Modulo 7 pararrayos

PARARRAYOS

Lyncole XPT™ Aterramiento“La Unión de Ciéncia y Aterramiento” ™

Lyncole XPT™ Puesta A Tierra “La Union de Ciencia y Aterramiento” ™


El propósito de la protección contra descargas atmosféricas(rayos) es interceptar las descargas, controlar y dirigir su energíamasiva de tal manera que haga menos cantidad de daño operjuicio. Nosotros escogemos como y donde entregamos laenergía del rayo a la tierra.

El Propósito Fundamental de Sistemas de Protección contra Rayos (SPR)


El índice de rayos en BoliviaÍndice de rayos en Sudamérica por NASA. La acumulación de datos de los dos satélitesLIS & OTD indican un alto índice de rayos / año / Km2 en la mayoría de Bolivia.

El índice para Cochabamba, es entre 15-20 rayos/año/ Km2 ; En el trópico el índice es entre 30-40.


Formas de calcular el riesgo

• No hay un solo método de calcular

• Todos los métodos son empíricos

• Los elementos de calculación incluyen:

– Área del predio

– Uso del predio / estructura

– Tipo de construcción

– Contenidos / consecuencias de catástrofe

– Grado de aislamiento

– Tipo de suelo


Ejemplos de tipos de calculación de riesgo

• Stahmann: Probabilidad-corriente pico

• Singapore Estándar CP33: Los cinco factores claves

• IEC 62305-2: Manejo de Riesgo. Nuestro favorito.

– Muchas variables

– Un programa para calcular

– Reconocido por los expertos internacionales


Análisis de Riesgo

• A pesar de las variaciones y métodos de cálculos, podemos decir que el riesgo en la mayoría de Bolivia es apreciable.

• Hay varios factores que no están en los métodos como “cableado cruzado” “falta de neutro-a-tierra” “antenas de WiFi / WiMax sin protección” etc.

• Nuestra recomendación es “proteger según el valor potencial de pérdida”


Calculadora de Riesgo IEC


Una casa en Huayllani


Detalles de cálculo de riesgo


Protección hasta hermética si tiene la necesidad y la plata para hacerla


Pararrayos: 250+ años de experiencia

• Las normas surgen de cientos de años de experiencia internacional

• Las normas para pararrayos coincidenaunque vienen de Europa, Norteamérica, Asia

• Las más extensas normas son de Europa y la IEC (Ginebra): IEC 62305-Serial

• La norma NFPA-780 y su par UL-96A no son tan extensas pero más accesibles y prácticas


Pararrayos: ¿cómo protegen?

1. El rayo está buscando la tierra

2. Los rayos caen en saltos determinados

3. Rayos son atraídos a puntos agudos, esquinas y bordes

4. El sistema de pararrayos forma una “semi-jaula”Faraday para evitar que el rayo entre a su edificio

5. El sistema de pararrayos NO atrae rayos sino da un camino a la tierra que nosotros escogimos


Cómo cae un rayo….

• Un “líder escalonado” descendente baja de la nube buscando tierra

• Sus saltos son de aproximadamente 50m cada salto, pero pueden variar

• Cada salto toma ~50 microsegundos• Su velocidad es ~1.5 x 106 m/s• Al acercarse a la tierra, induce un líder ascendente• Cuando se encuentran un líder al otro, la corriente

de retorno fluya: un rayo• La corriente es ~20kA promedio pero hay casos

conocidos de 200kA• El número de rayos por evento son entre 3-4

promedio


Líder escalonado


Foto de líderes escalonados

Se puede ver los saltos apenas visibles de ambos los líderes descendentes y ascendentes antes de “conectar.”


Rayos que caen y suben….


Distancia del salto final vs. Corriente Pico

El promedio de corriente

pico es ~20 kA

Corriente Pico (kA)

Salt

o F

inal

(m

)


Conceptos Básicos

Líder descendienteAscendiente


Dirección del flujo de electrones

Conceptos Básicos


Conceptos Básicos

– Corriente Potencial = 18kA/rayo (promedio)– Duracion = 45 µs– Mediana de tiempo de subida = 1.8 µs– El trueno es el sonido de el aire calentándose y

expandiendose rapidamente.


Componentes del SPR

El Sistema de Protección Contra Rayos estará integrado por:– Terminales Aéreas

– Mínimo 30 cm Por encima del Objeto Protegido

– Arreglados en una cuadrícula según la geometría de la “esfera rodante”

– Cobre o aluminio

– Conductores Bajantes (Un mínimo de dos)– Multi-hebra/tejido o correa

– Cobre / Cobre-revestido/ (Aluminio)

– Electrodos– Varillas/Anillo/Radiales/Placas/Conductor incrustado en concreto

– Clase I (25 metro o menos) o Clase II (> 25 metros)


Protección como una “jaula” Faraday


Tabla de parámetros de materiales


ÁNGULO DE PROTECCION


Ubicación de Pararrayos según el criterio de la “esfera rodante.”

