capitulo viii (sobretensiones externas)

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  • 458

    Captulo VIII

    Sobretensiones externas

  • 459

    8.1.- INTRODUCCIN.

    En los sistemas elctricos se pueden presentar dos tipos de sobretensiones: las de origen interno y

    las de origen externo. Las sobretensiones de origen interno son producto de fallas y operaciones

    en el sistema, y su magnitud depende de la cantidad de energa almacenada en el campo elctrico

    y magntico de la lnea.

    Las sobretensiones de origen externo son producidas por los rayos los cuales al incidir,

    directamente o por induccin, en una lnea dan lugar a una onda viajera que se transmite a lo

    largo de la misma y si su magnitud es superior al nivel bsico de aislamiento ante impulsos tipo

    rayo, NBAI (BIL, de sus siglas en ingls Basic Ligthning Impulse Insulation Lebel), se producirn

    fallas en el aislamiento con la consiguiente interrupcin en el servicio.

    Los rayos producen las sobretensiones ms peligrosas en cuanto a su magnitud en los sistemas

    elctricos de hasta 275 kV, siendo por lo tanto ellas, junto a la contaminacin ambiental, las que

    definen el nivel de aislamiento de dichos sistemas; para tensiones superiores tambin es necesario

    considerarlos, tanto por la magnitud de la sobretensin como por la razn de crecimiento de la

    tensin y su efecto sobre los diferentes equipos y componentes instalados en los sistemas

    elctricos, principalmente sobre los enrollados de los transformadores.

    Desde el punto de vista de la coordinacin de aislamiento las sobretensiones producidas por los

    rayos se consideran dentro del grupo de las de frente rpido, es decir dentro del grupo de las

    sobretensiones que alcanzan su mximo valor para tiempos entre 0,1 y 20 s y que decaen al 50

    % de su valor mximo en tiempos menores de 300 s. En la simulacin de estas sobretensiones se

    emplea la onda de 1,2/50 s normalizada por la IEC.

    8.2.- CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS.

    8.2.1.- INTRODUCCIN.

    La tierra junto con la atmsfera puede ser considerada como un potente capacitor elctrico cuyas

    armaduras son la corteza de la tierra con carga negativa y la ionosfera con carga positiva, de

    manera que la tierra se halla rodeada de un campo elctrico cuya intensidad en la superficie

    terrestre se estima en unos 130 V/m y sobre los mares y ocanos en unos 110 V/m. Este campo se

    le conoce como campo de buen tiempo. El campo de buen tiempo no provoca peligro para los

    organismos vivos y las instalaciones elctricas pero juega un rol significativo en la formacin de

    cargas elctricas en exceso en las nubes de tormenta.

    La carga elctrica de la atmsfera se origina por la ionizacin de las molculas del aire debido a la

    accin directa sobre ellas de las radiaciones de la tierra (radiactividad natural), el sol y los rayos

    csmicos. El balance de esta carga elctrica tiene signo positivo. Sobre la carga elctrica de la

    corteza de la tierra, de una densidad de carga negativa ,cme30000 2s no existe una teora

  • 460

    nica para su explicacin, ya que unos la atribuyen a la induccin, otros a la alta temperatura del

    centro de la tierra, a las tormentas elctricas, etc.

    8.2.2.- FORMACION Y DESARROLLO DE LOS RAYOS.

    Los iones de la atmsfera atrapados por las partculas de las nubes, o formados directamente en

    ellos se mueven con sta y al producirse grandes acumulaciones de nubes, debido a diferentes

    fenmenos, se produce una separacin de cargas en su interior, que dan lugar a los centros de

    carga a partir de los cuales se han de desarrollar los rayos.

    Uno de los fenmenos que provoca la separacin de las cargas elctricas en el interior de una

    nubes el debido a la electrizacin de las gotas de agua por la accin del campo elctrico que rodea

    a la tierra y que polariza las gotas de agua que van cayendo tal como se indica en al Fig. 8.2.1.

    Esta polarizacin hace que la gota de agua al caer atraiga a los iones negativos y repela a los

    positivos, con lo cual la gota se va cargando negativamente segn avanza en su cada, en tanto

    que en las restante partculas de la nube predominen las cargas positivas. Este proceso de

    distribucin de cargas da lugar a que la parte superior de la nube sea positiva y la inferior

    negativa.

    + + + + + +

    + + + + +

    Fig. 8.2.1.- Separacin de cargas en el interior de una gota de

    agua que cae debido al efecto del campo elctrico.

    Otra de las causas que se plantean como responsables de la separacin de las cargas en el interior

    de la nube es a la electrizacin de las gotas de agua producto de su fragmentacin. La

    fragmentacin de las gotas de agua se debe a la accin de las corrientes de aire ascendentes que

    existen en la cabeza de la nube, tal como se indica en al Fig. 8.2.2. Para una velocidad de la

    corriente de aire ascendente igual o superior a los 8 m/s ninguna gota de agua de dimetro

    superior a 0,25 cm podr caer a travs de ella, ya que para gota de ese tamao o superior la

    velocidad lmite es de 8 m/s, pues debido a la accin del viento ser aplanada hasta su

    desintegracin, proceso mediante el cual, como se ha podido comprobar experimentalmente las

  • 461

    gotas pequeas adquieren cargas positivas y el resto de las partculas adquieren cargas negativas.

    Este proceso de desintegracin se ve ayudado por el hecho de que una gota de agua al caer en un

    campo elctrico es elongada, llegndose hasta su desintegracin para campos de alta intensidad,

    del orden de los 10000 V/cm.

    Las gotas pequeas, producto de la desintegracin descrita, son arrastradas por la corriente de aire

    ascendente, pero como al ascender su velocidad disminuye, las pequeas gotas se recombinan

    formndose gotas grandes cargadas positivamente, las que al caer repiten el mismo proceso

    intensificndose la separacin de cargas. El fenmeno antes descrito da lugar a la distribucin de

    cargas mostrado en las zonas A y B de la Fig. 8.2.2. Para la zona C se plantea que, como en ella

    la temperatura est por debajo de la temperatura de congelacin del agua, en ella slo pueden

    existir cristales de hielo, los que debido al roce con el aire se cargan negativamente mientras que

    las partculas restantes se cargan positivamente. Como se puede apreciar este proceso da lugar a

    que la parte superior de la nube se cargue positivamente y al mismo se le denomina comnmente

    electrizacin de la nube debido al gradiente de temperatura en su interior.

    A

    B

    C

    Fig. 8.2.2.- Separacin de cargas en el interior de una nube debido a la

    desintegracin de las gotas de agua producto de la accin

    del viento.

    Las mediciones efectuadas usando globos y aviones corrobora que la distribucin de cargas es

    similar a la mostrada en la Fig. 8.2.2, pero que los bolsones de carga positiva en la base de la

    nube no slo se presentan en la parte frontal de la misma sino en algunas otras regiones.

    El fenmeno de separacin de las cargas elctricas no se presenta en todos los tipos de nube ni en

    todos los tipos de nubes es posible el desarrollo de los rayos. Desde el punto de vista de su

    comportamiento elctrico las nubes se clasifican en:

    1. Nubes cmulos. Son nubes de buen tiempo. No hay separacin de cargas. Son elctricamente

    inactivas. Estn conformadas por pequeas gotas de agua que al cruzar en su cada el nivel de

    condensacin, se evaporan.

  • 462

    2. Nubes cumulonimbus. Conformadas por cristales de hielo y nieve que facilitan la formacin

    de grandes gotas de agua constituyendo lo que se llama la tormenta incipiente. En ellas hay

    iones positivos e iones negativos pero an sus concentraciones y separaciones no la hacen

    elctricamente activa.

    3. Nubes cumulonimbus elctricamente activas: Son las denominadas nubes de tormenta,

    elctricamente activas. En ellas la concentracin y separacin de iones de signos contrarios, es

    tal que dentro de la misma nube y tambin entre ella y la tierra (por efecto electrosttico se

    inducen en la superficie de la tierra cargas de polaridad contraria a las de la base de la nube de

    tormenta), se forman fuertes campos elctricos.

    Producto del proceso de acumulacin de cargas, en los puntos de ms alta concentracin de

    cargas en el interior de la nube, el potencial va aumentando hasta que alcanza un valor

    aproximado de unos 10 kV/cm, campo elctrico suficiente, dadas las condiciones de presin y

    temperatura existentes en la nube, para iniciar un proceso de ionizacin y con ello el desarrollo de

    un rayo.

    Existen dos tipos de rayos:

    Rayos en bola o esferoidales.

    Rayos lineales.

    El rayo esferoidal es un fenmeno poco frecuente y su estudio en nuestros tiempos es insuficiente.

    En general se plantea que este tipo de rayo surge en un lugar de curvatura o flexin del rayo lineal

    debido a la accin de fuerzas electrodinmicas. Su tiempo de duracin autnoma es breve y su

    desaparicin se acompaa con frecuencia de un fuerte estallido. Su cada sobre los sistemas

    elctricos es poco comn por lo que no constituye una fuente considerable de sobretensiones.

    Los rayos lineales se desarrollan entre dos centros de carga en el interior de la nube o entre sta y

    la tierra.

    Las investigaciones demuestran que el mayor porciento de rayos lineales ocurre entre regiones

    cargadas de una misma nube o entre nubes y que aproximadamente solo del 30-40 % ocurren

    entre nube y tierra. El rayo lineal ms frecuente entre nube y tierra es el de lder escalonado

    descendente negativo, porque las cargas negativas se depositan usualmente en la base de la nube,

    pero tambin hay rayos con lideres descendentes positivo y rayos con lideres ascendentes.

    Rayos de lder escalonado descendente negativo.- La fase de desarrollo de la descarga en los

    rayos escalonado descendente negativo comienza cuando la concentracin de carga local en una

    regin de la nube hace que el gradiente de potencial alcance la tensin de rompimiento del aire.

