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Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos

Agosto 2015 – Diciembre 2015

Nombre del Alumno Arias !am"rez######## $a%ier&  Apellido Paterno Apellido Materno Nombre(s)

No& Control 100'0()5 Semestre *+ S,-,ST!, .rupo A,

Nombre del Docente/A!!I,NTS -!A,S !D#############

Apellido Paterno Apellido Materno Nombre(s)

3!,S,NTACI4N

CARRERA: INGENIERIA ELECTRICA

Asignatura ANAISIS D, A!-NICS

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INTRODUCCION

La electricidad en la atmósfera es un fenómeno natural. La experiencia hademostrado que la tierra y la atmósfera no se encuentran eléctricamente en

estado neutro. En general la tierra actúa como si estuviera cargada conelectricidad negativa y el aire con electricidad positiva.De lo anterior, se establece la presencia de un campo eléctrico dirigido hacia latierra en presencia de lluvia o cambios bruscos de temperatura el aire sevuelve m!s conductivo por la presencia de m!s electrones libres, condición queinvierte la dirección del campo eléctrico, es decir de tierra a nube. Esta nueva dirección del campo eléctrico, genera una corriente en direcciónhacia la tierra, fenómeno conocido como descarga electroatmosférica "rayo#.$na forma de medir la actividad electroatmosférica en una %ona espec&fica, es

cuantificar los d&as con presencia de tormentas eléctricas o d&as en que seescuchen truenos, esa forma de medición se denomina nivel cer!unico,también conocido como par!metro de los rayos que caen a tierra. 

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El nivel cer!unico es el número de d&as promedio por a'o, que al menos, seoye un trueno o que exista actividad de tormentas eléctricas en una regióndeterminada. (ombre utili%ado por los meteorólogos, para referirse a la actividad eléctrica enla atmósfera "rayos y truenos#. Las tormentas eléctricas pueden ser definidacomo un con)unto de fenómenos electromagnéticos, que dan lugar a lapropagación de sonidos y efectos luminosos que ocurren en el momento deuna descarga electroatmosférica.Las regiones próximas al Ecuador, presentan un nivel cer!unico muy alto. *inembargo, en los continentes y océanos la presencia de la misma es ba)a,debido a los vientos del norte que tienden a mover las nubes hacia el océano+acifico.

Los par!metros son los resultados de estudios que proporcionan un valor fi)o

relacionado con una variable. Dentro de estos estudios los m!s importantesson• Nivel ceráunico: Es el número de d&as del a'o en los que, al menos, es o&doun trueno. En algunas %onas de la tierra, el nivel cer!unico puede tener unafrecuencia igual a - d&as/a'o.• Densidad de rayos a tierra (DRT): Es el número de rayos a tierra por 0ilómetro cuadrado al a'o. Es un par!metro complementario del nivel cer!unicoque permite cuantificar la incidencia de rayos en una %ona.  • Polaridad del rayo:  signo de las cargas transferidas. (ormalmente son

electrones, pero en algunos casos pueden transferirse cargas positivas.• Impedancia del canal: *e pueden considerar a la nube y a la tierra comoplacas de un condensador que se descargan a través de un canal con unaimpedancia de 1 02, de car!cter inductivo, debido a que la formación del canalrequiere de cierto instante de tiempo.• Corriente de pico:  Es el par!metro m!s importante de una descarga,determina el gradiente m!ximo de corriente de rayo o pico m!s alto de la formade onda. Este resultado es importante para el dise'o de protección contrarayos. 3alores pico de 4 a 5 6ilo7amperios "68#, pero estad&sticamente setoma como valor medio -68 a nivel mundial.• radiente má!imo de corriente del rayo Es el valor utili%ado para el c!lculode tensiones electromagnéticas inducidas en cualquier instalación eléctrica y esel causante de da'os en equipos electrónicos. *e determina por el cambio decorriente "di# en función del tiempo "dt# por la relación 9radiente m!ximo :"di/dt#max "68/milisegundos#• Cuadrado de la corriente de impulso del rayo Este par!metro se utili%apara el c!lculo del calentamiento y los esfuer%os electromec!nicos, al circular la corriente del rayo por conductores met!licos de las protecciones primarias.• "a#nitud de la car#a: este valor es variable y es definido por la intensidad

del rayo. *u valor oscila en el intervalo de 4 a - ;oulombios ";#, con un valor medio de 4 ; por descarga.

