Proteccion Contra Descargas Atmosfericas-7

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA AREA DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL CATEDRA INSTALACIONES ELECTRICAS

PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

REALIZADO POR: BRACAMONTE JOSE COY NICOLAS DELGADO VICTOR KAMEL HEBERHT MORALES JOSE A. PEREIRA RONALD

Santa Ana de Coro, Abril 2009

INTRODUCCION

A través de este tema se pretende que el estudiantado, se familiarice no solo con la terminología empleada en las protecciones contra descargas atmosféricas, si no también con los métodos utilizados y los distintos tipos de pararrayos para prevenir el impacto de los rayos sobre el suelo.

PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. La descarga atmosférica no es mas que la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes y nube. DESCRIPCION DEL RAYO. El rayo es una descarga eléctrica de origen atmosférico, que se produce entre las partes de distinta polaridad de una misma nube, o de nubes vecinas (relámpagos), o de una nube cargada y el suelo (RAYO). En este último caso se generan cargas de polaridad opuesta en la nube, mientras que la carga del terreno inmediato situado debajo de la nube resulta inducida por la carga inferior de ésta, actuando en realidad como las armaduras de un enorme condensador cuyo dieléctrico es la capa de aire (existente entre la nube y el terreno), que cuando acumula una carga suficiente se produce la descarga. El rayo es una de las manifestaciones de la electricidad atmosférica, que por su naturaleza y sus efectos directos e indirectos puede producir daños de los que, sin embargo, podemos protegernos mediante la instalación de pararrayos y de limitadores de sobretensión. Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra. Usualmente las nubes están cargadas negativamente en su base y positivamente en su parte superior. Por inducción electrostática la tierra

resultará positiva inmediatamente debajo de tal nube. Se establece así una diferencia de potencial enorme, produciéndose el rayo cuando se vence la rigidez dieléctrica del medio (aire o vapor de agua). Simultáneamente con el rayo se produce la luz (relámpago) y sonido (trueno). EFECTOS DEL RAYO Acústicos (el trueno), debido a la desaparición brusca, en el momento de la extinción del arco, de la sobrepresión de aire creada por el paso de la corriente del rayo. Térmicos, debidos esencialmente al calor disipado por efecto Joule en los elementos recorridos por la corriente del rayo. Eléctricos debidos a las derivaciones y sobretensiones, a causa del brusco frente de la onda de corriente y a la elevada impedancia que presentan los conductores en alta frecuencia. Eléctricos de inducción, debidos al campo electromagnético creado por la circulación de la corriente del rayo. Mecánicos, por la destrucción de elementos afectados EL CONO DE PROTECCIÓN Se utiliza el método del "cono de protección" para calcular la zona protegida por el pararrayos. Tal método estima que una barra conectada a tierra protege una zona incluida dentro de un cono de protección cuyo vértice está en la punta de la barra y que tiene como base una circunferencia que rodea la misma. La abertura del cono de protección

se estima entre 30º y 60º, adoptándose 45º de modo tal que se proteja todo el edificio.

A Cabeza del captor B Plano de referencia OC Radio del área protegida ht Altura del captor arriba del plano de referencia

Método del Cono de Protección

TIPOS DE PARARRAYOS, COMPONENTES. Pararrayos puntas simple Franklin Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados punta simple Franklin; no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra, Las cargas se concentran en las puntas más predominantes a partir de una magnitud del campo eléctrico. Alrededor de la punta o electrodo aparece la ionización natural o efecto corona, resultado de la transferencia de energía. El objetivo de estos pararrayos atrae-rayos es proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su

impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica. Se conocen casos en los que parte del pararrayos ha desaparecido a causa del impacto, que superó los 200.000 amperios. Algunos estudios demuestran que estos equipos no son eficaces. Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC) Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta. Incorporan un sistema electrónico que genera un

avance

teórico

del

trazador;