    Cuando esto ocurre surgen las condiciones para el desarrollo de avalanchas de electrones que se

    aceleran por este campo intenso y dan origen a una zona de ionizacin que se propaga en una

    direccin preponderante que se le denomina descarga gua o lder del rayo (lderes descendentes

    escalonados negativos). El lder normalmente avanza a una velocidad de 1/6 de la velocidad de la

    luz por espacio de unos 50- 60 m, haciendo un alto y emitiendo en su cabeza un haz de luz de

    gran brillantez. El alto es debido a que el rgimen de acumulacin de cargas en la cabeza de la

    descarga gua o lder no es suficiente para mantener el gradiente de tensin necesario para el

  • 463

    desarrollo contino de la descarga. Transcurridos unos 50 S, ya de nuevo el gradiente de tensin

    es suficiente, desarrollndose un nuevo proceso de descarga con caractersticas similares al

    anterior, pero con una direccin por lo general diferente ya que la direccin de avance de la

    cabeza del lder depende de las regiones heterogneas del campo y la estructura de la masa del

    aire y por ello no es estable. A partir de un punto determinado es comn que comiencen a

    desarrollarse dos o ms lideres.

    A medida que el extremo de la descarga se aproxima a la tierra aumenta el nmero de cargas

    positivas inducidas en la superficie y en los objetos en tierra sin embargo el punto de impacto

    permanece indeterminado hasta que el lder se sita a determinada altura. A esta distancia la carga

    inducida por el lder sobre la tierra u objetos en tierra crea un gradiente suficiente para causar el

    rompimiento del aire, comenzando a desarrollarse otro lder, de carga contraria, que avanza en

    busca del lder descendente. En el instante en que se establece el contacto entre ellos ha finalizado

    la etapa de desarrollo inicial comenzando la etapa de la descarga principal.

    Al establecerse el contacto se ha formado ya un paso altamente ionizado entre los dos centros de

    carga a travs del cual fluye una alta corriente. En el momento de contacto las cargas positivas

    escapan de la tierra y de los objetos en tierra a travs del camino altamente ionizado de la

    descarga gua neutralizando la carga volumtrica negativa depositada alrededor del canal y la de

    la propia nube. Tal suceso caracteriza una propagacin que se mueve de la tierra a la nube a una

    velocidad de aproximadamente 1/10 de la velocidad de la luz denominada descarga principal o

    descarga de retorno. La viva luminiscencia de la descarga principal se percibe a simple vista

    como una llamarada; el rpido desplazamiento del gas por el calentamiento debido a la corriente

    del estadio principal y su posterior enfriamiento y comprensin da lugar a una onda acstica: el

    trueno.

    Por el camino altamente ionizado de la descarga principal, y despus que se puede considerar que

    sus efectos fundamentales han cesado, se mantiene circulando una corriente del orden de los

    100-1000 A por espacio de unos 20000 s, la que mantiene el paso con un alto grado de

    ionizacin; esto permite que de otro centro de carga de la nube se desarrolle otro lder que dar

    lugar a un nuevo rayo. El desarrollo del lder de esta nueva descarga es de la misma naturaleza

    que el original, pero se desarrolla en forma contina debido a la ionizacin existente en el canal

    de descarga formado por el primer rayo por lo que se le denomina lder flecha. En la Fig. 8.2.3 se

    puede apreciar la representacin esquemtica del proceso antes descrito.

    El proceso de desarrollo del gua de la primera descarga es de unos 20000 s, en tanto que el

    desarrollo de la descarga principal es del orden de los 100 s proceso durante el cual es

    neutralizada la carga del paso ionizado y la carga restante en la nube. La corriente en el gua es

    del orden de los 100 A, en tanto que para la descarga principal dicha magnitud flucta entre los

    1000 y los 200000 A, la que disminuye para las descargas consecutivas. El intervalo de tiempo

    entre descargas flucta entre 0,0006 y 0,5 segundos, siendo el tiempo ms usual del orden de los

    0,3 segundos.

    Se estima que alrededor del 90 % de las descargas atmosfricas son rayos con lderes

    descendentes de polaridad negativa por lo cual constituyen la fuente fundamental de las

    sobretensiones externas en los sistemas elctricos.

  • 464

    Rayos de lder escalonado descendente positivo.- Los rayos lineales con lideres descendentes

    escalonados positivos se desarrollan de igual forma que los negativos pero a partir de la parte de

    la nube cargada positivamente. Se caracterizan por una mayor amplitud y duracin de la corriente

    respecto a rayos de lderes descendentes escalonados negativos y por ausencia de descargas

    consecutivas.

    Las investigaciones demuestran que las descargas positivas estn relacionadas principalmente a

    rayos lineales con lderes ascendentes y que estos ocurren principalmente para estructuras muy

    altas o estructuras ubicadas en regiones muy altas.

    Rayos de lder escalonado ascendente.- Un efecto importante de los objetos sobre la superficie de

    la tierra es la posibilidad del desarrollo de lideres escalonados ascendentes a partir de objetos de

    gran altura. Los rayos lineales con lideres escalonados ascendentes ocurren en regiones elevadas y

    en objetos de gran altura, fundamentalmente de altitud de 100 m o ms. En este caso la descarga

    gua comienza desde altas concentraciones de cargas en la tierra u objetos en tierra, hacia arriba,

    en la direccin de los centros de carga en las nubes.

  • 465

    Fig. 8.2.3.- Proceso de desarrollo de los rayos.

    Se caracterizan en la fase de descarga principal, por una mayor duracin y una menor amplitud de

    la corriente (en el orden de algunos kA) respecto a rayos con lderes descendentes escalonados

  • 466

    negativos. En las descargas consecutivas el lder se desarrolla de la nube a la tierra tal y como un

    rayo de lder descendente.

    Para los objetos de altura de alrededor de 100 m ubicados en regiones llanas, el 7 % de los

    impactos son de este tipo, para alturas de los objetos de alrededor de los 200 m aumenta hasta el

    25 %, para alturas de los objetos mayores de 380 m alcanza el 96 %. En regiones elevadas, el

    nmero de rayos de este tipo que impactan, incluso objetos no altos, es cercana al 15 % del

    nmero total de impactos.

    Las investigaciones demuestran que las descargas positivas estn relacionadas principalmente a

    rayos lineales con lderes ascendentes.

    Como se plante anteriormente un rayo a tierra, tanto de lder ascendente como de lder

    descendente, frecuentemente incluye un proceso de descargas mltiples. Estas pueden

    desarrollarse de dos formas:

    Despus de la descarga de retorno (descarga principal), por el camino an ionizado se

    suceden desde otra regiones cargadas de la misma nube, una o ms descargas a tierra que

    en cualquier caso (lder inicial ascendente o descendente) se desarrollan con lder

    ininterrumpido de la nube a la tierra para golpear el mismo punto en que incide la descarga

    principal.

    Aquellas que tienen diferentes puntos de terminacin en la tierra. Estas pueden ser

    originadas por ramificaciones al final del camino ionizado que conducen a que la descarga

    principal ocurra en varios puntos (rayos de races ramificadas) o pueden involucrar una

    sucesin de descargas espacialmente separadas (rayos complejos) que aunque ocurren a

    intervalos comparables a los de las descargas descritas en el punto anterior, tienen

    aparentemente, lderes guas independientes y pueden terminar a varios kilmetros del

    punto de incidencia de la descarga principal.

    La primera forma agrupa alrededor del 90 % de las descargas mltiples que en lo adelante se

    designan como descargas sucesivas y el resto, el 10 % corresponde al segundo grupo.

    El conocimiento de las caractersticas de las descargas sucesivas es importante para la operacin

    adecuada de los sistemas elctricos de potencia porque ellos pueden someterse a un grupo de

    descargas dentro de un intervalo muy corto y por tanto sus dispositivos de proteccin deben estar

    diseados para estas contingencias. Por ejemplo, los pararrayos deben ser capaces de operar

    sucesivamente de forma exitosa con intervalos de tiempo muy cortos.

    Los estudios realizados indican que el 55 % de los rayos negativos a tierra tienen descargas

    sucesivas. En el 90 % de los casos el nmero de descargas sucesivas no excede el valor de 8

    aunque se han registrado valores de hasta 30. Su valor medio es 3, sin excluir la posibilidad de

    que este valor sea superior en regiones cercanas al Ecuador.

    Los rayos positivos agrupan alrededor del 10 % de los rayos a tierra y su nmero de descargas

    sucesivas rara vez excede el valor de 6. Su valor medio es 1 por lo que para los propsitos de

    ingeniera se asumen como rayos de un slo golpe.

  • 467

    8.2.3.- INTENSIDAD DE LAS TORMENTAS ELECTRICAS.

    En general la actividad de la tormenta crece del Polo al Ecuador, existiendo dependencia de la

    actividad del sol y el relieve del terreno y es mayor en tiempo de huracanes. Coexisten en el

    mundo dos indicadores para evaluar este parmetro: el nivel cerunico y la densidad de rayos a

    tierra.

    El nivel cerunico, primer indicador establecido, y ampliamente utilizado todava, es un indicador

    indirecto que expresa la cantidad de das tormenta al ao (Td) de la regin y acostumbra a darse

    para un pas segn el Mapa de Niveles Isocerunicos (curvas de nivel de igual cantidad de das

    tormentas al ao).

    Sus principales imprecisiones se deben a su forma de obtencin y al necesario establecimiento de

    una relacin emprica entre los das tormentas y el nmero total de rayos a tierra. Para obtener el

    nmero de das tormentas al ao se utilizan las observaciones que se realizan desde las estaciones

    meteorolgicas donde se toma como da de tormenta, aquel en que el observador note aunque

    solo sea un relmpago o trueno. De esta manera no se discrimina entre los rayos nube a nube y

    los rayos nube a tierra.

    La densidad de rayos a tierra (Ng) es un indicador directo, actualmente el ms preciso para

    caracterizar la actividad de tormenta en una regin. Expresa la cantidad de rayos en una superficie

    de tierra de un km2 en el tiempo de un ao. Su obtencin ha sido posible por el desarrollo de los

    contadores de rayo que, como pueden discriminar las descargas nube a nube de las descargas

    nube a tierra, permiten obtener, directamente por medicin, la cantidad de rayos a tierra en la

    regin que abarca su radio de cubrimiento (20 a 40 km.).

    La informacin que se obtiene en una regin del uso de estos contadores en un ciclo solar permite

    definir las curvas de isodensidad de rayos a tierra que se utilizan en sustitucin de las curvas de

    niveles isoceranicos.

    La expresin que relaciona la densidad de rayos a tierra con el nmeros de das tormentas en

    terrenos planos es la siguiente:

    25,1

    dg T044.0N 8.2.1

    Donde:

    Ng - Nmeros de rayos a tierra /km2/ao.

    Td - Das tormenta al ao.

    8.2.4.- CARACTERISTICAS DE LA CORRIENTE DE LOS RAYOS.

