T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

“SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS EN EDIFICIOS APLICANDO LA NORMA

NMX-J- 549”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

MARÍA MIREYA CASTILLO HERRERA

ASESORES

ING. CARLOS ALBERTO GONZÁLEZ ANDRADE

M. en C. JUAN ABUGABER FRANCIS

MÉXICO, D. F. JUNIO 2014

AGRADECIMIENTOS

A mis padres

Por brindarme su apoyo incondicional durante mi vida académica, por exhortarme a seguir

adelante a pesar de los obstáculos y dificultades, por cuidarme y velar por mí todos los días,

por el sacrificio que han dado para que yo lograra terminar mis estudios y para tener una

mejor calidad de vida. Pero sobre todo por darme su cariño y enseñarme los valores de

familia.

A mis hermanos

Por mostrarme su apoyo moral en los momentos buenos y malos, por su confianza y por

alentarme a seguir adelante sea cual sea el obstáculo.

A mis profesores y asesores

Por compartir sus conocimientos y enseñarnos las bases de la carrera..

A la empresa PYSEE

Por permitirme formar parte de su familia de trabajadores y por brindar su apoyo para que

este trabajo siguiera su camino.

Contenido

Nomenclatura ......................................................................................................... I

Relación de figuras .............................................................................................. III

Relación de tablas ................................................................................................. V

Resumen .............................................................................................................. VI

Introducción ......................................................................................................... VII

Capítulo 1. Descargas atmosféricas y sistemas de protección contra

descargas atmosféricas. .............................................................. 1

1.1 Descargas atmosféricas ................................................................................ 2

1.1.1 Teorías sobre la formación de descargas. .............................................. 5

1.1.2 Valores de una descarga atmosférica. ................................................... 8

1.2 Sistemas de protección contra descargas atmosféricas (SPDA) ................ 11

Capítulo 2. Sistema de protección contra tormentas eléctricas (NMX-J-549).

......................................................................................................... 20

2.1 Sistema de protección contra tormentas eléctricas ...................................... 21

2.2 Valoración de riesgo ................................................................................... 26

2.3 Terminales aéreas ....................................................................................... 28

2.4 Conductores de bajada ............................................................................... 30

2.5 Criterios de cálculo para el sistema de tierra .............................................. 35

Capítulo 3. Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas en un

edificio de 29 m de altura................................................................. 38

3.1 Descripción del edificio a proteger ............................................................... 39

3.2 Valoración de riesgo ................................................................................... 41

3.3 Cálculo del radio de protección .................................................................... 44

3.4 Selección de los pararrayos ........................................................................ 48

3.5 Selección de los conductores de bajada ..................................................... 48

Capítulo 4. Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas en un

edificio de 29 m de altura................................................................. 50

4.1 Arreglo del sistema de puesta a tierra .......................................................... 51

4.2 Análisis del SIPTE con respecto a la unión equipotencial y a los supresores

de sobretensión transitoria. ........................................................................ 53

4.3 Acciones para conservación de pararrayos. ............................................... 56

4.4 Análisis económico en la instalación del sistema de pararrayos ................. 58

Conclusiones ....................................................................................................... 60

Bibliografía ........................................................................................................... 61

I

NOMENCLATURA

Símbolo Descripción Unidades

Ae Área equivalente.

m2

d Distancia entre elementos a evaluar

m

ks y c Factores obtenidos a través de estudios de campo del gradiente de potencial de grandes arcos eléctricos generados en laboratorio.

adimensional

I Valor pico de la corriente del rayo de retorno.

kA

No Frecuencia anual de rayos directos a una estructura.

Por año

Nd Frecuencia media anual permitida de rayos directos sobre una estructura.

adimensional

Ng Densidad de rayos a tierra anual.

rayos/km2/año

rs Radio de la esfera rodante.

m

s Distancia de seguridad. m

Siglas

Descripción

ANCE Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico.

CIGRE Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas.

DRT Densidad de Rayos a Tierra.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos

y Electrónicos).

J Industria Eléctrica.

NMX Norma Mexicana.

PDC Pararrayos con Dispositivo de Cebado.

SEPTE

Sistema Externo de Protección contra tormentas Eléctricas.

SIPTE Sistema Interno de Protección contra tormentas Eléctricas.

SPDA Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas.

II

Siglas

Descripción

SPT Sistema de Puesta a Tierra.

SPTE Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas.

SSTT Supresor de Sobretensiones Transitorias.

UE Unión Equipotencial.

III

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura Título

Página

1 Mapa promedio anual de densidad de rayos a tierra [6]

2

2 Gota de lluvia según Elster y Geitel.

5

3 Fundamento de la teoría de Wilson.

7

4 Nube según Simpson con alturas e isotermas usuales.

8

5 Primer impulso de una descarga atmosférica (rayo).

9

6 Pararrayos tipo Franklin.

14

7 Pararrayos tipo CTS.

15

8 Pararrayos PDC-E.

16

9 Pararrayos Stream.

17

10 Pararrayos tipo dipolo.

18

11 Aplicación del método de la esfera rodante para definir la altura y posición de las terminales aéreas en la superficie del edificio a proteger.

22

12 Zona de protección del método de la esfera rodante.

24

13 Área protegida por dos puntas de pararrayos.

25

14 Ruta recomendada para conductores de bajada en edificios con geometrías complejas como la indicada con tránsito de personas [6].

32

15 Arreglo para un conductor de bajada mostrando el radio de curvatura para un mástil de terminal aérea.

32

16 Curvas para los conductores de bajada del SEPDA.

33

17 Arreglo representativo de la conexión entre terminales aéreas, conductores de bajada y un arreglo cerrado del sistema de puesta a tierra en un edificio visto desde el techo.

34

IV

Figura Título

Página

18 Vista de un electrodo de puesta a tierra para la conexión de los conductores de bajada del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas.

37

19 Localización del centro comercial Naucalpan Estado de México.

39

20 Vista de la planta del centro comercial, área total y fachadas.

40

21 Zoom de la ubicación del lugar en el mapa del Estado de México, densidad de rayos a tierra [6].

41

22 Mapa del Estado de México con el promedio anual de densidad de rayos a tierra [6].

42

23 Área equivalente de captura para el centro comercial.

43

24 Representación gráfica de la esfera rodante en el centro comercial.

46

25 Representación gráfica de la distribución de pararrayos.

47

26 Configuración y unión de los pararrayos.

47

27 Representación gráfica de la distribución de pararrayos en una de las vistas del edificio.

48

28 Electrodos de puesta a tierra vertical y horizontal.

51

29 Vista de electrodos puesta a tierra en registros.

52

30 Conexión para la unión equipotencial.

53

31 Ejemplo de un arreglo para la UE a nivel interno [6].

54

32 Categorías para la selección de supresores [6].

55

V

RELACIÓN DE TABLAS

Tabla Título

Página

1 Ley de repartición de la corriente de cresta (CIGRE)

10

2 Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (Anderson y Erikson)

10

3 Ley de repartición de la corriente de cresta (IEEE)

10

4 Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (IEEE)

11

5 Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel de protección para el método de la esfera rodante [6].

25

6 Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas [6].

29

7 Espesor mínimo de las hojas y tubos metálicos para terminales aéreas [6].

29

8 Dimensiones mínimas de los conductores de bajada [6].

34

9 Material y dimensiones nominales mínimas de los electrodos de puesta a tierra [6].

36

10 Dimensiones del edificio a proteger.

39

11 Selección del radio (rs) y altura de la terminal aérea para el nivel de protección II [6].

45

12 Valores de ki y km para el efecto de proximidad de las instalaciones y el SEPDA.

49

13 Recomendaciones para la selección de supresores en CA para el centro comercial [6].

56

VI

RESUMEN

En este trabajo se aplicó la norma NMX-J-549-ANCE-2005 para la protección

contra tormentas eléctricas en un centro comercial y con ello reducir el riesgo de

daño a equipos que se presentan por la incidencia de descargas atmosféricas en

el área donde se encuentra el edificio a proteger, además se llevo a cabo un

análisis presupuestal para concluir si es viable el sistema de protección examinado

contra tormentas eléctricas.

Para aplicar la norma al centro comercial fue necesario saber la ubicación del

edificio para saber en qué zona se encuentra, además de sus dimensiones. Con

respecto al análisis presupuestal fue necesario desarrollar los cálculos

presentados por la norma y proponer el material para la instalación del sistema de

protección contra tormentas eléctricas.

Con la ubicación de la estructura a proteger se obtuvo la densidad de rayos a

tierra anual lo cual permite saber si es necesario instalar un sistema externo de

protección contra tormentas eléctricas. Se procedió a determinar la cantidad de

terminales aéreas necesarias para la protección del centro comercial. Finalmente

se analizaron los resultados de la instalación y el presupuesto de éste.

VII

INTRODUCCIÓN

Las descargas eléctricas atmosféricas son fenómenos naturales impredecibles,

pueden presentarse en cualquier lugar y en cualquier tiempo de acuerdo a la

estación del año. El problema principal de las descargas atmosféricas radica en

las corrientes altas que pueden circular por estructuras o materiales conductores

con que cuentan los edificios y que en su trayectoria puede destruir y afectar

permanentemente estos componentes, teniendo así el riesgo de muerte o

problemas en la integridad de la salud de las personas que lo habiten.

El sistema de protección atmosférica es una de las principales instalaciones que

permiten salvaguardar la vida de las personas que habitan en los edificios, es por

eso que debe existir este tipo de protección para brindar seguridad. La

implementación del pararrayos debe de estar basado por un método para que se

brinde la protección a las personas y al edificio.

En México el método aceptado para la instalación de pararrayos es el de esferas

rodantes, especificado en la norma NMX-J-549-ANCE-2005, enfocada a la

protección de los efectos de las descargas atmosféricas en edificaciones.

Por lo anterior el objetivo es aplicar la norma NMX-J-549-ANCE-2005 para reducir

el riesgo de daño en edificios con un Sistema de Protección contra Tormentas

Eléctricas. Esto se determinará en un centro comercial de 29m de altura, con un

largo de 414.74m, un ancho de 241.33m ubicado en Naucalpan Estado de México,

así mismo con apoyo del programa AUTOCAD reflejar cómo quedará la

instalación de pararrayos en el edificio y el área de protección que estos brindarán.