otros

incorporan

un

sistema

piezoeléctrico que genera un efecto similar. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo, una vez que se produce la carga del dispositivo electrónico de excitación (cebador). El principio de funcionamiento sigue siendo el mismo que los pararrayos tipo Franklin, la diferencia tecnológica de estos equipos está en el sistema electrónico, que sirven para excitar la avalancha de electrones (ionización). La excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos. Según aumente gradualmente la diferencia de potencial entre el pararrayos y la nube, aparece la ionización natural o efecto líder. Son mini descargas que salen de la punta con más intensidad para ionizar el aire más lejos; este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino que facilitará la descarga del fenómeno rayo. El conjunto electrónico (cebador) está dentro de la influencia directa de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos que genera

el impacto del rayo durante la descarga. En función de la intensidad de descarga

del

rayo,

la

destrucción

del

dispositivo

electrónico

es

irreversible. A partir de ese momento, la eficacia del PDC no está garantizada. Pararrayos des-ionizadores de carga electroestática El objetivo de los también llamados pararrayos PDCE es evitar la saturación de carga electrostática entre la instalación de tierra y la atmósfera que nos rodea. Concretamente, compensar pacíficamente la diferencia de potencial eléctrico de la zona durante el primer proceso de la formación del rayo. •

Se destacan por el hecho de que su forma es esférica.

•

Están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra.

Durante la aparición en tierra del proceso de la carga electrostática del fenómeno del rayo, el pararrayos facilita la transferencia de energía a tierra y se transforma en una pequeña corriente de fuga que circula por el cable de tierra a la toma de tierra. El valor eléctrico resultante se puede registrar con una pinza amperimétrica de fuga a tierra. El valor máximo de lectura en plena tormenta no supera los 300 miliamperios, y es proporcional a la carga eléctrico-atmosférica durante la tormenta. Los pararrayos se instalan según unas normativas actuales y se resumen en 4 elementos básicos: 1. La toma de tierra con una resistencia inferior a 10 ohmios. 2. El equipotencial de masas.

3. El mástil y cable conductor que conecta la tierra con el cabezal aéreo. 4. El pararrayos (electrodo aéreo captador). Características básicas. Se caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electrostática entre nube y tierra antes del segundo proceso de la formación del rayo, anulando el fenómeno de ionización o efecto corona en la tierra. El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico. Todo ello está soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie entre la toma de tierra eléctrica y la atmósfera que lo rodea. Durante el proceso de la tormenta se genera un campo de alta tensión en tierra que es proporcional a la carga de la nube y su distancia de separación del suelo. A partir de una magnitud del campo eléctrico natural en tierra, la instalación

equipotencial

de

tierras

del

pararrayos,

facilita

la

transferencia de las cargas por el cable eléctrico. Estas cargas, indiferentemente de su polaridad, se concentran en el electrodo inferior del pararrayos que está conectado a la toma de tierra por el cable eléctrico y situado en lo más alto de la instalación. La baja resistencia del electrodo inferior del pararrayos en el punto más alto de la instalación, facilita la captación de cargas opuestas en el electrodo superior. Durante este proceso de transferencia de energía se produce internamente en el pararrayos un pequeño flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo. El efecto resultante genera una corriente de fuga, que se deriva a la puesta a tierra eléctrica de la instalación y es

proporcional a la carga de la nube. Durante el proceso de máxima actividad de la tormenta se pueden registrar valores máximos de transferencia de 300 miliamperios por el cable de la instalación del pararrayos. La carga electrostática de la instalación se compensa progresivamente a tierra según aumenta la diferencia de potencial entre nube y tierra, neutralizando el efecto punta en tierra en un 100 % de los casos (trazador o líder). El cabezal captador del pararrayos no incorpora ninguna fuente radioactiva. El efecto de disipar constantemente el campo eléctrico de alta tensión en la zona de protección, garantiza que el aire del entorno no supere la tensión de ruptura evitando posibles chispas, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor y caídas de rayos. El objetivo del conjunto de la instalación, se diseña como sistema de protección contra el rayo (SPCR) donde el motivo principal es evitar la formación y descarga del rayo en la zona de protección. COMPONENTES DEL PARARRAYOS •

Cabezal Captador.

