Descargas Atmosfericas... Teoria y Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra

8/17/2019 Descargas Atmosfericas... Teoria y Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra

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8/5/2016 DESCARGAS ATMOSFERICAS... TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. Roberto Ruelas

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ISTEMAS DE PUESTA A TIERRA- TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -

5. Puesta a Tierra de Protección Atmosférica

Índice

5.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS [5.4] y [5.12].

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargasde un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.

Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se

pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayosdetectados, son de una nube negativa hacia tierra.

Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente enmontañas o en estructuras altas, por lo que no los tomaremos en cuenta en losubsiguiente. En la referencia http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html pueden verse fotografías de ellos y de losfenómenos electroatmosféricos llamados "sprites" y "elves"

Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes detormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a másde 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctricoatmosférico.

Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.

Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descargaeléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radiodel punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de estadescarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálicadebajo de una torre.

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La figura muestra el rayo producido por una nube cargada negativamente contratierra según el modelo de Hasbrouk [5.2].

Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entredescargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que

tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataquemás rápidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que dependedel lugar geográfico. La primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y lasegunda entre 11 y 13 x 10E7 m/s.

Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial ensistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. Aconsecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones

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metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin ladescarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial enla tierra directamente debajo de ella.

El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente consideradoentre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m

con el que las puntas empiezan a emitir iones.Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía convoltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes

pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50)de 20 kA, de acuerdo con los datos del Sr. R. B. Bent [5.7]. El Electric Power

Research Institute (EPRI) en su Transmission Line Reference Book ,345 kV and above. 2da. Edición, Págs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una

descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio máxima de 24.3 kV/us.Y para las descargas que siguen a la primera, una magnitud menor aunque másrápidas, con un promedio de 39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado.Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que suscontrapartes negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben elmismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden másfrecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas.

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en unlugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional alcuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructurasaisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudasincrementan también la probabilidad de una descarga.

5.2 SISTEMAS DE PARARRAYOS [5.4].

La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica.Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componenteselectrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra suefecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores delárea en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede

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ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargasdirectas puede ser excesivamente caro.

Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe:

Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminalaérea.Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cablesconductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectoriasde baja impedancia, y;Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de granimpedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicasque se crean [5.1].

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro deun mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas.Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera demalla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entrealgunos de sus puntos aterrizados.

El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más

cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descargaeléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de

potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez,causará que fluya corriente por los conductores de la malla.

Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe un rayo, noimportando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente encualquier conductor en la vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese

conductor, fluirá por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, unoleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del

punto donde la descarga tuvo lugar.

Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y altacorriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son dealta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente1 us. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se utilizan las



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técnicas para señales en altas frecuencias.

La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es deaproximadamente de 1.64 uH/m. A la frecuencia equivalente de los rayos, laimpedancia debida a la inductancia es muchas veces mayor que la impedanciadebida a la resistencia del conductor. Por lo que, para los rayos, los conductores

más largos de 10 m tienen una impedancia en términos prácticos infinita, lo queimpide que conduzcan la corriente [5.5]. Además, estas señales de altafrecuencia no seguirán nunca una vuelta muy cerrada del conductor, porque cadadoblez incrementa la reactancia inductiva. De ahí, que todos los cables deconexión a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar deesquinas cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, yconductores múltiples conectados en paralelo a tierra.

Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que

la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes delsistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierraal tiempo de la descarga. Como ejemplo una malla de 30 x 30 m con 36cuadrados, de cable de 0.5 cm de diámetro tiene una inductancia de 400* 10-7 H,lo que dará una impedancia de 25 ohms bajo una onda triangular con tiempo de

pico de 1.2 us. [5.8].

5.3 ESTÁNDARES DE PROTECCIÓN [5.4].

Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros paíseslatinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre losmétodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen los dosestándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y elde 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 seconsidera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin.En México, tenemos desde el 2006 una Norma Mexicana al respecto emitida

por ANCE con el número NMX-J-549-ANCE. Al no tener carácter obligatorioesta norma, las compañías que promueven las marcas de puntas de inicio Sante-Elme yPrevectron , entre otras marcas en el mercado, estáninstalando sus sistemas bajo normatividad francesa, o ninguna normatividad.

