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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
“ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTAN:GUTIÉRREZ SEGURA AUDOMAR.
PÉREZ BARRIENTOS BARTOLO.
POZA RICA DE HIDALGO, VERACRUZ. A 30 DE ABRIL DEL 2002.
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AGRADECIMIENTOS
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A DIOS
Quién permitió que nuestros padres nos trajeran al
mundo, que fue su voluntad el permitirnos vivir y darnos su
esfuerzo, para poder lograr cursar nuestros estudios y culminar
la carrera profesional.
A LA FACULTAD
Por ser la institución donde se nos formó durante todo eltiempo que permanecimos en sus instalaciones.
A NUESTRO DIRECTOR DE TESINA:
ING. RAMÓN CHAZARO APARICIO
Por su valioso apoyo y dedicación en esta tesina. Por sus
recomendaciones alentadoras. Gracias.
A EL ING.: JUSTINO BAUTISTA ESPINOZA
Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional.
A EL INGENIERO. CARLOS ALARCÓN ROSAS:
Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional.
A FAMILIARES Y AMIGOS
A todos aquellos que de alguna u otra forma pasaron a
formar parte en la elaboración de esta tesina.
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DEDICATORIAS
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A mis padres:IRMA y ANGEL
Porque gracias a sus consejos y gran ayuda tantoeconómica como moral, he logrado cumplir satisfactoriamenteuno de mis objetivos que me había trazado en la vida, por estarazón estaré eternamente agradecido.
A mis hermanos:Alfonso Angel Sadi Martha Alberto Juan Alejandro y Bety.
Con respeto y cariño, porque con la fuerza que nos unehemos podido librar los obstáculos de la vida.
A mi amiga:LILIAN
Por formar parte de mi vida, por su amistad, pero sobretodo por su forma de ser conmigo. Por todo esto y mucho más,¡GRACIAS!.
A mis amigos:ING. BENIGNO CLEMENTE CAMACHO
SR. SAMUEL SOLIS ZACARIAS
Por brindarme su apoyo y confianza incondicional,amistad como la tuya es encontrar un tesoro, GRACIAS.
AUDOMAR
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A MIS PADRES:
Quienes han sabido guiarme por el camino de la honradez y la integridad sin ningun otro interes que el de ayudarme asalir adelante, por que han dejado de pensar en ellos pordedicarse a sus hijos y por que han sabido ser los mejorespadres del mundo.
A MI ESPOSA:
Por regalarme su tiempo, su compresión y la paciencia enla realización de éste trabajo profesional.
A MÍ BEBE:
Que con la gracia divina de Jehová pronto estará con
nosotros.
A MIS HERMANOS:
Bernardo Ofelia Erica y Ariadna Karina.
Por quererme mucho y por ese apoyo tan grande quesiempre me han brindado.
Y MUY EN ESPECIAL
A MI PADRINO INGENIERO RAYMUDO CHÁVEZ MARCANO:
Por ser como un segundo padre para mi, además de ser unguía, señalándome hacia donde debo ir, por todo eso y muchomás gracias.
A EL SEÑOR RAUL GIBB GUERRERO:
Por todo el apoyo brindado durante la elaboración dedicho trabajo.
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A MIS AMIGOS
Maribel Silva Vázquez
Juan Kattas NaderJorge Kattas Nader Audomar Gutiérrez SeguraMarciano Antonio ReyesBernardo Cruz GarcíaJosé Luis Nava Benítez
Y EN GENERAL
A todas aquellas personas que hicieron posible la realizacionde éste trabajo recepcional, a todos ellos mil gracias.