•

Mástil

•

Cable conductor de bajada

•

Tubo de protección del cable de bajada.

•

Electrodo de toma de tierra.

•

Protector contra sobre tensiones eléctricas

MÉTODOS DE PROTECCIÓN Y NECESIDADES DE INSTALACIÓN DE UN PARARRAYOS. Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros países latinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre los métodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio (early streamers en inglés). En EUA, el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin. Los equipos y estructuras son clasificados según su necesidad de protección contra descargas atmosféricas. PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna

protección.

conectados

a

El

tierra.

requisito

es

Ejemplos

que de

verdaderamente esta

clase

estén

son:

a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b)

Tanques

de

agua,

silos

y

estructuras

similares,

construidas

mayormente de metal. c) Astas bandera construidas de algún material conductor. SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.

TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos. CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren a)

una

Edificios

protección.

de

conductores,

madera, sin

Se

piedra,

elementos

incluyen ladrillo de

u

en

esta

otros

clase:

materiales

refuerzo

no

metálicos.

b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de

bajada

a)

Edificios

b)

Edificios

y

electrodos de

gran

de

valor

conteniendo

aterrizado. estético,

combustibles

Entre

histórico o

éstas

están:

o

intrínsico.

materiales

explosivos.

c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga. d) Tanques o conjuntos de tanques. e) Plantas de energía y estaciones de bombeo. f) Líneas de transmisión. g) Subestaciones eléctricas.

GRAFICACION DEL SISTEMA DE PARARRAYOS

1) CABEZAL O PUNTA: Este es elemento que atrae al rayo, permitiendo dirigir la corriente de descarga del rayo hacia la puesta a tierra. 2) BASE O PIEZA DE ADAPTACION: La pieza de adaptación permite la unión entre el cabezal o punta con el mástil. 3) MASTIL: Elemento que permite instalar al cabezal o punta en la posición (altura) adecuada. 4) PROTECTOR DEL MASTIL DE ANTENA: Elemento que permite la puesta a tierra instantánea del mástil de antena en el momento de la caída del rayo. Permanece aislado en condiciones normales. 5) ANCLAJE DEL MASTIL: Debe realizarse al menos en dos puntos; o si se instalo en forma de torre, debe poseer 3 vientos desfasados 120º entre si, y cada viento debe poseer al menos dos aisladores. 6) CONDUCTOR BAJANTE: Conductor de cobre de al menos 50 mm², destinado a encaminar la corriente del rayo desde el cabezal o punta hasta la toma a tierra. 7) SOPORTES AISLADOS PARA EL CONDUCTOR BAJANTE: Fija el conductor de bajada en toda su trayectoria para evitar movimientos del mismo. Normalmente contiene un aislador de porcelana con un orificio pasante. 8) CONTADOR DE DESCARGAS: Indica los impactos recibidos por la instalación de protección. 9) JUNTA DE CONTROL: Permite desconectar la toma de tierra con el fin de efectuar la medición de la resistencia de la misma. 10) TUBO DE PROTECCION: Caño o media caña de hierro o chapa galvanizada para protección mecánica del conductor bajante. 11) TOMA DE TIERRA

CONCLUSIÓN

Es muy importante conocer los métodos para la colocación de pararrayos, ya que si bien es cierto que no existe la certeza de donde ni cuando se va a producir una descarga atmosférica (rayo), si se puede prevenir las consecuencias producidos por estos a través de la colocación de dispositivos, tomando en cuenta según el tipo de uso para determinar la protección mas adecuada en contra de los rayos.

BIBLIOGRAFÍA

https://sertec1.sslpowered.com/sertec.com.py/telergia/telergia/informa ciones/tomas_tierra14.html http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe50.html http://www.cibernautica.com.ar/rayosycentellas/index.htm http://www.electricasas.com/electricidad/protecciones/pararrayos/siste ma-externo-de-proteccion-contra-el-rayo/ http://es.wikipedia.org/wiki/Pararrayos http://www.arquimaster.com.ar/articulos/articulo51.htm