocidad de la luz
Longitud (altura de las nubes de
tormenta)
3 – 5 km. Sobre la superficie
Cualquier línea de transmisión o de datos aérea, también sufrirá o será afectada
por las interferencias de los EMP, derivados de una descarga eléctrica
atmosférica, a pesar de que esté blindada. Los EMP de un rayo, tienen un amplio
espectro y la mayor parte de su energía está en la banda de baja frecuencia. De
ahí que, los EMP de un rayo puedan penetrar el blindaje y causar interferencias en
el sistema. Los EMP también tienen relación con los efectos secundarios que
resultan del flujo de corriente en el sistema de tierras. En esta situación, el rápido
cambio de corriente en relación al tiempo (di/dt) crea un campo magnético, el cual
será inducido a cualquier línea subterránea que pase cerca, o vaya paralela en
cualquier tramo del sistema de tierras. Resumiendo, la cercanía de cables o
alambrado subterráneo que se cruce o corra paralelamente, da como resultado la
transferencia de energía (EMP). (Ver Figura 5). Esa energía no siempre causa
daño en la acometida del servicio eléctrico; sin embargo, siempre resultará muy
alta y será suficiente para dañar a los circuitos de las líneas de datos.
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PULSOS ELECTROSTÁTICOS
Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la
variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica.
Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso
dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a
su altura (i.e. tantas veces la altura por la intensidad del campo), sobre la
superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a
una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático
medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100
kV y 300 kV con respecto a la tierra. Cuando ocurre la descarga (rayo), esa carga
deberá moverse hacia abajo en una línea, buscando un camino a la superficie de
la tierra. Cualquier equipo conectado a esa línea, proveerá el camino hacia la
Di /dt=100kg/1s
LINEA DE ALIMENTACION
ENTERRADA
CABLE DE TIERRA
ENTERRADO
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tierra. A menos que ese camino esté protegido adecuadamente, será destruido
durante el proceso de la descarga a tierra para neutralizarse. Este fenómeno es
conocido como transitorio atmosférico inducido. La elevación y caída de voltaje
electrostático, también está relacionado con los pulsos electrostáticos (ESP). (Ver
Figura 6).
Figura 6: Pulsos Electrostáticos
De acuerdo con la teoría electromagnética, las cargas estáticas, se acumulan en
la superficie de cualquier objeto sobre la tierra. La densidad de carga es
proporcional a la magnitud de esos campos electrostáticos. A mayor densidad de
carga, mayor es el riesgo de una terminación o alcance de un paso líder. Una
estructura metálica vertical inmersa en estos campos electrostáticos,
especialmente, aquellas que terminan en forma de punta, tienen una considerable
diferencia de potencial con respecto a la tierra. Si la estructura no está aterrizada,
CAMPO ELECTROSTATICO
VARIABLE
LINEAS DE DATOS ENTRE PLANTAS
RAYO CERCANO
LINEA DE ENERGIA AEREA SE INDUCIRAN
TRANSITORIOS
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puede causar arcos eléctricos y en algunos lugares con clasificación de alto
riesgo, puede iniciarse un incendio o bien, alterar el funcionamiento o incluso
dañar al equipo electrónico, generalmente, muy sensible.
CORRIENTES TRANSITORIAS DE TIERRA
La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de
neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es
consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la
tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el
rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino
más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo.
Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos
conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo se
impactó. A este voltaje inducido se le llama “corriente transitoria de tierra” y
aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Si los
conductores están blindados, los alambres internos experimentarán la primera
inducción de la corriente que fluye por el blindaje. Aunque el proceso de descarga
es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan
pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto (Ver Figura 7).
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Figura 7: Corrientes Transitorias de Tierra
La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos
siguientes:
1. 1. Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes,
cables o sistemas de tierra. (Normalmente se considera un gradiente de ruptura de
50 kV/m. Por ejemplo, la resistencia al pie de una torre de energía es de 10 Ohms,
la corriente del rayo de retorno es 200 kA, y la distancia de separación mínima es
de 40 metros).
2. 2. La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de
tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de
potencial de tierra no uniforme (GPR) en el sistema de tierra. Por ejemplo, dos
alambres de tierra de 10 metros enterrados con una resistencia de aterrizaje de
31.8 Ohms, están separados a 5 metros. Cuando fluye una corriente de 75
amperes en uno de los electrodos de tierra, los otros electrodos tendrán una
elevación de voltaje de aproximadamente 188 volts.
LINEAS
ENTERRADAS LINEAS
ENTERRADAS
CORRIENTES
TRANSITORIAS DE TIERRA
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CARGA ESTÁTICA
La causa más común de incendios en instalaciones donde se manejan productos
del petróleo relacionadas con rayos, es el fenómeno conocido como “carga
estática resultando arcos eléctricos secundarios” (BC/SA).Para entender el riesgo
de BC/SA, es necesario entender como se forma la carga estática y como resultan
los arcos secundarios provocando el incendio. La célula de tormenta induce la
carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. La carga estática
(amperes-segundo) está relacionada con la carga en la célula de tormenta. Debido
a que los productos del petróleo generalmente son almacenados en tanques
metálicos que son conductores eléctricos, esos contenedores y el producto
almacenado se cargan eléctricamente, resultando una diferencia de potencial
entre el tanque y la tierra física del lugar. Después de la tormenta, la carga
eléctrica del producto se moverá lentamente hacia las paredes del tanque. La
tierra en condiciones normales, tiene carga eléctrica de polaridad negativa con
respecto a la ionosfera. Cuando aparece una célula de tormenta entre la Ionosfera
y la tierra, la carga positiva es inducida sobre la superficie de la Tierra,
neutralizando la carga negativa y cargándose rápidamente con carga eléctrica de
polaridad positiva. El Tanque está al mismo potencial de la tierra, positivo antes
del rayo, pero instantáneamente, es negativo después del rayo. Los arcos
secundarios, resultan con el repentino cambio de la carga (20 microsegundos) de
la pared del tanque (polaridad negativa), y la carga eléctrica de polaridad positiva
del producto contenido en el tanque. El aterrizaje no tendrá una influencia
significativa en el potencial del fenómeno BC/SA. La protección contra rayos
convencional no puede prevenir la Carga Estática (BC) / Arcos Secundarios (SA),
porque no hay un camino de descarga confiable y disponible.
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2.3 SISTEMA CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
Desde 1971, los ingenieros especializados y con experiencia, han desarrollado
sistemas de protección contra descargas eléctricas atmosféricas. La ingeniería y
una solución más adecuada, es más difícil que la simple instalación de una punta
pararrayos. Cada lugar es evaluado por factores de riesgo, posición geográfica,
tipo de suelo y muchos otros parámetros, antes de implementar un plan de
protección. Por muchas razones, no puede haber una misma solución, sobre todo
cuando se trata de una protección contra descargas eléctricas atmosféricas.
2.3.1 FACTORES DE RIESGO
El número Keráunico (días de descargas eléctricas atmosféricas o tormentas
eléctricas por año), o nivel Isokeráunico (Isoceráunico), es un índice de medición.
Mientras mayor sea el número Keráunico, es mayor la actividad de rayos
encontrada en un área. En los Estados Unidos de Norteamérica, varía desde 1
hasta 100. En otras partes del mundo, puede llegar a ser hasta 300. En los
Estados Unidos de Norteamérica, hay un promedio de 30 tormentas-día-año a lo
largo y ancho del territorio, y muchos rayos ocurren durante una sola tormenta.
Los estudios muestran que para un área promedio dentro de los E.U.A., puede
haber entre 8 y 17 impactos por año en un área de una milla cuadrada. En el área
central de la Florida, el riesgo se incrementa entre 37 y 38 rayos por milla
cuadrada por año. Las características estructurales tales como altura, forma,
tamaño y orientación, también pueden influir en el riesgo. Por ejemplo, estructuras
altas tienden a colectar los rayos en el área que las rodea. Mientras más alta es la
estructura, mayor será el número de rayos que atrae y colecta. Estructuras altas
también provocarían más rayos que de otra manera no ocurrirían. Además, como
las nubes de tormenta tienden a viajar a alturas específicas con sus bases a 5000
ó 10000 pies, estructuras en áreas montañosas tienden a provocar rayos más
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fácilmente. El sistema factor de exposición para una línea de transmisión es un
ejemplo. Considere un tramo de 50 millas de longitud de una línea de transmisión
en el área central de la Florida. De acuerdo con datos del Subcomité en
Descargas Eléctricas Atmosféricas del IEEE, debería haber 1500 rayos por año
sobre la línea (en total para los alambres y conductores de fase). Doscientos
veinticinco de estos, excederían los 80000 amperes, todos en un año promedio.
2.3.2 DENTRO Y SOBRE EDIFICIOS
La Norma del IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc.)
C62.41de1991 fue elaborada para establecer una guía de sobrecargas para
aquellos equipos electrónicos que estuvieran expuestos a un ambiente con carga
electrostática, dependiendo del lugar de instalación. Esta norma fue revisada en
1991 para reflejar los efectos del lugar en el sistema expuesto. Por ejemplo, un
producto en la Florida donde el número de tormentas día-año es 100, no tendría el
mismo riesgo al estar expuesto que el mismo producto tendría en California,
donde el número de tormentas día-año es de 5. Cuando se prueba cualquier
producto, como un computador o un protector de eventos eléctricos transitorios, es
imperativo que las pruebas de comportamiento sean las adecuadas. La mayoría
de los Ingenieros piensan que las sobrecargas solamente son entre línea a tierra o
entre línea y neutro. En realidad, una sobrecarga se puede inducir de cuatro
maneras: línea a tierra, línea a neutro, neutro a tierra y línea y neutro a tierra. Por
ejemplo, si un protector de sobrecarga normal (standard) es únicamente para
proteger una línea a neutro, el dispositivo puede ser vulnerable a los impulsos
resultantes de los otros tres tipos de sobrecarga. Cuando se revisen las
características de los protectores de sobrecarga de clavija, debe tenerse cuidado
de verificar que están protegidas todas las 4 formas de sobrecarga mencionadas.
Las Normas IEEE, separan las pruebas de impulso por lugar, definiéndolas por
categoría A, B y C. La categoría C es para la entrada de la alimentación de la
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instalación. Esto incluye cualquier dispositivo instalado afuera del edificio o como
entra la energía al edificio, cerca del interruptor principal o por los alimentadores
entre el medidor y el Tablero de Distribución. La categoría B, incluye un
alimentador de más longitud y circuitos derivados más cortos, tales como tableros
de distribución secundarios a más de 10 metros dentro del edificio, o líneas que
alimentan cargas mayores. La categoría A incluye circuitos derivados de mayor
longitud y todos los contactos que están a más de 10 metros de la categoría B,
con calibres de cable o alambre del #14 AWG al #10 AWG.
NOTA: todos los supresores de eventos eléctricos transitorios para los
equipos electrónicos, deberán seleccionarse de acuerdo con la localización en que
estén instalados éstos.
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SUB-TEMA 3.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS
3.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE LAS DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
El rayo una inmensa chispa eléctrica natural, llamada también descarga
atmosférica; el arma más poderosa de la naturaleza, además de que tiene un
promedio de concurrencia de 100 veces por segundo sobre la faz de la tierra, se,
le conoce más por sus efectos nocivos aun que son mas lo beneficios que
proporciona.
Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmosfera o una nube adquiere
cargas eléctricas de tal magnitud que dan origen al rayo o descarga atmosférica.
Se ha emitido varias teorías para explicar la acumulación de estas cargas, pero el
problema es complejo y aun que se reproduce en el laboratorio, este no es
significativo por los valores de corriente alcanzado, además de lo aleatorio de las
condiciones necesarias para que ocurra la descarga de una tormenta.
3.1.1 TEORÍA DE SIMPSON
Simpson manifestó que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe a
las corrientes de aire que se encuentran en su interior, las corrientes de aire
ascendentes transportan vapor húmedo del mar o de la superficie terrestre, este
vapor al encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas
propicias se condensa transformándose en gotas de agua cuando se inicia la lluvia
en su caída, las gotas encuentran corrientes de aire ascendentes que provocan el
rompimiento de las mismas, formándose gotas más pequeñas, estas gotas por un
procedimiento parecido vuelven a fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir el
rompimiento de las gotas, se desprenden iones negativos; generando así cargas
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eléctricas que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las
corrientes de aire ascendentes a la parte superior en la nube, en tanto la parte
inferior de la nube se carga en forma positiva.
3.1.2 TEORÍA DE ELSTER Y GEITEL
Esta teoría se fundamenta en estudios realizados sobre una gota grande de lluvia
atra vez del campo eléctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de 100
volts por metro de altura; debido a la acción de este campo, la gota se polariza en
la parte inferior por una gota positiva.