BARTOLO
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INDICE PAGINA
INTRODUCCIÓN ........ 5
CAPITULO I ........ 7
1.1 JUSTIFICACIÓN ........ 8
1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ........ 9
1.3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA ........ 10
1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........ 11
CAPITULO II ........ 12
2.1 DESARROLLO DEL TEMA ........ 13
2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION ........ 14
2.3 MARCO CONTEXTUAL ........ 15
2.4 MARCO TEORICO ........ 16
2.4.1 CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ........ 16
2.4.1.1 DEFINICION Y ANÁLISIS ........ 16
2.4.1.2 TEORIAS SOBRE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 18
2.4.1.3 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN UNA DESCARGA ........ 21
2.4.1.4 FACTORES QUE GOBIERNAN LA DECISIÓN DE SU
INSTALACIÓN. ........ 27
2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO. ........ 33
2.4.1.6 ONDAS DE FRENTE ESCARPADO. ........ 34
2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LINEAS
AEREAS
........ 36
2.4.2.1 RAYOS INDIRECTOS ........ 38
2.4.2.2 RAYOS DIRECTOS ........ 40
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2.4.2.3 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 41
2.4.2.4 TIPOS DE SOBRETENSIONES ........ 42
2.4.2.5 PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES ........ 43
2.4.3 PROTECCIÓN CON CABLES O HILOS DE GUARDA ........ 44
2.4.3.1CONDICIONES FÍSICAS ........ 47
2.4.3.2 PROBLEMA SIN UTILIZAR HILO DE GUARDA ........ 48
2.4.3.3 PROBLEMA UTILIZANDO HILO DE GUARDA ........ 50
2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS ........ 54
2.4.4.1 ESTUDIO DEL PARARRAYOS ........ 54
2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999 ........ 54
2.4.4.1.2 TIPOS DE PARARRAYOS ....... 56
2.4.4.1.3 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PARARRAYOS ........ 59
2.4.4.1.4 MATERIALES NECESARIOS PARA LA INSTALACIÓN DE UN
SISTEMA DE PARARRAYOS EN EDIFICIOS ........ 62
2.4.4.1.5 CONEXIÓN A TIERRA. INTERCONEXIÓN DE METALES,
TUBERÍAS Y EQUIPOS
2.4.4.1.6 SELECCIÓN DEL PARARRAYOS
........
........
68
71
2.4.4.1.7 INSTALACIÓN DEL PARARRAYOS ........ 71
2.4.4.2 ESTUDIO DEL APARTARRAYOS ........ 75
2.4.4.2.1 NORMA 001-SEDE-1999 ........ 75
2.4.4.2.2 PROTECCIÓN DE LA SUBESTACIÓN ........ 81
2.4.4.2.3 SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 81
2.4.4.2.4 TENSIÓN NOMINAL DEL APARTARRAYOS ........ 82
2.4.4.2.5 ACCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 83
2.4.4.2.6 TIPOS DE APARTARRAYOS ........ 84
2.4.4.2.7 INSTALACIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 91
2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ........ 94
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2.4.5.1 COORDINACIÓN ENTRE LÍNEAS Y ESTACIONES
........
98
2.4.5.2 DISEÑO DE AISLAMIENTO DE LAS LÍNEAS POR
SOBRETENSIÓN DE ORIGEN ATMOSFÉRICO ........ 100
CAPITULO III ........ 101
3.1 CONCLUSIONES ........ 102
3.2 BIBLIOGRAFIA ........ 103
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INTRODUCCIÓN
Los sobrevoltajes ocurridos en los sistemas de energía, son producidos por
una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y rayos. Nohay duda alguna, los sobrevoltajes más severos son los producidos por descargas
atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes
puedan ser muy altos y den lugar a fallas de aislamiento del aparato de energía con
resultados destructivos. Por eso es de importancia que se diseñen los sistemas de
energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la
capacidad de soporte de aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, éste
requisito básico se traduce en un costo muy elevado. Por ésta razón, se busca unasolución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen de tal forma
que se pueda hacer mínima, la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía
debida a sobrevoltajes.
Para realizar éste procedimiento intervienen dos pasos:
1. El diseño apropiado del sistema de energía para controlar y llevar al
mínimo los posibles sobrevoltajes.
2. La aplicación de dispositivos de protección por sobrevoltajes.
En forma conjunta, a los dos pasos se les llama protección por sobrevoltaje y
coordinación de aislamiento.
No se ha puesto mucha importancia a la protección contra sobrevoltajes; en
primer lugar, afecta la confiabilidad del sistema, la cual se traduce en problemas
económicos. Casi siempre los métodos de protección por sobrevoltaje se guían
como el objetivo de hacer máxima la confiabilidad del sistema con un costo
razonable. En este sentido, son aceptables los sobrevoltajes transitorios que no
conducen a interrupciones y son tolerables las interrupciones de corta duración.
