Monografia de Apantallamiento electroestático

7/22/2019 Monografia de Apantallamiento electroesttico

1/23

Ao de la inversin para el desarrollo y la seguridad alimentaria

ApantallamientoElectroesttico

Agosto

2013

Asignatura

Catedrtico : Ing. Cesar Chilet Len

Integrantes :

ROMAN BERROCAL, Hernn 2010210422

TOVAR NAVARRO, Miguel ngel 2011119892

HUANCAYO - PER

SISTEMAS DE TRANSMISIN

Y DISTRIBUCIN


2/23

A nuestros padresPor su apoyo incondicional que nos

brindan.

A todas aquellas personas con sed de

conocimiento y deseos de superacin, que

leen hoy stas pginas y premian el

esfuerzo de este trabajo.

A nuestros DocentesQuienes son nuestros guas en el

aprendizaje, dndonos los ltimos

conocimientos para nuestro bien

desenvolvimiento en nuestras

profesiones.


3/23

NDICE

Caratula ............................................................................................................................. 1

Dedicatoria ........................................................................................................................ 2

ndice ................................................................................................................................. 3

Introduccin ...................................................................................................................... 4

CAPITULO I

1.1. Apantallamiento electrosttico .........................................................................

1.2. Jaula de Faraday.................................................................................................

1.3. Funcionamiento de la Jaula de Faraday .............................................................

1.4. Aplicaciones de la Jaula de Faraday ...................................................................

CAPITULO II

2.1. Forma de apantallamiento contra descargas atmosfricas...............................

2.2. Tipos de apantallamiento ..................................................................................

2.2.1. Apantallamiento con hilos de guarda. ....................................................

2.2.2. Apantallamiento con mstiles.................................................................

2.2.3. Apantallamiento con elementos de ionizacin.......................................

2.3. Proceso de las descargas atmosfricas ..............................................................

2.4. Estadsticas de probabilidad de descargas atmosfricas ...................................

2.5. Zonas de proteccin para las descargas atmosfricas.......................................

2.6. Apantallamiento con elementos de ionizacin .................................................

Bibliografa ..........................................................................................................................


4/23

Apantallamiento Electroesttico

Universidad Continental Pgina 4

INTRODUCCIN

Los sistemas elctricos, maquinarias, herramientas y personal que se encuentran a la

intemperie y estn permanentemente expuestos a la accin de las descargas atmosfricas y

entre ellas a la ms comn, conocida como Rayo, en este estudio descargas atmosfricas o

rayo se los empleara como sinnimos. La proteccin clsica de una instalacin o equipos se

debe protegerse en forma semejante a las lneas de transmisin contra las descargas

directas e indirectas ya que los pararrayos convencionales sirven para proteger nicamente

contra ondas entrantes, porque es necesario apantallar ya sea con mstiles, hilos de guarda

para subestaciones elctricas, y actualmente con elementos electrnicos como son los de

ionizacin, que sirve para las industrias petroqumicas, elctricas, grandes edificios.

Para poder realizar un adecuado apantallamiento es necesario conocer el proceso bsico de

formacin y descarga de los rayos hacia la tierra y luego como interceptarlos y desviarlos a

tierra, para que ocasionen dao, constituyndose este mtodo la filosofa de este tipo

particular de proteccin. El proceso de descarga determina que el punto final de incidencia

siga un patrn probabilstica, esta caracterstica se la considera al emplear los diferentes

mtodos de apantallamiento de describiremos luego.


5/23



CAPITULO I

1.1. APANTALLAMIENTO ELECTROSTTICO

El apantallamiento electrosttico es el fenmeno que se presenta en el interior de un

medio cerrado, en el que no existir campo elctrico alguno ya que ninguna carga

puede atravesarla. Por esta razn se hace uso de este fenmeno para proteger

dispositivos de cargas elctricas.

1.2. JAULA DE FARADAY

Una jaula de Faraday es una caja metlica que protege de los campos elctricos

estticos. Debe su nombre al fsico Michael Faraday, que construy una en 1836. Se

emplean para proteger de descargas elctricas, ya que en su interior el campo

elctrico es nulo.