Para el desarrollo de este trabajo se integró por los siguientes capítulos:

Capítulo 1.

En este capítulo se describen la definición y algunas teorías sobre la formación de

descargas atmosféricas que se han manejado, así mismo algunas de las

características y sus efectos directos e indirectos. Además de identificar algunos

de los sistemas de protección desarrollados con esa finalidad,

VIII

Capítulo 2. Sistema de protección contra tormentas eléctricas (NMX-J-549-ANCE-

2005)

Para este capítulo se identifican y se exponen los puntos más importantes de la

norma por desarrollar para la instalación de los sistemas de protección contra

tormentas eléctricas, tanto el sistema externo como el interno.

Capítulo 3. Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas en un

edificio de 29 m de altura.

Se presenta el desarrollo para implementar el sistema externo de protección

contra tormentas eléctricas en un centro comercial de 29 m de altura, como lo

marca la norma.

Capítulo 4. Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas en un

edificio de 29 m de altura.

Se propone el sistema de puesta a tierra para el SEPTE (Sistema Externo de

Protección contra Tormentas Eléctricas), además de describir el sistema interno

de protección contra tormentas eléctricas para el centro comercial. Así mismo se

muestran algunas acciones que hay que tomar en cuenta para la conservación de

los pararrayos y el análisis presupuestal para el SPTE (Sistema de Protección

contra Tormentas Eléctricas).

.

CAPÍTULO 1

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y

SISTEMAS DE PROTECCIÓN

CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

Capítulo 1. Descargas atmosféricas y sistemas de protección contra descargas atmosféricas.

2

1.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Las descargas atmosféricas son corrientes que circulan de una nube a otra o

sobre la tierra, formando trayectorias de mínima resistencia, su formación se debe

principalmente a nubes cargadas, cuya polaridad es opuesta a la de tierra; los

edificios altos, las torres, los árboles, las líneas aéreas proporcionan estos puntos

de impacto de baja resistencia.

La incidencia de las descargas se puede determinar por las características

climáticas y montañosas de cada país, el nivel isoceraúnico permite conocer el

riesgo que hay en cada zona, el número y la intensidad de las tormentas que se

producen en ella (figura 1). El conocimiento de las zonas de riesgo es una

información importante para determinar el tipo de protección que se va a instalar

en los edificios para dar protección a las personas.

Figura 1. Mapa promedio anual de densidad de rayos a tierra [6].


3

En el mapa se muestran las isolíneas para evaluar el DRT (Densidad de Rayos a

Tierra) en cada estado de la República Mexicana, a excepción de la península de

Baja California, fue elaborado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas y la

Comisión Federal de Electricidad (1983 y 1993). Las isolíneas representan el

promedio anual de dicho período. Las unidades para la Densidad de Rayos a

Tierra son rayos/km2/año.

Al conocer la densidad de rayos a tierra en la República Mexicana, se deben de

plantear sistemas de protección contra las descargas atmosféricas en estructuras,

sobre todo contra la descarga nube-tierra, ya que trae daños perjudiciales a

personas, animales, instalaciones y equipos, salvaguardando a la propiedad de los

daños por sus efectos.

Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto directo o por

causas indirectas. Un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas

para las personas, edificaciones, y animales; los daños por causas indirectas

suelen ser más numerosos, acompañados de pérdidas económicas.

Efectos directos e indirectos sobre los seres humanos e instalaciones.

Efectos directos.

Los efectos directos sobre personas son peligrosos debido a las magnitudes de

sus parámetros, ya que puede resultar la muerte por efectos térmicos y eléctricos

instantáneos. Para las instalaciones trae como consecuencia la destrucción total

de los equipos debido a su gran potencial, excesiva corriente, y posibles incendios,

especialmente si en la estructura se encuentran materiales combustibles.

Efectos indirectos.

Los efectos son fuertes tensiones de paso en la superficie de la tierra, y debido a

que el cuerpo humano es sensible a toda actividad electromagnética, este se ve

afectado. Durante el impacto se producen efectos físicos, térmicos, acústicos,


4

electroquímicos y pulsos electromagnéticos que varían de acuerdo a la intensidad

de la descarga y se propaga radialmente hasta 1500 metros desde el punto de

impacto.

Entre los efectos físicos provocados en personas tenemos paro cardiaco, paro

respiratorio, lesiones cerebrales, quemaduras en la piel, fibrilación ventricular, etc.

Los efectos indirectos por impactos cercanos a la instalación también repercuten

en el averío de elementos electrónicos hasta provocar incendios. Entre los efectos

indirectos que pueden provocar las descargas atmosféricas tenemos pulsos

electroestáticos y sobretensiones transitorias.

La formación de descargas atmosféricas.

Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre

descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que

tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de aparición

más rápidos, y su velocidad de éstas depende del lugar geográfico. La primera

descarga está entre 6x107 m/s y 15x107 m/s y la segunda entre 11x107 m/s y

13x107 m/s.

El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado

entre 10 kV/m y 30 kV/m. Una nube de tormenta promedio podría contener unos

140 MW de energía con tensiones hasta de 100 MV, con una carga en movimiento

intra-nube de unos 40 °C. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con

corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA. Los rayos de

una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes

negativas, por lo que son muy estudiados.

Existen algunas teorías sobre la formación de las descargas atmosféricas y

experimentos para estudiar sus efectos, como la Teoría de Simpson, Teoría de

Elster y Geitel, Teoría de Wilson, y la Teoría de los cristales de hielo.


5

1.1.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE DESCARGAS.

Teoría de Elster y Greitel (influencia eléctrica).

Esta teoría también se conoce con el nombre de teoría de la influencia eléctrica.

En la nube se encuentran gotas de diferentes tamaños; las más grandes se

precipitan y las más pequeñas son llevadas por el viento hacia arriba. Las gotas se

polarizan por la acción del campo eléctrico existente, el cual, se llega a apreciar en

la figura 2, donde se observa la dirección que toma hacia tierra. Esto conduce a la

formación de cargas positivas en la parte inferior de la gota y cargas negativas en

la parte superior de la misma. El roce de una gota grande con una pequeña, al

caer, trae como consecuencia un intercambio de cargas.

En gotas más pequeñas predomina carga positiva y en las grandes la negativa.

Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto. Mientras tanto en la nube, se

acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en

su parte inferior. El campo eléctrico que así se forma favorece la separación de

cargas por influencia eléctrica.

Figura 2. Gota de lluvia según Elster y Geitel.


6

Estudios recientes le restan importancia a esta teoría, ya que el roce entre gotas

parece ser importante sólo en la formación de la lluvia y no en la distribución

espacial de las cargas eléctricas.

Teoría de los cristales de hielo.

Esta teoría explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo),

en las partes superiores de las nubes y también en las regiones árticas. Simpson y

Robinsón describen la formación de cargas eléctricas al chocar un granizo con

otro, permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente.

Elster y Greitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la fricción

entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua. En las tormentas recién

formadas con un gran cúmulo de nubes y en las que no existen precipitaciones

pluviales con temperaturas de 10°C pueden ocurrir descargas eléctricas en el

interior de la nube.

Teoría de Willson.

Conocida también como la ionización de la gota de lluvia esta teoría, asume al

igual que la de Elster y Geitel, una influencia del campo eléctrico en la formación

de la gota. Wilson reemplaza a la acción de la gota pequeña de la teoría anterior

por la acción de los iones, simplificándose así el fenómeno de intercambio de

cargas entre las gotas.

En la gota que cae se separan las cargas eléctricas por la acción del campo

eléctrico. Entonces la parte superior de la gota se carga negativamente y la inferior

de carga positiva, el viento, arrastra los iones hacia la nube, donde los negativos

son atraídos por la carga positiva de la parte inferior de la gota (figura 3). Los iones

positivos son repelidos al mismo tiempo y transportados por el aire hacia la parte

superior de la nube, evitando así la atracción de la mitad superior de la gota, la

cual continúa su caída, sólo con carga negativa. La nube queda cargada

positivamente en su mitad superior y una negativa en la inferior.


7

Esta teoría tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones

prácticas. Así, por ejemplo, el tiempo medio de formación de una carga eléctrica

de 1 Coulomb/km por la acción de un gradiente eléctrico de 1 kV/cm, es de 170

min. Para la formación de la tormenta atmosférica esta carga resulta ser muy

pequeña y con un tiempo de formación muy largo. Esto le resta importancia a la

teoría de Wilson, aunque la misma contribuye a explicar la distribución de cargas

eléctricas en la nube.

Figura 3. Fundamento de la teoría de Wilson.

Teoría de Simpson

Simpson manifestó que la formación de cargas eléctricas en las nubes se debe a

las corrientes de aire que se encuentran en su interior, las corrientes de aire

ascendentes transportan vapor húmedo del mar o de la superficie terrestre, este

vapor al encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas

propicias se condensa transformándose en gotas de agua cuando se inicia la lluvia

en su caída, las gotas encuentran corrientes de aire ascendentes que provocan el


8

rompimiento de las mismas, formándose gotas más pequeñas, estas gotas por un

procedimiento parecido vuelven a fraccionarse en tamaños menores, al ocurrir el

rompimiento de las gotas, se desprenden iones negativos; generando así cargas

eléctricas que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son llevados por las

corrientes de aire ascendentes a la parte superior en la nube, en tanto la parte

inferior de la nube se carga en forma positiva.

En la figura 4 se muestra la distribución de cargas en la nube según Simpson, la

cual ha podido ser constatada en la práctica con la ayuda de globos sonda. Las

partes inferiores de la nube denotan una temperatura promedio de + 4°C, la parte

superior alcanza valores de hasta -32°C.

Figura 4. Nube según Simpson con alturas e isotermas usuales.

1.1.2 VALORES DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA

Los valores que se pueden llegar a obtener de una descarga se pueden observar

en la figura 5, donde se muestra la representación de la corriente en función del

tiempo en gráficas y tablas.


9

Figura 5. Primer impulso de una descarga atmosférica (rayo).