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Importante: De acuerdo con el artículo 55 de la Ley Federal de Metrología y Normalización, las normas NMX sí son obligatorias para el gobierno federal ysus dependencias, por lo que la NMX-J-549-ANCE de pararrayos sí les aplica. ARTÍCULO 55.- En las controversias de carácter civil, mercantil o administrativo, cuando no seespecifiquen las características de los bienes o servicios, las autoridades judiciales oadministrativas competentes en sus resoluciones deberán tomar como referencia las normas

oficiales mexicanas y en su defecto las normas mexicanas.

Sin perjuicio de lo dispuesto por la ley de la materia, los bienes o servicios que adquieran,arrienden o contraten las dependencias y entidades de la administración pública federal, debencumplir con las normas oficiales mexicanas y, en su caso, con las normas mexicanas, y a falta deéstas, con las internacionales.

En el mundo, existen muchos Códigos nacionales sobre Sistemas de Pararrayos,que no concuerdan entre sí. Una lista de algunos de ellos, puede encontrarse en:http://www.lightningsafety.com/nlsi_bus/nlsi_pub1.html

5.3.1 ZONA DE PROTECCIÓN (Método Norteamericano)

En Norteamérica, los equipos y estructuras son clasificadas según su necesidadde protección contra descargas atmosféricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989.

PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra.Ejemplos de esta clase son:a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras quecontengan materiales inflamables.

b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente demetal.c) Astas bandera construidas de algún material conductor.

SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora yestructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tiporequiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.

TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metálica ycubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a laestructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos.

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CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, querequieren una protección . Se incluyen en esta clase:a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sinelementos de refuerzo metálicos.

b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de

aterrizado.QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida

puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayoscompleto, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos deaterrizado. Entre éstas están:a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínsico.

b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos.c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derramancomo 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.

La técnica usada para analizar la acción de las descargas en objetos a tierra es elmodelo electromagnético desarrollado originalmente por Golde R.H. [5.13]. Y

derivado de ese modelo, desde 1970 se emplea el método de la esfera giratoria

para calcular la zona o distancia de protección de los pararrayos[5.1]. El equipodentro de la zona de protección debe ser conectado a la misma red de tierras paraque no exista una diferencia de potencial entre puntos en el sistema. Sinembargo, aparatos conectados a líneas eléctricas que salen del área de mismo



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potencial pueden dañarse de no tener las protecciones mencionadas en elcapítulo sobre equipos electrónicos.

SISTEMA FRANKLIN

Benjamín Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor importante en el diseño de protecciones contra rayos.

El rango de atracción de un pararrayos es la distancia sobre la cual un pararrayossencillo vertical de una altura dada sobre un plano limpio, atrae una descargaatmosférica. El espacio protegido por tal dispositivo define el lugar en que laconstrucción no suele ser afectada por una descarga directa.

El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste enterminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta,llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos.Este sistema se aplica en iglesias, casas de campo, graneros y otras estructurasordinarias.


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Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm - las más pequeñas miden 30cm - sobre la estructura [5.1] y, cuando esta altura mínima se emplea, ladistancia entre ellas debe ser como máximo de 6 m.

Para asegurarnos de una buena conexión y de una baja impedancia, por lo menoscada terminal aérea debe tener dos trayectorias a tierra, y estas trayectoriasdeben estar cuando más a 30 m de separadas entre sí.

De acuerdo con el estándar NFPA 780 [5.1], existen dos clases de materiales(terminales aéreas, cables, accesorios y terminales de tierra). Los materialesclase I se utilizan para la protección de estructuras que no exceden de 23 m dealtura, y, los materiales clase II, las estructuras que si exceden dicha altura.

Entre las diferencias importantes de las dos clases de materiales se tiene:

Clase I Clase IITerminales Aéreas, diá(mm)

9,5 Cobre, 12,7Aluminio

12,7 Cobre, 15,9Aluminio

Conductor principal, peso 278 g/m Cu, 141 g/m Al 558 g/m Cu, 283 g/m Al

calibre 29 mm2 Cu, 50 mm2 Al 58 mm2 Cu, 97 mm2 Al

tamaño mínimo de alambre 17 AWG Cu, 14 AWGAl

15 AWG Cu, 13 AWG Al



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Los tamaños de los conductores más usuales son: 29 ó 32 hilos calibre 17 (65,6kcm) de cobre para conductores de uniones, 28 hilos calibre 14 o más grueso decobre para conductores principales. Cuando se emplean conductores dealuminio, se debe tener precaución en no llegarlos hasta el suelo porque sufrencorrosión.