1.3. FUNCIONAMIENTO DE LA JAULA DE FARADAY

El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor

en equilibrio electrosttico. Cuando una caja metlica se coloca en presencia de un

campo elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los

electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse.


6/23



Como la carga del electrn es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario

al campo elctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la

caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa,

mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este

desplazamiento de las cargas hace que se cree un campo elctrico de sentido contrario

al campo inicial.

Una jaula de Faraday es una caja metlica que protege de los campos elctricos

estticos. Debe su nombre al fsico Michael Faraday, que construy una en 1836. Se

emplean para proteger de descargas elctricas, ya que en su interior el campo

elctrico es nulo.

El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en las propiedades de un conductor en

equilibrio electrosttico. Cuando la caja metlica se coloca en presencia de un campo

elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los

electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que

sobre ellos acta una fuerza dada por:

Donde es la carga del electrn. Como la carga del electrn es negativa, los electrones

se mueven en sentido contrario al campo elctrico y, aunque la carga total del

conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se

queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un

defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en

el interior de la caja se cree un campo elctrico (representado en rojo en la siguiente

animacin) de sentido contrario al campo externo, representado en azul.

El campo elctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo


7/23



Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello

se emplea para proteger dispositivos de cargas elctricas. El fenmeno se denomina

apantallamiento elctrico.

1.4. APLICACIONES DE LA JAULA DE FARADAY

Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana estn provistos de una

jaula de Faraday: los microondas, escneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar

provistos de una jaula de Faraday actan como tal: los ascensores, los coches, los

aviones, etc. Por esta razn se recomienda permanecer en el interior del coche

durante una tormenta elctrica: su carrocera metlica acta como una jaula de

Faraday.


8/23


9/23



CAPITULO II

2.1. FORMA DE APANTALLAMIENTO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

El elemento protector o guardia (mstil, hilo de guarda) tiene entonces por finalidad

atraer sobre si la descarga y conducirla a tierra, de la forma que no dae a los

elementos protegidos. Este efecto se denomina apantallamiento o blindaje y

constituye uno de los medios ms utilizados para el control de los rayos.

Est claro que mientras ms alto est el elemento protector sobre los elementos

protegidos, mayor ser la probabilidad de intercepcin de un rayo, y por lo tanto

existir un mayor grado de proteccin. Pero por otra parte, subsiste la probabilidad de

que el rayo no sea interceptado, esta ocurrencia se denomina falla del

apantallamiento una elevacin extrema de la guardia produce situaciones no

aceptables en ingeniera e incrementan excesivamente los costos de la proteccin, por

lo que una cierta probabilidad de falla del apantallamiento debe ser aceptada. Esta

probabilidad se la define cuantitativamente, segn Link, como el nmero de aos que

debe transcurrir para que ocurra una nica falla del apantallamiento y quedenominaremos periodo de proteccin del blindaje que es el tiempo en el cual

podra haber una probabilidad de una descarga elctrica en la zona protegida esto

veremos ms profundamente ms adelante


10/23



No existen medios para evitar las descargas atmosfricas creadas por tormentas

elctricas, pero existen medidas que permitan ejercer un control que ofrezca

seguridad de las personas y los equipos elctricos y electrnicos. Por tanto las

precauciones de proteccin apuntan hacia los efectos secundarios y a las

consecuencias de una descarga elctrica atmosfrica, la descarga de un rayo genera

una onda de choque como se ve en la figura.

NIVELES CERAUNICOS

El nivel ceranico se define como el nmero de das de tormenta ao en una regin y

un da de tormenta en el cual por lo menos se oye un trueno.

En base donde se requiere realizar la proteccin se debe determinar si es necesario

protegerla contra los efectos de las descargas atmosfricas.


11/23



Los rangos de los niveles ceranicos se pueden clasificar como:

NIVEL CERAUNICO

(das de Tormenta)

CATEGORIA

30 a 50 Bajo

50 a 70 Medio

70 a 100 AltoMayor que 100 Muy Alto

2.2. TIPOS DE APANTALLAMIENTO

La zona por proteger contra las descargas atmosfricas debe incluir todas las

Estructuras y equipos en general a ser protegidos.

Existen tres tipos para el apantallamiento.