Los valores que se pueden observar en la gráfica son:

• IMÁX = 19 kA

• Tiempo para llegar a IMÁX , t1 ≈ 10 μs

• Pendiente máxima (primer frente) ΔI/Δt = 14 kA/2,5 μs= 5,6 kA/μs

• Tiempo de caída al 50% de IMÁX, t2 ≈ 54 μs

• Tiempo hasta que la corriente llega al valor aproximado de 200 a t3 ≈ 2,2 ms

• Carga eléctrica transportada en t1, QS1 = ∫ I dt ≈ 7 C

• Energía específica (entre 0 y 1300 s), W/R = ∫ I2 dt ≈ 41.500 W/Ω

Es bastante frecuente que el impulso no sea único sino que aparezcan varios

impulsos posteriores, de menor valor máximo, llamados arcos subsiguientes.

Pueden llegar a contabilizarse, con poca probabilidad de que ocurran, hasta diez

impulsos en un solo rayo. Un valor de probabilidad media puede ser de cinco

impulsos por descarga. La carga total transportada, entre todos los impulsos,

puede estar en el orden de unos 20 ó 25 coulomb.


10

Valores más probables de corriente máxima y de pendiente máxima

Dada la gran variabilidad de cada uno de los parámetros eléctricos de una

descarga, se recurre a representaciones que indican el % de probabilidad que tal

valor sea superado en función de una escala de valores.

Tomamos como ejemplo los valores que propone la CIGRE (Conferencia

Internacional de Grandes Redes Eléctricas), y el IEEE (Instituto de Ingenieros

Eléctricos y Electrónicos), para dos magnitudes muy significativas en la caída de

una descarga.

a) El valor máximo de la corriente ICRESTA [kA]

Tabla 1. Ley de repartición de la corriente de cresta (CIGRE)

I [kA] 3 4 5 10 30 40 50 100 200

Probabilidad

[%] 99 98 96 85 40 30 20 6 1

b) La variación máxima de la corriente en el tiempo ΔI/Δt, [kA/μs]

Tabla 2. Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (Anderson y Erikson)

(ΔI/Δt)max

[kA/μs]

10 20 50 80 100 200 300

Probabilidad 98 78 40 20 12 3 < 1

c) El valor máximo de la corriente Ik [kA]

Tabla 3. Ley de repartición de la corriente de cresta (IEEE)

Ik [kA] 2 7 10 11 20 24 50 100 Probabilidad[%] 99,8 90 74 70 40 20 7 1

d) La variación máxima de la corriente en el tiempo ΔI/Δt, [kA/μs]


11

Tabla 4. Ley de repartición de la pendiente máxima de la corriente (IEEE)

(ΔI/Δt)max

[kA/μs] 2 5 10 20 50 100

Probabilidad

[%] 99,7 96 82 58 20 5

1.2 Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas

(SPDA).

Los Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas son dispositivos que

desvían el rayo a tierra. Un protector contra sobretensión incorporado al medidor,

crea una vía para conducir el exceso de tensión a tierra, y permite que ingrese a la

vivienda la tensión de nivel seguro.

Las descargas atmosféricas no pueden ser detenidas, por tal motivo la energía

debe de ser desviada de manera segura, ya que estas ocurren con diferentes

intensidades, el sistema instalado deberá de proteger contra sus efectos,

considerando las descargas promedio sobre un área.

Un sistema de protección contra descargas atmosféricas, debe:

1. Capturar el impacto del rayo directo en puntos preferentes y conocidos. Esto

significa la instalación de uno o más terminales aéreas de captación en los

edificios.

2. Conducir la descarga a tierra de una forma segura a través de una ruta

conocida. Se debe instalar dos o más sistemas de conducción o bajantes a

tierra.

3. Disipar a tierra las descargas del rayo. Esto requiere la instalación y

mantenimiento de un sistema de puesta a tierra efectivo y de baja impedancia.


12

4. Eliminar inducciones a través de tierra o lazos de tierra. Se requiere la

planificación cuidadosa de la creación de un sistema de puesta a tierra. Una

red de tierras de baja impedancia es esencial.

5. Proteger todas las líneas de potencia que entren en la estructura o edificio

contra sobretensiones. Se requiere la instalación de protectores o filtros

reductores específicos contra sobretensiones, equipos estabilizadores,

sistemas de alimentación ininterrumpida y otras medidas dependiendo de las

circunstancias de cada lugar.

6. Proteger todas las líneas de datos y de señal que entren o salgan de la

estructura o edificio contra sobretensiones. Esto implica la instalación de

barreras y aparatos de protección de alta velocidad y la correcta puesta a tierra

de los cables con pantalla electrostática.

Alrededor del siglo XVIII, Benjamín Franklin demostró a través de un experimento,

que las descargas eléctricas atmosféricas presentaban un comportamiento igual a

las cargas eléctricas generadas por fricción. Tiempo después inventó el pararrayos

con la finalidad de proteger edificaciones y personas de los efectos del rayo.

Los Sistemas de Protección contras Descargas Atmosféricas, son fundamentales

para la seguridad de las personas y las estructuras. Las características más

importantes con las que deben cumplir estos sistemas son:

La terminal aérea de un pararrayos no debe superar tres metros de la

superficie de la estructura a proteger.

El radio de cobertura será determinado por la longitud resultante desde la

ubicación de la terminal aérea de captación hasta el punto más

desfavorable de la estructura a proteger, cumpliendo con margen de

seguridad de 10% y en ningún caso el radio de protección debe superar 100

m para garantizar lo efectivo de la protección.

Las bajantes de tierra serán lo más verticalmente posible, no efectuando

curvas con radios no inferiores a 20 cm, ni con cambios de dirección con

ángulos a 90 grados centígrados de apertura, por recomendación se hace


13

referencia tener una segunda bajada a tierra para mejorar el índice de

seguridad de la instalación.

La toma de tierra juega un valor importante en la instalación, ya que su

resistencia óhmica debe ser lo más baja posible.

El mantenimiento de un sistema de protección contra el rayo debe consistir en una

revisión periódica de 3 veces al año e inmediatamente después de que se tenga

constancia de haber recibido una descarga eléctrica atmosférica. No se debe de

olvidar, que estos trabajos periódicos conservan en perfecto estado la instalación y

evita costos mayores de reparación.

Tipos de pararrayos.

En la actualidad existen diversos tipos de pararrayos cada uno con sus

características propias, como se describen a continuación.

Pararrayos tipo Franklin.

Es conocido como el primer pararrayos, está compuesto por una barra de hierro

coronada con una punta de cobre o de platino colocada en la parte más alta de la

estructura a proteger, la barra esta unida mediante un cable conectado a tierra.

El principio de protección de este pararrayos es el de proteger una zona, la cual es

igual al radio de la altura del pararrayos, esta altura se toma desde el nivel del

suelo hasta la punta.

Su principio de funcionamiento consiste en que durante la tormenta se generan

campos eléctricos de alta tensión entre nube y tierra, estos campos producen

cargas eléctricas, las cuales se concentran en las puntas más predominantes de

este pararrayos, alrededor de la punta o electrodo aparece una ionización natural

llamado efecto corona, resultado de la transferencia de energía, este primer

pararrayos es el mostrado en la figura 6; este fenómeno es el principio de

excitación para poder trazar un canal conductor que facilitará la descarga del rayo.


14

Figura 6. Pararrayos tipo Franklin.

Pararrayos con dispositivo de cebado (PDC).

Una de la tecnologías desarrolladas a finales de los ochenta fue la de pararrayos

con dispositivos que emitían un trazador ascendente, llamándolos pararrayos con

dispositivo de cebado o PDC, mostrado en la figura 7. Este cuenta con un

dispositivo de cebado, el cual genera un campo eléctrico artificial capaz de generar

un trazador ascendente que es lanzado al exterior en busca de la descarga

eléctrica atmosférica para atraerlo y derivarlo a tierra de manera segura.

Las principales características del PDC, se citan a continuación:

Eje central y conjunto deflector fabricados en acero inoxidable.

Nivel de protección: alrededor de 107 m su radio.

Garantía de continuidad eléctrica. No ofrece resistencia al paso de la

descarga.

Conserva todas sus propiedades técnicas iníciales después de cada

descarga.

Al no incorporar ningún elemento electrónico no es fundible.

No precisa de fuente de alimentación externa.


15

Figura 7. Pararrayos tipo CTS.

Los pararrayos PDC a su vez se subdividen en los siguientes:

Pararrayos Piezoeléctricos.

Pararrayos Electrónicos

Pararrayos PDC puros o mecánicos.

Pararrayos piezoeléctricos.

Estos pararrayos utilizan fuentes exteriores para producir el campo eléctrico, estas

fuentes pueden ser paneles solares, baterías o cristales de cuarzo; el único

inconveniente radica en que al colapsar la fuente exterior el pararrayos

piezoeléctrico deja de activarse y por consiguiente deja de funcionar.

Pararrayos electrónicos.

El dispositivo de cebado está compuesto por elementos electrónicos, además de

que no necesita de una fuente exterior para activar su funcionamiento, ya que

toma la alimentación de las cargas eléctricas de la propia nube. El único

inconveniente radica en que cuando se produzca la descarga eléctrica atmosférica

sobre este, esta deteriore el equipo electrónico.


16

Pararrayos PDC puros o mecánicos.

Su dispositivo de cebado es forjado a través de las propias formas geométricas de

su construcción de acero y la alimentación eléctrica proviene de las propias cargas

eléctricas que generan las nubes.

Pararrayos desionizadores de carga electrostática (CTS).

Este tipo de pararrayos incorpora un sistema de transferencia de carga, y se

caracteriza por facilitar la transferencia de la carga electrostática entre la nube y

tierra antes de que la descarga atmosférica se complete, esto se logra anulando el

fenómeno de ionización o efecto corona de la tierra. El cabezal de este pararrayos

está constituido por un par de electrodos de aluminio separados por un aislante

dieléctrico, todos estos elementos soportados por un pequeño mástil de acero

inoxidable.

Pararrayos PDC-E.