Al respecto de la trayectoria, la NOM [1.3] dice que cualquier parte metálica noconductora de corriente a una distancia menor de 1,8 m del cable de los pararrayos debe tener puentes de unión a éste para igualar potenciales y prevenir arqueos {250-46}.

Los conductores terminan en tierra en sendos electrodos, y para revisar el estadode dichos electrodos, es una práctica recomendada utilizar conectores de pruebaa una altura de 1,0 a 1,5 m.

De acuerdo con la norma NFPA-780 [5.1], el sistema de electrodos para la protección contra descargas atmosféricas depende también de las condiciones delsuelo. De ahí que, para estructuras ordinarias menores a 23 m de altura, en:

Arcilla Profunda y Húmeda.- Una simple varilla de 3 m es suficiente.Suelo arenoso.- Se requieren dos o más varillas espaciadas más de 3 m.Suelo con tierra poco profunda.- Se emplean trincheras radiales al edificiode 5 m de largo y 60 cm de ancho en arcilla. Si la roca está más superficial,el conductor podría colocarse sobre la roca.Rocas.- En un suelo muy poco profundo, un cable en anillo se instala enuna trinchera alrededor de la estructura. Para mejorar aún el contacto, es

posible colocar placas de al menos 2 pies2.

SISTEMA TIPO JAULA DE FARADAY.

Para estructuras grandes, se utiliza una modificación al sistema Franklin de pararrayos, al añadir a las terminales aéreas conductores que crucen sobre laestructura a proteger como una caja de Faraday limitada sobre y a los lados de laconstrucción, y todo ese conjunto resultante es conectado a cables múltiples de



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bajada, que a su vez se conectan al sistema de tierras perimetral del edificio.

Los edificios modernos con estructura de acero y con varillas embebidas enconcreto se acercan al concepto de la jaula de Faraday, y el riesgo de que un rayoque penetre en un edificio protegido de esta manera es extremadamente

pequeño [5.6]. Aunque se debe notar que los rieles de los elevadores no deben

ser usados como el conductor de bajada de los pararrayos, la NOM-001-SEDE-1999 permite que se unan al sistema de pararrayos [1.3] {620-37b}.

Para hacer más efectiva la protección de este sistema, se usan puntas del tipoFranklin o del tipo "paraguas" (patentadas).

5.3.2 ZONA DE PROTECCIÓN (Método de puntas de inicio)

En Francia, coexisten dos estándares para protección contra

descargas atmosféricas, la NFC 17-100 (1997), IEC 1024-1(1990) que está basada en la caja de Faraday mencionada en el punto 5.3.2, y, la NFC 17-102 (Julio 1995) sobre puntasiniciadoras.

El estándar NFC 17-102 es aplicable para protección contrarayos, usando puntas iniciadoras en estructuras de menos de 60m de alto y de áreas abiertas. E incluye la protección contra lasconsecuencias eléctricas debida al flujo de corriente del rayo a



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través del sistema de protección.

Las puntas iniciadoras, se dice, son las que inician la descargahacia arriba unos cuantos microsegundos (Delta T) antes de ladescarga principal. El efecto se traduce en una zona de

protección de forma parabólica alrededor de la punta, de radio

(Rp) en un plano horizontal.De acuerdo con la peligrosidad de una descarga sobre laestructura a proteger, el estándar preveé tres tipos de

protección.

D = 20 m para un nivel de protección I.D = 40 m para un nivel de protección IID = 60 m para un nivel de protección III

Donde D es el radio de la esfera rodante del modeloelectrogeométrico, y h es la altura de la punta de emisióntemprana relativa al plano horizontal que pasa por el elemento a

proteger.

La tabla siguiente con los radios de protección, contempla 3tipos de puntas iniciadoras (25, 40 y 60 us) y, los valores de

altura (h), en metros, sobre la estructura a proteger, donde de 2a 4 metros son fijos, los demás se calculan mediante la fórmula

metros.