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El asunto de la calidad de la energía es importante y está transformando los
métodos de protección por sobrevoltaje.
Si bien es necesario la aplicación de dispositivos de protección contrasobrevoltajes, se da más y más importancia a los procedimientos de diseño para
hacer mínimos los posibles sobrevoltajes y controlar las fuentes de perturbación en
los sistemas de energía.
El tema de protección contra rayos y sobrevoltajes es muy complejo. Su
análisis requiere de una buena comprensión de muchos temas relacionados.
Primero, deben entenderse bien los mecanismos por los que se genera el rayo y lascaracterísticas de éste tienen relación con los sistemas de energía. En segundo
lugar, debe estudiarse la respuesta de los sistemas de energía a los rayos y a las
otras causas de sobrevoltajes. Los métodos de análisis para estudiar los fenómenos
son herramientas indispensables que proporcionan la base para la selección
correcta de las opciones de diseño. Invariablemente, pueden llevarse al mínimo los
sobrevoltajes, pero no pueden eliminarse. En consecuencia, los sistemas de energía
tienen que protegerse contra sobrevoltajes utilizando dispositivos construidos para
tal objeto ( apartarrayos y pararrayos).
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CAPITULO I
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1.1 JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo se desarrolla con la finalidad de presentar información
relevante para la protección de sistemas eléctricos contra descargas de origen
atmosférico, la cual como es sabido, deja como consecuencias perdidas tanto
económicas como humanas.
La descarga atmosférica no es más que un fenómeno natural que se presenta
entre las nubes y tierra, cuando la diferencia de potencial es tan grande, ésta rompe
el aislante(aire) yéndose a tierra y nosotros lo podemos observar como una luz.
De acuerdo a estudios realizados nosotros podemos saber ,que es un
fenómeno que no podemos evitar, sin embargo, lo que si podemos hacer es proteger
nuestros sistemas eléctricos contra este tipo de descargas
Este estudio es para facilitar a todo aquel usuario que desee información para
proteger un sistema eléctrico contra sobrevoltajes; y así, alargar la vida útil de los
equipos. Es por esto, que la protección contra descargas atmosféricas es de muchaimportancia en el campo eléctrico.
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1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
Hoy en día es importante cuidar los sistemas de distribución de energía contra
posibles descargas eléctricas, es por ello que surge la necesidad de conocer cualesson los dispositivos más utilizados para la protección de los sistemas eléctricos
contra descargas atmosféricas; ya que todo sistema eléctrico debe contar con un
dispositivo de protección, por que sin él , podría haber pérdidas tanto humanas,
como materiales.
Debido a que la información, que proporcionan los diferentes autores acerca
de la protección de sistemas eléctricos contra descargas atmosféricas es bastanteextensa, se opta por investigar la correcta selección de dispositivos contra
sobretensiones, para que todo aquel usuario que deseé información sobre este
tema, pueda tener una idea de que dispositivos seleccionar.
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1.3 ENUNCIACIÓN DELTEMA
Es bastante importante para cualquier sistema eléctrico, contar con una
protección contra posibles descargas atmosféricas por lo que ésta obra nos daráuna idea de cómo se presenta el fenómeno “rayo” , cual es su intensidad, su efecto
y de que manera podemos proteger nuestros equipos eléctricos.
En la actualidad las descargas atmosféricas pueden ser canalizadas a tierra
por medio de las protecciones contra sobrevoltajes (pararrayos), por lo que
estudiaremos su funcionamiento, aplicación, diseño, tipos y materiales utilizados
para los pararrayos, cuyas características son:
La conexión a tierra.
La tensión nominal.
Y la capacidad de absorción de la sobtretensión.
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1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Para el logro de las metas planteadas, el presente trabajo se estructura de la
manera siguiente:
Un primer capitulo en donde se aborda la:
Justificación del trabajo.
Naturaleza, Sentido y Alcance de Trabajo.
Enunciación del Tema y
Explicación de la estructura del trabajo.
Un segundo capítulo donde se trata:
Desarrollo del tema.
Planteamiento del tema de investigación.
Marco Contextual.