    La magnitud de la corriente en los rayos es uno de los factores ms importantes a la hora de

    analizar las caractersticas de los equipos y sistemas de proteccin contra los mismos. Tal como

    se muestra en la Tabla 8.2.1, slo un 20 % aproximadamente de los rayos exceden los 40 kA.

  • 468

    Las amplitudes de las corrientes asociadas a las descargas atmosfricas se expresan segn la

    funcin de distribucin de probabilidades de ocurrencia de sus valores. La ley que rige la funcin

    de distribucin se obtiene de un grupo de mediciones estadsticamente validadas de este

    parmetro.

    Las tres distribuciones ms importantes que aparecen en la literatura son:

    La Distribucin de la AIEE, 1950.

    La Distribucin de F. Popolansky, 1972.

    La Distribucin de R.B. Anderson y A.J. Eriksson, 1978.

    La Distribucin de la AIEE es una de las primeras distribuciones de probabilidad utilizada para

    reproducir estadsticamente las magnitudes de corriente de las descargas atmosfricas. Su forma

    se muestra en la Fig. 8.2.4.

    La Distribucin de F. Popolansky es el producto de un estudio detallado de mediciones de

    corrientes de rayos realizadas en Checoslovaquia, Polonia, Suecia, Gran Bretaa, Australia,

    Estados Unidos y otros pases. Se corresponde con una distribucin log-normal que se describe

    segn la expresin 8.2.2.

    dPIrlog

    ImlogIrlog

    2

    1exp(

    Ir

    1

    Irlog2

    1IrP

    Ir

    0

    8.2.2

    Donde:

    P(Ir)-Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.

    Ir - Magnitud de la corriente del rayo en kA.

    Im = 25 kA: (Mediana de la distribucin).

    Log Ir - Desviacin media cuadrtica del logaritmo de la corriente del rayo.

    La Distribucin de R.B. Anderson y A.J. Eriksson es una versin de la distribucin de F.

    Popolansky derivada de considerar, solo aquellas mediciones de corriente del rayo obtenidas en

    estructuras de alturas menores a 60 m. Tal restriccin permite obtener una distribucin que se

    ajusta ms a los datos necesarios para los estudios del diseo y comportamiento ante rayos de las

    lneas areas elctricas de transporte de energa (tienen alturas de estructuras promedios inferiores

    a 60 m).

    Esta versin es tambin una distribucin log-normal. En este caso los parmetros de la

    ecuacin son: Im = 30 kA y Log Ir = 0.32.

    Para fines prcticos esta distribucin puede estimarse aproximadamente mediante la ecuacin

    8.2.3.

    b

    m

    r

    r

    I

    I1

    1)I(P

    8.2.3

    Donde:

  • 469

    )Ir(P - Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.

    Ir- Magnitud de la corriente del rayo en kA.

    Im = 30 kA (Mediana de la distribucin).

    b = 2.6

    Tabla 8.2.1.- Corriente en los rayos.

    Corriente

    en kA

    Nmero de rayos

    Positivo Negativo Total

    # % # % # %

    Hasta 10 65 52,4 172 20,02 237 24,1

    10 - 20 24 19,3 194 22,6 218 22,2

    20 - 30 9 7,3 177 20,1 186 18,9

    30 - 40 6 4,8 115 13,4 121 12,3

    40 - 50 5 4,0 84 9,8 89 0,1

    50 - 60 5 4,0 41 4,8 46 4,7

    60 - 70 3 2,4 22 2,7 25 2,5

    70 - 80 2 1,6 14 1,6 16 1,6

    80 - 90 1 0,8 13 1,5 14 1,4

    90 - 100 0 5 0,6 5 0,5

    100 - 110 1 0,8 8 0,9 9 0,9

    110 - 120 - 2 0,2 2 0,2

    120 - 130 - 4 0,5 4 0,4

    130 - 140 1 0.8 2 0.2 3 0.3

    140 - 150 - 3 0.3 3 0.3

    150 - 160 - 2 0.2 2 0.2

    160 - 170 - - -

    170 - 180 1 1 0.1 2 0.2

    400 1 - - 1 0.1

    Total 124 859 983

    Esta ecuacin es bastante aproximada en la gama de 5 a 200 kA que constituye el rango hasta el

    mximo valor de corriente del rayo obtenido por medicin. Se reportan en la literatura valores de

    hasta 350 kA pero son obtenidos indirectamente por el anlisis de las caractersticas de

    deformacin de los conductores de cobre en las antenas de televisin.

    Las formas de onda de las descargas atmosfricas, al igual que las amplitudes de la corriente, se

    describen segn la funcin de distribucin de probabilidades de ocurrencia. La distribucin de

    R.B. Anderson y A.J. Eriksson es la ms representativa hasta el momento y la misma est dada

    por:

  • 470

    24

    dt

    dI

    1

    1IP

    rr 8.2.4

    Donde:

    P ( Ir ) - Probabilidad de que cualquier rayo exceda el valor td

    dIr.

    td

    dIr - Valor mximo especificado en kA/ s.

    Fig. 8.4.2.- Distribucin de la AIEE

    8.2.5.- EFECTO SOBRE LOS RAYOS DE LOS OBJETOS SOBRE LA SUPERFICIE DEL

    TERRENO.

    Cuando el de lder un rayo comienza a descender de la nube no se sabe exactamente donde va a

    caer, y la mayor parte de la trayectoria est determinada por circunstancias ms o menos

    accidentales como es el estado de ionizacin del aire a lo largo de su ruta. Cuando el gua se

    acerca a la tierra el campo entre l y la tierra se hace ms y ms intenso, sin embargo, el punto de

    impacto permanece indeterminado. Segn los estudios realizados se ha determinado que el lder

    comienza a cambiar su direccin, en busca de un objeto dado, desde un punto definido por

  • 471

    encima de la superficie de la tierra, decidindose entonces donde va a caer. La altura a la que se

    encuentra dicho punto se le denomina radio de atraccin de los objetos en tierra o altura de

    orientacin del rayo y la misma, en funcin de la altura del objeto, est dada por la ecuacin de

    Eriksson:

    6,0

    a h14r 8.2.5

    Por lo antes expuesto queda claro que un objeto de una altura determinada sobre el nivel de la

    tierra atraer hacia s el lder y con ello, en una regin y con una probabilidad dada determinar el

    lugar donde impactar el rayo.

    Otros autores relacionan el radio de atraccin de los objetos en tierra o altura de orientacin del

    rayo con la corriente del mismo tal como se indica en las expresiones 8.2.6 (expresin de

    Whitenhead) y en la expresin 8.2.7 (expresin de Anderson).

    8,0

    a Ir7,6r 8.2.6

    65,0

    a Ir8r 8.2.7

    En estas expresiones la corriente del rayo se expresa en kA y el radio en metro. Es a partir de este

    radio que el punto de impacto puede determinarse por consideraciones geomtrica usando el

    modelo electrogeomtrico. En sus fundamentos bsicos este modelo supone que la intensidad

    media de ruptura en el espacio de aire es constante, por la cual la descarga ocurre siempre por la

    distancia ms corta, lo que conduce al rayo a golpear el objeto en tierra ms prximo a l.

    Para evaluar con este modelo de desarrollo de la descarga, y determinar el grado de proteccin

    que brida, por ejemplo, un pararrayos de Franklin a un objeto dado cercano es suficiente dibujar

    desde la cspide de ambos, superficies esfricas de radios rS y trazar una paralela a tierra a esta

    misma distancia en el plano horizontal como se indica en la Fig. 8.2.5.

    En el grfico se observa que existe determinado arco AB de la superficie esfrica trazada a partir

    del objeto que delimita su interseccin con la superficie esfrica trazada desde el pararrayos y la

    paralela a la tierra, de manera que queda por encima de ambos. A esta regin se le denomina zona

    de cubrimiento o cierre del objeto, y es aquella en la cual la descarga del rayo ocurre siempre

    sobre l sin que sea interceptado por otro objeto, el pararrayos o la tierra en este caso.

    8.2.6.- MEDIOS DE PROTECCION CONTRA RAYOS.

    El objetivo bsico que se plantean todos los medios de proteccin contra rayos es el de limitar los

    efectos de las altas corrientes que los acompaan, por lo que es necesario buscarle un paso de baja

    impedancia a tierra a fin de limitar, a valores permisibles, las sobretensiones que puedan aparecer

    producto de la circulacin de esta corriente.

    El cumplimiento del objetivo antes sealado se logra de las siguientes formas:

    Predeterminando el lugar donde debe caer el rayo, lo que se logra mediante el

    apantallamiento del objeto a proteger.

  • 472

    Situando en paralelo con los equipos a proteger dispositivos que sean capaces de limitar a

    valores permisibles las sobretensiones que puedan aparecer producto de la alta corriente

    del rayo.

    Adems de lo antes sealado es necesario, para garantizar una proteccin adecuada contra los

    efectos de las altas corrientes de los rayos, que la circulacin de la corriente de la descarga se

    efecte a travs de un paso de baja impedancia. De no cumplirse esta condicin se pueden

    presentar fallos en el aislamiento y accidentes fatales debido a que el potencial del punto

    supuestamente protegido aumenta por encima de lo permisible. Un ejemplo tpico se tiene en el

    caso mostrado en la Fig. 8.2.6, en la cual se puede apreciar un rayo haciendo impacto en una

    estructura de una lnea area. Si se considera un rayo de 20 kA que tenga una razn de

    crecimiento de 10 kA/s y que la inductancia de la estructura es de 10 H y la resistencia de

    puesta a tierra es de 5 la tensin que aparecer en el extremo superior de la estructura esta dado

    por:

    dt

    dILRIU 8.2.8

    rs

    AB

    rsrs

    rs

    ObjetoPararrayos

    Fig. 8.2.5.-Modelo electrogeomtrico.

    Si se sustituyen en la expresin 8.2.8. los valores antes sealados se tiene que la tensin en el

    extremo superior de la estructura es de 200000 V. Si se trata de un sistema en el cual el nivel

    bsico de aislamiento ante impulsos tipo rayo es de 110 kV, como es el caso de algunos sistemas

    de distribucin, la diferencia de potencial aplicada al aislamiento de la lnea es superior a lo

    permisible y se establecer una descarga disruptiva entre el poste y la lnea, lo que provoca una

    falla en el sistema. Casos similares a este se pueden presentar en cualquier tipo de instalacin, en

    los cuales pueden ocurrir accidentes mortales, si al circular la corriente del rayo por el sistema de

    puesta a tierra el potencial de ste aumenta tanto que se presentan flameos laterales o si la tensin

    de paso alcanza valores extremadamente altos.