Considerando que h no puede ser mayor que la D obtenida deltipo de protección.


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PUNTOS IMPORTANTES DEL ESTÁNDAR NFC 17-102

La punta debe estar por lo menos 2 m más alta que el área que protege,incluyendo antenas, torres de enfriamiento, techos, tanques, etc.

Si la instalación comprende algunas puntas, éstas deben estar interconectadas por un conductor de área de por lo menos de 50 mm2, a menos de que el cableesté ruteado sobre un obstáculo estructural o arquitectónico con una diferenciade más de 1.5 m

Cada punta debe estar conectada por lo menos con un conductor bajante. Dos omás bajantes se requieren si:

La proyección horizontal del conductor es más grande que su proyecciónverticalEl sistema está instalado en una estructura más alta que 28 mEs importante notar que los bajantes deben estar instalados en dosdiferentes paredes.


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5.4 PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS

5.4.1 PROTECCIÓN DE TORRES DE COMUNICACIÓN [5.4]

Se ha visto que las torres metálicas de comunicaciones incrementansustancialmente la densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La

probabilidad se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la altura de latorre [5.11].

Variaciones considerables existen en la forma de como proteger una torre. Unamanera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí unconductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar elcobre y el acero en contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvánica- y, la inductancia del cable tan largo crrea una trayectoria de tan alta impedancia

que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar laestructura con una punta electrodo en su parte superior con conectoresadecuados para su conexión al acero estructural.

Y, como conexión a tierra, electrodos de tierra horizontales llamadoscontraantenas o, el anillo de tierra utilizado por la puesta a tierra de los equiposelectrónicos.

Note que cuando se usan arreglos de puntas sobre antenas de radio, el plano detierra cambia, por lo que el patrón de emisión radial cambia también y el arreglo

puede evitar la recepción en ciertas zonas.

Para disipar rápidamente la energía de los rayos que pegan en las torres, y con



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ello, elevar menos el potencial de tierra del sistema y para bajar el riesgo a las personas cuando esas torres están en zonas densamente pobladas, se acostumbracolocar radialmente conductores enterrados horizontalmente bajo las mismastécnicas de aterrizado equipotencial empleado en las subestaciones de potencia,los que reciben el nombre de contraantenas. Estas contraantenas pueden ser menores de 30 m si el suelo es adecuado y los electrodos son efectivos.

Si un rayo toca una torre, la torre conducirá la mayoría de la corriente a tierra. Lacorriente remanente será conducida por las retenidas, alambrado de las luces dealerta y por el blindaje del cable coaxial.

La NOM [1.3]{800-13} dice "cuando sea factible, se debe mantener unaseparación de por lo menos 180 cm entre los conductores visibles de sistemas decomunicación y los conductores de pararrayos".

Incrementando la distancia entre la torre y el edificio del transmisor y usando blindajes tipo Faraday se puede reducir el impacto de la descarga en el equipo.

La entrada del cable de comunicaciones al edificio debe ser a través de uncabezal de tierras.

La conexión a este cabezal debe ser por lo menos de área igual a la seccióntransversal de los cables coaxiales. Una trenza de 3 a 6 pulgadas de ancho esusualmente empleada en este uso.



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Las conexiones a tierra del cable coaxial se colocan en los cables de la antena auna altura de 50m

y a cada 30 m hacia arriba después de esa altura. Otra conexión va en la base dela torre y la otra en el cabezal de tierras. La altura de 50 m es crítica debida alhemisferio de descarga del rayo ya mencionado. Además, es preferible colocar elcable de señal por dentro de la estructura metálica de la torre para reducir lacorriente en su blindaje.


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Las luces de alerta solamente requieren de supresores de picos en las líneas deconexión eléctrica, los que también se deben aterrizar en el cabezal.

5.4.2 PROTECCIÓN DE TANQUES [5.4].

Ciertos tanques están autoprotegidos contra rayos, como se menciona en [5.4].Por ejemplo, un tanque que es eléctricamente continuo y de por lo menos 3/16"de grueso no puede ser dañado por las descargas directas. Pero, el tanque debeestar sellado contra el escape de vapores que puedan incendiarse [5.1].