La gota cargada eléctricamente en su caída, se encuentran con corrientes de aire
ascendentes que le producen una disminución de tamaño, continuando su caída
hacia la tierra, pudiendo así encontrar gotas de mayor tamaño, desequilibrándose
eléctricamente. El contacto de gotas de diferentes tamaños se repetirá frecuente
mente, originándose este valor hasta llegar a un valor critico, que produce la
descarga o rayo.
Este proceso descrito en 1985, permite explicar la carga positiva de la lluvia, pero
no la formación de los campos eléctricos de las tormentas.
3.1.3 TEORÍA DE WILSON
Según C.T. Wilson una gota polarizada capta en su caída más iones negativos
que positivos, cargándose por esta razón en medida creciente con electricidad
negativa. En la atmosfera normalmente existe una gran cantidad de iones
negativos y positivos que se mueven en diferentes direcciones con una velocidad
promedio de un centímetro por segundo, bajo la acción de un campo eléctrico de
un volt por centímetro (experimento de Wilson).
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La existencia de iones en el aire los estima de 1000 positivos y 800 negativos por
centímetro cubico, Juan jagsich nos dice que en Pilar, cerca de Córdova
Argentina, se registraron en término medio 2,272 iones por centímetro cubico, los
cuales 1,147 fueron de carga positiva y 1,125 de carga negativa.
Wilson especifica también que para estudiar el origen de las descargas
atmosféricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento de las gotas de
una tormenta; por consiguiente, una separación de su carga eléctrica respectiva
en el proceso de lluvia, las gotas hacen contacto eléctricos dando origen a que
auméntela ionización de la atmosfera, facilitando la formación de trayectoria del
canal del rayo para descargar hacia la tierra o hacia la nube.
3.1.4 TEORIA DE FINDEISEN Y WICHAMANN
El hielo en la nube tiene importancia en la acumulación de cargas eléctricas que
produce el rayo. La teoría de findeisen y wichmann, suponen que los cristales de
hielo en caída desprenden astillas cargas de electricidad negativa.
Estas astillas, debido a su reducido peso, que darían flotando en el espacio,
mientras que los “granos “de hielo. Considerablemente más pesados en continuo
crecimiento, prosiguen su caída, de esta manera hay una separación de cargas en
la nube.
3.1.5 TEORIA DE BROOKS
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Esta teoría se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efecto volt
permitiendo así, que el aire adquiera una carga positiva y el hielo quede cargado
negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hielo al formarse
queda cargado negativamente.
3.1.6 TEORIA DE SIR BASIL SCHONLAN
Según este científico la descarga atmosférica está vinculada con las nubes.
Cuando una típica nube de tormenta comienza a formarse una masa de aire cálido
asciende, esta masa transporta una considerable cantidad de humedad, en forma
de vapor de agua. A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces
puede retener menos vapor de agua que cuando estaba más caliente. El vapor
sobrante se condensa en diminutas gotas que forman nubes.
El agua generalmente se congela a cero grados centígrados, sin embargo, bajo
ciertas condiciones permanece liquida a temperatura mucho más baja aun a -4
grados centígrados, en este estado se dice que el agua está sobre enfriada.
Las gotas se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfrían, elevándose
mucho más arriba que el nivel en que la atmosfera se encuentra a cero grados
centígrados.
Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a los -40
grados centígrados, entonces las gotas se transforman en pequeños trozos de
hielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras de esta manera forman
pequeñas piedras de granizo que comienzan a caer a causa de su peso; pero
continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas que ascienden, el agua de
cada gota se congela sobre la piedra de granizo con la que choca, y
gradualmente, estas piedras aumentan de tamaño. Al chocar contra cada gota, la
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piedra de granizo adquiere una carga negativa, sir Brasil estaba convencido de
que millones de estos choques entre las gotas de agua y las piedras de granizo
producen en la nube la carga eléctrica que origina el rayo.
Al mismo tiempo, una pequeña astilla de hielo se desprende de la gota de agua
cundo esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aire
ascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes más
elevadas de la nube.
A medida que las astillas con cargas positivas se elevan en la nube, las piedras
de granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es más caliente,
entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.
Este proceso puede continuar por una hora, durante ese tiempo toda la nube es
como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso
principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido en la
base de la nube, de bajo el polo negativo ahí es donde ocurre el disparo que
desata el rayo.
La descarga salta de este receptáculo de electricidad positiva al polo negativo,
situado un poco más arriba, entonces toda la carga positiva inferior, así como
parte de la negativa queda neutralizada, además del trayecto através del cual
ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como un
conductor.
Por la descendiente el resto de la carga negativa, que continua en su trayectoria
hacia abajo, atraída por una carga positiva en la superficie de la tierra.
La descarga no salta en una enorme chispa, si no que se orienta guiada por
variaciones locales en el campo eléctrico que tiene por delante. Puede formar
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ramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado. (VER ANEXOS FIGURA 1,2,3) se
observa que al formarse y hielo queda cargado negativamente.
3.2 CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS ELECTRICAS
El aislamiento de los sistemas eléctricos, está continuamente bajo esfuerzo y para
que no dañe o falle, debe limitarse al valor delas sobre tensiones que se presenten
durante el funcionamiento de dichos sistemas.
Las sobre tensiones en cuestión, pueden ser de origen interno y de origen externo
o atmosférico, siendo estas últimas las que mayores magnitudes alcanzan,
aunque se presenten con menor frecuencias que las primeras.
Las descargas atmosféricas se deben principalmente a nubes cargadas a un
potencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra. Puede comparase el
rayo con el salto de la chispa entre las placas de un condensador de enormes
dimensiones, donde las nubes forman una placa, la superficie de la tierra otra y el
aire su dieléctrico.
Cuando la carga de algunas nubes alcanza una elevada concentración y el
gradiente de potencial supera la rigidez dieléctrica del aire interpuesto, se produce
la ruptura, constituyendo el rayo a úna corriente de aire ionizado.
Las descargas atmosféricas sobre líneas aéreas pueden alcanzar magnitudes
hasta de 2500 KV, 200KA y frecuencias de orden de 100KHz. Sin embargo,
aunque la tensión y la intensidad de la corriente de un rayo son extremadamente
grandes, la energía efectiva es relativamente pequeña del orden de 4KwH, puesto
que su duración es solo de unos cuantos microsegundos. El rayo es un suceso
aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, no ocurre cuando la carga
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eléctrica acumulada no es suficiente, así podemos ver tormentas con descargas
atmosféricas o bien sin rayos.
Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas con
distinta configuraciones inclusive invertido el orden de signos.
Un análisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver su
funcionamiento antes, durante y después de una descarga atmosférica, que es
contra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite dos veces (50%
restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gases fuertemente ionizados
que dejo la primera, al provocar fallas o reducción de eficiencia, descarga lo que
se puede en algunos pararrayos.
No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga, se
puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isoceraunico , es decir , mapas
que nos muestran regiones con igual probabilidad de descarga atmosférica, por lo
que los sistemas pararrayos también deben ser diferentes en su diseño o
componente de tierra igualmente la altura de edificación por proteger influye, aun
cuando están a una región con igual nivel isoceraunico, el de mayor altura tiene
mayor probabilidad de rayo.
La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilos amperes, con
un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se han podido
medir, en las líneas y subestaciones eléctricas.
La diferencia de potencial, tiene variación de valores desde 100 hasta 1, 000,000
kilo volts, aunque para la instalación de pararrayos es más importante la tensión
que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjunto receptor o pararrayos que
se encuentre a mayor altura en la instalación protegida, porque de ello depende la
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disipación de la carga en el terreno, según el sistema de pararrayos para evitar la
incidencia del rayo.
Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; estudios realizados en
estados unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1, 000 pies), hasta
aproximadamente 160 kilómetros (100 millas).
Pero la carga total liberada por un rayo,, es relativamente pequeña por el tiempo
tan corto de vida que es del orden de los microsegundos , así los valores de carga
de una sola descarga es de 7 columbios y aun con las descargas sucesivas ,
estas no supera los 200 columbios.
El fenómeno no parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces por segundo,
sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca una persona o una
instalación no protegida, causa daños, pero las pérdidas que ocasiona , sobretodo
en interrupciones de energía eléctrica hacen que tenga el nombre de dañino,
aunque proporcione más beneficios, al ser el principal abastecedor de nitrógeno
para la tierra y de ozono de la atmósfera, sin embargo, los daños existen y tiene
probabilidad de causar muchos más y aunque en México no se lleva una
estadística.
Los cambios de dirección en un conductor de pararrayos no pueden ser bruscos,
por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensión al circular por un
conductor, genera un frente de onda.
3.3 CAMPOS ELECTRICOS
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3.3.1 CAMPOS ELÉCTRICOS DE LA ATMÓSFERA
Redondeando la tierra existe en la atmósfera en condiciones normales de buen
tiempo. Un campo eléctrico permanente con superficies equipotenciales
concéntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tanto vertical el
vector de intensidad de campo (E) en cada punto.
El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra , lo que
indica que esta ultima posee una carga negativa, mientras que las distintas capas
de la atmósfera son más positivas cuando más alejadas están de la superficie
terrestre de tal forma que el gradiente eléctrico decrece con la altura.
Como consecuencia de la existencia de ese campo eléctrico permanente, los
iones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivos caen
hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos iónicos es llamada
“corriente de inducción” dirigida hacia abajo según el sentido convencional de la
corriente) cuyo valor medio es 2×10-16 amperes por centímetro cuadrado (A/cm2)
lo que representa una corriente total entre atmósfera y tierra de unos mil amperes.
La corriente de conducción puede considerase también permanente como el
campo que la produce, variando muy poco tanto la situación geográfica como la
estación, día y hora.
Independientemente de la corriente de conducción, existen “corrientes de
precipitación”, llamada así por originarlas el transporte de cargas eléctricas,
producida por las precipitaciones atmosféricas, dichas corrientes de precipitación
son en general del mismo sentido que la de conducción, aportando también
cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a ser de 2×10-11 A/cm2; o
sea superior a la de conducción que es.
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Al contrario que esa última variable con las condiciones de tiempo y lugar, su valor
medio resulta inferior, habiéndose estimado unos 400 amperes. Considerando la
acción continua de etas dos corrientes, resulta a primera vista sorprendente que la
carga negativa que posee la tierra permanezca contante y aproximadamente igual
a 500,000 coulombios.
Sin embargo, este es un hecho in cuestionable, demostrado por la experiencia que
obliga a admitir la existencia de otros fenómenos compensatorios sobre los que se
ha establecido multitud de hipótesis, de las cuales destacan las siguientes:
1. Por efecto de altas temperaturas en el núcleo de la tierra. Escapa aire
ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre, que es
elevado por corrientes conectivas a considerables alturas (efecto Ebert).
2. La radiación tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, da
lugar a la ionización de las moléculas del aire. Los electrones producidos se
escapan de la atmosfera gracias a su gran movilidad originándose por tanto una
acumulación de cargas positivas en ellas.
3. Cuando las condiciones normales de buen tiempos se alteran por distintos
fenómenos atmosféricos, tales como la lluvia, nieve, granizo, nubes tormentosas
etc. se producen casi siempre inversiones del campo eléctrico, aportando una gran
cantidad de carga negativa a la tierra como consecuencia de los procesos
siguientes:
Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductores
conectados a tierra.
Descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidad positiva, como
consecuencia de caídas de rayos.
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3.3.2 CAMPOS ELÉCTRICOS EN EL NÚCLEO DE LAS NUBES
Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que pueden
llegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarse a
base de aire húmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, del
orden de los 30 a 35 metros por segundo.
Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes conectivas llegan a convertirse
en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendo paulatinamente
su velocidad de ascensión, hasta que inicia su caída, es durante este descenso de
los cristales de hielo, cuando se verifica por frotamiento una separación de gran
magnitud de los iones de distinto signo, estableciéndose en el interior de la nube el
campo eléctrico consiguiente, con la distribución de carga representada. (VER
ANEXOS FIG.4).
A pesar de que la distribución anterior es estadísticamente la más frecuente,
existen casos que se pueden estimar un 10%, en que la polarización resulta
invertida. Concentrándose las cargas negativas en la parte superior de la nube,
mientras que las cargas positivas se distribuyen en la parte inferior.
3.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS
Los campos eléctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que la parte
inferior de estas y el terreno sobre el que se encuentran, actúen como las
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armaduras de un gran condensador, cuyo dieléctrico está constituido por el aire
existente entre ambas, lo más probable es que la base de la nube sea negativa,
con lo que se inducirán cargas electrostáticas positivas en el terreno, aunque no
se debe olvidar que el 10% de los casos ocurrirá todo lo contrario.
Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER ANEXOS EN
FIGURA 5,6) se presenta e proceso más frecuente de formación y caída del rayo
que es análogo a la descarga de un capacitor por perforación disruptiva del
dieléctrico.
De la zona de la base de la nube, en que la concentración de cargas negativas es
máxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminos ramificados,
llamados descargas piloto.
Propagándose intermitentemente con direcciones de 10 a 12 microsegundos entre
cada 2 impulsos avanzando en cada uno de los saltos algunas decenas de
metros a velocidades del orden de los 10,000km/s.
Teniendo en cuenta los tiempos de detención antes mencionados la velocidad
resultante de propagación puede estimarse en un valor de 100 a 300 km/s. la
descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad del
campo electrostático inducido en el terreno, hasta que partiendo de este se eleva
una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentro de la
descarga piloto.
Este encuentro normalmente se origina entre los 15 y 120 metros de altura,
medidos desde el punto de salida y varía según haya o no pararrayos. Hasta el
momento el fenómeno ha sido silencioso y débilmente aluminoso, pero al
establecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga. Llamada
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descarga principal que se manifiesta por la aparición de una intensidad luminosa
acompañada de un fuerte trueno.
Esta descarga principal está formada por una gran corriente de carga positiva, que
partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorrido por la
descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidades del orden
de los 200.000 Amperes.
Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta un
campo eléctrico, más intenso durante la sucesión de las ultimas descargas piloto
serán los puntos donde se partirán más probablemente las descargas de retorno y
por lo tanto de los que surgirán también con más frecuencia las descargas
principales.
La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertemente
ionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamente
neutralizada después de la descarga principal, aparecerán otras secundarias que
seguirán el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,
produciéndose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, las descargas
como se ve en (VER ANEXOS EN FIGURA 7) se verifican a intervalos en
algunas centésimas de segundo, tiempo necesario para permitir la descargas
eléctricas en el interior de la nube.
El rayo que comprende un cierto número de descargas, se llama múltiple. El
número promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6 pero se ha observado
algunos de hasta 42 descargas distintas, de una duración de 0.6 segundos
aproximadamente.
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El proceso descrito es solamente el más probable, pero no el único posible, en
caso de que la parte inferior de la nube posea una acumulación de cargas
positivas. Se inducirán en el terreno de cargas electrostáticas negativas y el efecto
sería una inversión de polarización en el capacitor de nube-tierra que se ha
considerado como se ve en (VER ANEXOS EN LA FIGURA 8).
3.5 ESTRUCTURA ELECTRICA DE UNA TORMENTA
El campo electrostático de una atmosfera, en buen tiempo y ausencia de nubes,
es prácticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque la superficie de
la tierra tiene carga negativa y la atmosfera tiene carga eléctrica neta de signo
positivo.
En medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente y unos
130 por metro sobre el océano, donde la contaminación ambiental es grande,
estos pueden aumentar mucho se ha observado en México D.F. valores de 220
por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kiev en Unión de Estados
Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts por metro.
El gradiente de potencial eléctrico disminuye mucho con la altura a 10 km es
apenas de un 3% de su valor en la superficie según las medidas hechas por los
norte americanos, a los 20 km los valores de ese gradiente son sumamente
pequeños, lo que demuestra que el aire a esas alturas es sumamente conductor.
Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera pueden
afectar la transmisión de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,
ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, los
ciclones del Caribe o los frentes fríos del norte.
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3.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS
La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosférica tiene valores
extremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como la altitud
de la nube con relación a la tierra, las características del pararrayos, las del
edificio, la configuración de las instalaciones y otros más.
Para efectos prácticos en el funcionamiento del pararrayos del sistema de tierra,
reviste un mayor interés, la diferencia de potencial que aparece entre el sistema
de tierra y la parte más alta del edificio o sea, donde debe estar al menos un
conjunto receptor, valores que dependen de la impedancia del conductor, o mejor
dicho, tratándose de impulsos de gran pendiente.
Para facilitar el cálculo, si consideramos que la tensión antes de la descarga es de
10 kilo volts por metro de altura, el potencial transportado será de de 200 kilo volts
aproximadamente.
Estudios realizados por el Laboratorio Atmosférico Oceánico Nacional de los
Estados Unidos, situado en colorado, después de estudiar 300 tormentas locales,
establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargas
atmosféricas alcanzan valores de 2400 kilo volts por metro. Cleirici nos muestra
(VER ANEXOS FIGURA 9) que el 85%de los rayos alcanzan los 30 kilo volts por
metro.
3.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS
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Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany dice que
los rayos varían en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies) hasta los 160
kilómetros (risillas), siendo el más común el de 1609 metros (1milla).Cleirici nos
muestra en (ver anexos figura 10) que los rayos varían entre los 500 y los 7000
metros si situamos a la ciudad de México a una altura de 2450 metros sobre el
nivel del mar, entonces tendremos un gran número de rayos cercanos a los 240
kilo volts por metro, es decir rayos de 2350 metros (osea7700 pies).
3.8 NUBES DE TORMENTA
Las descargas atmosféricas son producidas por un tipo particular de nube,
conocida como nube de tormenta o cumulus - nimbus. Cumulus: apilados,
nimbus: lluvia. Sin embargo, se conoce que otros tipos de nubes en
condiciones especiales, pueden también originar este fenómeno.
La formación de este tipo de nube, puede ser de dos formas distintas:
Por convección natural. Típico en zonas tropicales.
Por frentes de aire frío. Típico en zonas de clima templado.
La nube se forma siempre de forma vertical debido al movimiento de las masas de
aire ascendentes y en su forma geométrica particular parecida a un yunque, puede
llegar a alcanzar alturas en cuanto a su parte superior de hasta 20 Km y en su parte
más baja, hasta 3 Km.
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3.9 TIPOS DE DESCARGA
Según se muestra en lo siguiente, existen básicamente cuatro tipo de descargas
atmosféricas:
Descargas dentro de la nube.
Descargas entre nubes
Descargas Nube - Tierra
Descargas Nube - Ionósfera.
De todas ellas, la más perjudicial es la nube tierra, pues es la que puede
producir daños a estructuras, animales y personas.
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Descarga de Nube – Tierra (Rayos)
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Descarga nube – nube (relámpagos)
Descarga originada por Actividad Volcánica
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Descargas Nube - Ionosfera
3.10 FÍSICA DE LA FORMACIÓN DE LA DESCARGA NUBE- TIERRA
Una de las teorías más aceptadas para explicar la formación de la descarga
nube - tierra, es la de “Schonland”, según la cual el ciclo de la nube de
tormenta (cumulus-nimbus) y la consecuente descarga denominada rayo, se
puede resumir en las siguientes etapas:
a.- Las cargas eléctricas en la nube se encuentran distribuidas en forma no
homogénea, existiendo por consiguiente concentraciones desiguales de carga
en el seno de la misma. Y alrededor del 90% de las nubes poseen la
concentración de cargas negativas en su parte inferior.
La explicación del por qué la concentración es de esa forma, no esta clara,
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aunque tiene que ver con las temperaturas existentes en la parte superior de la
nube (-40ºC), que hace que las gotas de agua se conviertan en cristales de hielo y
en conjunto con las cargas que se mueven desde la superficie por culpa de la
convección y las colisiones entre estas partículas dan origen a dicha distribución
(Cristales de hielo = q+ y gotas de agua = q-).
b.- La concentración de carga en la nube, provoca altos gradientes de campo
eléctrico. Una vez que dicho gradiente (tensión en la nube cerca de 10
millones de voltios) sobrepasa el valor crítico, comienzan a ocurrir pequeñas
descargas en el seno de la nube. Estas, en virtud de la ionización por choque en
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el aire, van degenerando en una forma de avalancha, denominada “Pilot
Streamer” o descarga piloto, la cual avanza a una velocidad promedio de 150
Km/seg (aproximadamente 1/20 veces la velocidad de la luz).
c.- La rama de la descarga piloto orientada hacia la tierra logra imponerse en
su crecimiento hacia la tierra, viéndose acompañada de pequeños puntos
luminosos característicos de las descargas escalonadas “Stepped Leaders”.
Durante este proceso, la luminosidad es baja y la corriente no excede de unos
pocos amperios.
Las descargas escalonadas parecen tener su origen en la acción del viento,
llegando raras veces a tierra; esto se debe a que la intermitencia de la
descarga piloto (de 30 a 90 µseg) les sustrae la energía necesaria para tales fines.
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Esta etapa ocurre a mucha mayor velocidad (aproximadamente a un 3 % de la
velocidad de la luz).
El incremento del gradiente eléctrico de la tierra al aproximarse la descarga a ésta,
favorece a la formación de un canal de recepción; dicho canal muchas veces
puede ser distinto al suelo, es decir, que puede ser un objeto el causante del canal
de recepción “Upward Streamer”, y es de notar que rara vez dicho canal supera
los 30 metros de altura. Y puede tener llegar a ser notorio desde muchos puntos en
el entorno.
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d.- El canal de recepción sale entonces al encuentro de la descarga piloto, la
cual trae una gran cantidad de cargas negativas (positivas muy pocas veces),
formándose así un canal plasmático.
Para neutralizar la carga en la nube, una gran cantidad de cargas opuestas
salen de tierra utilizando el mismo canal previamente ionizado. A través del
canal plasmático ocurrirán todas las descargas sucesivas, de las cuales la
primera es la denominada de retorno o “Return Stroke”.
La velocidad de propagación de ésta descarga es aproximadamente 10% de la
velocidad de la luz, lo cual causa que sea apreciable el valor de la intensidad
de corriente que puede alcanzar valores de hasta 400 kAmp. Mientras la
descarga principal requiere de un tiempo aproximado de 20 mseg para llegar a
tierra, la descarga de retorno acusa un tiempo promedio de 100 µseg.
El manejo de esa gran cantidad de energía en tan poco tiempo, hace que en
canal plasmático de la descarga se produzca una temperatura del orden de
30000ºC (5-6 veces la temperatura de la superficie del sol), lo cual produce un
canal de alta presión originando una onda expansiva que es lo que origina un
fuerte sonido denominado trueno.
La forma de onda de la corriente del “Return Stroke”, es determinada por la ráfaga
de descarga del canal plasmático, la cual es función de la velocidad del retorno y
de la distribución de las cargas a lo largo del canal.
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e.- El impacto provocado por las cargas eléctrica que la descarga de retorno
introduce en el seno de la nube es tan fuerte, que en la mayoría de los casos
origina una segunda descarga orientada hacia tierra, denominada descarga
secundaria o "Dart Leader”, con una velocidad promedio de 1% la de la luz.
Este par de fenómenos (Return Stroke/Dart leader), puede repetirse un número
de veces apreciable y esto se denomina descargas sucesivas o “Múltiple
Stroke”, que consisten en descargas separadas que utilizan el mismo canal
plasmático. Cerca del 50% de las descargas que ocurren son múltiples y el
intervalo de tiempo entre descargas, va desde 0.5 mseg, hasta 0.5 seg.
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Resumen grafico del proceso de formación de una descarga atmosférica
Descargas Sucesivas Nube – Tierra
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3.11 CONTABILIZACIÓN DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Existen dos formas de representar la actividad de rayos en el planeta tierra y que
tienen utilidad tanto en lo que respecta a estimación de variables
meteorológicas, como en actividades de protección.
Nivel Ceraúnico (TD)
Densidad de Rayos a Tierra (Ng)
El primero de ellos es el más antiguo, aunque muchos países en el mundo
mantienen sus mapas en función de días de tormenta al año (o nivel
ceraúnico), así pueden presentarse regiones con 1 o menos días de
tormenta al año (baja actividad ceraúnica), hasta 200-300 días de tormenta al
año, en zonas críticas, especialmente en el trópico (Centro - Sur de América
y África). El problema de tener como información solo los días en los que
ocurren descargas, es que no se puede especificar directamente cuántos de
los eventos correspondientes son del tipo Nube - Tierra, que es precisamente el
dato importante.
Sin embargo, se han obtenido en función de medidas y estadísticas, ciertas
formulaciones que permiten establecer una relación entre el nivel ceraúnico y la
densidad de rayos a tierra (rayos/Km2-año). Y la más aceptada a nivel de
normativas y trabajos internacionales, es la siguiente:
Ng = 0.04 TD1.25 rayos/Km2-año
Donde TD es el nivel ceráunico en días de tormenta al año.
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Así por ejemplo, una región con un TD de 20 días de tormenta al año, tendría
una densidad de rayos a tierra de 1.7 rayos-tierra/Km2-año.