• Proviene de: a) 200+ años de experiencia; b) observaciones científicas modernas de los

“saltos” de rayos;c) El salto defina el radio de una esfera

• Tiene que imaginar una esfera rodante. Su diámetro varia con la norma / aplicación.

• Si la esfera toca el edificio/ protuberancia tiene que proteger con un pararrayo.

• El espacio / área debajo de la esfera está protegido.


Colocación de los Terminales Aéreos

La Zona de Protección contra la caída de rayos se puede definir mediante el modelo de la esfera rodante.


Esfera rodanteNFPA 780


Diámetro de la esfera rodante

• USA NFPA-780: 92m diámetro

• USA Dptos Energía & Defensa: 66m diámetro

• Inglaterra BS 66551 Edificios con explosivos u electrónica muy sensible: 40m diámetro

• IEC 62305:

kA D % Protección

Nivel I 3 40m 99

Nivel II 5 60m 75

Nivel III 10 90m 50

Nivel IV 15 120m 50


Esfera Rodante

– Lo que sea que toque está sujeto a un impacto

– En el área entre puntos la esfera toca el 96% de la zona protegida

Altura no protegida

Protegido

Torre


TECHOS PLANOS O LIGERAMENTE INCLINADOS

• Un techo con un ancho de 13 m o menos y con una inclinación de menos de 1 / 8

• Un techo con un ancho que excede los 13m y con una inclinación de menos de 1/4


DETERMINACION DE LA INCLINACIÓN DEL TECHO

Ejemplo: Si Sube= 3 unidades, y ejecutar = 12 unidades Inclinación = 3/12 = 1/4


Los Básicos de PararrayosNFPA-780


Ubicación de pararrayos-ejemplos

•A: 6 m máximo para pararrayo de 30 cm; 7.6 m para pararrayo de 60 cm

•B: 60 cm máximo del rincón o borde del techo


Ubicación de pararrayos-ejemplos

•Los conductores siempre tienen que bajar (el rayo está buscando tierra / la pachamama)

•El radio de curva nunca puede ser menos que 20 cm; mejor que sea 30 cm o más


Ejemplo de la Colocación de los Terminales Aéreos

Buena

Mala


Conductores bajantes• Las normas exigen dos conductores a tierra /

Puesta a Tierra (PAT) como mínimo

• Tienen que estar en lados / rincones opuestos

• Para cada 30m de circunferencia del edificio tiene que tener un conductor de bajada

• Cada bajante tiene que terminar en una PAT. Tal PAT tiene que ser una jabalina como mínimo.

• Muchas veces la jabalina está unida a un anillo que rodea el edificio


Ejemplo de Conductores Bajantes

43m

28m

28m

28m.

28m

Nota: El sistema de techo requerido fuéomitido en la ilustración

Perímetro Total : 155mRequerido por los conductores: 5

No exceder Distancia Promedio: 33m


Estructuras metálicas como pararrayos

• Cualquier objeto metálico de grosor 5mm o más es un “pararrayo en sí”

– Pasamanos / gradas

– Tanques, techos, edificios metálicos

– Mástiles

– Torres metálicos

• Tal objeto tiene que tener sus conductores a la tierra como cualquier otro pararrayo


Es el Rayo CA o CC?

– La mayor parte de la energía es CC, pero el tiempo de subida rápida genera una importante energía de RF.

– Debido a esto, la energía viaja sobre la superficie del conductor

?


– Por lo tanto, se establecen los conductores utilizados para la protección contra rayos no deben tener curvas pronunciadas.

Los Conductores Bajantes

Corriente del Impacto de Rayo

EMF de acoplamientoinductivo libre

Campo Magnetico

N0!


Los Conductores Bajantes

– Doblarse apropiadamente requiere unas 30 cm de radio y sin curvas de menos de 90 grados

30 cm de radio

CorrienteSI!


Instalación típica

Conductores de bajada

Pararrayo con punto desafiliado

Conexión a otros pararrayos


Pararrayo con punto puntiagudoEs un pararrayo de 60 cm (o más) un poco alejado del borde del nivel abajo. Supone que han calculado con la esfera que la ubicación es adecuada. Se nota que el conductor hace una curva gradual. El conductor es de filamentos múltiples. Así es mucho más fácil manipular.