Este tipo de pararrayos es el resultado de la experiencia acumulada en el diseño y

utilización de dispositivos de cebado como se muestra en la figura 8, ya que la

emisión ascendente de partículas ionizantes producidas por este pararrayos

mediante un dispositivo de cebado le permite capturar la descarga eléctrica

atmosférica con mayor rapidez y a una mayor altura, con lo que es posible

aumentar el radio de protección.

Figura 8 Pararrayos PDC-E.


17

Pararrayos stream.

A diferencia del pararrayos PDC-E, el pararrayos stream (figura 9) contiene un

dispositivo de cebado de última generación, que reduce el tiempo de cebado, con

esta reducción de cebado se obtiene un aumento en la velocidad y efectividad en

la captura de la descarga eléctrica atmosférica, por consecuencia su radio de

protección se amplía

Su funcionamiento es activado cuando una tormenta eléctrica aumenta la

intensidad del campo eléctrico que se forma entre nube-tierra, cuando esto sucede

actúa el pararrayos stream acumulando la carga que se produce antes de la

descarga atmosférica, esta energía es liberada en forma de impulsos de alta

tensión que ioniza el aire que se encuentra alrededor del pararrayos, de esta

manera se crea un trazador que dirige la descarga hacia el pararrayos.

Este dispositivo de cebado, es uno de los más eficientes que se encuentra hoy en

día, ya que como se ha explicado el dispositivo de cebado produce descargas que

ionizan el aire para la captura de la descarga, pero a diferencia de los demás

dispositivos, este solo actúa en la presencia de una descarga atmosférica y no

hace descargas en falso, en resumen actúa solo cuando el impacto de la descarga

es directo.

Figura 9. Pararrayos Stream.


18

Punta Pararrayos tipo Dipolo

.

Produce un efecto ionizador por medio de un anillo equidistante a la punta, que se

encuentra en su parte externa, y cuenta con una bobina excitadora aislada

mediante un dieléctrico (figura 10). El material con el que esta fabricado es de

aluminio.

Algunas de sus características son:

Ángulo de cobertura de 60º de protección, el cual varía el radio de cobertura

dependiendo de la altura.

Aislante: Espuma de polietileno vulcanizado para la punta del mástil que lo

soporta.

Tipo: Toroidal.

Ángulo de protección substancial: 72º.

Corriente máxima: 40 000 A

Dimensiones:

Diámetro Externo: 32 cm.

Diámetro interno: 25 cm.

Diámetro del orificio: 1.5 cm.

Altura del Toroide: 5 cm.

Altura Punta: 64 cm.

Mástil: 120 cm.

Figura 10. Pararrayos tipo dipolo.


19

Nota: Los tipos de pararrayos que se presentan en este capítulo forman parte de

las instalaciones eléctricas de otros países como Estados Unidos y Francia para la

protección de las personas y sus inmuebles. Sin embargo, el recomendado por la

norma NMX-549-ANCE para un sistema de protección en México contra descargas

atmosféricas es el de jaula de Faraday y la punta de Franklin.

20

CAPÍTULO 2

SISTEMA DE PROTECCIÓN

CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

(NMX-J-549).

Capítulo 2. Sistema de protección contra tormentas eléctricas (NMX-J-549-ANCE-2005)

21

2.1 SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA TORMENTAS

ELÉCTRICAS

Un sistema de protección contra tormentas eléctricas diseñado e instalado con las

especificaciones indicadas en la Norma Mexicana NMX-J-549-ANCE, reduce el

riesgo de daño que puede provocar uno de estos fenómenos. Para que uno de

estos sistemas de protección sea integral debe de estar compuesto por un sistema

externo de protección contra tormentas eléctricas (SEPTE) el cual está formado

por elementos para interceptar, conducir y disipar la corriente de la descarga; y un

sistema interno de protección contra tormentas eléctricas (SIPTE) basado en

uniones equipotenciales, blindaje electromagnético, puesta a tierra y protección

contra transitorios.

Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas

Antes de instalar un sistema externo de protección contra tormentas eléctricas hay

que tener en cuenta los elementos que lo conforman, estos son las terminales

aéreas, conductores de bajada y sistema de puesta a tierra, para la selección de

cada uno de estos elementos hay que considerar requisitos que se abordarán en

cada uno de los temas siguientes.

En el caso de los conductores de bajada tienen que ver con el tipo de sistema de

protección seleccionado, que puede ser aislado o no aislado. El número de

electrodos de puesta a tierra, individual o en arreglo, determinarán el cumplimiento

del valor de resistencia a tierra.

Método de la esfera rodante

Dentro del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas hay que

considerar el desarrollo del método de la esfera rodante, éste consiste en rodar

una esfera imaginaria sobre tierra, alrededor y por encima de la instalación a

proteger o cualquier otro objeto en contacto con la tierra, capaz de actuar como un

punto de intercepción de la corriente de la descarga. La esfera imaginaria debe

rodarse (desde el nivel de tierra) hacia la estructura a proteger e instalar una

terminal aérea en el primer punto de contacto con la estructura, cuidando que ésta

no sea tocada por la esfera (figura 11). Para rodar la esfera en la estructura se

puede ocupar el programa de AUTOCAD para observar gráficamente como la


22

esfera de una punta va brindando protección en la superficie del edificio y en su

defecto se debe llevar a cabo un cálculo para definir la altura, posición de las

terminales aéreas de intercepción de la corriente de rayo y el área protegida

(ecuaciones 1-7).

Figura 11. Aplicación del método de la esfera rodante para definir la posición de las terminales

aéreas en la superficie del edificio a proteger.

El radio de la esfera rodante debe ser equivalente a la longitud del último paso de

la descarga para un valor pico de corriente del rayo. Para evaluar la longitud del

último paso de la descarga se ocupa la siguiente expresión analítica:

𝑟𝑠 = 𝑘𝑠𝐼𝑐 (1)

En donde:

𝑟𝑠 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑚).

𝑘𝑠 𝑦 𝑐 = 𝑎 𝑙𝑜𝑠 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑢𝑑𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑠 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜.

𝐼 = 𝑎𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑦𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 (𝑘𝐴).


23

Con respecto a la evaluación de la protección se deben seguir las siguientes

ecuaciones para determinar la altura de cada terminal, tomando como base la

figura 12 donde se muestra con el área sombreada de gris la parte de protección

que se brinda.

Cuando H<rs se tiene:

𝐷 = 𝐻√2𝑟𝑆𝐻− 1 − 𝐵√

2𝑟𝑆𝐵− 1 (2)

𝑅 = (𝐻 − 𝐺)√2𝑟𝑆

(𝐻 − 𝐺)− 1 − (𝐵 − 𝐺)√

2𝑟𝑆(𝐵 − 𝐺)

− 1 (3)

Cuando S< 2rs se tiene:

𝐺 = 𝐻 − 𝑟𝑠 +√𝑟𝑆2 − (𝑆

2)2

(4)

Cuando H >rs se tiene:

𝐷 = 𝑟𝑠 − 𝐵√2𝑟𝑆𝐵− 1 (5)

Finalmente la altura de la terminal aérea puede calcularse con la ecuación 6.

𝐻 = 𝑟𝑠

1 − √1[𝐷

𝑟𝑆+√

𝐵

𝑟𝑆(2 −

𝐵

𝑟𝑆)]

2

(6)

En donde:

𝐵 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑔𝑒𝑟.

𝐻 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎é𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛.

𝐷 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜

𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑟𝑠 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎é𝑟𝑒𝑎.


24

𝑅 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑟𝑠

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎é𝑟𝑒𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛.

𝑆 = 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎é𝑟𝑒𝑎𝑠.

𝑟𝑠 = 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝑚)

𝐺 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑢𝑛𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎.

𝑃1 𝑦 𝑃2 = 𝑎 𝑙𝑜𝑠 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑙í𝑑𝑒𝑟 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑣𝑖𝑎𝑗𝑎

ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 𝑜 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑦 𝑠𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥𝑖ó𝑛

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑙í𝑑𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑎𝑠𝑐𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒.

Figura 12. Zona de protección del método de la esfera rodante.

Por la característica volumétrica, el método de la esfera rodante puede aplicarse a

cualquier estructura. El radio de la esfera rodante rs se indica en la tabla 5. Este

radio se selecciona de acuerdo con el nivel de protección recomendado en la

norma con respecto al uso del edificio.


25

Tabla 5. Altura de las terminales aéreas verticales de acuerdo con el nivel de protección para el

método de la esfera rodante [6].

Nivel de

protección

Radio de la esfera rodante rs y su

correspondiente valor de corriente

de rayo i.

Altura de la terminal aérea a partir del plano

a proteger

(h)

rs

(m)

I

(kA) m

I 20 3 ≤ 20

II 30 6 ≤ 30

III 45 10 ≤ 45

IV 60 16 ≤ 60

Nota: Esta corriente representa el valor mínimo al cual el nivel de protección ofrece una protección eficiente.

Para evaluar la protección con el método de la esfera rodante, la altura máxima

efectiva de la terminal aérea a partir del plano a proteger debe ser igual al radio

utilizado para la esfera rodante como se muestra en la figura 13.

Figura 13. Área protegida por dos puntas de pararrayos.

Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas

En este sistema de protección interna, se debe de considerar lo que es la unión

equipotencial (UE), puesta a tierra para el interior del edificio o estructura, el

supresor de sobretensiones transitorias (SSTT). Con respecto a la unión


26

equipotencial se debe considerar a nivel externo para un SEPTE aislado y no

aislado, a nivel interno, en instalaciones de telecomunicaciones y blindaje

electromagnético.

2.2 VALORACIÓN DE RIESGO.

Para esta parte la valoración de riesgo se tiene que estimar con respecto a la

probabilidad de incidencia de un rayo sobre una estructura tomando en cuenta la

ubicación de la estructura y la complejidad del fenómeno de la descarga

basándose en qué tipo de edificio se va a salvaguardar.

El diseño de un sistema de protección debe incluir la valoración de riesgo de la

estructura contra la incidencia de un rayo directo, y esta valoración debe

realizarse antes de definir las características y ubicación de los elementos

constitutivos del sistema externo. Los resultados de la valoración de riesgo

determinan la necesidad o no de instalar el Sistema Externo de Protección contra

Tormentas Eléctricas (SEPTE).