2.2.1. APANTALLAMIENTO CON HILOS DE GUARDA.

Los hilos de guarda son utilizados con mayor frecuencia para apantallamiento

de subestaciones elctricas y lneas de transmisin. Los hilos de gurda tambin

se los conoce en algunos pases como cables de tierra, generalmente son de

acero y se instalan encima de los conectores y conductores de fase.

Existes diferentes mtodos para ubicar los cables de guarda y cada uno de

ellos proporciona una zona de proteccin contra descargas. Los mtodos

clsicos se basan principalmente en criterios geomtricos sin mayores

fundamentos tericos que los resultados de su aplicacin. Los mtodos

clsicos que se utilizan son:


12/23



Charles Wagner y Mac Cann Schwaiger Langrehr

Tambin existen mtodos modernos que se basan en modelos tericos del

fenmeno de descargas atmosfricas.

Los datos necesarios para l clculo de la altura a la cual van a estar apoyados

los cables de guarda son como se muestra en la figura.

Dnde:

H = Altura del hilo de guarda.M = Centro de la carga.G = Hilo de guarda.L = distancia de un objeto a la posicin del hilo de guarda.

Si se emplean dos hilos de guarda el esquema de proteccin toma la forma

siguiente.


13/23



Para determinar la mxima altura protegida es funcin de la altura del objetopor proteger y la distancia a la torre del hilo de guarda.

H = ( L. S ).

H = (1/3)x* (2S 3L) (1/3).(S2 4.(3.L.S))+

El mtodo de clculo mencionado anteriormente est basado en la proteccin

de los equipos principales de la subestacin contra descargas directas por rayo

y las expresiones matemticas indicadas para l clculo de la altura a la que

deben de -33- estar los hilos de guarda se obtienen a partir de un modelo

electromagntico de blindaje en las subestaciones elctricas.

Los hilos de guarda se instalan directamente sobre las estructuras por lo

general son de acero galvanizado con una seccin no inferior a 500 mm2

usndose conectores para unirlos a la estructura se conectan a tierra por lo

menos en dos puntos con cable de acero galvanizado tambin con una seccin

no inferior a 500 mm2. La distancia de proteccin horizontal de los

conductores de guardia, se los llama distancia protegida esta y su altura

efectiva definen el ngulo de apantallamiento, y por lo tanto el ngulo de

apantallamiento correspondiente considera adems la magnitud de la

corriente del rayo y su distribucin estadstica.

2.2.2. APANTALLAMIENTO CON MSTILES


14/23



Los mstiles o bayonetas con electrodos de acero cuya funcin principal es la

concentracin de los electrones de pre-descarga para su descarga a tierra a

travs de la puesta a tierra del sistema, deben estar terminadas en punta y se

deben instalar en los puntos ms altos de las estructuras del sistema.

La zona de proteccin que brinda la bayoneta se calcula a travs de las zonas

de proteccin que veremos ms adelante.

2.2.3. APANTALLAMIENTO CON ELEMENTOS DE IONIZACIN

A fin de conseguir una zona de proteccin ms efectiva contra los defectos de

una descarga directa, se propone. La instalacin del sistema de elementos de

ionizacin.

Sistema de Ionizacin de auto cebado. La cual crea una zona ionizada ms

amplia y dinmica, lo que elimina la Ineficiencia del flujo ascendente de

conexin con el canal descendente que presenta el tipo de pararrayos

convencional, ya que al disponer de fuentes radioactivas que emiten

continuamente partculas radiactivas, provocando una regin ionizada del aire

ms amplia, liberando electrones, que proporcionan caminos fciles para las

descargas del rayo en direccin al terminal captor, es decir que genera

electrones o cargas de signo contrario a la de la nube al aproximarse la

tormenta, para que se descargue por medio de este y poder enviarlo a tierra

en forma controlada y no cause ningn dao.