Los tanques se conectan a tierra para alejar la energía de una descarga directa asícomo para evitar las cargas electrostáticas. Tanques mayores de 6 metros dediámetro en concreto, asfalto o en tierra están sin duda conectados a tierra [5.9].

Tanques menores a esa medida, necesitan un medio adicional para conectarlos atierra. Esto puede lograrse de tres maneras. La más simple es conectarlos asistemas de tuberías que no tengan uniones aisladas. El segundo método consisteen conectar un mínimo de 2 electrodos espaciados no más de 30m entre ellosradialmente al tanque. Y, por último, el método más novedoso es el de emplear elacero de refuerzo del muro de contención de derrames. Ver en el capítulo deMateriales,los electrodos empotrados en concreto.

5.4.3 PROTECCIÓN DE ÁRBOLES.

Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que sobrepasancualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, paraesos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe80.html#%5B8.1.3%5Dhttp://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.9http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.1http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.4http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.4


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5.4.4 PROTECCIÓN DE LÍNEAS AÉREAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La probabilidad de que un rayo caiga en una torre de transmisión, ha sidoampliamente estudiada y, se han obtenido las siguientes ecuaciones empíricas de

los resultados encontrados.

Las líneas aéreas reciben descargas por 100 km de línea, según la relaciónempírica encontrada por Eriksson [5.15]

dondeH es la altura de la línea

b el ancho de la línea Ng es la densidad de rayos

De lo anterior se desprende que una línea alta recibe mayor número de descargasque una baja.

También, se ha encontrado que las corrientes de descargas son mayores (>80 kA)en los lugares de índice isoqueráunico alto [5.10].

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.10http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#%5B5.10%5Dhttp://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.15


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Los distintos componentes de una línea están definidos por sus características devoltaje-tiempo o nivel básico de impulso ( BIL: iniciales en inglés). Si la descarga

probable tiene un voltaje que excede éstas, un flameo ( flashover ) aparecerá.

El método de diseño tradicional de líneas de transmisión consideraba un flameo( flashover ) por año, para lo cual se tomaba en cuenta el nivel isoqueráunico de la

zona multiplicado por alguna constante (0,25 a 0,5) y, por otro lado, se tomabanen cuenta los parámetros probables de una descarga de fuentes comoGolde[5.13].

La protección contra descargas atmosféricas de líneas aéreas de energía eléctricase logra colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y,mediante apartarrayos. El ángulo de protección obtenido al colocar un hilo deguarda es de 30 grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de bajaresistencia (25 ohms o menos). Hay que notar que esta protección no protege a

los equipos.

Los árboles altos y cerca de las líneas protegen las líneas de transmisión contradescargas atmosféricas. En el oeste de los EU y Canadá con derechos de vía enlugares boscosos, las líneas a veces no llevan hilo de guarda y con los árbolesson protegidas.

Por último, hay que considerar que cuando existen gasoductos u oleoductos

subterráneos en paralelo con líneas de transmisión, el uso de hilos de guardareducen en gran medida los voltajes inducidos en los tubos.

Para líneas de distribución, el uso únicamente del hilo de guarda eseconómicamente aceptable en donde el terreno por donde pasa la línea tiene una

baja resistividad. En cambio, se utilizan los apartarrayos sin hilo de guarda enterrenos donde se tiene resistencia a tierra de electrodos de más de 25 ohms.

5.4.4.1 Caso de estudio 1.- Laboratorio de Oak Ridge Tennessee[5.18]

La red eléctrica del laboratorio en media tensión está alimentada en 13,8 kV y setienen líneas en toda una gama de estructuras, desde 13,8 kV hasta enestructuras para voltajes de subtransmisión (69 kV). Como los edificios estánubicados en una zona rural en promontorios, las líneas reciben descargasatmosféricas frecuentemente.

En una tabulación de disparos contra descargas de cada línea en los últimos 40



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años, se encontró que las líneas con menos salidas por maniobras de "recierre"de los "restauradores" son aquellas que tienen el tipo de construcción de voltajemás alto que el que les corresponde. Lo que ahora se llama "ConstrucciónResistente a Rayos" (ver fotografías siguientes) que consiste primordialmente enniveles más altos de aislamiento y ángulos más pequeños de protección.