Marco Teórico que contiene:1. Características de las descargas atmosféricas
2. Descargas atmosféricas entre nubes y líneas aéreas.
3. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas
4. Coordinación de aislamiento.
Y un tercer capítulo donde se hacen:
Conclusiones.
Al final se anotan las referencias bibliográficas utilizadas y se proporcionan los
anexos utilizados.
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CAPITULO II
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2.1 DESARROLLO DEL TEMA
En el año de 1752 Benjamín Franklin demostró la naturaleza eléctrica de los
rayos, desarrolló la teoría de que la electricidad es un fluido que existe en la materia
y su flujo se debe al exceso o defecto del mismo en ella, inventando así el
pararrayos.
Este dispositivo es de gran utilidad para la protección de líneas de transmisión
de sistemas de energía contra descargas atmosféricas (rayos), éste actúa
canalizando la energía eléctrica del rayo a tierra, protegiendo así los sistemas
eléctricos.
Las sobretensiones producidas por descargas atmosféricas pueden verse
como rayos directos o rayos indirectos; los primeros son los que caen directamente
en líneas y sistemas de energía eléctricos y los segundos son producidos cuando el
rayo se produce entre nube y tierra provocando así un campo magnético.
Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica existen algunas teoríasentre las que se pueden contar como las más destacadas las siguientes: Teoría de
Simpson, Teoría de Elster y Geitel, Teoría de Wilson y Teoría de los cristales de
hielo.
Elementos que intervienen en una descarga: El Aire, La Nube, La Tierra, El
Rayo.
Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en eldiseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los
parámetros más importantes son: Voltaje, Corriente eléctrica, Forma de onda,
Frecuencia de ocurrencia.
De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se
conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos: Pararrayos de Franklin,
Jaula de Faraday, Pararrayos Radioactivos.
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2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN
Generalmente al tema de la protección contra descargas atmosféricas, no se
le da mucha importancia, aun cuando sabemos que todo sistema puede estar
expuesto a ello. Un equipo protegido contra sobretensiones producidas por rayos
puede tener un periodo de vida mucho más largo y seguro para nuestros
trabajadores; evitándonos así pérdidas humanas y económicas, ambas de vital
importancia.
La principal forma de proteger contra una descarga atmosférica a un sistema
de energía, es utilizando un pararrayos, por lo cual debemos conocer suscaracterísticas, la forma de selección, los principales parámetros utilizados, su
instalación, el tipo de aislamiento que debe utilizar, etc.
Razón por la cual éste trabajo tiene como meta el proporcionar información al
alcance de la mano de cualquier lector interesado sobre dicho tema.
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2.3 MARCO CONTEXTUAL
Siendo el marco contextual de un trabajo la descripción del sitio físico o lugar
donde se realiza una investigación; y debido a que el estudio sobre protección contra
descargas atmosféricas, no tiene una ubicación geográfica precisa. Las descargas
atmosféricas se presentan en cualquier parte del mundo, ocasionadas por una
tormenta, la cual se forma por las nubes cargadas electrostáticamente, cuando éstas
cargas son tan grandes con respecto a tierra, se rompe el aislante entre ellas (aire),
produciéndose un rayo; el cual comúnmente cae en las partes mas altas: sobre un
edificio, la copa de un árbol, la estructura de antenas de teléfono, sobre una línea de
distribución, etc., por lo anterior el presente trabajo carece de marco contextual.
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2.4 MARCO TEORICO
2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
2.4.1.1 Definición Y Análisis
Se define Descarga Eléctrica Atmosférica como la transferencia de carga
eléctrica positiva o negativa, entre la nube, nube-nube, nube a tierra y según
investigaciones recientes entre nube y ionosfera.
Se llama sistema de protección contra descargas atmosféricas, al conjunto de
elementos que proporcionan el medio para que una descarga pueda incidir con
seguridad sobre una construcción y sea conducida en forma inofensiva hasta tierra,
de manera que no origine daños durante su recorrido.
La protección contra descargas atmosféricas de una estructura, no se logra
contra lo que normalmente se cree, con la instalación de una varilla y una conexión
a tierra (pararrayos de Franklin), ya que la acción de este dispositivo es limitada; en
vista de esto , la técnica moderna de protección ha desarrollado el uso de la barra de
Franklin y establece la colocación de conductores y puntas en los sitios en los que
pueden iniciarse pilotos secundarios, tales como esquinas y aristas de las azoteas
(figura 1), es necesario pues, no hablar de un pararrayos, sino de la instalación de
un sistema de pararrayos convenientemente estudiado para proporcionar protección
a cada estructura en particular.