  • 473

    Los equipos que se emplean para la proteccin contra los rayos son:

    Los mstiles.

    Los cables protectores.

    Los descargadores.

    Los pararrayos.

    Los dos primeros basan su operacin en el principio del apantallamiento y los otros dos en la

    limitacin de la tensin que puede aparecer en un equipo producto de un rayo, por lo que se sitan

    en paralelo con ellos.

    8.3.- PROTECCION DE EDIFICIOS Y DE INSTALACIONES GENERALES.

    8.3.1.- INTRODUCCION.

    La proteccin de edificios y de instalaciones generales contra rayos se basa en el principio del

    apantallamiento, y se realiza por medio de pararrayos. Se emplean diferentes tipos de pararrayos

    con este fin pero todos ellos tienen en comn el establecimiento de un camino de baja impedancia

    que facilite el paso de la corriente y que permita, de la forma ms sencilla posible, la descarga a

    tierra del rayo.

    R

    Fig. 8.2.6.- Descarga inversa en una cadena de aisladores.

    Bsicamente los pararrayos se dividen en dos tipo: los activos y los pasivos. Los pararrayos

    activos son los que tratan de facilitar el camino del lder positivo que sale de la tierra,

    dirigindolo o provocando un camino de baja impedancia. Actan con el gradiente electrosttico

    de la atmsfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que el rayo incida

    en ese punto, convirtindose en un elemento preventivo, adems, el encuentro entre el lder

    positivo y negativo se realiza a mayor altura alejando con ello el punto de mayor temperatura

    durante la descarga del rayo.

  • 474

    Los pararrayos pasivos descargan el terreno donde estn instalados nicamente por el efecto

    punta, por lo que materialmente esperan el rayo para disiparlo a tierra, teniendo por tanto una

    mayor probabilidad de impacto.

    Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la proteccin de un edificio o instalacin

    estar formado por los siguientes elementos bsicos.

    1. Un elemento receptor colocado en la parte ms alta de la instalacin. Puede estar constituido

    por puntas metlicas o conductores dispuestos de varios modos segn las caractersticas y

    dimensiones de la instalacin a proteger.

    2. Conductor a tierra que puede estar formado por dos o varios conductores y tiene la misin de

    transportar a tierra la corriente del rayo. Debe seguir el camino ms corto a tierra pasando por

    la parte exterior y poseer la menor impedancia posible.

    3. Sistema de puesta a tierra a travs del cual se distribuir la corriente del rayo.

    8.3.2.- PARARRAYOS PASIVOS.

    Como se planteo anteriormente los pararrayos pasivos son los que no descargan el terreno donde

    estn situados y entre ellos los ms significativos estn:

    El pararrayos de Franklin.

    Los pararrayos de jaula.

    El pararrayos de Melsens

    Los hilos de guarda

    Pararrayos de Franklin.- Benjamin Franklin, a quien se le atribuye el invento, coloco su primer

    pararrayos en Filadelfia, en el ao 1760. Su pararrayos estaba formado por una barra cilndrica de

    tres metros de altura y un dimetro de trece milmetros. El receptor colocado verticalmente y

    terminado en una punta muy aguda estaba conectado a tierra mediante un conductor de hierro.

    Este tipo de pararrayos se ha usado mucho y an se contina usando en la actualidad.

    El conjunto descrito da lugar a un efecto punta pronunciado, lo que hace que, independientemente

    del carcter errtico de los rayos, la probabilidad de que un rayo caiga dentro de un rea

    determinada alrededor de l sea muy pequea. En general se puede plantear que el rea de

    proteccin se obtiene formando un cono que tenga como vrtice el punto ms alto del pararrayos

    y cuyos lados formen con l un ngulo dado, conocido como ngulo de proteccin, tal como se

    muestra en la Fig. 8.3.1. Para las construcciones civiles el mximo ngulo permisible es de 45.

  • 475

    r0

    Fig. 8.3.1.-Zona de proteccin de un mstil.

    La superficie del cono posee el grado mnimo de seguridad, a medida que se avanza hacia el

    interior se incrementa la seguridad contra impactos directos. Para edificaciones, con un ngulo de

    proteccin de 45, se definen dos tipos de zonas: la A que posee un grado de proteccin del

    99.5 % y ms y la B que lo tiene del 95 % y ms.

    La zona de proteccin de un pararrayos individual de m150h est constituido por un cono de

    altura hh0 , en el cual la seccin horizontal de la zona de proteccin a la altura xh del objeto

    protegido es un crculo de radio xr , tal como se muestra en la Fig. 8.3.2. En este caso las zonas de

    proteccin tienen las siguientes dimensiones.

    Zona A. Zona B

    A85,0h0 A92,0h0

    hh1,1r0 h5,1r0

    85,0

    hhh02,01,1r xx

    92,0

    hh5,1r xx

  • 476

    r0

    h h0

    hx

    rx

    Lmite de la zona

    de proteccin a

    nivel de la tierra

    Lmite de la zona

    de proteccin al

    nivel hx

    Fig. 8.3.2.- Zonas de proteccin de un pararrayo de Franklin.

    Evidentemente a medida que se avanza hacia el pararrayos el apantallamiento, para un objeto de

    una altura dada, es ms efectivo por lo que el grado de proteccin contra un impacto directo ser

    mayor. Ahora bien, lo ms correcto es mantener el objeto a proteger a una distancia tal del

    pararrayos que no exista la posibilidad de que sea alcanzado por un flameo lateral, en el caso de

    una alta resistencia de puesta a tierra o que sta se haga a travs de una conexin de alta

    impedancia. El caso de las personas debe tambin considerarse la tensin de paso.

    La eficiencia de este tipo de pararrayos disminuye con la altura en una forma similar a la de los

    cables protectores como se ver posteriormente.

    Pararrayo de jaula.- Como se conoce, cualquier cuerpo situado en el interior de una envoltura

    metlica cerrada y conectada a tierra no siente los efectos de ningn fenmeno elctrico que

    ocurra en su exterior, o en la superficie metlica de dicha envoltura, por intenso que ste sea.

    Esta disposicin da por lo tanto la idea de lo que sera un pararrayos ideal.

    As un edificio con revestimiento exterior metlico conectado firmemente a tierra queda

    protegido contra todo tipo de rayos. Se obtienen tambin resultados similares si la cubierta

    metlica es sustituida por una malla o red de conductores. En la prctica, por razones econmicas

    y estticas lo que se emplea es una red en la parte superior y un nmero determinado de bajantes

    a tierra.

    Pararrayos de Melsens. Este pararrayos en sus inicios (1875) estaba constituido por una malla de

    conductores situados en la parte superior de las edificaciones a la cual estaban conectadas

    diferentes puntas, todas reunidas en un haz sobre una barra. En la actualidad este sistema se

    reduce a un conductor que corre a lo largo de todos los pretiles de las edificaciones con puntas

    situadas cada 3 o 6 metros, en dependencia de lo normado para la regin de que se trate.

  • 477

    Hilos de guarda.- Los hilos de guarda se emplean en edificaciones de baja altura y su operacin se

    basa en el apantallamiento del objeto a proteger, aumentando el grado de proteccin que brindan

    a medida que se considera un ngulo de proteccin menor. En ellos el empleo de un buen sistema

    de puesta a tierra es imprescindible ya que los potenciales inducidos en ellos por descargas

    cercanas son de consideracin.

    8.3.3.- PARARRAYOS ACTIVOS.

    Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar dos modelos bsicos el radioactivo y el de

    efecto corona.

    Pararrayos radioactivos. - El hngaro Szillar fue el primero que pens en la aplicacin de

    materiales radioactivos para provocar una excitacin artificial de la atmsfera y una produccin

    de iones con fines de proteccin contra los rayos. Para ello fabric un pararrayos formado por una

    barra de cuatro metros de altura encima de la cual coloc 2 mg de bromuro de radio. Las

    observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos llevaron a la comprobacin

    de que la cantidad de iones emitidos por este tipo de pararrayos era muy superior a la de una

    punta normal. Los estudios del profesor Szillar permanecieron durante mucho tiempo privados de

    aplicaciones prcticas por dos razones fundamentales:

    1. A pesar de que la emisin de iones es mayor que la de una punta normal de pararrayos

    sistema Franklin, la cantidad de electricidad que este pararrayos es capaz de disipar en la

    atmsfera sigue siendo insuficiente para lograr una accin preventiva eficaz.

    2. La necesidad de emplear material radioactivo costoso hacia este pararrayos de escaso

    inters prctico.

    Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producidos por el pararrayos radioactivos, y limitar

    simultneamente la cantidad de material radioactivo necesario, aplicando al pararrayos un

    dispositivo de aceleracin cuyo funcionamiento se basa en el gradiente de campo elctrico que

    existe entre la tierra y el medio circundante y que se incrementa muchisimo cuando una nube

    cargada est situada sobre el pararrayos.

    La funcin especfica del pararrayos radioactivo es producir un elevado nmero de iones y

    dirigirlos hacia arriba evitando que se acumule carga en el terreno donde est instalado, con el fin

    de evitar el lder positivo o la atraccin del lder negativo del rayo. El principio de su

    funcionamiento es el siguiente: las partculas radioactivas altamente energticas ionizan el aire

    produciendo una cantidad determinada de electrones los que, debido a la accin del campo

    elctrico producido por el dispositivo de aceleracin, alcanzan la energa necesaria para producir

    ionizacin por choques, ellos son atrados por la parte del pararrayos conectado a tierra

    neutralizando cargas positivas en el mismo y disminuyendo por tanto su potencial y su capacidad

    de atraccin.

    Una desventaja de estos pararrayos es que las partculas ionizadas que quedan en el aire son

    susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes direcciones, hasta el punto de que la

    zona ionizada por el pararrayos puede considerarse como una nube que tiene un extremo

    constante unido a la punta del pararrayos pero de forma y dimensiones variables en dependencia

  • 478

    de la fuerza y direccin del viento. Este fenmeno puede afectar otra de las ventajas de este tipo

    de pararrayos que es, debido precisamente a la accin de esta nube inica, alejar el punto de

    contacto entre le lder descendente negativo y el lder ascendente positivo, punto de disrupcin

    del rayo, considerado el punto ms caliente de la descarga.