5.4.4.2 Caso de estudio 2.- Complejo Silao de General Motors de México.

En paralelo con el patio del ferrocarril corre una línea de 1 km de longitud en postes de concreto de 13,8 kV, la cual alimenta subestaciones en su mayoríasobre postes en el perímetro del complejo. La configuración de los conductoreses en línea recta sobre aisladores clase 15 kV colocados sobre la cruceta normalde la misma clase (configuración T). Las estructuras de la línea es lo máselevado en decenas de metros.

Al estar la línea protegida únicamente por cortacircuitos fusibles las descargasatmosféricas cercanas abrían frecuentemente el circuito durante la temporada delluvias. Como solución, se propone protegerla mediante un hilo de guardaaterrizado únicamente en los remates colocado sobre puntas metálicas en lasextremidades de los postes, sin mover ni hacia arriba, ni hacia abajo lasestructuras originales.


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5.4.5 PROTECCIÓN DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadassobre las estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas que rematan en lasubestación. Los hilos de guarda están conectados directamente a la malla detierra de la subestación.

En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructurasforman una jaula de Faraday de protección.

Para el cálculo de las zonas de protección se emplea el método de la EsferaRodante tratado en el punto 5.3.1.

Las subestaciones de distribución no son protegidas contra una descargaatmosférica directa, porque se ha comprobado que los rayos caen mayormentesobre las líneas.

5.4.6 PROTECCIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS EN MEDIA Y ALTATENSIÓN.

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe50#5.3.1


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5.4.6.1 Apartarrayos [5.17]

Las descargas estáticas producen en los conductores una onda de sobrevoltajeviajera en los dos sentidos, en su viaje a tierra. Cuando esta onda llega a unadiscontinuidad en el circuito, que puede ser un ramal sin uso, la onda de voltajese refleja y en ciertos lugares puede llegar a ser de hasta del doble de la amplitud

original. Por lo anterior, los apartarrayos, que son aparatos eléctricos que dirigena tierra los sobrevoltajes, deben colocarse uno por fase y lo más cerca posibledel equipo a proteger, como transformadores, interruptores, reguladores devoltaje, etc. para ser mayor su efectividad.

Los apartarrayos están definidos por sus características de "flameo" y por su

voltaje cuando entran en operación. Estas características se coordinan con las delos otros aislamientos para definir la clase de nivel básico de impulso ( BIL).

La NOM-001-SEDE-2005 [1.3] {280-24} observa que el conductor de puesta atierra directa del apartarrayos de un sistema de distribución, podráinterconectarse al neutro del secundario siempre y cuando éste último tenga unaconexión a una tubería metálica subterránea de agua, o, siempre y cuando sea un

http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#%5B1.3%5Dhttp://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe93.html#5.17


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sistema secundario multiaterrizado. Y, que los conductores no se lleven encubiertas metálicas a menos de que se conecten a éstas en sus dos extremos{280-25}.

5.4.6.2 Cuernos de Arqueo (Spark Gaps)

La teoría detrás de este método es que si el circuito de distribución va a arquear de un modo o de otro, un circuito con un alto nivel básico de impulso ( BIL) conun lugar predefinido de bajo nivel causará que el arqueo suceda en ese punto.Esto requiere de un interruptor para abrir la falla en 60 Hz. Con la llegada de losrestauradores automáticos de alta velocidad este método de protección hallegado a ser bastante utilizado principalmente en países europeos.Las desventajas son el ajuste mismo de la distancia de arqueo, y las fallas por

presencia de aves principalmente.

5.4.6.3 Restauradores ( Reclosers)

En la fotografía un restaurador en SF6 tipo estación marca Siemens.

5.4.7 PROTECCIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS EN BAJA TENSIÓN.

5.4.7.1 Supresores de sobrevoltajes o de picos (TVSS)

Los supresores se seleccionan de acuerdo a su clase de protección. Así, en unservicio con una capacidad de corto circuito muy alta, el supresor debe tener una


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capacidad para conducir grandes corrientes a tierra.

En cambio, los supresores que se utilizan junto a las cargas sensibles a lossobrevoltajes, son de pequeña capacidad.

Y, dichos supresores deben ofrecer una protección coordinada para ser efectiva.

Para detalles sobre la protección de cables en comunicaciones ver:3.3PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DECOMUNICACIONES.