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• $ner#%a li&erada por el rayo: ésta puede ser del orden de 1 a <1 6=h"0ilo7>atts7hora# o - ?ulios "?#. *e extingue en un tiempo de 47-milisegundos, y alcan%a el pico m!ximo en solo 4 o < microsegundos.• Impedancia del rayo:  la impedancia viene determinada por la rigide%dieléctrica del aire que opone una resistencia al paso de la corriente, la cual sedebe a las part&culas, y a los gases contenidos en la atmósfera. De estudiosestad&sticos se ha determinado una impedancia de @ a < ohmio/rayo. 4.ABecanismos de las descargas por rayo *e basan en una serie de hipótesis quedefinen el proceso de la descarga del rayo. Estudios recientes define cuatrofases de la descarga, las cuales son

•Primera 'ase: predescarga con la aparición de una radiación descendente,Cl&derC, que se extiende desde la nube en dirección al suelo.

• e#unda 'ase: aparición de radiaciones eléctricas ascendentes, cuando lacabe%a del l&der descendente se aproxima al suelo. 9eneralmente estasradiaciones "o efluvios# surgen a partir de elementos que sobresalen de lasuperficie terrestre "!rboles, chimeneas, antenas, pararrayos...#, consecuenciadel efecto punta. <4• Tercera 'ase: creación de un canal ioni%ado entre la nube y el suelo cuandola cabe%a del l&der se une con los efluvios ascendentes. *e produce uncortocircuito entre la nube y la tierra que permite el paso de una corriente dealta intensidad, llamada descarga de retorno "return stro0e#.

• Cuarta 'ase: se puede observar un tra%ado de gran luminosidad entre la nubey la tierra. Los electrones situados cerca del suelo son los primeros en sentir laconexión y acelerarse hacia aba)o.

En su recorrido hacia la tierra, el canal gu&a da un salto final, hacia aquelob)eto que est! a una distancia de la cabe%a del canal gu&a, igual a un valor que depende del potencial del l&der y por lo tanto, de la intensidad de ladescarga.Esta distancia de salto se calcula con la siguiente relación matem!tica. Ds : @.5 "Frayo# GDs : distancia de salto del canal gu&a hacia un ob)eto "en metros#.Frayo : corriente del rayo "en 68#.

 8l tomar en cuenta la diferencia que existe entre la intensidad del rayo que caesobre un ob)eto en la tierra se modifica la ecuación, aplic!ndole un factor decorrección del 4H y queda de la siguiente formaDc : @.5 I"4.4I F# GEsta ecuación tiene su aplicación cuando se consideran estudios de proteccióncontra las descargas atmosféricas.

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PRRR*O+

El pararrayos fue inventado por Jen)amin Kran0lin en 41-, y su función es la deatraer los rayos para evitar que caigan en otros lugares peligrosos. Esta construidopor una antena met!lica que termina en forma de punta, donde se encuentra una

bola de cobre o de platino. La barra vertical de la antena est! unida a tierra por uncable conductor que lleva la descarga hacia el suelo.

Es de vital importancia que el pararrayos esté en un lugar bien alto, por encima decualquier otra estructura que pueda haber en la %ona. Los rayos se rigen por losmismos principios de la electricidad. Estos nos dicen que la electricidad siemprebuscar! moverse por la %ona que m!s f!cil le resulte. M en el caso de los rayos lom!s seguro es que caiga en el punto m!s alto, que es también el punto m!s cercanoal que se origino el rayo, arriba en la nube.

Ntra caracter&stica de suma importancia en un pararrayo es el cable que lleva lacorriente al suelo, el cable neutrali%a el poder destructivo de los rayos gracias a quepermite una polari%ación de las cargas eléctricas, que lleva la descarga al suelo.