    El ngulo de proteccin que puede llegar a generar este tipo de pararrayos es de hasta 75.

    Entre los materiales radioactivos que se usan est el radio 226 con vida media de 1600 aos y

    emisiones alfa de 4,5 MeV y el americio 241 con vida media de 433 aos y emisin alfa de 5,5

    MeV, ambos con poca penetracin por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con

    una proteccin muy delgada para obtener una mejor ionizacin.

    La limitacin fundamental que tienen estos pararrayos es la que se deriva del empleo de

    sustancias radioactivas, lo que plantea un problema serio para su empleo y sobre todo para el

    tratamiento que hay que darles cuando se retiren.

    Pararrayos de efecto corona.- El pararrayos de efecto corona es otro tipo de pararrayos activo, que

    evita la acumulacin de cargas elctricas en el lugar donde esta instalado, jugando en este caso el

    papel fundamental el dispositivo de aceleracin. Para hacer ms eficiente este tipo de pararrayos

    en el diseo del acelerador se procuran bordes ms pronunciados para facilitar el proceso de

    ionizacin.

    Con este tipo de pararrayos se obtiene ngulos de proteccin de hasta 60 y se pueden usar solos o

    cumpliendo la funcin de las puntas en el pararrayos de Melsens o el de jaula de Faraday. En

    estos casos descargan a todo el sistema de pararrayos en su conjunto.

    En la actualidad existen tambin diferentes tipos de pararrayos electrnicos que aprovechando el

    gradiente de potencial atmosfrico almacenan cargas en un capacitor y con dicha energa y con el

    dispositivo adecuado generan efluvios de alta velocidad de penetracin desplazando el punto de

    disrupcin del rayo a una altura considerable.

    8.4.- PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION DE ENERGIA ELECTRICA.

    8.4.1.- INTRODUCCION.

    Las sobretensiones que aparecen en las lneas areas debido a los rayos pueden ser:

    Por la incidencia directa del rayo en los conductores.

    Por induccin.

    Por la incidencia directa del rayo en la estructura.

    Por la incidencia directa del rayo en el cable protector.

    El efecto del incidencia directa de un rayo sobre un conductor cualquiera de una lnea area,

    equivale a la inyeccin de una corriente que se propaga en ambas direcciones, tal como se indica

    en la Fig. 8.4.1, generando una onda de tensin que est dada por:

    2

    ZIU rr 8.4.1

  • 479

    I / 2I / 2

    I

    Fig.8.4.1.- Circulacin de la corriente de un rayo al impactar a

    un conductor areo.

    Tomando como valor promedio de la impedancia caracterstica de una lnea 400 y una

    corriente de 20 kA, valor de corriente frecuente en los rayos segn se puede ver en la Tabla 8.2.1,

    la sobretensin a que estar sometido el aislamiento, segn la expresin 8.4.1, es de 4 MV.

    Segn los clculos anteriores se puede ver claramente que los impactos directos provocan

    sobretensiones de tal magnitud que, para evitar las fallas por esta causa, se requiere de un nivel de

    aislamiento extraordinariamente altos siendo mucho ms econmico y tcnicamente factible

    proteger a la lnea contra los impactos directos mediante su apantallamiento empleando cables de

    proteccin.

    Adems, cuando un rayo impacta una de las fases de un circuito trifsico en las otras dos fases se

    inducen sobretensiones de polaridad contraria, pero de tal magnitud, que pueden llegar a provocar

    fallas en ellas.

    Cuando un rayo cae cerca de una lnea area, en ella aparece una sobretensin por induccin que

    es la causante de la inmensa mayora de las interrupciones por rayos en las lneas de distribucin,

    por el relativamente bajo nivel de aislamiento, y por que la forma de onda generalmente presenta

    un frente mucho ms pendiente. La baja frecuencia de ocurrencia de impactos directos es debido a

    la relativamente baja altura de estas lneas y al apantallamiento natural que le brindan los rboles,

    las edificaciones y en muchas ocasiones otras lneas areas de mayor nivel de tensin.

    El mecanismo de induccin de la tensin en una lnea elctrica producto de un rayo cercano es

    mucho ms compleja. La tensin inducida en un punto de una lnea area producto de un rayo a

    tierra en su cercana tiene dos componentes:

  • 480

    1. La debida a la induccin electrosttica en la lnea.

    2. La debida a la induccin entre lnea y tierra producto de la variacin del campo magntico

    producido por la corriente de la descarga principal del rayo.

    Cuando un rayo cae cerca de una lnea area, en sta aparece una sobretensin debido a las cargas

    inducidas en la lnea por el campo elctrico entre la tierra y la nube. El fenmeno puede

    explicarse sobre la base de la Fig. 8.4.2 en la cual se indica esquemticamente una nube cargada

    sobre un conductor, el que est a una altura h sobre la superficie de la tierra. El conductor

    adquiere con respecto a la tierra un potencial dado aproximadamente por :

    hEU 8.4.2

    +

    + + + + + +

    +

    + + + + + +

    +

    Fig. 8.4.2.- Induccin de cargas en una lnea debido a la cada de un

    rayo cerca de ella.

    Las cargas inducidas originalmente en el conductor son +Q y -Q, pero las cargas negativas fluyen

    a tierra quedando el conductor cargado positivamente tal como se indica en la Fig. 8.4.2 y tan

    pronto como la nube descarga a tierra la carga ligada se libera en forma de onda de tensin en

    ambos sentidos. En las lneas trifsicas las ondas as producidas tienen la misma polaridad y

    aproximadamente la misma amplitud y forma.

    Otro fenmeno a considerar es el campo elctrico que surge en la lnea debido a la variacin del

    campo magntico de la corriente del rayo y que resulta fundamental en cuanto a la tensin

    inducida, la que tienen dos componentes: una vertical y una horizontal. Los rayos adyacentes a

    una lnea provocan tensiones inducidas debidas fundamentalmente a la componente vertical del

    campo elctrico y las cercanas a un extremo de la lnea provocan tensiones inducidas debido

    fundamentalmente a la componente horizontal del campo elctrico.

  • 481

    El valor pico de las ondas de tensin que aparecen en las lneas casi nunca excede los 400 kV por

    lo que ellos son capaces de producir fallas en el aislamiento de las lneas de distribucin, slo

    raras veces en las lneas de 34,5 kV y prcticamente nunca en las lneas de transmisin.

    8.4.2.- CABLES DE PROTECCION.

    El grado de proteccin contra los impactos directos de los rayos a una lnea de transmisin

    depende del grado de apantallamiento que le brinde la estructura y fundamentalmente el cable

    protector. El nmero de rayos que impactan a las estructuras disminuye apreciablemente cuando

    las lneas usan cables protectores tal como se muestra en la Tabla 8.4.1.

    Tabla 8.4.1. - Distribucin de los rayos entre las estructuras y las lneas.

    Nmero de

    impactos

    Nmero de cables protectores

    0 1 2 3

    % % % %

    Estructuras 86 53 223 34 28 21 3 9

    Lneas 75 47 432 66 107 79 29 91

    Total 161 100 655 100 135 100 32 100

    La diferencia fundamental entre el caso en que el rayo impacta a la estructura y el caso en que

    impacta al cable protector est dado por la distribucin de la corriente del rayo por los pasos a

    tierra que existen en la lnea. La distribucin de la corriente se muestra en la Fig. 8.4.3.

    Cuando el rayo impacta a la estructura el 60 % de su corriente baja a tierra por ella y la

    sobretensin inversa que tendr que soportar el aislamiento de las fases de la lnea est dado por

    el producto de esta corriente por la impedancia total de puesta a tierra, ZI6.0U r . En el caso de

    que el rayo impacte el cable protector por las estructuras adyacentes ms cercanas solo bajar a

    tierra el 35 % de la corriente del rayo, en este caso la tensin inversa que tiene que soportar el

    aislamiento de las fases es de ZI35.0U r , la que es menor que la del caso anterior en un 25 %.

    Por esta razn es que se plantea que la primera condicin es la ms severa para el aislamiento que

    soporta la lnea.

    Si se analiza el aislamiento en aire que existe entre el cable protector y los conductores de las

    fases se ve que ocurre todo lo contrario. En este caso, cuando el rayo impacta en la estructura la

    mxima tensin que aparece entre estos dos conductores es de ZIU r35.0 , mientras que de

    que el rayo impacte en el centro del tramo esta tensin es de ZI5.0U r

    La eficacia de la proteccin que contra los impactos directos brinda el cable protector y la

    estructura depende de los siguientes factores:

    Altura y ngulo de proteccin del cable protector.

    La impedancia caracterstica del cable protector.

    La impedancia caracterstica del bajante a tierra.

    La impedancia caracterstica del sistema de puesta a tierra.

  • 482

    Caractersticas del aislamiento que soporta a los conductores de las fases.

    Espaciamiento entre los conductores de las fases y el cable protector.

    Caractersticas mecnicas del cable protector.

    5 % 15 % 60 % 15 % 5 %

    Conductor Protector

    5 % 10 % 35 % 10 % 5 %

    35 %

    Fig. 8.4.3.-Distribucin de las corrientes del rayo en una lnea con

    cable protector.

    a - Cuando el rayo cae en la estructura.

    b - Cuando el rayo cae en el cable protector.

    (a)

    (b)

    Angulo de proteccin.- El ngulo de proteccin est normalmente entre los 20 y los 40 grados,

    siendo el ms usual de 30 grados para estructuras no mayores de 30 m. El grado de proteccin

    que brinda un cable protector no depende solamente del ngulo de proteccin sino que la

    probabilidad de falla est estrechamente relacionada con la altura del mismo como se muestra en

    la Fig. 8.4.4.

    Para evaluar el grado de proteccin que brindan los cables protectores los dos mtodos ms

    usados son el de Kostenko y el de Whitehead.

    Mtodo de Kostenko.- Segn este mtodo la relacin entre la probabilidad de que el

    apantallamiento falle y se produzca un impacto directo a los conductores de la fase, la altura y el

    ngulo de proteccin est dado por:

    290hPlog 010 8.4.3

    El nmero de veces que el apantallamiento falla y el rayo impacta uno de los conductores de las

    fases y se produce una falla en la lnea est dado por:

    4

    011 10PPNN 8.4.4

    Donde:

    N1- Nmero de rayos que impactan en la lnea y que, para altura de hasta 30 m, est

    dado por:

  • 483

    ao.km100/impactos30/TDh7,2N1

    Siendo:

    h- Altura promedio del cable protector.