Hay estudios recientes que muestran que un punto más desafiliado es un poco mejor para descargar el rayo. No hay ninguna ventaja de pararrayos con “dedos” múltiples. (Pero cuestan más y “parecen” más eficaces...... caveatemptor.)


Pararrayos y conductores

Radio de 20 cm mínimo (30 cm es mejor)

Ejemplo de instalación donde el rayo tiene que subir de la grada.


Materiales para Elaborar un SPR

– Los sistemas de protección deberán ser de materiales que son resistentes a la corrosión o aceptablemente protegidos contra la corrosión.

– Cobre u Aluminio

– NO materiales de cobre en superficies o tocando aluminio

– Aluminio no se puede tocar el suelo si sea el bajante

– Recomendamos materiales con el sello de UL o su equivalente de Europa (su vida y maquinaria puede depender del material de elaboración)


Instalación Típica

Tapajuntas de aluminio: Terminal del Aire y conductores tienen que ser aluminio también


Terminales de Tierra

– Cada conductor bajante tiene que terminar en un electrodo

dedicado al SPR

– Terminales de Tierra permitidos por la NFPA 780:

– Jabalinas (recomendamos solamente cobre)

– ½ pulgadas x 3m mínimo & a una profundidad de 3.5m

– Donde se usan multiples varillas conectadas, la separación entre electrodos debe ser 2 veces la lontigitud (donde sea practicable)

– Electrodos de Hormigón Encerrado

– Anillo de conductor enterrado

– Placa de electrodos (Opcional en suelo superficial)


Mantener el Plano Equipotencial

– Los electrodos de PAT de la instalación eléctrica y los del sistema de comunicación NO deben ser usados en lugar de las jabalinas del SPR. Cada bajante termina en una jabalina.

– Se requiere que los electrodos de los distintos sistemas de aterramiento estén unidos por un solo punto.

– Esto mantendrá un potencial de tierra común.

– Para estructuras excediendo los 30 m de altura, las conexiones del sistema SPR y otros medios de comunicación a tierra debe estar en la forma de un conductor de circuito cerrado. Es decir, cada 30 m en edificios altos se una un “punto” (circuito cerrado) equipotencial.


Cualquier conductor es un inductor!

Torre de Radio Comunicaciones Inductancia


Ejemplo de una Torre

36

0kV

18

0kV

90

kV

27

0kV

28

kV Caída de potencial de la torre con una

inductancia de 40H y una

descarga de 2s, 18kA


Rayos en el suelo

*NLSI


Si hay Lucro, hay Estafadores

El problema de pararrayos falsos


Tipos de sistemas de protección contra rayos

– Tradicionales: Terminales de Aire Tradicionales (tipo Franklin)

– No Tradicionales:

– Sistemas de transferencia de carga

– Cebado temprano

– Platos voladores (y más allá que la realidad)


Pararrayos no convencionales

• En los últimos 20-30 años surgieron reclamos de pararrayos exóticos de ‘zonas de protección’ muchas más amplias que los pararrayos de Franklin.

• No hay ningún pizca de verdad científica de ellos. TODOS los organismos del mundo los rechazaron. En los USA ni pueden ofrecer publicidad sobre sus “zonas de protección mayores” después de varias demandas judiciales.

• En Bolivia se aprovechan de la falta de normas para ganar su lucro al poner vidas y bienes en peligro.


Los pararrayos NO tradicionales NO son reconocidos por las normas más destacadas

– Protección contra rayos no tradicional no tiene una base científica probada por experimento

– No reconocido por IEC 62305, NFPA 780, UL, IEEE, normas militares, normas de aeropuertos, etc.

– Condenados como “falsa ciencia” por varios comités científicos y/o de ingenieros internacionales

Los no tradicionales incluyen sistemas de transferencia de carga y cebado temprana


Imágenes de pararrayos no convencionales

Si no grazna como pato, probablemente no es un pato…… [Si no parece como un pararrayo Franklin, probable-

mente no es un pararrayo Franklin.]

Este ESE costó $1800. El material de un Franklin: aprox. $50.Lugar: Zona minera de Perú.


Resumen de pararrayos

• Las normas son basadas en 250+ años de experiencia comenzando con Franklin.

• Hoy tocamos los básicos. Si haya dudas o preguntas sobre su proyecto estamos listos para ayudarle proveer un nivel de seguridad.

• Recuerda: los rayos son caprichosos. No se puede garantizar seguridad absoluta. Pero si tiene la plata y paciencia, se puede proveer protección de un alto nivel de seguridad.

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