Frecuencia de rayos directos a una estructura.

La frecuencia anual promedio de rayos directos a una estructura (No), puede

calcularse mediante la ecuación siguiente, extraída de la norma.

NO= Ng x Ae x10-6[6] (7)

En donde:

𝑁𝑜 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑦𝑜𝑠 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎.

𝑁𝑔 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑦𝑜𝑠 𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑚2, (𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒

𝑟𝑎𝑦𝑜𝑠 𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎, 𝐷𝑅𝑇),

𝐴𝑒 = 𝑎𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑒𝑛 𝑚2


27

Evaluación de la necesidad de protección.

Una vez estimado el valor No, debe compararse con el valor de la frecuencia

media anual permitida Nd para evaluar la necesidad de protección, considerando

lo siguiente:

a) si No (estimado) es ≤ Nd (tabla 1, valor permitido), el SEPTE es opcional[6].

Esta condición significa que el SEPTE puede o no instalarse. Sin embargo, debe

considerarse que aunque cuando el riesgo estimado sea menor que el riesgo

permitido, existe la posibilidad de que un rayo incida sobre la estructura que no

tiene un SEPTE.

b) si No (estimado) es > Nd (tabla 1, valor permitido) debe instalarse un

SEPTE [6].

Área equivalente de captura.

Con respecto a la valoración de riesgo hay que tomar en cuenta el área

equivalente de captura donde se encuentra la estructura a proteger, estás áreas

se clasifican conforme a los siguientes puntos.

a) Cuando la estructura aislada se ubica en terreno plano, con techo plano y

de dos aguas.

𝐴𝑒 = 𝑎𝑏 + 6ℎ(𝑎 + 𝑏) + 9𝜋ℎ2[6] (8)

𝐴𝑒 = 𝑎𝑏 + 6ℎ𝑏 + 9𝜋ℎ2 [6] (9)

En donde:

𝐴𝑒 = 𝑎𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚2).

𝑎 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚).

𝑏 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚).

ℎ = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚), 𝑑𝑒𝑏𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑜𝑠

𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜.


28

b) Cuando la estructura se ubica en un terreno irregular.

𝐴𝑒 = 𝑎𝑏 + 6ℎ𝑒(𝑎 + 𝑏) + 9𝜋ℎ𝑒2 [6] (10)

En donde:

𝐴𝑒 = 𝑎𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚2).

𝑎 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚).

𝑏 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚).

ℎ = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 𝑖𝑟𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 (𝑚).

c) Para una estructura con otras adyacentes, donde se calculan primero las

distancias con la fórmula 11 y posteriormente el área equivalente de

captura.

𝑋𝑠 =𝑑 + 3(ℎ𝑠 − ℎ)

2 [6] (11)

En donde:

𝑋𝑠 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑚).

ℎ𝑠 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 𝑣𝑒𝑐𝑖𝑛𝑜 (𝑚).

ℎ = 𝑎 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑚).

𝑑 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑦 𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 𝑣𝑒𝑐𝑖𝑛𝑜 (𝑚).

2.3 TERMINALES AÉREAS.

Las terminales aéreas pueden ser elementos metálicos verticales, cables aéreos

tendidos horizontalmente, y una combinación de ambos. Estás terminales deben

cumplir con las especificaciones de materiales (Tabla 6 y 7) y de unión

equipotencial adecuadas.


29

Tabla 6. Materiales y dimensiones mínimas de las terminales aéreas [6].

Tabla 7. Espesor mínimo de las hojas y tubos metálicos para terminales aéreas [6].

En SEPTE las terminales aéreas pueden ser aisladas y no aisladas, se ocupan

aisladas cuando la circulación de la corriente del rayo cause daños a la estructura

y exista riesgo de fuego o explosión, mientras que las no aisladas se pueden

ocupar siempre y cuando se logre la igualación de los potencias de todos o parte

de los elementos metálicos de una instalación.

Número y ubicación de terminales.

El número y ubicación de las terminales aéreas de un Sistema Externo de

Protección contra Tormentas Eléctricas dependen del nivel de protección

seleccionado y de la aplicación del método de la esfera rodante. Existen

elementos de la estructura o edificio que por ser metálicos y estar por encima de

los objetos a proteger pueden considerarse en el diseño como terminales aéreas

naturales para interceptar la corriente de la descarga, a pesar de no haber sido

diseñados para tal fin. Estos elementos naturales pueden ser, hojas metálicas,

ornamentaciones, barandillas, tubos metálicos, etc., generalmente ubicados en

techos y fachadas, y deben cumplir las condiciones siguientes:

1.- Eléctricamente continuos en todas sus partes.

2.- No tener revestimientos de material aislante.


30

3.- Estar sólidamente conectados al sistema de puesta a tierra.

4.- Cumplir con las especificaciones de materiales.

La probabilidad del número de impactos sobre las terminales aéreas es mayor con

su altura, aumentando también la probabilidad de interponerse en la trayectoria de

rayos de mayor intensidad. Por lo tanto, para este trabajo se considerarán

terminales aéreas de una altura que se encuentre entre los 3m por encima del

edificio a proteger.

El número y ubicación de las terminales aéreas deben calcularse de acuerdo con

su posición y nivel de protección como se indica en el método de la esfera

rodante. En general, para cualquier edificio o estructura, existen dos niveles de

referencia en donde debe aplicarse la esfera rodante, el nivel del techo y el nivel

del piso alrededor del edificio o estructura.

Como la estructura a proteger para este trabajo es de 29 m de altura, el cálculo del

número y ubicación de las terminales aéreas deben cumplir con la instalación de

conductores horizontales alrededor del edificio formando lazos cerrados a cada

20m de altura.

2.4 CONDUCTORES DE BAJADA.

El número y ubicación de los conductores de bajada dependen del tipo de

sistema de protección a seleccionar, ya sea aislado o no, como en este caso se

trata de proteger un edificio con mayor tránsito de personas se debe aislar cada

una de las bajadas. Se permite que el conductor de bajada se forme por alguno

de estos elementos, solera, barra redonda, cable o acero estructural o de

refuerzo (componente natural), sin olvidar que deben cumplir con las

especificaciones de los materiales.


31

Requisitos.

En el diseño del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas, los

conductores de bajada deben cumplir con lo siguiente:

1) Distribuirse uniformemente a lo largo del perímetro de la estructura o

edificio mediante una configuración lo más simétrica posible.

2) Conectarse a los elementos del sistema de puesta a tierra a través de la

trayectoria más corta.

3) Conectarse a las terminales aéreas y al sistema de puesta a tierra de

manera firme y permanente.

4) Ubicarse lo más alejado posible de circuitos eléctricos, electrónicos, de

equipo con riesgo de fuego o explosión, accesos para el personal y de

puertas y ventanas.

Conductores de bajada naturales

Las partes de una estructura que pueden considerarse como conductores de

bajada naturales son:

a) Elementos metálicos estructurales (columnas y trabes) de la estructura.

b) El acero de refuerzo de la estructura siempre y cuando cuente con uniones

mecánicas o soldadas, excepto para elementos prefabricados que no

garanticen la continuidad eléctrica entre sus partes.

Trayectorias de los conductores de bajada y radios de curvatura.

Las rutas de conductores de bajada ubicadas en zonas de tránsito de personas

deben evitarse y para el caso en que la ruta indicada no pueda realizarse debe

cumplirse la distancia mínima de seguridad (figura 14). La posición y distancia

entre los conductores de bajada en las estructuras o edificios deben cumplir con

la distancia mínima de seguridad, para este caso de 1.05 m.


32

Figura14. Ruta recomendada para conductores de bajada en edificios con geometrías

complejas como la indicada con tránsito de personas.

El radio de curvatura del conductor de bajada en trayectorias verticales y

horizontales debe ser mayor o igual a 200mm. La figura 15 ilustra el conductor

de bajada considerando el radio de curvatura del conductor. La figura 16 ilustra

la curva del conductor de bajada. La separación d2 debe cumplir la distancia de

seguridad. También se debe considerar el efecto de la ranura en las propiedades

mecánicas del mástil.

Figura 15. Arreglo para un conductor de bajada mostrando el radio de curvatura para un mástil

de terminal aérea.


33

Figura 16. Curvas para los conductores de bajada del SEPDA.

Conductores de bajada para un sistema externo de protección no aislado.

Las terminales aéreas y los conductores de bajada deben estar conectados a

nivel de techo. A nivel de suelo, los conductores de bajada deben interconectarse

al sistema de puesta a tierra. Además deben cumplirse los siguientes puntos,

según sea el caso:

a) Como el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas está por

terminales aéreas horizontales, se deben utilizar de dos o más conductores

de bajada.

b) Los conductores de bajada deben estar distribuidos a cada 15m de acuerdo

al nivel de protección. Los conductores de bajada deben estar ubicados cerca

de cada una de las esquinas de la estructura.

c) Si la pared de la estructura está hecha de material flamable, los conductores

de bajada deben ubicarse a una distancia mayor a 0,1m del elemento a

proteger.

d) Los conductores de bajada deben conectarse con los conductores

horizontales alrededor de la estructura o edificio.


34

En la figura 17 se muestra la relación entre las terminales aéreas y conductores

de bajada.

Figura 17. Arreglo representativo de la conexión entre terminales aéreas, conductores de bajada y

un arreglo cerrado del sistema de puesta a tierra en un edificio visto desde el techo.

Los conductores de bajada en cualquier configuración deben ser desnudos (sin

aislamiento), a excepción de que sean conductores con aislamiento diseñados

para el confinamiento de campo eléctrico producido por la corriente de la

descarga atmosférica. En cualquier caso debe respetarse la distancia de

seguridad.

Tabla 8.- Dimensiones mínimas de los conductores de bajada [6].


35

Distancia de seguridad.

La distancia de seguridad debe calcularse de acuerdo a la ecuación 12, con la

finalidad de colocar los conductores de bajada sin poner en riesgo a las

personas y respetando a la vez el espacio para la conducción de corriente.