    TD - nivel isoceranico.

    P1 - Probabilidad de que la corriente del rayo exceda la corriente crtica para producir

    la ionizacin necesaria para el establecimiento de un arco de la fase a tierra y

    con ello una falla a tierra. P1 esta dado por:

    60I2P1

    Siendo :

    Z

    U2I

    %50d

    Mtodo de Whitehead.- El punto de partida de este mtodo est en el radio de atraccin de los

    objetos en tierra, altura de orientacin del rayo o distancia disruptiva que se muestra en la

    Fig. 8.4.5. Para esta distancia el lder descendente del rayo impone en el cable protector un campo

    elctrico tal que se inicia a partir de l el lder ascendente, impactando por lo tanto el rayo en el

    mismo.

  • 484

    0

    0,01

    0,02

    0,03

    0,04

    0,05

    0,06

    0,07

    0,08

    0,09

    0,1

    0,11

    10 15 20 25 30 35 40 45

    Fig. 8.4.4.- Dependencia de la probabilidad de falla de la

    proteccin por cable protector del ngulo de

    proteccin y de la altura de la torre.

    15 m

    24 m

    30 m

    36 m

    42 m

    Angulo de proteccin

    Pro

    bab

    ilid

    ad d

    e fa

    lla

    de

    la p

    rote

    cci

    n

    En vista de que el valor promedio del gradiente de ruptura contra un plano o placa conectado a

    tierra puede variar respecto a un conductor, Whitehead introduce el siguiente factor de correccin,

    que debe ser verificado en la prctica:

    a

    tt

    r

    rk 8.4.5

    La distancia disruptiva denota dependencia respecto a la carga elctrica del lder, que ejerce

    influencia sobre el valor pico de la corriente del rayo. Para ella establece Whitehead la relacin

    entre la corriente pico del rayo en kA dada por la expresin 8.2.6

    8,0

    a Ir7,6r

  • 485

    ra ra

    ra_s

    C

    DC

    A

    B

    _

    H

    _y rt

    Cable

    Protector

    Lder

    Conductores de la fase

    Fig. 8.4.5.-Modelo electrogeomtrico para el anlisis del efecto

    apantallador de los cables protectores.

    La corriente del rayo no siempre denota el mismo valor, de all que para cada valor de la corriente

    se tengan tambin dos valores para la distancia, uno para rt y otro para ra. Ambos definen

    entonces el plano ABCD de la Fig. 8.4.5 que contiene la zona expuesta BC. Esto quiere decir que

    todos los rayos que pasen por BC se considera que carearan sobre el conductor de la fase.

    De la Fig 8.4.5 se puede deducir que el arco BC encoge al aumentar la intensidad de la corriente

    del rayo. Si se incrementa ra llegar un momento en que sea igual a cero, para un valor

    determinado ra2. Corrientes pequeas requieren igualmente de valores menores de ra y la

    exposicin aumenta hasta alcanzar la distancia crtica ra1, correspondiente a la corriente critica

    ZU2I %50d . En consecuencia por debajo de este valor no se puede producir ninguna descarga

    a travs del aislamiento. El apantallamiento efectivo se logra cuando se cumple que:

    2a1a rr 8.4.6

    El nmero de veces que el apantallamiento falla y el rayo impacta uno de los conductores de las

    fases y se produce una falla en la lnea se obtiene integrando desde ra1 hasta ra2.

    La precisin de este mtodo aumenta considerando una distribucin de la densidad de los rayos a

    tierra (Ng) en funcin del ngulo de aproximacin o ataque del lder descendente () que obedece

    a una funcin probabilstica normal tal come se muestra en ala Fig. 8.4.6. Esta alcanza entonces

    su valor mximo para rayos verticales y su mnimo (cero) para rayos horizontales.

  • 486

    Fig. 8.4.6. Distribucin de los ngulos de incidencia.

    Pro

    bab

    ilid

    ad d

    e in

    ciden

    cia

    1,0

    0,9

    0,8

    0,7

    0,6

    0,5

    0,4

    0,3

    0,2

    0,1

    1,0

    0,9

    0,8

    0,7

    0,6

    0,5

    0,4

    0,3

    0,2

    0,1

    90 6030 - 0 + 30 90

    Angulo de incidencia (grados)

    M=2

    Puede concluirse que el criterio de apantallamiento dado por la relacin 8.4.6 debe cumplirse para

    cualquier punto de la lnea. Al llevar a cabo la integracin sobre los valores extremos es

    importante considerar las limitaciones geomtricas del ngulo de ataque o incidencia, . Las

    caractersticas del terreno afectado por la lnea, en particular si se trata de montaas o zonas

    boscosas, con rboles grandes relativamente cerca de los conductores, ejercen una gran influencia

    sobre las consideraciones anteriores.

    Los valores ms frecuentes de kt oscilan alrededor de 0.9 aunque para muchas consideraciones

    prcticas se considera frecuentemente igual a uno.

    Impedancia caracterstica del cable protector.- El valor pico de la onda de tensin generada por un

    rayo como se vio en el epgrafe 8.4.1 depende de la impedancia caracterstica del cable protector.

    La impedancia caracterstica del bajante de tierra.- La magnitud de la onda de tensin que viaja

    por el bajante a tierra, ya sea un conductor o la propia torre, est determinada por la magnitud de

    la corriente y por el valor de la impedancia caracterstica del mismo. Si se tiene en cuenta que la

    onda negativa, producto de la reflexin de la onda que baja por el bajante a tierra al arribar al

    sistema de puesta a tierra, es la encargada de limitar la tensin inversa a que est sometido el

    aislamiento y como se vio la misma est determinada por la impedancia caracterstica de la torre

    se comprende la importancia de este parmetro.

    Para torres que se pueden analizar en base a su representacin como un cono de altura h y base de

    radio r, como es el caso de las torres de las lneas de doble circuito la impedancia de la torre est

    dada por:

  • 487

    2

    2

    Tr

    h1230lnZ 8.4.7

    Para torres cilndricas la impedancia caractersticas se puede calcular por la expresin;

    60h

    r90

    r

    hln60ZT 8.4.8

    En este caso r es el radio equivalente que se calcula a partir del permetro medio de la torre

    dividido por 2. En el caso de que el bajante sea un conductor se emplea esta misma frmula

    siendo en este caso r el radio del mismo.

    Otro modelos utilizado es el modelo de cono invertido sobre tierra, el que describe la impedancia

    de la torre como un valor variable que depende de la altura y el radio correspondiente.

    h

    rtan

    2

    1cotln60Z 1

    T 8.4.9

    La impedancia caracterstica del sistema de puesta a tierra. La impedancia de puesta atierra es un

    factor determinante en la magnitud de la tensin inversa que soporta el aislamiento ya que ella es

    quien determina la magnitud de la onda negativa reflejada.

    Por lo difcil de determinar la misma comnmente se trabaja con el valor de la resistencia de

    puesta a tierra medido a la frecuencia del sistema de potencia de que se trate. Excepto para

    algunas configuraciones empleadas en suelos de alta resistividad los valores medidos de la

    resistencia de puesta a tierra son menores que los de la impedancia caracterstica. En otras

    ocasiones se emplea tambin el valor de la resistencia de puesta a tierra afectado por un

    coeficiente de impulso (Captulo VI).

    Espaciamiento entre los conductores de las fases y el cable protector.- Cuando cae un rayo en el

    centro del tramo entre estructuras, sobre todo en el caso de frentes de onda muy pendientes, la

    tensin entre los conductores de las fases y el cable protector puede alcanzar valores muy altos y

    producirse una descarga entre ellos. Los efectos de estas descargas son nocivos no slo por el

    hecho de que pueden producir una falla en el sistema, sino que el conductor puede ser daado,

    sobretodo si se trata de conductores de aluminio.

    Para evitar esta situacin lo que se hace es darle al cable protector, durante su instalacin, una

    flecha menor, por lo general entre un 70 y un 80 % de la flecha del conductor.

    Caractersticas mecnicas del cable protector.- El cable protector debe ser capaz de soportar el

    efecto trmico de la corriente producida por el rayo, sobre todo en el punto de descarga y cuando

    de trata de rayos mltiples.

    8.4.3.- PARARRAYOS DISTRIBUIDOS.

  • 488

    En muchas lneas de transmisin, sobre todo en aquellas que corren a travs de zonas rocosas de

    alta resistividad y alto nivel ceranico, se presentan con mucha frecuencia fallas debido a los altos

    valores que alcanzan las tensiones inversas que se generan debido a los altos valores de

    resistencia de puesta a tierra que las caracterizan. Para enfrentar esta situacin slo es posible

    emplear dos mtodos: el empleo de medios artificiales para disminuir la resistencia de puesta a

    tierra o situar pararrayo en las estructuras en paralelo con las cadenas de aisladores que soportan

    los conductores de las fases. Es tpico encontrar estos problemas en lneas situadas en terrenos

    montaosos. En muchas ocasiones es ms econmico la instalacin de pararrayos que el bajar la

    resistencia de puesta a tierra por medios artificiales, muchos de los cuales por otra parte no

    brindan una solucin definitiva en el tiempo.

    Dado el alto costo de los pararrayos, su gran peso y dimensiones para tensiones altas los mismos

    no se usaron con estos fines hasta la aparicin de los pararrayos de xido metlico.

    Por las razones antes expuesta, antes de la aparicin de los pararrayos de xido metlico, se

    usaban con estos fines exclusivamente los tubos de expulsin los que si cumplan con las

    caractersticas especiales requeridas: ser ligeros, mecnicamente adecuados a las condiciones de

    intensos vientos a los que se pueden someterse en reas abiertas, y ser resistentes a daos por

    impactos. Los tubos de expulsin estn constituido bsicamente por un tubo de fibra con

    electrodos en sus dos extremos. Al presentarse un arco elctrico en su interior, por el efecto

    trmico del mismo, las paredes del tubo se descomponen produciendo una gran cantidad de gases

    desionizantes, los que al ser expulsados al exterior por un orificio especialmente destinado a ello

    desgarran el arco facilitando su extincin. Los tubos protectores no se conectan permanentemente

    a la lnea sino que se encuentran aislados de sta por un entrehierros. Cuando la tensin aplicada

    al entrehierros es superior a la establecida se establece a travs de l un arco, que cierra el circuito

    a tierra a travs del interior del tubo que est diseado para tener una tensin de ruptura interior

    mucho ms baja que la exterior. Cuando la corriente consecutiva de frecuencia de potencia pasa

    por su valor cero se crean las condiciones para la extincin del arco.