A continuación se presentan los mapas Ng obtenidos para la actividad de rayos
en el planeta tierra, a través de sistemas satelitales de la NASA.
Así como el mapa de densidad de rayos de España y el mapa de niveles
ceraúnicos de Venezuela.
Densidad de descargas a tierra por km² al año
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Densidad de Rayos a Tierra por año en España
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Mapa isoceraunico de Venezuela (días de tormenta al año)
La forma de obtener la información del Ng, es actualmente de la siguiente:
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Localizadores terrestres de rayos
Detección satelital
Los cuales mediante programas avanzados, manejan la data de Ng y otra no menos
importante relacionada con las propias características de la descarga (polaridad,
magnitud, etc.).
Hay otro tipo de localizadores terrestres que permiten obtener información puntual
con menor precisión, en función de señales de alta frecuencia captadas desde
antenas. Así, en las siguientes páginas web, puede tenerse información aproximada
acerca de la ocurrencia minuto a minuto de este tipo de eventos.
3.12 PARÁMETROS IMPORTANTES DEL RAYO, PARA APLICACIONES
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PRÁCTICAS AMPLITUD
La magnitud de la descarga no depende de las características del punto de
terminación, ya que la resistencia propia del canal plasmático es superior (en el
orden de los miles de Ω) a la propia de la terminación.
Su comportamiento es totalmente aleatorio y por lo tanto su caracterización debe
realizarse desde el punto de vista probabilística.
Media para descarga principal: 31 kAmps.
Media para descargas sucesivas: 12 kAmps
La Distribución acumulada de probabilidades, puede ser aproximada por la
siguiente función:
P(I) = ____I___
I+ I _ 2.6
31
Donde I es la corriente en KAmps
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Distribución de Frecuencia Acumulativa para Corrientes Máximas (Probabilidad
(%) de exceder a la Corriente (kA)):
1. Primeras descargas negativas
2. Descargas negativas sucesivas
3. Descargas Positivas
FORMA DE ONDA
Una forma de representar a una onda de descarga atmosférica es por la tasa de
crecimiento de ésta, hasta alcanzar el valor pico (kAmps/µseg).
La Distribución acumulada de probabilidades, en este caso, puede ser
aproximada por la siguiente función:
P(S) = ____I___
I+ S 4
24
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Donde S es la tasa de crecimiento en KAmps/µseg
Distribución de Frecuencia Acumulativa para la Tasa de Crecimiento:
1. Primeras descargas negativas
2. Descargas negativas sucesivas
3. Descargas Positivas
ANGULO DE INCIDENCIA
Es el ángulo con el cual incide la descarga con cualquier punto terminal,
respecto a la línea vertical.
Considerar que todos los rayos inciden verticalmente, introduce errores
principalmente debido a que se debe tener en cuenta que no solo el área
superior de la estructura es la que está expuesta, sino su superficie lateral,
también.
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La probabilidad P (Θ), de ocurrencia de un ángulo de inclinación se puede
expresar como:
π/2
P(Θ) = _4_ ∫cos2 Θ d Θ
π Θ
Probabilidad de frecuencia acumulada para el ángulo de incidencia del rayo
(Grados, respecto a la vertical)
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3.13 CALCULO DE INDICES DE RIESGO PARA PROTECCION
DE ESTRUCTURAS Y EDIFICACIONES
La metodología matemática para establecer de forma aproximada, el riesgo
que posee una instalación de sufrir daños por descargas atmosféricas debe
tomar en cuenta diversas variables no solo locales, sino más generales, que
permitan tomar en cuenta no solo los posibles daños estructurales o materiales
locales, sino también los daños en el entorno (estructuras vecinas, medio
ambiente), afectación de servicios básicos (electricidad, gas, agua), daños
internos en cuanto a equipamiento y por su puesto el más importante el daño a
personas. Este último es el objetivo primordial de cualquier normativa de
seguridad y no considera solo aquellos daños que pueden sufrir las personas
por impacto del rayo de forma directa, sino mucho más (situaciones de pánico,
por ejemplo).
Tomar todas estas consideraciones, implica tener acceso a un gran cantidad de
información que al inicio de un proyecto de protección o en general, no está
disponible, por lo que existen metodologías aproximadas que permiten de
forma conservadora establecer índices de riesgo para una estructura, a fin de
permitir establecer si existe o no la necesidad de un sistema de protección
general o detallado contra impacto por descargas atmosféricas. Para tomar la
decisión de si la estructura en estudio necesita o no protección contra rayos, hay
que tener en cuenta dos variables:
Índice de Riesgo real de la estructura (Nr)
Índice de Riesgo máximo permitido (Np)
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El primero es el que se determina mediante un procedimiento que toma en
cuenta todas las variables anteriormente mencionadas.
El segundo, es fijado por la normativa particular de cada país en función de la
experiencia y del tipo de instalación.
Así, por ejemplo para estructuras convencionales, suele utilizarse como criterio
un valor de Np = 1 x 10-5, esto significa un daño real cada cien mil eventos
(1/Np).
Determinación de un índice aproximado Nr:
Nr = Ae . Ng . K . 10-6
Donde:
Ae, es el área de atracción equivalente de la estructura Ng, la densidad de rayos a
tierra y K, factor de corrección por condiciones particulares de la instalación.
Ae=L⋅W+2⋅L⋅H+π⋅H2 (m2)
Y L, W y H, son el largo, ancho y alto de la estructura en metros,
respectivamente.
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Estimación del área efectiva de colección.
Como fue definida anteriormente, corresponde a la densidad de descargas a tierra
por Km2 y año. Este dato es obtenido directamente de los mapas mostrados y
es dependiente de la zona geográfica de la instalación.
El factor, K, por su parte contiene cierta cantidad de correcciones por las
características específicas de la estructura y su entorno, así, puede ser definido
como la composición de los siguientes sub-factores:
K=Ks⋅C1⋅C2⋅C3⋅C4⋅C5
Ks es un factor de seguridad (se suele utilizar un valor de 1.1).
La obtención de los sub-factores Cn, viene definida en las siguientes tablas.
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Factor de corrosión por uso C1 – m1
Características Valor de factor C1
Casa ó edificios de viviendas 0.3
Casas ó edificios con áreas abiertas 0.7
Fabricas laboratorios ó similares 1
Oficinas , hoteles ó similares 1.2
Lugares públicos: iglesias, teatros, cines,
estacionamientos. Etc.
1.3
Escuelas, hospitales ó similares 1.7
Factor de corrosión por uso C2 – m1
Características Valor de factor C1
Estructura y techo de metal, ó acero
reforzado
0.1
Estructura e metal ó acero de refuerzo y
techo de otro material no metálico
0.3
Estructuras y techo de materiales
prefabricados como concreto ó fibras
1.2
Estructura y techo de materiales
inflamables
2
Factor de corrosión por uso C3 – m1
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Características Valor de factor C3
Uso domestico ó de oficina sin valor 0.3
Edificios industriales ó de agricultura 0.8
Estaciones eléctrica de gas.
Telecomunicaciones
1
Edificaciones industriales, monumentos
históricos, museos
1.3
Escuelas hospitales ó lugres de publica
concurrencia
1.7
Factor de corrosión por uso C4 – m1
Características Valor de factor C4
Estructura situada en un espacio donde
hay otras estructura ó arboles de la
misma altura ó más altos
0.4
Estructura situada en un espacio donde
hay otras estructura ó arboles de la
misma altura ó más bajos
1
Estructura completamente aislada 2
Factor de corrosión por uso C4 – m1
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Características Valor de factor C4
Plano 0.3
En pequeñas colinas 1
Montañas ( 1000 msnm) 1.3
Existen otras metodologías más complejas para determinar los índices de
riesgo y en particular cada país tiene una que debe ser revisada según su
normativa vigente.
Aquí solo se ha buscado tener una idea acerca del procedimiento comúnmente
utilizado para este fin, sin necesidad de ser la única forma de llevarlo a cabo.
La normativa internacional más completa a este respecto, es la IEC 61662 y
una hoja de cálculo en MathCad, ha sido desarrollada en función de las
recomendaciones de ésta, para la determinación de un índice de riesgo que
toma en cuenta una mayor cantidad de variables que si bien hacen más realista
la estimación, implican un mayor conocimiento de lo que es la estructura a
proteger, su entorno y las características específicas de los servicios que
necesita o presta.
Una vez determinado en índice de riesgo, debe llevarse a cabo la siguiente
comparación a fin de definir la necesidad o no de un sistema de protección
contra rayos.
1.- Si Nr < Np, entonces no se necesita ningún sistema de protección particular.
2.- Si Nr > Np, entonces se necesita un sistema de protección cuyas
características vienen definidas por un valor de eficiencia que se determina
según la siguiente relación:
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Eficiencia de la Instalación de Protección (E) =1 - (Np/Nr)
Según el valor de E, se selecciona un nivel de protección utilizando la siguiente
tabla :
Nivel de protección (NP) Valor de E
I 0.98
II 0.95
III 0.90
IV 0.80
Si el valor de E es superior a 0.98, se elegirá el NP I y algunas medidas de
protección adicionales que tienen que ver no solo con el sistema de protección
principal, sino con la seguridad de protección a personas (control de las tensiones
de paso) o de equipos (protección contra sobretensiones).
EJEMPLO DE CÁLCULO
Un ejemplo de cálculo para la determinación del índice de riesgo y posterior
selección de un Nivel de Protección (en caso de ser necesario), es el siguiente:
NAVE DE ALMACÉN EN EL CAMPO.
Características del Entorno TD = 20 días de tormenta al año
Dimensiones de la estructura (rectangular): 10 m x 10 m x 6 m (L,W,H).
Características de la estructura: Aislada de su entorno, con techo y estructura
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metálicos, para uso de agricultura, en zonas con pequeñas colinas.
Primeramente, se calculará el valor de Ng:
Ng = 1.7 rayos a tierra/Km2-año.
Ahora el valor de Ae:
Ae = 453.09 m2.
El valor de K:
K = 1,1 * 1 (C1) * 0.1 (C2) * 0.8 (C3) * 2 (C4) * 1 (C5) K = 0.176
Así:
Nr = 0.711 * 453.09 * 0.176 * 10-6 = 1.34*10-4 1 daño / 7412 eventos.
Nr > Np, lo que implica que necesita protección contra rayos.
E = 0.926; Con ese valor de E, se necesita un nivel de protección II, con un 95 de
eficiencia.
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Otras formas de ver el cálculo del riesgo y la necesidad de protección
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Daño a personas por tensiones de toque, paso y transferidas.
Evidentemente el peor escenario es aquel en el que se involucra el daño grave,
permanente o transitorio a personas. El peor escenario, es aquel que involucra
la muerte de una persona, seguido por aquellos escenarios que tienen
consecuencias de corto plazo: quemaduras, paradas cardiorrespiratorias,
daños neurológicos severos y por último y los más difíciles de manejar,
aquellas consecuencias que aparecen a mediano plazo y no inmediatamente al
sufrir el accidente, como por ejemplo: cataratas, daños neurológicos
progresivos, etc. Una lista inicial de esos daños, se indican a continuación:
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Hipertensión
Complicaciones Cardiopulmonares
Cambios Electrocardiográficos
Daños al Miocardio
Falla del corazón o Arritmia
Fibrilación ventricular
Contracciones ventriculares prematuras
Complicaciones Respiratorias
Complicaciones Neurológicas
Pérdida de Conciencia
Confusión
Paraplejia o cuadriplejia
Amnesia retrógrada
Hemiplejia
Coma
Hematomas
Complicaciones Vasculares
Inestabilidad Motora
Espasmo Arterial
Vasoconstricción, vasodilatación
Complicaciones dermatológicas - Quemaduras Cutáneas
Complicaciones Oftalmológicas
Cataratas
Lesiones de la Cornea
Hemorragias
Complicaciones de los oídos
Ruptura de la membrana del tímpano o Pérdida temporal de la audición.
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Algunas estadísticas permitirían establecer el peligro debido a las descargas
atmosféricas:
Hay un promedio de estimado de más de 15000 Muertes al año y más de
100000 heridos por culpa de las descargas atmosféricas. Por ejemplo en
EEUU, mueren al año 1 persona por cada millón de habitantes y con un
promedio de 100 al año.
Además se generan unas pérdidas económicas en el mundo del orden de
2000 millones de dólares al año, con especial énfasis en los gastos
originados por incendios forestales.
Y de la muerte o daño a personas, las estadísticas establecen que casi la mitad se
producen por la exposición en campo abierto y casi un 25% por buscar cobijo
debajo de árboles.