𝑠 = 𝑘𝑖𝑘𝑐𝑘𝑚

𝑙; 𝑑 ≥ 𝑠 (12)

En donde:

𝑠 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑚).

𝑑 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟 (𝑚).

𝑘𝑖: 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝐸𝑃𝑇𝐸, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝐼 = 0.075.

𝑘𝑐: 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑡𝑟𝑜 𝑏𝑎𝑗𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 0.66.

𝑘𝑚: 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑜 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜), 𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑠𝑜 𝑒𝑠 0.5.

𝑙 = 𝑎 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑏𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙

𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟 𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 (𝑚).

2.5 CRITERIOS DE CÁLCULO PARA EL SISTEMA DE TIERRA.

Como complemento de la protección contra las descargas atmosféricas se debe

utilizar un sistema a tierra para reducir riesgos de electrocución y la formación de

arcos eléctricos entre partes metálicas que pongan en peligro al personal y al

equipo en la trayectoria de los conductores de bajada, además debe integrar,

incluir e interconectar todos los sistemas de la instalación externa como el Sistema

Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas (SEPTE), sistemas de energía

eléctrica, sistemas de telecomunicaciones, entre otros.

En un Sistema de Puesta a Tierra el número de los electrodos (ya sea individual o

en arreglo) es el que se determina al medir en campo la resistencia a tierra, por

norma se debe integrar un arreglo de tres electrodos por cada conductor de

bajada cuando no se interconecten entre sí. Pero si los conductores de bajada se

interconectan mediante un conductor enterrado se puede utilizar un arreglo de

uno o más electrodos de puesta a tierra.


36

Material Configuración y dimensiones nominales mínimas.

Acero

Varilla de acero estirada en frío,

con recubrimiento de cobre

electrolítico

Diámetro de 14,3mm mínimo y 15,5

mm máximo.

Espesor mínimo del recubrimiento

0,254mm

(1)Para el aceroinoxidabletipoaleación304.

Con el fin de mantener la elevación de potencial del Sistema de Puesta a Tierra a

niveles de seguridad, se recomienda que el valor de la resistencia a tierra se

mantenga en niveles no mayores que 10Ω. Este valor de resistencia debe

cumplirse para cada arreglo de 3 electrodos por conductor de bajada, cuando

éstos no se encuentren interconectados. Los elementos que deben formar un

Sistema de Puesta a Tierra son los electrodos de puesta a tierra, conductores

desnudos para unir los electrodos, conexiones soldables y registros.

Electrodos de puesta a tierra

En general, un electrodo de puesta a tierra puede ser de cualquier tipo y forma,

siempre y cuando cumpla con los requisitos en listados a continuación.

a) Ser metálico.

b) Tener una baja resistencia a tierra.

c) Cumplir con las especificaciones de materiales.

d) Sus componentes no deben tener elementos contaminantes al medio

ambiente.

e) Los que se encuentran formados por varios elementos metálicos deben estar

unidos por medio de soldadura.

Los electrodos de puesta a tierra más comunes son los siguientes:

a) verticales (varillas, tubos, conductores planos).

b) horizontales (tubos, cables o conductores planos colocados en forma radial o

en anillo).

c) los formados por los cimientos de las estructuras (naturales).

d) placas y mallas.

Además los electrodos deben de cumplir con las especificaciones de la tabla 9.

Tabla 9.- Material y dimensiones nominales mínimas de los electrodos de puesta a tierra [6].


37

Los arreglos prácticos para el Sistema de Puesta a Tierra dependen del espacio

disponible y de las características del suelo, en la figura 18 se muestra un

electrodo de puesta a tierra que va conectado a los conductores de bajada.

Figura18. Vista de un electrodo de puesta a tierra para la conexión de los conductores de bajada

del Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas.

Los factores a considerar para el Sistema de Puesta a Tierra son el estudio de

terreno, resistividad, el área disponible, los aspectos físicos, como obstrucciones,

rocas y otros servicios o elementos enterrados y la agresividad del suelo sobre los

materiales del SPT.

CAPÍTULO 3

Sistema Externo de Protección contra

Tormentas Eléctricas en un edificio de

29 m de altura.

Capítulo 3. Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas en un edificio de 29m de altura.

39

3.1 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO A PROTEGER.

El edificio al cual se le aplicará el sistema de protección contra tormentas

eléctricas bajo la norma NMX-J-ANCE-2005, es un centro comercial localizado en

Naucalpan Estado de México (figura 19), referencia que permitirá la identificación

de la densidad de rayos a tierra. Por ser un centro comercial, la frecuencia media

anual permitida de rayos directos sobre la estructura (Nd) se considera de 0.02.

Figura 19. Localización del centro comercial Naucalpan Estado de México.

El centro comercial cuenta con las dimensiones mostradas en la tabla 10, basadas

en los planos arquitectónicos del edificio como en la figura 20.

Tabla 10. Dimensiones del edificio a proteger.

Área Altura Longitudes de los lados de las estructuras:

Largo Ancho

238,389 m2 29 m 414.74 m 241.33 m


40

Figura 20. Vista de la planta del centro comercial, área total y fachadas.

Con respecto a la figura 20 se puede observar que la estructura del centro

comercial es amplia por lo que en él reside una diversidad de locales comerciales

como locales de ropa, accesorios, deportes, videojuegos, joyerías, restaurantes,

comida rápida, oficinas, entre otros. Cada uno de ellos necesita de la

suministración de energía para todos sus equipos que lo integran, por ello se debe

de tomar en cuenta una protección contra descargas atmosféricas, ya que éstas al

impactar en un edificio pueden dañar muchos de los sistemas, eléctricos, de

control, de fuerza, entre otros, que integran al centro comercial y por ende el

problema puede llegar hasta el equipo de los clientes, e incluso daños a las

personas.


41

3.2 VALORACIÓN DE RIESGO.

La localización del edificio es importante porque permite evaluar el nivel del riesgo

en el que se encuentra la estructura (Figura 19), cuando estas se instalan en

zonas donde las densidades de rayos a tierra son mayores que 2 se debe

desarrollar el sistema externo de protección contra descargas atmosféricas. Por

ello en base a la ubicación del edificio se identificó con apoyo de la figura 21 y 22

la densidad de rayos a tierra por año.

Con respecto a la figura 22 se obtuvieron las coordenadas 19° 28′ 31″ N, 99° 14′

16″ W (en decimal 19.475278°, -99.237778°) correspondiente a lo que es

Naucalpan de Juárez, Estado de México, lugar donde se encuentra el centro

comercial.

La densidad de rayos a tierra anual (Ng) resultante para el centro comercial

corresponde a 4 rayos/km2/año, por lo que se debe instalar un sistema externo de

protección contra descargas atmosféricas.

Figura 21. Zoom de la ubicación del lugar en el mapa del Estado de México, densidad de rayos a

tierra [6].


42

Figura 22. Mapa del Estado de México con el promedio anual de densidad de rayos a tierra [6].

Representando ubicación del centro comercial.

Para identificar con qué frecuencia anual la estructura se verá impactada por rayos

directos se calculará esa probabilidad con la ecuación 7 planteada en el capítulo 2.

NO= Ng x Ae x10-6 (7)

El área equivalente se calculará con los datos obtenidos con la planta

arquitectónica del edificio y con apoyo de la ecuación 8, tomando en cuenta al

edificio en terreno plano y con techo plano figura 23.


43

Figura 23. Área equivalente de captura para el centro comercial.

𝐴𝑒 = 𝑎𝑏 + 6ℎ(𝑎 + 𝑏) + 9𝜋ℎ2 (8)

Sustituyendo los valores en la ecuación 8 obtenemos:

𝐴𝑒 = (414.74𝑚 × 241.33𝑚) + 6(29𝑚)(414.74𝑚 + 241.33𝑚) + 9(3.1416)(28.82𝑚)2

𝐴𝑒 = 237021.33 m2


44

Procediendo a sustituir en 7:

NO= (4 rayos/km2/año)x 237021.33𝑚2 x10-6

NO= 0.948 por año

Otra forma para considerar si se instala o no un sistema externo de protección

contra tormentas eléctricas en el edificio es estimando la necesidad de protección.

Como No (0.948) es > Nd (0.02) debe instalarse un Sistema Externo de Protección

contra Descargas Atmosféricas.

Desarrollado el análisis de la valoración de riesgo en el centro comercial y

considerando que es necesaria la implementación de un sistema externo de

protección contra descargas atmosféricas se procede a desarrollar la elección de

los elementos que integran a este sistema a partir del cálculo de radio de

protección.

3.3 CÁLCULO DEL RADIO DE PROTECCIÓN.

El cálculo del radio de protección se debe realizar mediante el método de la esfera

rodante. Para determinar el radio de la esfera es necesario identificar y seleccionar

el nivel de protección. Por ser una estructura de centro comercial, se consideran

como efectos de las tormentas eléctricas daños a las instalaciones eléctricas,

pánico, falla de dispositivos de control, pérdidas de enlace de comunicación, falla

de computadoras y pérdidas de información, por lo tanto el nivel de protección que

se recomienda con respecto a la tabla de la norma es Nivel de protección II.

El nivel de protección permite identificar el radio de la esfera rodante (rs) en base a

la tabla 5 del capítulo 2, mostrando los resultados en la tabla 11.


45

Tabla 11. Selección del radio (rs) y altura de la terminal aérea para el nivel de protección II [6].

Nivel de

protección

Radio de la esfera rodante rs y su

correspondiente valor de corriente de rayo i.

Altura de la terminal

aérea a partir del

plano a proteger

(h)

rs (m) I (kA) m

II 30 6 ≤ 30

Corroborando los resultados del radio de la esfera obtenidos en la tabla 11, se

calcula el radio de la esfera rodante en base a la ecuación 1.

𝑟𝑠 = 𝑘𝑠𝐼𝑐 (1)

Identificando que k y c son factores obtenidos a través de estudios de campo de

gradiente de potencial de grandes arcos eléctricos generados en laboratorio se

tiene que k = 9.4 y c = 2/3, tomando como I = 6 kA.