    En la actualidad se emplean con estos fines pararrayos de xido metlico que cumplen con los

    requisitos necesarios. Existen bsicamente dos tipos de pararrayos a considerar: los que se

    conectan directamente a travs de las cadenas de aisladores y los que se instalan con un

    entrehierros externo en serie.

    Los pararrayos que se conectan directamente a travs de las cadenas de aisladores se encuentran

    permanentemente conectados a la tensin de la lnea a tierra y en condiciones normales de

    operacin se encuentran sometidos a la circulacin de la corriente continuamente debido a la

    tensin de operacin continua del sistema..

    En los pararrayos que se instalan con un entrehierros externo en serie ste cumple las siguientes

    funciones:

    Proporciona un camino a tierra nicamente cuando se produce una sobretensin por impulso

    de rayo.

    Interrumpir la corriente de frecuencia de potencia una vez cesado el transitorio.

    Aumentar la vida til del pararrayos como consecuencia de tener el pararrayos desconectado

    de la lnea, sin someterlo a los esfuerzos elctricos asociados con las elevaciones temporales

    de tensin en la lnea y el consiguiente aumento en la corriente de operacin continua

  • 489

    Un ejemplo tpico del empleo combinado de un entrehierros y de un pararrayos ZnO para

    proteger un sistema de distribucin es el uso de los denominados limitadores de corriente del tipo

    que se muestra en la Fig. 8.4.7

    Limitador

    de corriente

    Conductor

    Aislador

    Anillo

    Fig.7.4.7.- Proteccin de una lnea contra loas sobretensiones

    empleando un limitador de corriente de ZnO en serie

    con un entrehierros.

    Entrehierros

    8.5.- PROTECCION DE TRANSFORMADORES.

    8.5.1.- INTRODUCCION.

    La avera de un transformador es tan grave desde el punto de vista de la continuidad del servicio y

    de su propio costo, que la proteccin de su aislamiento es uno de los principales objetivos de

    todos los estudios de coordinacin de aislamiento.

    Los dispositivos ms utilizados en la actualidad para la proteccin de ellos son :

    Los entrehierros o descargadores.

    Los pararrayos valvulares.

    Los pararrayos de xido metlico.

    8.5.2.- ENTREHIERROS O DESCARGADORES.

    Los entrehierros o descargadores constituyen el equipo ms elemental y barato de los usados en la

    proteccin contra las sobretensiones aunque tiene serias limitaciones. Su uso ms extendido es en

    los sistemas de distribucin.

    Una de las limitaciones ms importantes de estos dispositivos es que ellos no son capaces, en la

    mayora de los casos, de interrumpir la corriente de frecuencia de potencia que se establece

    despus de su operacin, por lo que el circuito en que estn instalados debe ser desenergizado

  • 490

    para limpiar la falla a tierra establecida. Por esta razn es por la cual su uso se recomienda en

    zonas de bajo nivel ceranico y en sistemas con recierre automtico para limitar el tiempo de

    interrupcin del servicio que su operacin provoca. Tambin se usan como proteccin de

    respaldo.

    Su principio de operacin se basa en la ruptura del aire cuando el campo elctrico entre ellos

    alcanza la tensin necesaria para iniciar los procesos de ionizacin que han de crear el camino

    conductor entre ellos. Por su principio de operacin se ve claramente que su tensin de ruptura se

    ve afectada por las condiciones atmosfricas y ambientales: presin, temperatura, humedad, lluvia

    polvo, etc.

    En general se puede plantear que a partir del instante de tiempo en que entre los electrodos se

    alcanza una tensin igual o superior a la tensin de ruptura, para las condiciones atmosfricas de

    que se trate, para que sta se desarrolle ha de transcurrir un tiempo determinado. Este tiempo se

    divide en dos partes: la primera denominada tiempo estadstico de demora y la segunda tiempo

    formativo de demora.

    El tiempo estadstico de demora es el tiempo transcurrido desde que se cumple la condicin de

    que la tensin aplicada es mayor o igual a la tensin de ruptura a que aparece el primer electrn

    libre capaz de iniciar la avalancha. El tiempo formativo de demora es el tiempo requerido por la

    descarga para desarrollarse despus de la aparicin del primer electrn que produce una

    avalancha exitosa, es decir, que lleva a la ruptura.

    Una de las principales desventajas de estos dispositivos es que estos tiempos son relativamente

    grandes y diferentes en cada una de sus operaciones por los factores que inciden en ellos. De esta

    situacin se desprende una de sus principales desventajas: en el caso de sobretensiones con

    frentes de onda muy pendiente la tensin de ruptura de ellos es muy alta, por lo que es necesario

    disminuir la separacin entre ellos, situacin sta que hace que para sobretensiones de menor

    magnitud, pero de mayor duracin, ellos puedan operar, an para sobretensiones permisibles.

    Otro problema que se presenta con el empleo de este dispositivo es que cuando ellos operan

    producen una onda cortada a cero, la cual puede provocar fallas en el aislamiento secundario de

    los transformadores, debido a problemas en la mala distribucin de tensin a lo largo de sus

    enrollados que producen los transitorios muy rpidos.

    Los entrehierros o descargadores ms utilizados en la proteccin de transformadores de

    distribucin son de dos tipos:

    Los que se conectan al terminal de salida del transformador.

    Los que se conectan a los aisladores de soporte.

    Los que se conectan en los aisladores de suspensin.

    Los descargadores que se conectan a los terminales de salida de los transformadores pueden ser

    de dos tipo: tipo varilla y de tres electrodos tal como se muestra en la Fig. 8.5.1. El empleo de

    descargadores de tres electrodos hace la descarga ms consistente para sobretensiones de gran

    pendiente aplanado su caracterstica U vs t, adems por la configuracin de los electrodos ellos

    actan como apagachispas por el mtodo de la elongacin del arco, lo que aumenta la capacidad

  • 491

    interruptiva de los mismos y protege al bushing de los efectos trmicos de la descarga al alejar el

    arco de su superficie.

    Fig. 8.5.1.- Descargadores que se conectan al bushing del

    transformador.

    a - Electrodos de varilla .

    b - Tres electrodos de varilla dispuestos como apagachispas

    por el mtodo de elongacin del arco.

    (a) (b)

    Los que se conectan a los aisladores de soporte son por lo general de slo dos electrodos tal

    como se muestra en la Fig. 8.5.2.

    Los que se conectan a los aisladores se suspensin son del tipo de tres electrodos con

    apagachispas, tal como el mostrado en la Fig. 8.5.3. Para su empleo en este tipo de aislador la

    unin entre los aisladores debe ser rgida, perdiendo as stos una de sus caractersticas

    principales.

    8.5.3.- PARARRAYOS DE CARBURO DE SILICIO (SiC).

    Los pararrayos valvulares estn formados por tres partes principales:

    La cmara aislante.

    Los entrehierros o descargadores.

    Las resistencias no lineales.

    En la Fig. 8.5.4 se muestran las caractersticas generales de un pararrayos valvular. La cmara

    aislante est compuesta de un tubo de porcelana y sus funciones son:

    1. Aislar los elementos que se encuentran en su interior, los entrehierros y las resistencias no

    lineales, del medio exterior.

    2. Aislar el terminal de alta tensin de la conexin de tierra.

  • 492

    Este tubo de porcelana contiene en su interior todos los elementos del pararrayos y debe estar

    hermticamente sellado y con un gas en su interior a una presin ligeramente superior a la presin

    atmosfrica. Normalmente se emplea nitrgeno. La longitud de la cubierta de porcelana depende

    de la tensin del pararrayos y sus dimensiones y configuracin externa deben ser los adecuados

    para operar bajo condiciones de contaminacin, lluvias, etc.

    Fig. 8.5.2.- Descargadores que se conectan a los aisladores de

    soporte.

    a - Electrodos de varilla.

    b- Electrodos de varilla dispuestos como apagachispas

    por el mtodo de elongacin del arco.

    (a) (b)

  • 493

    Fig. 8.5.3.- Tres electrodos de varilla conectados a aisladores de

    suspensin y dispuestos como apagachispas por el mtodo

    de elongacin del arco.

    Resistencias no lineales

    Cmara de entrehierros

    Resorte de presin

    Elementos de contacto

    Cuerpo de porcelana

    Fig. 8.5.4.- Caractersticas generales de un pararrayos valvular.

    Los entrehierros estn formados por una serie de placas metlicas pulidas, para evitar

    preionizaciones indeseables, separadas por anillos aislantes construidos por lo general de mica

    entre los cuales existe un campo elctrico casi uniforme para que al alcanzar la tensin de

    descarga sta no tenga demora. Las principales funciones de los entrehierros son:

    Soportar las tensiones normales de operacin sin que ocurran descargas.

    Descargar a una tensin predeterminada para permitir el flujo de la corriente de la descarga

    de impulso a travs del pararrayos.

  • 494

    Interrumpir la corriente de potencia que circula a travs del mismo despus de su

    operacin.

    El nmero y la tensin de ruptura de los entrehierros son los que determinan la tensin de

    operacin del pararrayos.

    Las resistencias no lineales estn constituidas por cristales de carburo de silicio (conductores)

    incrustados en un medio aglutinante no conductor, comnmente cermica. A bajas tensiones el

    flujo de electrones en los puntos de contacto de los cristales es despreciable, pero una vez que se

    vence la barrera de potencial en los bordes de los mismos comienza a circular una corriente de

    intensidad apreciable, es decir, al sobrepasar la tensin un valor determinado tiene lugar una

    variacin hmica brusca, la resistencia disminuye y se facilita el paso de la corriente del rayo a

    tierra.

    Este mecanismo de conduccin es independiente de la direccin del flujo de la corriente lo que

    faculta a estas resistencias para mandar a tierra indistintamente ondas de polaridad positiva o

    negativa. La resistencia responde sin ningn retraso a cualquier variacin en el flujo de

    electrones.