Las descargas atmosféricas son la segunda causa de muerte por eventos naturales,
después de las inundaciones.
A continuación se presentan algunas fotografías de los daños físicos
producidos en estructuras no protegidas o no correctamente protegidas, por
culpa de descargas atmosféricas.
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Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
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3.14 PROTECCION CONTRA RAYOS
Los sistemas de protección contra rayos, buscan minimizar los daños
ocasionados por las descargas atmosféricas. No existe un sistema 100%
efectivo y por eso se establecen riesgos aceptables de daño y en función de
ellos una eficiencia del sistema.
Un sistema de protección contra rayos está compuesto por tres elementos
fundamentales que forman una cadena en la que ningún eslabón funciona
correctamente sin el otro. Estos son: El sistema de captación (terminales
aéreos), el sistema de conducción (bajantes) y el sistema de drenaje (puesta a
tierra). Y por último en casos de protección extrema, deben añadirse los
sistemas de protección contra sobretensiones y las mallas de tierra y
equipotencialización para evitar tensiones de toque y paso peligrosas.
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3.15 PROTECCIÓN CONVENCIONAL
Este esquema fue propuesto a nivel conceptual por Franklin hace más de 250
años. Se basa en la ubicación de elementos conductores (puntas), por encima
de todos los objetos existentes en la parte superior de la estructura a proteger.
Su ubicación se realiza de acuerdo al método electrogeométrico planteado por
Whitehead para determinar la efectividad del apantallamiento.
En éste método se pretende que los objetos a ser protectivos sean menos
atractivos a las descargas atmosféricas que los elementos captadores; esto se
logra determinando el radio de atracción que tiene un objeto frente a la
descarga, que conceptualmente corresponde a la última longitud del líder de la
descarga antes de formar el canal de retorno. Dicha distancia es función de la
energía del rayo y por lo tanto de la corriente que este drenará.
Así se formula la siguiente relación entre esta distancia y la magnitud de la
descarga.
Con I en kA. R = 10 * I0.65 (m)
Esta distancia es fijada por la normativa, según la eficiencia del sistema tal
como se muestra en la siguiente tabla.
Nivel de protección Distancia R de atracción (m)
I 20
II 30
III 45
IV 60
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Por ejemplo, según la relación entre R e I expuesta anteriormente, la R para el
nivel III, corresponde a una corriente I de 10 kA.
Esto implica que para garantizar un sistema más eficiente, se trabaja con
menores magnitudes de corriente, lo que implica menores radios de atracción. La
forma en como se implementa el método es relativamente sencilla y es
precisamente como su nombre lo indica, una esfera rodante “rolling sphere”.
Esta esfera se hace rodar alrededor de la estructura a proteger y con ella se
definen las zonas de protección y las ubicaciones de los elementos captadores.
El radio de la esfera viene determinado por el valor de la tabla anteriormente
colocada.
Por ejemplo para una Terminal su área de protección sería como se indica en la
siguiente figura.
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3.16 PROTECCIÓN NO CONVENCIONAL
SISTEMAS DE EMISIÓN TEMPRANA
Existen los sistemas de Emisión temprana con el objeto de acelerar o generar
más rápidamente un líder ascendente en las inmediaciones de la punta justo
antes de la iniciación del rayo. De esta forma, este líder ascendente forzado
alcanzaría mayores distancias al momento de producirse el punto de contacto,
aumentando la efectividad del sistema de protección. Al igual que las otras
“mejoras”, este sistema no ha sido validado en campo, a pesar de que los
fabricantes argumentan haber obtenido resultados positivos en laboratorio. Uno
de los aspectos científicos más relevantes contra la utilización de estos
dispositivos es que la micro descarga inicial no siempre garantiza la
propagación del líder ascendente, porque aún cuando se inicie la
micro descarga, el nivel de gradiente de potencial alrededor de la punta
pararrayos necesario para la propagación del líder ascendente es
prácticamente suministrado por la carga contenida en el líder ionizado
descendente. Solo las normativas Francesas y Española, permiten
expresamente la utilización de este tipo de dispositivos.
A nivel mundial existe un gran movimiento tendiente a la eliminación en cuanto a
uso de estos dispositivos, pues se duda de su real eficacia y hay bastantes
registros ligados a fallas en sistemas protegidos con esta tecnología.
El aumento de la zona de protección suministrado por algunos fabricantes, es como
se muestra en la siguiente tabla. Su localización podría llevarse a cabo al igual que
en el caso anterior, utilizando la esfera rodante.
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Nivel de
Protección
D (m)
Sistema
Convencional
Sistema de
Protección
ESE I
Sistema de
Protección
ESE II
I 20 40 75
II 45 55 93
III 60 65 102
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3.17 SISTEMAS DE ELIMINACIÓN
Algunos fabricantes, junto con algunos científicos, han ido mucho más lejos,
proponiendo inclusive dispositivos que “evitan” o “neutralizan” la acumulación
de carga en las celdas correspondientes de la nube (tecnología CTS) a través
de corrientes iónicas que se propagan de la punta aérea a la nube de tormenta,
evitando con ello la formación del líder descendente en el volumen de interés,
que es el paso previo a la iniciación del rayo. Este razonamiento está fuera de
todo contexto científico, ya que los resultados obtenidos en las investigaciones
de los últimos veinte años en la formación del rayo indican que: El plano de
tierra u objetos aterrizados elevados no tienen influencia alguna en la formación
(desde la nube) del líder descendente, siendo esta influencia significativa hasta
la etapa del último paso de la descarga.
BAJANTES (CONEXIÓN ENTRE CAPTADORES Y EL SPAT):
El tema de los bajantes es igual de importante que el de los captadores, pues su
selección adecuada tanto en ruta, como en cantidad, calibre y tipo de material,
va a garantizar que el efectivo trabajo de las terminales aéreas, llegue de forma
segura hasta los sistemas de drenaje en tierra. La siguiente característica es
fundamental en esta etapa:
CANTIDAD DE BAJANTES: Como lo indica la siguiente tabla, la cantidad
mínima de bajantes viene definida según el nivel de protección, por la
siguiente tabla. La relación es la distancia mínima que debe existir entre
bajantes en el perímetro de la superficie a proteger.
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Nivel de Protección Distancia Promedio
I 10
II 15
III 20
IV 25
SUB-TEMA 4.0 SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS
ATMOSFERICAS
4.1 EL MÉTODO DE VOLUMEN DE COLECCIÓN CVM
La colocación de las terminales aéreas en estructuras frecuentemente se lleva a
cabo con el Método de la Esfera Rodante (RSM), que se basa en el Modelo
Electro Geométrico (EGM) para la distancia de ruptura. El simple EGM no
representa los principios físicos del proceso de generación del líder ascendente y
la importancia de la altura de la estructura o la geometría de los objetos sobre
dicha estructura. El RSM usa una distancia de ruptura fija, por lo general de 45 m.,
sin tomar en cuenta la altura o ancho de la estructura. Esto significa que a una
estructura con una altura de 5 m. se le asigna la misma área de captura y
probabilidad de ser impactada que a una torre de comunicación de 100 m.
Un modelo electro geométrico mejorado fue inicialmente desarrollado por el Dr. A.
J. Eriksson (1979, 1980, 1987). A fines de los ochenta, el modelo básico de
Eriksson fue ampliado por los científicos e ingenieros de ERICO para su aplicación
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a estructuras prácticas. Esto fue hecho mediante modelado de campos eléctricos
en ordenador alrededor de un amplio rango de estructuras de 3D y mediante la
aplicación del concepto de “elementos de competencia” para determinar si una
estructura se encuentra protegida o no. Este método se ha conocido a nivel
mundial durante muchos años como el Método de Volumen de Colección (CVM).
El CVM considera los criterios físicos de ruptura del aire junto con el conocimiento
de la intensificación del campo eléctrico creado por los diferentes puntos en una
estructura. Entonces, el CVM usa esta información para proporcionar el sistema
óptimo de protección contra caída de rayos para una estructura, es decir, la
ubicación más eficaz de las terminales aéreas para un nivel de protección
seleccionado.
El Método de Volumen de Colección define el “volumen
de captura de rayos de puntos de caída potenciales de
una estructura”.
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Usando el enfoque moderno de evaluación del riesgo, el resultado del CVM
depende de los niveles de protección seleccionados por el usuario. Los niveles de
protección típicos se encuentran en el rango de 84-99%. Estos valores se toman
de una distribución estándar de la corriente de pico de los rayos.
La cantidad de impactos capturados por el sistema de protección en estructuras
involucradas en este estudio se obtuvieron de los "contadores de eventos de
descargas atmosféricas” (LEC) ubicados sobre el conductor de bajada del sistema
de protección contra descargas atmosféricas. En general, estimaciones del
“rendimiento” demuestran que la tasa de intercepción predicha por el CVM se
encuentra en una excelente conformidad con la frecuencia observada de captura.
Esto significa que la tasa de intercepción de la descarga atmosférica es por lo
menos tan alta como los niveles de protección declarados, que oscilan entre 85 –
98%.
Las descargas atmosféricas pueden ser devastadoras. Además del peligro para
las personas, es una causa importante de costosas fallas en los equipos
electrónicos y la interrupción onerosa de la actividad comercial.
Por lo general, el punto más alto de una instalación es el lugar más vulnerable a
ser objeto del impacto de una descarga atmosférica. Los pararrayos o terminales
aéreas son necesarios para capturar la descarga atmosférica en un lugar
específico y dirigir la energía en forma segura a tierra para minimizar el riesgo.
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ERICO ha desarrollado el ERITECH SYSTEM 3000 un avanzado sistema de
protección contra descargas atmosféricas. Este sistema innovador se ha utilizado
en más de 15,000 instalaciones en todo el mundo. Instalaciones de PEMEX en
México son un ejemplo de la aptitud del sistema para una amplia variedad de tipos
de estructuras.
A medida que el relámpago se acerca a la torre, se puede ver la DYNASPHERE
lanzar un líder continuo ascendente para interceptar el relámpago que cae (el líder
descendente).
4.2 PROCEDIMIENTO DE CÓMPUTO DEL CVM
Se proporciona una descripción detallada de los cálculos que son la base del
Método de Volumen de Colección (CVM) para posicionar las terminales aéreas en
las estructuras y alrededor de los sitios e instalaciones para protección contra las
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descargas de relámpago de nube-a-tierra. La mayor parte de la base teórica y
científica del CVM se enfoca principalmente en aspectos computacionales.
Se deben entender desde el principio que la naturaleza científica más avanzada
del CVM significa que no puede llevarse a cabo con cálculos triviales que
involucran formulas analíticas simples. El volumen de la colección de cada punto
de interés se determina mediante los cálculos numéricos e iterativos, es decir, los
cálculos se realizan en diferentes posiciones verticales y laterales del líder
descendente.
Por lo tanto, el objetivo general es proporcionar un procedimiento para los
cálculos numéricos del volumen de la colección y el radio de atracción de un punto
especificado.
En la próxima sección, el procedimiento del cómputo para el CVM se describe de
una manera gradual
Usando la información crucial resumida del CVM, el procedimiento de cálculo
global es como sigue:
I. Especifique todos los objetos de elevada altura, la anchura y forma, y todas
las características estructurales.
II. Identifique las características competentes “más probables” (características
externas con puntas agudas).
III. Seleccione el número, la localización y la altura de las terminales aéreas
(usando un cálculo aproximado del área atractiva de cada uno).
IV. Especifique los parámetros físicos básicos:
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La carga del líder descendente / la corriente de la cresta probable / el
nivel de protección, según Tabla 1 o similar;
Altura de la base de nube;
La elevación o la altitud del sitio sobre nivel del mar y aplica el factor
de corrección apropiado al campo de la depresión del aire si fuera
aplicable;
La proporción de velocidad de líder; y
Los factores de intensificación de campo para todas las terminales
aéreas y características competentes.
V. Para todas las terminales aéreas y características competentes nominadas,
calcular el:
El volumen de colección (distancia de la superficie atractiva, usando
el concepto del radio crítico, y la velocidad/el límite de propagación-
basado del líder);
Radio atractivo del punto de intersección de la distancia a la
superficie atractiva (para la carga dada del líder /LPL) y del límite de
la velocidad.
VI. Si la estructura tiene una altura mayor o igual 60 m, aplique al volumen de
colección la reducción apropia de la capacidad normal del ángulo (Tabla 2).
VII. Aplique los radios atractivos o áreas a sus respectivas terminales aéreas y las
características de competencia.
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VIII. Verifique para ver si las áreas de captura de las terminales aéreas se
traslapan completamente las áreas atractivas de todas las características de
competencia (una vista del plan es útil aquí).