5.5 PRUEBAS DE SUSCEPTIBILIDAD A DESCARGASATMOSFÉRICAS.

Existen máquinas como los aviones que no pueden fallar a consecuencia de unadescarga atmosférica. Por esa razón, se debe probar su susceptibilidad a falla enlaboratorios especiales bajo normativa especial. Ejemplo de unlaboratorio: www.retlif.com

Actualmente la industria aeroespacial no tiene un estándar único para pruebas, por lo que algunos de los estándares comúnmente aplicados son:

Boeing D6-16050-5

http://www.retlif.com/http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe30.html#3


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EUROCEA/ED-14EFAA AC:20-136MIL-STD-1757RTCA/DO-160SAE ARP5412/5413SAE AE4L

5.6 REDES DE MONITOREO ATMOSFÉRICO

Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por lassiglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente comoun promedio anual. Este parámetro se puede obtener localmente utilizandocontadores de descargas o cualquiera de las versiones de los sistemas delocalización de rayos comerciales.

Los contadores de descargas están limitados a unos kilómetros, mientras que lossistemas de localización pueden obtener datos de áreas mucho más grandes. Lossistemas utilizan un número finito de antenas remotas para detectar los campos

eléctrico y magnético al tiempo de la descarga, y, de estos datos se puededeterminar el lugar de la descarga.Durante muchos años, los servicios meteorológicos del mundo han anotado losdías tormenta o niveles queráunicos. Un día tormenta es un día en que un truenoes escuchado. Los datos queráunicos son compilados en cartas geográficas conlíneas de igual nivel queráunicos o líneas isoqueráunicas.

Con los años, se han propuesto relaciones matemáticas entre los días tormenta alaño (Td) registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a


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tierra/unidad de área/unidad de tiempo).

[5.15]

Durante los sesenta se desarrolló el contador vertical aéreo de descargasatmosféricas. El CIGRE 500 Hz, el cual fue rápidamente adaptado como el

estándar mundial. Otros trabajos en Sudáfrica desarrollaron el contador dedescargas RSA 10, el cual rápidamente fue aceptado y renombrado CIGRE 10kHz. En los setenta, varios sistemas para contar descargas fueron inventadosutilizando mediciones eléctricas y magnéticas.La importancia de la densidad para el diseño de protecciones contra rayos fuereconocida por la Electric Power Research Institute(EPRI) en 1982, ensu Lightning Research Plan. EPRI contrató con la Universidad de Nueva York laobtención de datos de la densidad en los estados americanos contiguos a través

de una red de localización de rayos (SUNY US).En México, la CFE y el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) hanmantenido los datos de índices isoqueráunicos. Pero, en Japón se ha descubiertoque los valores isoqueráunicos obtenidos hace años, han perdido algo su validezcon los cambios climáticos [5.10].

En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI y el Bureau of Land Management auspiciaron estudios sobre descargas atmosféricas que dieron como

resultado la National Lightning Detection Network (NLDN). Su propósito fuerecolectar datos de rayos nubes-tierra por un periodo de 11 años o más, paracoincidir con el ciclo de manchas solares, con la intención original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas del país.

La NLDN es un sistema probado de detección de rayos, grabando el instante detiempo, localización, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datoshistóricos proveen de una referencia histórica que puede ser utilizada para

confirmar la caída de un rayo y, obtener los mapas de densidad de rayosutilizados para proyectar el riesgo de los rayos. Esta información está siendoutilizada por compañías eléctricas y de telecomunicaciones para planear instalaciones de protección y, en tiempo real, para preparar cuadrillas demantenimiento de emergencia cuando alguna tormenta importante se avecina. Lacobertura actual (2005) es la de los 48 estados contiguos de los Estados Unidosy, parte de las provincias canadienses y estados mexicanos limítrofes.

En 1992 la red NLDN fue desincorporada del gobierno de los Estados Unidos y,



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pasó a ser operada por una división del GrupoVaisala https://thunderstorm.vaisala.com/

Este nuevo sistema ha introducido la densidad de rayos a tierra (GFD por sussiglas en inglés) con no. de rayos a tierra/km2/año como unidad de medida.

Mapa de isodensidad de rayos en la República Mexicana elaborado en 1991 por CFE.

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