Sustituyendo los datos obtenemos:

𝑟𝑠 = (9.4)𝑠 × (6)2/3

𝑟𝑠 = 31.03 ≈ 30 𝑚

Considerando que la esfera rodante tendrá un diámetro de 60 m, la distribución de

las puntas de pararrayos se representa como en la figura 24, en cada centro de

las circunferencias que se alcanzan a observar con puntos de color rosas se ubicó

un pararrayos. Para ésta distribución se tienen en cuenta 122 terminales aéreas

de las cuales 46 van a ser terminales aéreas verticales cuya instalación debe

considerarse alrededor de todo el edificio, puntas de pararrayos marcadas en color

magenta y 76 puntos de intersección con el conductor horizontal para la protección

del centro comercial a lo largo y ancho de la azotea del edificio, marcados en color

azul.


46

En la figura 25, se muestra la ubicación y distribución de cada uno de los

pararrayos y puntos de intersección en la azotea del edificio, que son todos los

puntos en rosa respetando los espacios abiertos marcados en color verde,

mientras que en la figura 26 se observa la configuración y unión de los pararrayos

(color azul marino) con los conductores de bajada a puesta a tierra (color rojo), en

la figura 27 se muestra una de las vistas del edificio a proteger con la proyección

de la esfera por cada pararrayos distribuido, cada una de las terminales abarcará

su propio radio de protección, considerando que en donde se encuentra el límite

del radio de una punta, la protección la continuará la siguiente esfera imaginaria

formada por la otra punta, y así se sigue la secuencia con cada una de las puntas

instaladas.

Figura 24. Representación gráfica de la esfera rodante en el centro comercial.


47

Figura 25. Representación gráfica de la distribución de pararrayos.

Figura 26.Configuración y unión de los pararrayos.


48

Figura 27. Representación gráfica de la distribución de pararrayos en una de las vistas del edificio.

.

3.4 SELECCIÓN DE LOS PARARRAYOS

La altura de las terminales está limitada con respecto a la norma a 3 m por encima

del objeto a proteger, considerando el radio de protección en el diseño. Por ello se

proponen para la instalación puntas franklin de 60 cm de alto. Para el cálculo del

número de terminales aéreas y su ubicación se debe considerar instalar

adicionalmente conductores horizontales alrededor del edificio formando lazos

cerrados a cada 20 m de altura con conductor desnudo calibre 4/0, 107.21mm2, 28

hilos, siendo que la altura del edificio del centro comercial se encuentra entre 20 m

y 60 m de altura.

3.5 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES DE BAJADA

Los conductores de bajada para el centro comercial se seleccionaron cuidando la

distancia mínima de seguridad para su trayectoria, como se muestra en la figura

20. Cuidando que la curvatura del conductor de bajada sea mayor o igual a

200mm. Así mismo se considerará un conductor de bajada por cada terminal

aérea instalada, respetando las dimensiones del conductor horizontal (conductor

desnudo calibre 4/0AWG, 107.21mm2, 28 hilos).


49

La distancia de separación entre los conductores de bajada debe considerarse con

respecto a la longitud del edificio y su estructura de construcción, ya que un

conductor no puede atravesar espacios abiertos, puertas o ventanas.

Para que los conductores sigan cumpliendo con la seguridad en la instalación se

desarrolla el cálculo para obtener la distancia de seguridad con la ecuación 12.

𝑠 = 𝑘𝑖

𝑘𝑐

𝑘𝑚𝑙; 𝑑 ≥ 𝑠 (12)

Donde los valores de ki y km se seleccionaron en base a tablas de la norma

obteniendo los resultados en la tabla 12.

Tabla 12. Valores de ki y km para el efecto de proximidad de las instalaciones y el SEPDA.

Nivel de protección Coeficiente ki Coeficiente km

II 0.075 En sólido 0.5

El valor de kc depende de la configuración dimensional de los conductores de

bajada, para el centro comercial la configuración se determina para más de cuatro

conductores de bajada, teniendo que kc = 0.44.

Sustituyendo los valores en la ecuación 12 y considerando la longitud del

conductor de bajada de 32m se tiene:

𝑠 = 0.0750.44

0.532

𝑠 = 2.112 𝑚

La configuración de los conductores de bajada para cada uno de los pararrayos,

se determinó considerando que la norma indica que cada punta de pararrayos

debe llevar su propio conductor de bajada y lo pueden llevar solamente las

terminales aéreas que se encuentren en las esquinas del edificio.

CAPÍTULO 4

Sistema Interno de Protección contra

Tormentas Eléctricas en un edificio de

29 m de altura.

Capítulo 4 Sistema Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas en un edificio de 29m de altura.

51

4.1 ARREGLO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Todo sistema de protección contra tormentas eléctricas debe estar conectado a un

sistema de puesta a tierra (SPT) para disminuir los potenciales de paso y contacto,

tratando de reducir el riesgo de electrocución y formación de arcos eléctricos en

las partes metálicas que ponen en peligro a las personas y al equipo.

Cada conductor de bajada llevará un arreglo de 3 electrodos con la configuración

que se muestra en la figura 28 cuando estos no se encuentren interconectados

entre sí, se debe de mantener un nivel no mayor de 10Ω como valor de resistencia

a tierra por cada arreglo de electrodo de los conductores de bajada. Los

electrodos se deben de unir con conductores desnudos horizontales enterrados,

además de ir cada uno en un registro con dimensiones de 32cm x 32cm x 32cm

(figura 29).

Figura 28. Electrodos de puesta a tierra vertical y horizontal.


52

Los electrodos de puesta a tierra van a ser varillas de acero con recubrimiento de

cobre para que brinde la protección contra la corrosión del terreno su longitud se

propone de 3m, 16mm (5/8 in), para su instalación se debe cuidar su separación

que va a ser dos veces la longitud del electrodo. Para los electrodos horizontales

su instalación será a 0.6m mínimo de profundidad a una distancia mínima de 1m a

la estructura.

En este caso el área alrededor de la estructura se encuentra cubierta de concreto,

por lo tanto no es necesario instalar arreglos adicionales de sistemas de puesta a

tierra para la protección del tránsito de personas contra el riesgo de electrocución.

Figura 29. Vista de electrodos puesta a tierra en registros.


53

4.2 ANÁLISIS DEL SIPTE CON RESPECTO A LA UNIÓN

EQUIPOTENCIAL Y A LOS SUPRESORES DE SOBRETENSIÓN

TRANSITORIA.

Unión Equipotencial

Cuando al SEPTE es impactado por un rayo se generan diferencias de potencial

provocando la circulación de corrientes indeseadas y formación de arcos

eléctricos, poniendo inseguros a los equipos y a las personas. Para evitar este tipo

de accidentes es necesario igualar el potencial de todas o algunas de las partes

metálicas de la instalación, lográndolo con la unión equipotencial.

Para ello es necesario contar con conductores de unión, barras de unión y

supresores de sobretensiones transitorias (SSTT). Para el SEPTE se propone que

va a ser un sistema aislado por la concurrencia de personas al lugar, así que todo

el conductor desnudo de cobre para la conexión de pararrayos y conductores de

bajada irán aislados en tubería de 21 mm (3/4”), por ello la UE en la instalación

con los elementos del sistema externo se debe realizar a nivel del suelo (figura 30)

y se deben de cumplir la distancia promedio y distancia de seguridad obtenidas en

el capítulo 3 (15m como mínimo y 1.056m respectivamente).

Figura 30. Conexión para la unión equipotencial.


54

Hay que considerar la UE en cada nivel de la instalación para la protección de los

equipos y elementos metálicos, estás conexiones deben ser firmes y lo más cortas

posibles al SPT.

UE a nivel interno

La UE a nivel interno va a hacer referencia a la conexión de varias barras en forma

radial a una sola barra (barra principal) conectada al SPT, cada uno de estos

arreglos (figura 31) va a ser distribuido en toda el área del edificio a proteger ya

que es muy extenso, los servicios y elementos metálicos serán conectados en un

solo punto sin formar lazos cerrados entre los servicios. Así mismo, es importante

ubicar una barra de unión cerca del tablero principal de alimentación eléctrica.

Figura 31. Ejemplo de un arreglo para la UE a nivel interno [6].

BARRA

PRINCIPAL

BARRA

EQUIPOS

ELECTRÓNICOS

BARRA

OTROS

EQUIPOS

BARRA

DE

NEUTRO


55

Supresor de sobretensiones transitorias

Las sobretensiones transitorias en una estructura tiene varias entradas, entre ellas

se encuentran las líneas de energía eléctrica, las líneas telefónicas, antenas,

tuberías metálicas, etc., por ello se deben usar dispositivos contra sobretensiones

transitorias para la protección de los equipos electrónicos instalados en el centro

comercial.

En la norma se consideran 3 categorías para la protección con SSTT (figura 32),

ya que la densidad de rayos determinada para el centro comercial es de 4

rayos/km2/año, se consideran las características mostradas en la figura 32 de

densidad de rayos alta y las recomendaciones para la selección de supresores en

CA para el centro comercial se pueden observar en la tabla 13.

Figura 32. Categorías para la selección de supresores [6].


56

Tabla 13. Recomendaciones para la selección de supresores en CA para el centro comercial [6].

Tipo de estructura

Tipo de protección

Sistema de distribución

Ubicación/ categoría

Onda de prueba

Tipo de servicio y clase de

protección

Autoprotección por variaciones

de tensión

Edificios comerciales

Primaria 3F, 4H + T

220 V/127 V Acometida, Categoría C

20 kV, 1,2/50 μs

20 kA, 8/20 μs

Interior IP 1

Recomendado

Exterior IP 4X

Recomendado

Secundaria

3F, 4H + T 220 V/127 V

Circuito Derivado,

Categoría B

6 kV, 500 A 100 kHz

6 kV 1,2/50 μs

3 kA, 8/20 μs

Interior IP 1

Recomendado

Punto de uso,

Categoría A

6 kV, 200 A 100 kHz

Interior IP 1

Recomendado

1F, 2H + T 127 V

Punto de uso,

Categoría A

6 kV, 200 A 100 kHz

Interior IP 1

4.3 ACCIONES PARA CONSERVACIÓN DE PARARRAYOS.

La conservación de pararrayos es muy importante, ya que permite tener en buen

estado el Sistema Externo de Protección contra Tormentas Eléctricas y el Sistema

Interno de Protección contra Tormentas Eléctricas para su buen funcionamiento,

así mismo evitar otro tipo de riesgos para las personas que concurren al centro

comercial. Por ello es necesario que se le de un correcto mantenimiento por

personal capacitado, alrededor de cada seis meses.