XI. Si no hay traslape completo, use más terminales aéreas, o relocalice alguno
existente, y repite los pasos anteriores hasta que el traslapo completo se
logre.
Para garantizar una óptima protección, la colocación y aplicación del SYSTEM
3000 es crítica. El programa de diseño por computadora permite una aplicación
más fácil y confiable del SYSTEMA 3000 tomando en consideración los
parámetros individuales del sitio y las variables requeridas para llevar a cabo un
diseño óptimo usando el CVM.
Diseño por computadora del CVM
4.3 COMPONENTES DEL CVM PARA LA PROTECCIÓN CONTRA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
La DYNASPHERE es un sistema de protección contra las descargas atmosféricas,
de tecnología avanzada. Las características exclusivas de este sistema permiten
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que la captura y control de la descarga atmosférica sean confiables. La terminal
aérea DYNASPHERE constituye un punto preferido para las descargas
atmosféricas que, de lo contrario, caerían y dañarían una estructura desprotegida
y/o sus contenidos. La DYNASPHERE se encuentra óptimamente conectado a un
conductor de bajada y a un sistema de puesta a tierra de baja impedancia de
modo tal que forma un sistema totalmente integrado. El SYSTEM 3000 incluye los
siguientes elementos:
Terminal aérea DYNASPHERE
Conductor de bajada
Contador de eventos de descargas atmosféricas
Sistema de puesta a tierra de baja impedancia especialmente diseñado
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4.3.1. TERMINAL AÉREA DYNASPHERE
La función principal de una terminal aérea, o sistema aéreo de captación, es
capturar la descarga atmosférica hacia un punto preferido, de modo tal que la
corriente de descarga pueda dirigirse a través del/los conductor/es de bajada
hacia el sistema de puesta a tierra.
TERMINAL AÉREA OPTIMIZADA
La DYNASPHERE es una terminal aérea optimizada patentada.
Sus características incluyen:
Tecnología no radioactiva
No necesita fuente de alimentación externa
No hay piezas móviles
Selección de los radios de la punta y de la impedancia variable con el fin de
obtener rendimiento óptimo a diferentes alturas de instalación.
Respuesta dinámica al acercarse un líder descendente
PRINCIPIOS DE DYNASPHERE
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Durante más de 200 años, se han hecho pocas mejoras en los sistemas de
protección contra descargas atmosféricas. Sin embargo, los métodos modernos de
investigación y registro han llevado a un mejor entendimiento del proceso de la
descarga atmosférica, y se han obtenido diversos avances en la simulación de las
condiciones de campo eléctrico por descarga atmosférica.
Fase estática de la tormenta
Durante la fase dinámica de la tormenta, en el acercamiento del líder
descendente, la semiesfera o domo del ERITECH DYNASPHERE aumentará su
voltaje a través de un acoplamiento capacitivo. Cuando el voltaje es lo
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suficientemente alto, se crea un arco a través del entrehierro entre la esfera y la
punta aterrizada.
Fase dinámica de la tormenta
El arco tiene dos efectos:
I. genera un gran número de electrones libres necesarios para iniciar una
trayectoria ionizada ascendente
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II. genera un incremento “fijo” en el campo eléctrico sobre la terminal aérea, lo
cual otorga la energía adicional para iniciar y convertir un líder ascendente
de fuerte propagación
Estos dos efectos generan la propagación estable del líder para ayudar a
garantizar la captura confiable del rayo. El tamaño del entrehierro se optimiza para
que el arco de disparo sólo tenga lugar cuando el campo eléctrico ambiental sea lo
suficientemente alto para garantizar que se pueda desarrollar un líder ascendente
estable para interceptar de forma exitosa el líder descendente.
Fase de disparo controlado del canal de recepción ascendente
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La DYNASPHERE se ha diseñado para cumplir con los criterios necesarios para la
emisión controlada de un canal de recepción ascendente. El concepto de
"controlado” es importante porque no es eficaz lanzar un canal de recepción
ascendente anticipado – el campo ambiental no será lo suficientemente alto para
convertir al canal de recepción ascendente en un líder y el canal de recepción
ascendente no se propagará. Esto dejará una carga espacial detrás que puede
inhibir futuros intentos de iniciación.
Dos conceptos fundamentales han emergido de estos avances en el proceso de
captura de rayos y el rendimiento de las terminales aéreas:
Las terminales aéreas que generan cantidades copiosas de corona (carga
espacial) son menos eficaces como receptores de la descarga atmosférica.
Una terminal aérea óptima es aquella que lanza un canal de recepción
ascendente o trayectoria ionizada ascendente cuando el campo eléctrico
ambiental se encuentra en un nivel adecuado para soportar la propagación
continua del líder.
La DYNASPHERE ha sido desarrollada con estos dos conceptos en mente. La
DYNASPHERE es una punta Franklin optimizada con un domo semiesférico que
se acopla capacitivamente al campo eléctrico de un líder descendente que se
acerca.
Este domo conductivo esférico rodea a una punta central aterrizada. El domo está
aislado de la punta pero se conecta a tierra a través de una impedancia dinámica
variable con conducción de CC.
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La DYNASPHERE se encuentra aislada de la estructura usando un mástil de
soporte aislado. El mástil también ayuda a permitir la conexión segura del
conductor de bajada a la terminal aérea.
4.3.2. EL CONDUCTOR DE BAJADA A TIERRA
La función de un conductor de bajada es proporcionar una vía de baja impedancia
desde el sistema aéreo de captación al sistema de puesta a tierra de forma tal que
la corriente del rayo pueda dirigirse hacia la tierra sin el desarrollo de voltajes
excesivamente altos. A fin de disminuir la posibilidad de chispas peligrosas
(arqueos laterales), la/s ruta/s del conductor de bajada deber ser tan directa como
sea posible sin curvas pronunciadas o puntos de esfuerzo en los cuales se
incrementa la inductancia y, por lo tanto, la impedancia, bajo condiciones de
impulso.
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Como una parte integral de la DYNASPHERE, el conductor de bajada aislado y
blindado transporta la corriente del rayo a tierra con un mínimo riesgo de arqueo.
Una cubierta exterior semiconductiva permite la unión electroestática del edificio a
través de elementos de fijación del cable.
Este cable está compuesto por materiales dieléctricos seleccionados
cuidadosamente, lo cual crea un balance capacitivo y ayuda a garantizar la
integridad del aislamiento bajo condiciones de impulso alto.
Para comprender el valor técnico del cable, es primero necesario revisar los
problemas relacionados con los conductores de bajada normales. Un valor de
inductancia de 1,6 μH/m es normalmente considerado como bastante pequeño.
Sin embargo, cuando se imprime una corriente la cual se incrementa en un valor
de 1010 Amperes por segundo, el efecto de esta inductancia se convierte en
primordial. Como ejemplo, un solo conductor de bajada de 60 metros alcanzará un
valor por encima de 1.000.000 de Volts con la aplicación de una descarga
promedio. Esta es la razón por la cual el conductor de bajada posee una ventaja
significativa sobre los conductores de bajada convencionales.
El conductor de bajada es un cable de baja inductancia, baja impedancia
diseñado para minimizar la elevación de tensión debido a impulsos provenientes
de rayos. Este cable tiene un comportamiento significativamente mejor que
cualquier otro cable HV normal y está diseñado especialmente para el control de
los impulsos de la descarga.
El peligro principal en el control de los impulsos por rayo es el incremento de
tensión muy rápido y los tiempos de incremento de corriente posteriores a la
captura del rayo.
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
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Para comprender aún más el valor técnico del cable, es necesario revisar el
mecanismo de la descarga y la elevación de tensión resultante. La tensión entre el
conductor interno y la cubierta externa se determina mediante tres parámetros
diferentes. Éstos son dominantes en diferentes etapas durante la operación del
cable al transportar la energía del rayo hacia tierra (como se muestra en la Tabla
de forma de onda típica del rayo).
PRINCIPALES BENEFICIOS
El impulso del rayo se contiene dentro del cable y la cubierta exterior
semiconductiva se interconecta a la estructura a través de abrazaderas
metálicas, lo cual significa que el riesgo de arqueos es insignificante
La baja impedancia característica del cable minimiza una falla dieléctrica
interna
El cable puede colocarse lejos de equipos sensibles, cableado eléctrico,
acero estructural y áreas de trabajo de seres humanos
Uso de un solo conductor de bajada en lugar de varios conductores de
bajada
Facilidad de instalación
Mantenimiento mínimo
4.3.3 CONTADOR DE EVENTOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
El contador de eventos de descargas atmosféricas (LEC IV) es un dispositivo para
el registro a número de descargas atmosféricas que el Sistema ha interceptado.
El diseño de este contador permite muchas alternativas en la instalación del
conductor de bajada a tierra como se explica más adelante en el texto.
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Debe considerarse lo siguiente antes de la instalación del contador de eventos de
descargas atmosféricas evento contra el rayo:
Es aconsejable para localizar la LEC IV en una zona segura que no es propensa a
Contacto con objetos en movimiento, el robo, o Vandalismo.
Si la LEC IV es encapsulada en un recinto adicional, asegúrese de que sea
montada para facilitar el acceso a la pantalla.
Terminación de barra distribución y varilla de tierra
ABRAZADERA
PARA MANGUERA
2.5MM (12AWG)
LINEA DE COBRE
HACIA EL SISTEMA A TIERRA
VARILLA A
TIERRA
ERICORE
LEC IV
ERICORE
ABRAZADERA
DE VARILLA
BARRA DE
DISTRIBUCION
DE COBRE
TERMINAL DE
COMPRESION
TAPA DE
COBRE
TERMINACION MAS BAJA
QUE SE LIMITARA ALA
IMPERMEABILIZACION DEL
MASTIL
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Terminacion para el conductor pararrayos
4.3.4. SISTEMA DE TIERRAS
El sistema de puesta a tierra debe contar con baja impedancia para dispersar la
energía de la descarga atmosférica. Puesto que la descarga atmosférica consiste
en componentes de alta frecuencia, nos preocupa específicamente el parámetro
eléctrico dependiente de la frecuencia del sistema de puesta a tierra – impedancia
así como también la puesta a tierra de baja resistencia.
LEC IV
TERMINACION INFERIOR
DEL CONDUCTOR
PARARAYOS UNIDA EN
UN MASTIL
IMPERMEABILIZADO
HOYO EN SUELO
ERITECH VARILLA A TIERRA
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Los sistemas de puesta a tierra son altamente variables entre sitios debido a las
consideraciones geográficas. La malla de puesta a tierra debe minimizar el
incremento del potencial del voltaje a tierra y reducir el riesgo de lesiones al
personal o daños a los equipos.
Estos componentes forman una parte integral del Plan de Protección de Seis
Puntos de ERICO. Cada componente debe considerarse independiente y
definitivamente integrado para formar el sistema completo de protección contra
descargas atmosféricas. Sin esta integración se conforma una protección limitada.
Si bien es posible implementar un sistema híbrido usando otros componentes, es
importante considerar que las ineficacias en cualquier reemplazo representan una
ineficacia en el sistema de protección como un todo.
FUNCIONES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE TIERRA:
1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de
sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga
eléctrica bajo condiciones de falla.
2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se
excedan los límites de operación de los equipos.
3. Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo
requieran (Transformadores, Reactores, etc.).
4. Proveer un medio de descarga y desenergización de equipos antes de
proceder a tareas de mantenimiento.
5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de
protección, de eliminación de fallas a tierra en el sistema.
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COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE TIERRA.
El sistema de tierra de una subestación se integra con los siguientes elementos:
Conductores
Varillas o electrodos de tierra
Conectores o juntas
CONDUCTORES
Sirven para formar el sistema de tierra y para la conexión a tierra de los equipos.
Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cables
concéntricos formados por varios hilos y los materiales empleados en su
fabricación son: el cobre, cobre estañado, copperweld (acero recubierto con
cobre), acero, acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio.
El factor principal en la selección del material es la característica de resistencia a
la corrosión que presenta al estar enterrado.
El cobre es la selección más común para los conductores, ya que es económico y
tiene buena conductividad, además de ser resistente a la corrosión y a la fusión.
VARILLAS O ELECTRODOS DE TIERRA.
Estos elementos se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas más
húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica en el subsuelo. Los
materiales empleados en la fabricación de varillas o electrodos de tierra son
generalmente el acero, acero galvanizado, acero inoxidable y copperweld.
Como en los conductores, la selección del material dependerá del de las
características de resistencia a la corrosión que presenten al estar enterrados. El
copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra ya que combinan
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las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica de acero, tiene buena
conductividad, resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica para ser
clavada en el terreno.
CONECTORES O JUNTAS.
Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra,
para conectar las varillas a los conductores y para la conexión de los equipos, a
través de los conductores al sistema de tierra.
Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son generalmente de dos tipos:
A) Conectores a presión.
B) Conectores soldables
Los conectores a presión son todos aquellos que mediante presión mantienen en
contacto a los conductores. En este tipo están comprendidos los conectores
atornillados y los de compresión.
Los conectores a presión deberán diseñarse para una temperatura máxima de 250
a 350 ºC.
Los conectores soldables son aquellos que mediante una reacción química
exotérmica, los conductores y el conector se soldan en una conexión molecular.
Este tipo de conector, por su naturaleza, soporta la misma temperatura de fusión
del conductor.
Los conectores deberán seleccionarse con el mismo criterio con que se
seleccionan los conductores, además tendrán las siguientes propiedades:
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A) Tener dimensiones adecuadas, para absorber el calentamiento que se
produce al circular por él corrientes elevadas. (Resistente a la fusión).
B) Tener suficientemente asegurados a los conductores para soportar los
esfuerzos electrodinámicos originados por las fallas, además de no permitir
que el conductor se mueva dentro de él.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE TIERRA.
Cada elemento del sistema de tierra deberá tener las siguientes características:
A) Resistencia a la corrosión. Para retardar su deterioro en el ambiente donde
se localice.
B) Conductividad eléctrica. De tal manera que no contribuya sustancialmente
con diferencias de potencial en el sistema de tierra.
C) Capacidad de conducción de corriente. Suficiente para soportar los
esfuerzos térmicos durante las condiciones más adversas impuestas por la
magnitud y duración de las corrientes de falla.
D) Resistencia mecánica. De tal manera que soporte esfuerzos
electromecánicos y daño físico.
Simbología
CONDUCTOR DE TIERRA.
VARILLA DE TIERRA
CONECTOR
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DISPOSICIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA.
Se han considerado básicamente tres sistemas:
SISTEMA RADIAL.
Este sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra a los cuales se
conectan la derivación de cada uno de los equipos. El sistema radial es el menos
seguro, se producen elevados gradientes de potencial.
Sistema radial
SISTEMA EN ANILLO.
El sistema en anillo se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de
suficiente calibre alrededor de la superficie ocupada por los equipos de la
subestación. Al anillo se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos
usando un conductor de calibre más delgado. En los vértices del anillo se instalan
varillas o electrodos de tierra. Este sistema es más eficiente que el sistema radial,
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ya que los potenciales disminuyen al disiparse la corriente de falla por varias
trayectorias en paralelo.
SISTEMA EN ANILLO
SISTEMA DE MALLA.
El sistema de malla es el más usado actualmente en las subestaciones eléctricas.
Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares
formando una malla o retícula, a la cual se conecta las derivaciones de cada uno
de los equipos.
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En el perímetro de la malla generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra.
Este sistema es el más eficiente ya que se limitan los potenciales originados por la
circulación de la corriente de falla.
SISTEMA DE MALLA
INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE TIERRA
Antes de la instalación a tierra de los sistemas protección contra rayos, es
importante hacer referencia en el plano todos los sitios de los servicios.
Se debe tener cuidado de seguir el diseño en el terreno. Asegurar que los
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materiales correctos han sido suministrados para lograr un aceptable resistencia
de tierra DC (generalmente <10 ohm s).
Ejemplos típicos de sistemas de tierra que pueden utilizarse (Nota: estos pueden
o no ser pertinentes a la especificidad del sistema) se muestran en las figuras 1 y
2 siguientes.
Sillas de montar
ERICORE
Hoyo de suelo
La terminación inferior
(Determinada en mastil
Impermeabilizado)
Cinta de cobre en tierra Longitud típica, mínima de 5 metros (17 pies). (Longitudes dependen de la lectura de resistividad del suelo) a 600 mm (24 pulgadas) de profundidad.
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Cada zanja se trata
con ERITECH o GEM
Aumento de los
compuestos
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Varillas de tierra fija o
Cadwelded a tierra de
cinta de cobre.
Evento relámpago
Contador - LEC IV
Contador de eventos de
relámpago -LEC IV
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Figuras 1 y 2. Radial de tierra
Sillas de montar
ERICORE
La terminación inferior
(Determinada en mastil
Impermeabilizado)
Contador de
eventos de
relámpago -LEC IV
Evento
relámpago
Contador -
LEC IV
Hoyo en suelo
ERITECH en terreno varillas sujetas a cinta de cobre en
tierra Cinta de la red de tierra de cobre 5000 x 5000mm (17 x 17ft.) más si es necesario para garantizar que está por debajo de la línea
de las heladas.
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SUB-TEMA 5.0 ESTUDIO TECNICO ECONOMICO
5.1 INTRODUCCION.
Actualmente, el país cuenta con la experiencia necesaria para diseñar e implantar
en los contratos de obras mecanismos de ajuste de costos ágiles y de fácil
aplicación pero lo que es increíble es que esta experiencia no se aplica en
ocasiones a su tiempo, ni adecuadamente a las empresas constructoras. Es por
eso que si alguna persona física o una empresa tiene por objeto realizar una obra
tiene las siguientes alternativas:
POR CONCURSO.- Se invita a dos o más empresas constructoras a concursar
sobre “X” proyecto y el criterio de adjudicación es, para el que presente el precio
mas bajo, tomando en cuenta la seriedad de la empresa.
POR ASIGNACIÓN.- En este tipo de contratación, el cliente decide quien
construirá la obra en base al catalogo de precios que el mismo impone.
En relación con la forma de pagos de contratos, utiliza cualquiera de las 3 clases
de contrato siguientes:
A).- POR PRECIOS UNITARIOS.- En el contrato aparecerán los conceptos a
realizar, la unidad, los volúmenes de obra y precios unitarios de cada concepto
B).- POR PRECIO ALZADO O FIJO.- En este se fija el importe total de la obra, el
contratista tiene que realizar la obra con el mismo importe independientemente sin
en el periodo de ejecución los materiales, mano de obra o equipo sufren
incrementos en sus costos.
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C).- POR ADMINISTRACIÓN.- Se caracteriza principalmente porque la utilidad del
contratista se obtendrá aplicando un porcentaje sobre la cantidad total erogada.
El tipo de contratación mas usual en la construcción mexicana es por precios
unitarios y por el tipo de pagos es por administración, el precio alzado de hecho se
descarta debido al índice inflacionario.
Una de las etapas de gran importancia dentro de la planeación de la obra eléctrica
es la elaboración de los precios unitarios para tener un presupuesto global de la
obra.
Este capítulo tiene como objetivo evaluar todos los factores y elementos que
intervienen en la ejecución de los trabajos correspondientes, así como también al
personal, equipo, materiales, gastos de administración, de campo, de oficina, así
como también los impuestos y contribuciones.
5.2 CARGOS QUE INTEGRAN EL PRECIO UNITARIO
Los cargos que integran el precio unitario son:
CARGOS DIRECTOS
CARGOS INDIRECTOS
UTILIDAD
CARGOS ADICIONALES
En la siguiente grafica se representan estos cargos y el porcentaje aproximado
con el que participan para la integración del precio unitario:
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5.2.1 CARGOS DIRECTOS
Son los cargos aplicables al concepto de trabajo que se derivan de las
erogaciones por materiales, mano de obra, maquinaria, herramienta, instalaciones
y por patentes en su caso, efectuadas exclusivamente para realizar dicho
concepto de trabajo.
CARGO DIRECTO POR MATERIALES.- Es el correspondiente a las erogaciones
que hace “El Contratista” para adquirir o producir todos los materiales necesarios
para la correcta ejecución del concepto de trabajo que cumpla con las normas de
construcción y especificaciones de “La Dependencia” o “Entidad”, con excepción
de los considerados en los cargos por maquinaria. Los materiales que se usan
podrán ser permanentes o temporales. Los primeros son los que se incorporan y
CARGOS
DIRECTOS
50%- 70%
CARGOS
ADICIONA-
LES 3%-5%
UTILIDAD
10%-15%
CARGOS
INDIRECTOS
17%-35%
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forman parte de la obra., los segundos son los que se consumen en uno o varios
usos y no pasan a formar parte integrante de la obra.
El cargo unitario por concepto de materiales “M” se obtendrá de la ecuación:
M = Pm x C
Donde:
Pm = representa el precio del mercado mas económico por unidad de material que
se trate, puesto en el sitio de su utilización.
C = representa el consumo de materiales por unidad de concepto de trabajo.
CARGOS POR MANO DE OBRA.- Es el que se deriva de las erogaciones que
hace “El Contratista,” por el pago de salarios al personal que interviene exclusiva y
directamente en la ejecución del concepto de trabajo que se trate, incluyendo al
cabo o primer mando.
El cargo de mano de obra “Mo” se obtendrá de la ejecución:
Mo = S / R
En la cual:
S = representa los salarios del personal que interviene en la ejecución del
concepto de trabajo por unidad de tiempo. Incluirá todos los cargos y prestaciones
derivados de la Ley Federal de Trabajo, de los Contratos de Trabajo en vigor y en
su caso de la Ley del Seguro Social.
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R= representa al rendimiento, es decir, el trabajo que desarrolla el personal por
unidad de tiempo medido en la misma unidad utilizada al valuar S.
Los factores que afectan al salario base por jornada para obtener el salario real
que es lo que la empresa erogara por jornada trabajada. La afectación de estos
factores agrupados se le conoce como factor de salario real, y es la relación entre
los días pagados, incluyendo prestaciones y los días trabajados.
CARGO POR HERRAMIENTA DE MANO.- Este cargo corresponde al consumo
por desgaste de herramientas de mano utilizadas en la ejecución del concepto de
trabajo.
Este cargo se calculara mediante la fórmula:
HM = KH x Mo
KH = representa un coeficiente cuya magnitud se fijara en función del tipo de
trabajo de acuerdo a la experiencia.
Mo = representa el cargo unitario por concepto de mano de obra.
NOTA: Aunque la Ley no lo menciona, el coeficiente KH varía de 2% a 5%.
CARGO DIRECTO POR MAQUINARIA.- Es el que se deriva del uso correcto de
las maquinas consideradas como nuevas y que sean las adecuadas y necesarias
para la ejecución del concepto de trabajo, de acuerdo a lo estipulado en las
normas y especificaciones de construcción de “La Dependencia” o “Entidad” y
conforme al programa de trabajo establecido.
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El cargo directo unitario por maquinaria CM se expresa como el coeficiente de
costo horario directo de las maquinas, entre el rendimiento horario de dichas
maquinas. Se obtendrá mediante la ecuación:
CM = HDM / RM
Donde:
HMD = representa el costo directo de la maquinaria
RM = representa el rendimiento horario de la maquina expresado en la unidad que
se trate.
El cargo directo por maquinaria se compone de:
Cargos fijos
Cargos por consumos
Cargos por salarios para la operación.
5.2.2 CARGOS INDIRECTOS.
Corresponden a los gastos generales necesarios para la ejecución de los trabajos
no incluidos en los cargos directos que realiza el contratista, tanto en sus oficinas
centrales como en la obra, y que comprenden entre otros, los gastos de
administración, organización, dirección técnica, vigilancia, supervisión,
financiamiento, imprevistos, transporte de maquinaria y, en su caso prestaciones
sociales correspondientes al personal directivo y administrativo. Los cargos
indirectos se expresan como un porcentaje del costo directo de cada concepto de
trabajo. Dicho porcentaje se calculara sumando los importes de los gastos
generales que resulten aplicables y dividiendo esta suma entre el costo directo
total de la obra de que se trate. Según la Ley de Obras Publicas, los gastos
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generales mas frecuentes que podrán tomarse en consideración para integrar el
cargo indirecto y que pueden aplicarse indistintamente a la Administración Central
o a la Administración de Obra o a ambas.
5.2.3 UTILIDAD.
Calculado el porcentaje de indirectos se procede a determinar la utilidad. Para
efectos de este cargo la Ley de Obras Publicas establece:
CARGO POR UTILIDAD.- La utilidad quedará representada por un porcentaje
sobre la suma de los cargos directos mas indirectos del concepto de trabajo.
Dentro de este cargo queda incluido el impuesto sobre la renta que por Ley debe
pagar “El Contratista”.
5.3. ANALISIS DEL COSTO TOTAL DE LA OBRA
a) Costos directos.
Los costos directos son los cargos aplicables al concepto de trabajo que se
derivan de las erogaciones por: mano de obra, materiales, maquinaria,
herramientas, instalación y por patentes en su caso, efectuadas exclusivamente
para realizar dichos conceptos de trabajo.