    Las resistencias no lineales presentan la caracterstica de variar su valor hmico con gran rapidez

    con la variacin de la tensin aplicada. Ha medida que aumenta la tensin aplicada disminuye el

    valor de la resistencia, cumplindose tambin lo contrario, de ah su comportamiento no lineal. La

    expresin que rige su comportamiento no lineal es:

    UkI 8.5.1

    Donde:

    I - Corriente a travs del pararrayos.

    U - Tensin en el pararrayos.

    k - Constante que depende del material.

    - Coeficiente de alinialidad (comnmente entre 4 y 6 ).

    En la Fig. 8.5.5 se han representado en forma conjunta los diferentes parmetros que caracterizan

    y facilitan el comportamiento de las resistencias no lineales. Las rectas (1) y (2) representan

    resistencias lineales que contrastan con la resistencia no lineal (3). La parte (a) de la curva

    corresponde al incremento de la corriente mientras que la (b) corresponde al decremento de la

    misma.

  • 495

    3

    a

    b3

    12

    In Ia

    Un

    Ud

    Ur

    V

    I

    Fig. 8.5.5.- Caracterstica tensin corriente en un pararrayos valvular.

    Como se puede apreciar, en las zonas de operacin normal, para valores iguales o menores que

    Un, la magnitud de las resistencias no lineales (tangente a la curva) es muy grande. Para valores

    superiores a Un la resistencia comienza a disminuir, por lo que grandes aumentos en la corriente

    slo producen pequeos incrementos en la tensin, hasta que para el valor mximo de la corriente

    de descarga (Ia) se alcanza la mxima tensin aplicada al pararrayos, la que se conoce como

    tensin residual y es el valor mnimo al cual un pararrayos puede limitar una sobretensin. Al

    disminuir la corriente la caracterstica retorna a sus condiciones iniciales formando un lazo,

    restablecindose plenamente las condiciones iniciales cuando la corriente pasa por cero.

    En resumen la operacin de un pararrayos valvular es la siguiente, al aplicrsele una sobretensin

    entre sus terminales, y cuando sta alcanza un valor predeterminado, los entrehierros rompen y se

    establece un arco entre ellos, las resistencias no lineales reducen su valor hmico a un valor muy

    bajo producto de la elevacin de la tensin dando paso a la corriente asociada a la sobretensin.

    Cuando la corriente de impulso ha sido drenada a tierra el pararrayos queda sometido nuevamente

    a la tensin de potencia de la red, la cual trata de mantener la circulacin de la corriente

    consecutiva, pero como la tensin ha disminuido la magnitud de las resistencias no lineales crece

    rpidamente reduciendo el valor de la corriente a una magnitud tal que los entrehierros la puedan

    interrumpir al primer paso de la misma por cero.

    Este tipo de pararrayo usado en los sistemas elctricos hasta niveles medios de tensin es capaz

    de drenar a tierra la corriente de los rayos sin que sus entrehierros sufran daos, pero para

    corrientes superiores a los 300 A con duraciones de 2000 s o ms, en el punto de contacto del

    arco con el entrehierros el metal puede ser fundido formndose glbulos que reducen la distancia

    entre ellos, disminuyendo su tensin de ruptura y dificultando la extincin del arco, adems, para

    estas corrientes el efecto trmico sobre las resistencias es mayor aumentando la temperatura

    dentro del pararrayos lo que dificulta an ms la extincin del arco. Condiciones de operacin

  • 496

    con corrientes transitorias de estas magnitudes y superiores se presentan comnmente en los

    sistemas de alta tensin con largas lneas de transmisin.

    El efecto trmico del arco elctrico se puede disminuir mediante el empleo de un imn

    permanente situado en forma tal que su campo magntico al actuar sobre el arco elctrico cree

    una fuerza sobre el mismo que lo haga rotar, evitando con ello que el mismo acte continuamente

    sobre el mismo punto, adems, este proceso alarga el arco elctrico facilitando su enfriamiento y

    por tanto su extincin. Con este sistemas se logra interrumpir corrientes de hasta 600A.

    Si bien el pararrayos con imn permanente se usa, en los pararrayos valvulares de estacin lo ms

    comn es lograr el mismo efecto aprovechando el campo magntico creado por la propia

    corriente de la descarga. A este tipo de pararrayos se le denomina pararrayos de soplado

    magntico.

    El principio de operacin de un pararrayos de soplado magntico se muestra en la Fig. 8.5.6 en la

    que las bobinas de soplado magntico se encuentran conectadas en paralelo con resistencias no

    lineales y ambas a su vez conectadas en serie con los explosores. Este sistema opera como sigue:

    la frecuencia de la corriente que acompaa a la sobretensin es alta por lo que las bobinas de

    soplado le ofrecen una elevada impedancia, circulando por tanto la corriente de la descarga por

    las resistencias no lineales conectadas en paralelo con dichas bobinas, ahora bien, cuando la

    corriente de la descarga cesa la corriente que queda circulando es la de frecuencia de potencia,

    condicin para la cual las bobinas de soplado tienen una impedancia muy pequea y es por ellas

    por donde circular la corriente y es el campo magntico creado por esta corriente la que acta

    sobre el arco elctrico alargndolo y enfrindolo, lo que facilita su extincin.

    Uno de los problemas ms crticos en los pararrayos valvulares es la distribucin de tensin en

    sus entrehierros, si se consideran los entrehierros como capacitores en serie, tal como se indica en

    la Fig. 8.5.7, tericamente les correspondera una distribucin de tensin lineal pues todos los

    entrehierros son iguales, sin embargo, en la realidad no es as.

    La distribucin de tensin no es lineal debido al efecto de las capacitancias parsitas que hacen

    que la corriente que circula por cada entrehierros sea diferente. La tensin que corresponde a cada

    unidad est dada por:

    Nsenh

    nsenhEEn

    8.5.2

  • 497

    ~Resistencias no

    lineales de

    derivacin

    Bobinas de

    soplado

    magntico

    Resistencias no

    lineales principales

    (a) (b)

    Fig. 8.5.6.- Principio de operacin de un pararrayos de soplado

    magntico.

    a - Derivacin a tierra de la corriente de la sobretensin.

    b - Derivacin a tierra de la corriente concecutiva .

    Donde:

    kC

    C

    N- Nmero de entrehierros.

    Para mejorar la distribucin de tensin en los entrehierros de los pararrayos se usa el control

    resistivo. Este consiste en situar en paralelo con los entrehierros resistencias de forma tal que la

    corriente de fuga circule por ellas imponiendo as a los entrehierros la distribucin de tensin que

    ellas determinen. Estas resistencias son lineales y en forma de aros para que puedan rodear

    completamente al entrehierros.

    Para pararrayos de tensiones muy altas se requiere, para mejorar la distribucin de tensin, del

    control capacitivo, pues con el control resistivo se mejora mucho la distribucin de tensin pero

    en la prctica no se logra la linealidad. El control capacitivo se logra mediante la adicin a los

    pararrayos en su parte superior de una pieza en forma de anillo, la que produce capacitancias

    transversales opuesta que compensan los efectos de las capacitancias parsitas.

    Una mala distribucin de tensin en los entrehierros trae como consecuencia calentamiento e

    ionizaciones indeseables en los entrehierros ms afectados, lo que a la larga disminuye la tensin

    de operacin de los mismos.

    En la seleccin de un pararrayos de este tipo para que opere correctamente se destacan por su

    importancia dos parmetros:

    La tensin nominal.

    La corriente de descarga nominal.

  • 498

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    1 0

    0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    Ck

    C

    Fig. 8.5.7.- Distribucin de tensin en los entrehierros de un

    pararrrayos valvular.

    La tensin nominal es el valor eficaz mximo permisible de la tensin de frecuencia de potencia

    admisible entre sus bornes para la cual est previsto que el pararrayos funcione correctamente.

    Esta tensin puede ser aplicada de manera continua sin modificar sus caractersticas de

    funcionamiento. Si cuando el pararrayos opera le queda aplicada una tensin superior a su tensin

    nominal el continuar drenando a tierra la corriente consecutiva de frecuencia de potencia hasta

    su destruccin.

    Como se sabe la mxima tensin de lnea a tierra durante una falla debe ser calculada teniendo en

    cuenta los parmetros de sta, pero para clculos aproximados se puede considerar que en los

    sistemas efectivamente puestos a tierra la tensin mxima a esperar no debe exceder el 80 % de la

    tensin de lnea, en los puestos a tierra a travs de resistencias este valor oscila entre un 85-88 %

    y para los sistemas aislados es de un 100 %. Normalmente se toma para la tensin nominal del

    pararrayos un 105 % del valor de esta tensin.

    La corriente de descarga nominal es el valor pico de la corriente de descarga de 8/20 s que se

    utiliza para designar a un pararrayos. La corriente de descarga depender del tipo de pararrayos,

    siendo valores tpicos de esta corriente 5, 10, 20 kA.

  • 499

    8.5.4.- PARARRAYOS DE OXIDO METALICO (ZnO).

    La principal caracterstica de los pararrayos de xido metlico (ZnO) es que ellos operan sin la

    necesidad de emplear entrehierros tal como se muestra en la Fig. 8.5.8. En ellos la cmara aislante

    de porcelana, o de algn compuesto polimrico, cumple las mismas funciones que en el

    pararrayos de carburo de silicio.

    Resistencias no lineales

    Resorte de presin

    Elementos de contacto

    Cuerpo de porcelana

    Fig. 8.5.8.- Caractersticas generales de un pararrayos de ZnO

    Las resistencias no lineales son discos cermicos densos compuestos en un 85-90 % de ZnO y en

    un 10-15 % de otros xidos metlicos como son: Bi2O3, Sb2O3, CaO, MnO2, CrO3, NiO,

    Al(NO3)3.

    El CaO y el Al(NO3)3 juegan un papel particularmente importante en el dopado elctrico de los

    granos de ZnO para aumentar su conductividad ya que ellos a la temperatura de sinterizacin de

    la resistencia se difunden a travs de los granos de ZnO.

    En la Fig. 8.5.9 se ilustra la estructura bsica de una resistencia no lineal a base de ZnO,

    diminutas partculas de este material, de aproximadamente 10 m de dimetro, se encuentran

    fusionadas en capas intergranulares de alta resistividad. La resistencia por lo tanto representa un

    arreglo serie paralelo de granos de ZnO separados por uniones intergranulares del resto de los

    xidos metlicos. Por lo general la resistividad de los granos de ZnO est entre 1-10 -cm, en

    dependencia del dopado que tengan, mientras que la resistividad de las capas intergranulares es