15/23



El propsito de Pararrayo es mejorar el desarrollo de la conductividad hacia

arriba del lder creando un intenso efecto corona en la punta, este aparato

adems produce la ionizacin requerida en el momento preciso, en el instante

de mayor riesgo de descarga de un rayo, La ionizacin es creada por el paso o

salto de la chispa entre la punta del pararrayo y los electrodos ubicados en los

costados de la punta, como muestra la figura

2.3. PROCESO DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS

El proceso de la descarga se describe como sigue: se tiene una conduccin

descendente de carga negativa que avanza desde la nube hacia tierra a travs de una

secuencia de pasos de canal de 50 a 80m de longitud, con velocidades de 105 m/s

transportando una cierta cantidad de carga. Como los pasos de canal avanza hacia

abajo se produce un aumento rpido del campo elctrico sobre el suelo de preferencia

en los objetos puntiagudos localizados a gran altura (poder de puntas). Cuando el

campo elctrico alcanza un valor crtico ver figura, determinados puntos sobre el sueloorigina el lanzamiento de flujos de corriente ascendente de carga positiva, tal que, el

primer punto que intercepte la punta del paso del canal ms cercano (canal principal o

lder) completa el camino de ionizacin entre la nube y tierra.


16/23



La longitud mnima del flujo ascendente para conectar con el canal descendente se

denomina distancia de impacto (Di), distancia crtica de arqueo (Rs) o radio de

atraccin (R) de acuerdo al mtodo a utilizar. Una vez completado el canal o retorno

de impacto, este permite la circulacin de la corriente.

Cabe indicar que el proceso de unin, Flujo / canal se realiza en forma probabilstica,

ya que cualquier flujo puede llegar a alcanzar la distancia de impacto Este principioconstituye la base del modelo electro geomtrico.


17/23



Por ejemplo, Una descarga de 10 KA permite generar un flujo ascendente desde un

punto del suelo, si alguno de los pasos del canal descendente alcanza o se aproxima a

los 40 m. Ms all de esta distancia el canal avanza hacia abajo hasta alcanzar un flujo

producido en algn otro punto del suelo.

Esto se observa en la figura 2.8b donde le rayo ingresa al cono de proteccin de una

estructura alta debido a la incapacidad de emprender un flujo ascendente desde la

cima de la estructura.

Una forma de determinar Di (distancia de impacto) es por medio de la curva

recomendada por Golde que se muestra en la figura 2.9, donde relaciona la longitud

del camino y la corriente pico subsiguiente a la descarga tanto para impulsos de rayosnegativos como para impulsos de rayos positivos los cuales son menos frecuentes.

Por los campos estudiados se indica que hay un grado de correlacin entre la carga del

canal de conduccin y la corriente pico posterior a la descarga. Una relacin empricaest dada por:

I = 10.6 x Q0.7. (2.3)

Dnde:

I es la corriente medida en KA`

Q carga en culombios.


18/23



Esta relacin puede ser usada para determinar la distancia de impacto entre el canal

lder y el flujo ascendente, al aplicar las siguientes expresiones empricas, desarrolladas

por cientficos dedicados a esta rama como son Link, Eriksson.

Link Rs = 7.1 X I0.75 (2.4)

Eriksson: Di = 10 x I0.65. (2.5)

O bien Di = 6.7 x I0.8 (2.6)

Siendo: Di = es la distancia de impacto en metros.

Rs = Es la distancia crtica de arqueo en metros.

2.4. ESTADSTICAS DE PROBABILIDAD DE DESCARGAS ATMOSFRICAS

Cabe mencionar que la corriente de descarga es un parmetro cuyos valores de

intensidad son de carcter probabilstica, son ms probables las corrientes de

descargas relativamente dbiles y menos probables las de gran intensidad.

La norma AS 1768 1983 (tablas 2.1) rene una serie de valores relacionados con la

distribucin estadstica de los parmetros de las descargas atmosfricas, cuyos datos

provienen de las investigaciones realizadas en diferentes partes del mundo.


19/23



2.5. ZONAS DE PROTECCIN PARA LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS

Un factor importante para determinar la ubicacin del terminal de aire es el concepto

de zona de proteccin contra rayos. Generalmente, se asume que la zona de

proteccin es cnica o cilndrica, la base del cono o cilindro es un crculo, cuyo radio

depende de la altura del elemento captor, y las experiencias observadas. Esta

propiedad indica que las descargas del rayo que debieran ocurrir dentro del rea

protegida, son atradas hacia el pararrayos.