Las instalaciones de pararrayos consisten en un m!stil met!lico "aceroinoxidable, aluminio, cobre o acero# con un cabe%al captador. El cabe%al tienemuchas formas en función de su primer funcionamiento puede ser en punta,multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partesm!s altas del edificio. El cabe%al est! unido a una toma de tierra eléctrica por 

medio de un cable de cobre conductor. La toma de tierra se construye mediantepicas de metal que hacen las funciones de electrodos en el terreno o medianteplacas de metal conductoras también enterradas. En principio, un pararrayosprotege una %ona teórica de forma cónica con el vértice en el cabe%al el radiode la %ona de protección depende del !ngulo de apertura de cono, y éste a suve% depende de cada tipo de protección. Las instalaciones de pararrayos seregulan en cada pa&s por gu&as de recomendación o normas.

El ob)etivo principal de estos sistemas es reducir los da'os que puede provocar la ca&da de un rayo sobre otros elementos. Buchos instrumentos son

vulnerables a las descargas eléctricas, sobre todo en el sector de lastelecomunicaciones, electromec!nicas, automati%ación de procesos y servicios,cuando hay una tormenta con actividad eléctrica de rayos. ;asi todos losequipos incluyen tecnolog&as electrónicas sensibles a las perturbacioneselectromagnéticas y variaciones bruscas de la corriente. La fuente m!simportante de radiación electromagnética es la descarga del rayo en unelemento met!lico o, en su caso, en un pararrayos. Las instalaciones depararrayos generan pulsos electromagnéticos de gran potencia cuandofuncionan.

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$, PRTRR*O

Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de una subestacióneléctrica pueden ser de dos tipos

7 *obretensiones de tipo atmosférico.7*obretensiones por fallas en el sistema.

+ara proteger dicha instalación contra la sobretensión necesitamos el uso delos apartarrayos, los cuales se encuentra conectado permanentemente en elsistema y operan cuando se presenta una sobretensión de determinadamagnitud, descargando la corriente a tierra.

El apartarrayos se conecta entre l&nea y tierra, consiste b!sicamente deelementos resistores en serie con gaps o explosores. Los elementos resistoresofrecen una resistencia no lineal, de manera tal que para volta)es a lafrecuencia normal del sistema la resistencia es alta y para descargar corrientes

la resistencia es ba)a.

TIPO D$ PRTRR*O

*e fabrican diferentes tipos de apartarayos, basados en el principio general deoperación por e)emplo los m!s empleados son los conocidos comoCapartarrayos tipo autovalvularC y Capartarrayos de resistencia variable "deóxido met!lico#C.

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PRTRR*O TIPO UTO-,-U,R

El apartarrayos tipo autovalvular consiste de varias chapas de explosoresconectados en serie por medio de resistencias variable cuya función es dar unaoperación m!s sensible y precisa. Estos elementos est!n contenidos enporcelana y al con)unto, se le llena con un gas inerte como el (OPQR9E(N. *eemplea en los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representauna gran seguridad de operación.

PRTRR*O D$ R$IT$NCI -RI.,$

El apartarrayos de resistencia variable funda su principio de operación en elprincipio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a unaresistencia variable. *e emplea en tensiones medianas y tiene muchaaceptación en el sistema de distribución.

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/UNCION$ 0U$ D$.$ CU.RIR UN PRTRR*O

+ara que prote)an adecuadamente, los apartarrayos deben cumplir lassiguientes funciones

7 (o deben permitir el paso de corriente a tierra, cuando la tensión sea normal.

7 ;uando el volta)e se eleva a una cantidad definida, deben proporcionar uncamino a tierra para disipar la energ&a transitoria sin que haya un aumento enel volta)e del circuito.

7 Pan pronto como la tensión se ha reducido por deba)o del a)uste delapartarrayos, el apartarrayos debe detener el flu)o de corriente a tierra

y sellarse para aislar el conductor de tierra.

7 Los apartarrayos no deben ser da'ados por las descargas y debe ser capa%de repetir autom!ticamente su acción con tanta frecuencia como se requiera.