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.

Método del Cono de Protección

A Cabeza del captor

B Plano de referencia

OC Radio del área protegida

ht Altura del captor arriba del plano de

referencia

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. El requisito es que verdaderamente estén

conectados a tierra. Ejemplos de esta clase 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 una protección. Se incluyen en esta clase:

a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no

conductores, sin elementos 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 pararrayos completo, incluyendo

terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de

aterrizado. 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 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/

informaciones/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/

sistema-externo-de-proteccion-contra-el-rayo/

http://es.wikipedia.org/wiki/Pararrayos

http://www.arquimaster.com.ar/articulos/articulo51.htm