A travs del tiempo se ha ido modificando las zonas de proteccin en principio el radio

de la base era igual, en ediciones posteriores se redujo a 1.75 x h (altura a la cual est

colocada el elemento de proteccin) debido a informes insatisfactorios,

posteriormente se adopt la relacin r = 1.5 h, pero siempre no ha de ser confiable.

Principio de la distancia corta, evaluado por Walter asume que el rayo sale de la base

de la nube y busca un punto exterior lo ms cercano a la superficie de la tierra (pero

esto no es tan cierto). De acuerdo a estas consideraciones la expresin encontrada

para el radio es:


20/23



r = (2.H h). (2.10)

Siendo: H es la distancia entre la base de la nube y el suelo (200-4000 metros).

h altura del pararrayos.r Radio de proteccin.

La solucin ms aproximada y la que se utiliza actualmente para la determinacin y

clculo de la zona de proteccin es sobre la base del modelo electromtrico que toma

en cuenta el proceso de la descarga a tierra. Este concepto, se aplica en los

denominados mtodos de Golde H, Link H. Erisson, mismos que se detallan ms

adelante. De acuerdo al modelo electro geomtrico se puede determinar la incidencia

de descargas en una estructura en base a la zona de atraccin de captura, cuyoconcepto depende de los radios de atraccin o de captura, cuyo concepto depende de

los radios de atraccin natural en la estructura. Los mismos se determinan mediante la

integral de la frecuencia de distribucin estadstica y segn un modelo computacional.

De acuerdo a la expresin siguiente de simulacin:

Rn = F*Q(p), C, A, E, V, H, K, G, T+ . *Lp+- dp (2.11)

Siendo:

Rn = Radio promedio de atraccin natural de la estructura.

L(p) = Distribucin de probabilidad natural de intensidad de descarga del rayo

(similar al de la figura (2.10)

F[Q(p),C,A,E,V,H,K,G,T] = Define la distancia de los radios por anlisis

computacional a travs de un conjunto de datos de entrada.

C = altura de la carga nube tierra, generalmente es 3000 m.

A = Altitud del lugar.

E = Voltaje de ruptura del aire, se considera como valor tpico 3.1MV/m.

V = Relacin de la velocidad de conduccin descendente / ascendente. Por

experimentos de campos y observaciones fotogrficas, normalmente vara entre

0.9 y 1.1.

H = Altura de la estructura.

K = Caractersticas de la intensificacin del campo. Un K tpico esta entre 6 y 20 en

las esquinas y de 1 a 5 en paredes.


21/23



G = Factor de representacin de la forma geomtrica de la estructura,

generalmente es 1.

T = Factor de la representacin fsica del suelo e incluye la influencia de

estructuras cercanas, valor tpico 1.

La zona de captura (CA) de una estructura se define como el rea lmite de ingreso de

la punta del canal principal para producir el lanzamiento de flujo ascendente desde la

estructura, como se muestra en la figura 2.14 se lo aplica principalmente en todas las

esquinas o bordes de la estructura, puesto que son los puntos ms probables a

producir radios de atraccin. En reas tpicas la evaluacin del CA es por medio de las

siguientes expresiones:

Para una estructura rectangular CA = (L + 2.Rn) . (A + 2.Rn) (2.12)

Para una estructura circular CA = .(Ra Rn)2 (2.13)

Dnde:

Rn es la probabilidad promedio de los radios de atraccin.

L y A dimensiones de la estructura rectangular.

Ra radio de la estructura circular.

Los radios de atraccin se pueden determinar en base a la altura de la estructura

Mediante la tabla


22/23




23/23


U i id d C ti t l P i 23

BIBLIOGRAFA

http://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoY

http://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dc

http://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dc

TESIS DE GRADO

Escuela Politcnica del Ejrcito. ESPE Latacunga Facultad de ingeniera de Ejecucin en

Electromecnica.
http://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoYhttp://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoYhttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=-FSacL6L9Dchttp://www.youtube.com/watch?v=JEG_i56RBoY

Monografia de Apantallamiento electroestático

Documents

Transcript of Monografia de Apantallamiento electroestático