Principalmente se hacen pruebas cualitativas, donde se revisa el estado de todos

los elementos del sistema, otra prueba es cuantitativa, en ésta se llevan a cabo

algunas mediciones y por último se le debe de dar un mantenimiento preventivo,

algunos de estos procedimientos se enumeran a continuación.

Pruebas cualitativas

Revisar el cabezal de los pararrayos.


57

Comprobar el amarre y posible oxidación del mástil.

Verificar el estado del cable conductor del pararrayos.

Comprobar amarre, conectores y tubo de protección.

Comprobar que ningún elemento nuevo haya variado las condiciones del

estudio de instalación del pararrayos original.

Verificar el estado del supresor contra tensiones.

Verificar el estado físico del mástil.

Pruebas cuantitativas

Toma de tierra. Comprobar amarres, conectores y medida de la resistencia

a tierra, recordando que no deberá sobrepasar los 10 Ω.

Medir la resistencia del electrodo de puesta a tierra, este no deberá de

sobrepasar los 10 Ω.

Medir la continuidad de conexión electrodo – cable.

Medir la continuidad de conexión cable – cable.

Mantenimiento preventivo

Limpiar el registro a tierra.

Reapretar las conexiones electrodo – cable.

Verificar los puntos de agarre y unión de los tensores.

Verificar el aislamiento de la estructura de soporte de pararrayos.


58

4.4 ANÁLISIS ECONÓMICO EN LA INSTALACIÓN DEL SISTEMA

DE PARARRAYOS.

En un centro comercial es importante invertir en un sistema de protección ya que

por sus dimensiones y aplicación es necesario que de seguridad tanto a sus

clientes como a las personas que llegan a ir de compras, además del equipo que

se encuentre instalado en su interior. A continuación se muestra el presupuesto

económico de los principales elementos que se necesitan para la instalación del

Sistema de Protección contra Tormentas Eléctricas, considerando para cada uno

los costos indirectos, la mano de obra y el proyecto de ingeniería.

REF. Descripción completa MATERIALMANO DE

OBRAINDIRECTOS PRECIO UNITARIO

1 Punta tipo faraday de cobre cromada de 60 cm 270.44$ 60.87$ 62.95$ 394.26$

2 Base plana redonda para punta de cobre / bronce 151.95$ 60.87$ 40.44$ 253.26$

3Cable de cobre especial pararrayos de 28 hilos calibre

4/0119.00$ 13.91$ 25.25$ 158.16$

4 Tubería conduit de 21 mm (3/4") 170.75$ 200.00$ 70.00$ 440.75$

5 Cople de 3/4" para unión de tubería 200.40$ 150.30$ 84.44$ 435.14$

6 Caja de conexión 270.40$ 120.10$ 68.05$ 458.55$

7

Intensificador para tierra, bulto de 11.36kg,

Sólo si es necesario tratar la tierra para proporcionar

la resitencia y resistividad para el SPT. Se recomienda

hacer un estuido de resistividad.

250.00$ 65.74$ 59.99$ 375.73$

8Varilla tipo COPPERWELD de 5/8" de diametro y 3 m

de longitud. 153.62$ 60.87$ 40.75$ 255.24$

9

Conector de cobre para cable en paralelo o a 90° en

tubo o varilla, tubo de 3/8" (10mm) varilla 5/8"

(16mm) calibre 2/0 AWG al 250kCM .

206.40$ 22.38$ 43.47$ 272.25$

10 Registro para electrodos de puesta a tierra con tapa 262.50$ 105.18$ 69.86$ 437.54$

11

Barra de tierra de cobre considerando soportes tipo

omega, aisladores taquetes, tornillos y rondanas

tropicalizadas.

883.95$ 525.91$ 267.87$ 1,677.73$

12 Conductor de cobre desnudo, calibre 4/0 AWG. 144.18$ 19.13$ 31.03$ 194.34$

13Conexión exotérmica tipo "TA", para calibre 4/0

derivacion 4/0.160.30$ 155.53$ 60.01$ 375.84$

14Conexión exotérmica tipo "XA", para calibre 4/0

derivacion 4/0.190.50$ 155.53$ 65.75$ 411.78$

TOTAL: 1,716.32$ 6,140.57$

Mano de obraProyecto de

ingeniería


59

REF. Descripción completa Unidad Cantidad Precio Importe

1

Punta tipo faraday de cobre cromada de 60 cm,

Suministro e instalación a no mas de 4 metros de

altura sobre el edificio a proteger.

pza. 46.00$ 394.26$ 18,135.96$

2

Base plana redonda para punta de cobre / bronce,

Suministro e instalación a no mas de 4 metros de


pza. 46.00$ 253.26$ 11,649.96$

3

Cable de cobre especial pararrayos de 28 hilos calibre

4/0, Suministro e instalación a no mas de 4 metros de


m 3,525.00$ 158.16$ 557,514.00$

4 Tubería conduit de 21 mm (3/4") pza. 1,175.00$ 5.95$ 6,992.43$

5 Cople de 3/4" para unión de tubería pza. 1,174.00$ 1.04$ 1,218.61$

6 Caja de conexión pza. 76.00$ 517.97$ 39,365.72$

7

Intensificador para tierra, bulto de 11.36kg,

Sólo si es necesario tratar la tierra para proporcionar

la resitencia y resistividad para el SPT. Se recomienda

hacer un estuido de resistividad.

pza. 42.00$ 375.73$ 15,780.66$

8Varilla tipo COPPERWELD de 5/8" de diametro y

3.00mts de longitud. pza. 42.00$ 255.24$ 10,720.08$

9

Conector de cobre para cable en paralelo o a 90° en

tubo o varilla, tubo de 3/8" (10mm) varilla 5/8"

(16mm) calibre 2/0 AWG al 250 kCM .

pza. 42.00$ 272.25$ 11,434.50$

10 Registro para electrodos de puesta a tierra con tapa. pza. 42.00$ 437.54$ 18,376.68$

11

Barra de tierra de cobre considerando soportes tipo

omega, aisladores taquetes, tornillos y rondanas

tropicalizadas.

pza. 1.00$ 1,677.73$ 1,677.73$

12 Conductor de cobre desnudo, calibre 4/0AWG. m 200.00$ 194.34$ 38,868.00$

13Conexión exotérmica tipo "TA", para calibre 4/0

derivacion 4/0.pza. 2.00$ 375.84$ 751.68$

14Conexión exotérmica tipo "XA", para calibre 4/0

derivacion 4/0.pza. 2.00$ 411.78$ 823.56$

15 Mano de obra 1,245.92$

16 Proyecto de ingeniería 6,140.57$

740,696.06$ TOTAL A INVERTIR EN EL PROYECTO:

60

CONCLUSIONES

En este trabajo se aplicó la norma NMX-J-549 a un centro comercial para poder

reducir el riesgo de daño que se presenta cuando ocurren tormentas eléctricas en

la zona donde se encuentra, protegiéndolo contra las descargas atmosféricas,

implementando un sistema de protección en todo el edificio.

Este sistema de protección fue determinado bajo el método de la esfera rodante

descrito en la norma, donde permite saber cuáles son las principales

características de la terminal aérea, como su altura que no debe de sobrepasar los

3m y el radio de protección debe de ser de 30 m generado por el pararrayos

dependiendo del nivel de protección que se asigna para un centro comercial con

respecto a su ubicación.

Para la protección de este centro comercial es importante reconocer los trabajos

por parte de la ingeniería eléctrica, ya que es muy importante el trabajo que

ejercen los ingenieros al desarrollar un proyecto en instalaciones eléctricas, estás

personas no deben perder el objetivo de sus trabajos pero sobre todo la seguridad

de las personas. En este caso también se considera la protección del personal de

mantenimiento, ya que son quienes entran a las principales áreas de todo tipo de

instalación.

Por ello, un ingeniero electricista debe pensar cómo va a llevar a cabo el proyecto

en el que esté trabajando, que consideraciones, bases, conocimientos,

herramientas, materiales y condiciones debe retomar en el lugar en el cual se

encuentra la instalación a desarrollar, una de las bases principales para el

ingeniero son las normas oficiales mexicanas (NOM) y las normas mexicanas

(NMX).Para un ingeniero no hay información más importante que las normas,

porque las normas brindan la información que hay que considerar en las

instalaciones eléctricas, marcando los parámetros principales.

La norma NMX-J-549 presenta las consideraciones y el método necesario para la

protección de las personas ya que nos rige como llevar a cabo la instalación de un

sistema de protección contra descargas atmosféricas dependiendo del edificio a

proteger y su ubicación.

61

BIBLIOGRAFÍA

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de colección para la protección contra descargas eléctricas atmosféricas en

la TDGL Poza Rica. (Tesis de Ingeniero Mecánico Eléctrico). Universidad

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(Tesis de Ingeniero Electricista). Instituto Politécnico Nacional, ESIME,

México, D. F.

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Medición.

[7] Salas, R. y Garrido, J. (2009). Diseño de un sistema externo de protección

contra tormentas eléctricas para un edificio comercial aplicando la norma

NMX-J-549-ANCE-2005. (Tesis de Ingeniero Electricista). Instituto

Politécnico Nacional, ESIME, México, D. F.

[8] Secretaria de energía. NOM-001-SEDE-2012. NORMA OFICIAL

MEXICANA. Instalaciones eléctricas (utilización). México, D. O. F. 29-11-

2012

[9] Secretaría del trabajo y previsión social. NOM-022-STPS-2008. NORMA

OFICIAL MEXICANA. Electricidad estática en los centros de trabajo,

condiciones de seguridad e higiene.

[10] © 2012 - PROGRAMA CASA SEGURA. Sistemas de protección contra

descargas atmosféricas.

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contra-descargas-atmosfericas/>

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