Dentro de los costos directos podemos citar:
5.3.1 MATERIALES Y EQUIPO
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TERMINAL DE DISTRIBUCION DE GAS LICUADO (TDGL)
SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
No. DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.U. IMPORTE
1 CALHILDRA KGS 151.56 $ 6.50 $ 985.14
2 MADERA DE SEGUNDA M2 7.57 $ 26.00 $ 196.82
3 CONECTOR VARILLA 2 CABLES CAT GAR6426 PZA 3 $ 178.78 $ 536.33
4 VARILA DE TIERRA PZA 9 $ 84.50 $ 760.50
5 TUBO DE CONCRETO DE 8" PZA 9 $ 162.50 $ 1,462.50
6 TAPA DE CONCRETO SIMPLE PZA 9 $ 110.50 $ 994.50
7 CONECTOR VARILLA A 3 CABLES CAT GAR6429 PZA 6 $ 196.72 $ 1,180.30
8 MOLDE CADWELD CAT TAC-261V PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
9 CARTUCHO CADWELD 45 PZA 30 $ 27.46 $ 823.68
10 MOLDE CADWELD CAT 1V-1V PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
11 MOLDE CADWELD CAT GTC-312G PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
12 CARTUHO CADWELD 115 PZA 20 $ 56.63 $ 1,132.56
13 MOLDE CADWELD CAT GTC-312L PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
14 MOLDE CADWELD CAT TAG-2C2C PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
15 CARTUCHO CADWELD 90 PZA 4 $ 46.80 $ 187.20
16 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 2/0 ML 260 $ 46.80 $ 12,168.00
17 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 2 M 80 $ 46.80 $ 3,744.00
18 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 3/0 M 30 $ 46.80 $ 1,404.00
19 MOLDE CADWELD CAT XAC-2G2G PZA 1 $ 951.60 $ 951.60
20 DYNASPHERE PLATEADA PARTE DSSILV MK3 PZA 1 $ 21,450.00 $ 21,450.00
21 MASTIL DE FRP 2 MTS. No. PARTE FRP 2M BLK PZA 4 $ 3,946.80 $ 15,787.20
22 KIT DE MONTAJE ERISTRT A12H1000S4 PZA 2 $ 503.10 $ 1,006.20
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TERMINAL DE DISTRIBUCION DE GAS LICUADO (TDGL)
SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
No. DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.U. IMPORTE
23 CONDUCTOR ERICORE DE BAJA E1020T M 20 $ 1,009.45 $ 20,189.00
24 CONTADOR DE EVENTOS PARTE LEC 1V PZA 1 $ 5,292.30 $ 5,292.30
25 ABRAZADERAS CADDY CD2B PZA 20 $ 14.35 $ 287.04
26 ABRAZADERAS CADDY CD5B PZA 2 $ 26.91 $ 53.82
27 VARILLAS DE TIERRA ERITECH PARTE 615900 PZA 4 $ 146.38 $ 585.52
28 CINTA DE COBRE 2" ANCHO, PARTE No.A811 A26F20 PZA 3 $ 796.38 $ 2,389.14
29 MOLDE PARA CONEXIÓN VARILLA A CINTA PZA 1 $ 2,093.00 $ 2,093.00
30
COLDE PARA CONEXIÓN COND. DE BAJADA A
VARILLA PZA 1 $ 1,293.50 $ 1,293.50
31 CARGA CADWELD 150 PZA 10 $ 101.40 $ 1,014.00
32 MANIJA PARA MOLDE E-Z PARTE L160 PZA 1 $ 611.00 $ 611.00
33 INTENSIFICADOR D TERRENO GEM 25 AMPS PZA 15 $ 415.48 $ 6,232.20
34
KIT CADWEL PARA TERM. INFERIOR No. PARTE
LTCW 9 PZA 1 $ 600.60 $ 600.60
35 CASQUILLO PVARILLA TIERRA B137/18 PZA 1 $ 406.25 $ 406.25
36
JUGO DE TORRE AT-29 GALV.15 MTS ALTURA
LOTE 1 $ 20,657.00 $ 20,657.00
CON ACCESORIOS DE MONTAJE
37 GRAVA 3/4" M3 2.13 $ 234.00 $ 498.42
38 ARENA DE RIO M3 1.53 $ 234.00 $ 358.02
39 CEMENTO TON 1.68 $ 2,080.00 $ 3,494.40
40 AGUA M3 1.8 $ 52.00 $ 93.60
41 PASTO TIPO ALFOMBRA M2 150 $ 7.80 $ 1,170.00
SUB-TOTAL : MATERIALES Y EQUIPO $ 36,847.33
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5.3.2 MANO DE OBRA.
El cargo por mano de obra es el que se deriva de las erogaciones por pago de
salario al personal que interviene exclusiva y directamente en la ejecución de la
electrificación, incluyendo al cabo o primer mando. Para la obra “Implementación
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atmosféricas en la TDGL Poza Rica”, es como sigue:
1.- Instalación del sistema de protección contra
Descargas atmosféricas. $ 54,738.00
Subtotal Mano de Obra $ 54,738.00
5.3.3 MAQUINARIA, EQUIPO Y HERRAMIENTAS
Para llevar a cabo la realización de la obra se tiene contemplado la utilización de
la siguiente maquinaria, equipo y herramientas que a continuación se mencionan:
Camión 3.5 Ton de capacidad
Cable de Manila y acero para maniobra.
Polea y polipasto manual
Herramienta manual de excavación: pico, pala, cavadoras y barras.
Equipo de seguridad: cinturón, casco, guantes, ropa de algodón, botas, fajas
y gafas.
Herramienta manual mecánica: pinzas (de corte, mecánicas y electricistas),
llaves (españolas, perica y steelson), etc.
Herramienta de corte y compresión.
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
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5.3.4 COSTO TOTAL DE LA OBRA
Para llevar a cabo la realización de la obra se analizo cada uno de los conceptos
que integran los costos directos y que se muestra en forma de resumen en la
forma siguiente:
1. Subtotal de materiales y equipos $ 136,847.33
2.- Subtotal Mano de Obra $ 54,738.00
3.- Herramientas menor $ 5,747.49
A-COSTO DIRECTO (1+2+3) $ 197,332.82
B-INDIRECTOS 10% A $ 19,733.28
C-SUMA ( A + B) $ 217,066.10
D-FINANCIAMIENTO 0 % C ------------------
E-SUMA (C + D) $ 217,066.10
F-UTILIDAD 10 % E $ 21,706.61
PRECIO UNITARIO (E + F) $ 238,772.71
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CAPITULO III
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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CONCLUSIONES Es muy importante conocer los métodos para la colocación de pararrayos, ya que
si bien es cierto que no existe la certeza de dónde ni cuándo se va a producir una
descarga atmosférica (rayoa9, si se puede prevenir las consecuencias producidos
por esto a través de la colocación de dispositivos, tomando en cuenta según el tipo
de uso para determinar la protección más adecuada en contra de los rayos.
Al no existir un Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) en
las instalaciones de la Terminal de Distribución de Gas Licuado Poza Rica Ver.
(TDGL Poza Rica), ésta se encuentra vulnerable de presentarse alguna descarga
atmosférica, ya que existen estructuras que contienen elementos sensibles,
además se cuenta con un número importante de personas. De acuerdo al método
aplicado (IEC 61662, 1995), las estructuras requieren de un SPDA, considerando
todos los parámetros y características en cada una de las estructuras evaluadas.
El uso de pararrayos para las instalaciones de la TDGL Poza Rica, ayudará a la
captación de posibles descargas atmosféricas y en conjunto con el resto de partes
del SPDA, protegerá a las estructuras de sobretensiones por impactos directos e
indirectos.
Se recomienda proveer de un SPDA para las instalaciones de la TDGL Poza Rica,
ya que se cuenta con dispositivos electrónicos en todas las estructuras evaluadas.
Como recomendación especial, las estructuras requieren de un sistema de puesta
a tierra adecuado para el SPDA, que facilite la disipación de las descargas
atmosféricas.
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 131
El apantallamiento propuesto está basado en una adecuada puesta a tierra de los
elementos expuestos a descargas atmosféricas, cumpliendo las normas y
reglamentos eléctricos nacionales y extranjeros (NOM, ICONTEC, NEC, etc.). Se
reitera que el principio fundamental del apantallamiento es la protección de la vida
y las estructuras contra descargas atmosféricas directas.
El valor de la resistencia de puesta a tierra para cada bajante, en forma
independiente, es decir antes de su unión con las demás mediante el cable
enterrado existente, será de 8,21 ohm,
tierra equivalente será aproximadamente de 3,78 ohm, este último valor de
resistencia obtenido se considera adecuado, conforme a las recomendaciones de
la NOM. Cabe anotar que el diseño ya contempla la unión del sistema de puesta a
tierra del apantallamiento con la malla de la subestación eléctrica principal.
RECOMENDACIONES Realizar una inspección del sistema de apantallamiento cada año con el objeto de
determinar sus condiciones de montaje y eléctricas.
Implementar y difundir una guía general de seguridad personal con el objetivo de
lograr comportamientos seguros durante tormentas eléctricas en la instalación.
En caso de instalarse elementos adicionales que sobresalgan de la superficie de
los techos, tales como líneas de vida, aire acondicionado o chimeneas, posteriores
a este diseño, se debe rediseñar el sistema de apantallamiento, ya que dichos
elementos afectan la efectividad del mismo.
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eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 132
Implementar un sistema de protecciones contra sobretensiones transitorias para
las redes de suministro eléctrico, de voz y de datos, siguiendo los criterios
establecidos en el NOM.
Ver recomendaciones específicas para el montaje del sistema de apantallamiento
en el informe IEB-603-07-03 “Informe con las especificaciones técnicas para el
suministro e instalación del sistema de apantallamiento”.
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 133
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Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 135
ANEXOS
Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas
eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica
Página 136
ANEXO 1
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Orden diferencial de potencial
Figura 1: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura
hecho para dos hielos de agua destilada
+5 -50
Prueba de temperatura de hielo
Dife
renc
ia de
tem
pera
tura
gra
dos c
entíg
rado
s
0 30 40 50 00 10 50 30 100
1 minuto
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Jesús Moisés Ángeles Sánchez
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ANEXO 2
--1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Orden diferencial de potencial
Figura 2: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura
hecho para hielo de agua ( en proceso) y hecho de hielo de. NaCl en
una varilla.
+1 -10
Difer
encia
de te
mpera
tura g
rados
cent
ígrad
os
1/2 -1/2
con contacto
Sin contacto
Orden diferencial de potencialprueba
de temperatura de hielo – 26.3
0 30 40 50 00 10 50 30 100
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ANEXO 3
-3
-2
-1-
0
1
2
Orden diferencial de potencial
Figura 3: diferencia de potencial contra diferencia de temperaturade.
NaCl en una varilla.
+1 -10
Dife
renc
ia d
e te
mpe
ratu
ra g
rado
s ce
ntíg
rado
s
1/2 -1/2
Prueba de tem. – 23.2 ºC
Sin contacto
0 30 40 50 00 10 50 30 100
con contacto
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ANEXO 4
+
-- - - - - - - -
-- - - - - - - - -
-- - - - - - - - - -
----------- - - --
-- - -- - - - - - -
+++
++
+
++
+++
+++ ++
+
+
+
+
+
+
+
++++
+++++
+ ++
--------------------------- - - - - - - ---------------------- - - -- - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - -- - - - -- -
- - - - - - - - - - - - - - --- - - - - - -
-20º
-10º
0º+ + + + + ++++
+ + + + +++++
++ + + + ++++
Lluvia positiva ---------- negativa
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Figura 4:Distribución de las cargas eléctricas en el interior de la nube tormentosa
nube
tierra
Figura 5: proceso mas frecuente de formacion de una descarga
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ANEXO 5
Figura 6: proceso de descarga de un rayo
Nube
Tierra
Figura 8: Representación de una descarga tierra nube
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ANEXO 6
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Figura 10 porcentaje de rayos en funcion de longitud.
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ANEXO 7
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7
CARGA (COULOMBIOS)
GRAFICA DE PORCENTAJE DE RAYOS EN
FUNCION DE UNA SOLA DESCARGA.
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ANEXO 8
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
020 40 60 80 100 120 140
CARGA DE RAYOS (COULOMBIOS
PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION DE LA
CARGA TOTAL PUESTA EN JUEGO.
Figura 11 Porcentaje de rayos en función de la carga
total puesta en juego.
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ANEXO 9
10 20 30
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
KV/MTS.
Figura 9 Porcentaje de rayos en funcion del gradiente del
frente de onda
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ANEXO 10
0 10 20 30
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Kw / MTS
Porcentaje de rayos en funcion del gradiente de frente de onda
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