El estudio de las descargas atmosféricas fue iniciado en forma rudimentaria
por Franklin en 1740 a partir de las teorías sobre electricidad estática.
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Figura 1. Sitios en donde puede iniciarse una descarga atmosférica.
Experimentalmente se ha comprobado que la tierra representa un electrodo
negativo y a una distancia de 100 a 150 km sobre su superficie se encuentra una
capa de aire que representa el electrodo positivo. Cuando las corrientes de aireentre la tierra y esta capa producen una ionización alta, se establece una descarga
de iones (átomo que pierde o gana electrones), que si su valor es elevado puede
generar una descarga eléctrica.
Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica, existen algunas teorías,
como ya se mencionó, entre las que se pueden contar como las más destacadas,
las siguientes.
Teoría de Simpson.
Teoría de Elster y Geitel.
Teoría de Wilson.
Teoría de los cristales de hielo.
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2.4.1.2 Teorías Sobre Las Descargas Atmosféricas
A) Teoría de Simpson.
Manifiesta que las cargas eléctricas en las nubes se debe a corrientes de aire
que se encuentran en actividad en su interior. Las corrientes ascendentes de aire
transportan vapor húmedo del mar o de la superficie de la tierra, este vapor al
encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas propicias se
condensa transformándose en gotas de agua.
Cuando las gotas de agua adquieren una dimensión y peso considerable caensobre la superficie de la tierra por gravedad en forma de lluvia. En su caída se
encuentran con corrientes de aire ascendentes que provocan rompimiento de las
gotas formándose otras más pequeñas, estas gotas por un proceso semejante al
anterior encuentran corrientes ascendentes volviéndose a fraccionar en tamaños
menores, formándose de esta manera las cargas eléctricas de las nubes que se
originan precisamente al ocurrir rompimiento de las gotas de lluvia desprendiéndose
iones negativos que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son
transportados por las corrientes de aire hacia la parte superior de la tormenta o sea
a la parte inferior de la nube y en tanto la parte superior de la nube se carga en
forma inductiva.
Las nuevas gotas establecidas quedan cargadas positivamente continuando
su descenso hacia la parte inferior de la tormenta, en este caso, la tierra.
B) Teoría de Elster y Geitel
Esta teoría se fundamenta sobre estudios realizados sobre una gota grande
de lluvia a través del campo eléctrico de la misma cuyo gradiente en la superficie es
de 100 V/m; debido a la acción de éste campo, la gota se polariza en la parte
superior por una carga negativa y en la inferior por una positiva.
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La gota cargada, en su caída se encuentra con corrientes ascendentes de
aire que le producen una reducción de tamaño y la gota de tamaño reducido
continua su caída hacia la tierra pudiéndose encontrar con otra gota de tamaño
mayor haciendo contacto, con lo que la primera gota aumenta su carga positiva en laparte inferior y la segunda gota sufre el mismo aumento de carga pero negativa en la
parte superior.
Por lo tanto la nube se carga positivamente en la parte inferior. El contacto
entre las gotas de diferente tamaño se repetirá frecuentemente organizándose un
intercambio de signo de carga en las gotas, las nubes aumentan de esta manera su
carga hasta llegar a un valor crítico que produce la descarga eléctrica
C) Teoría de Wilson
Wilson hizo un nuevo desarrollo científico respecto a la electrificación de las
nubes, su teoría está basada en que las gotas de lluvia al caer adquieren carga
producida por iones eléctricos que se encuentran presentes en las corrientes de aire
ascendentes.
En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de pequeños iones
negativos y positivos que se mueven en diversas direcciones con una velocidad de 1
cm/seg. Bajo la acción de un campo eléctrico de 1 v/m.
La existencia de iones en el aire se estima en el orden de 1000 positivos y
800 negativos por centímetro cúbico.
La gama de iones aumenta y al mismo tiempo las nubes se cargan
eléctricamente por el efecto de la ionización.
Los iones negativos viajan hacia la parte inferior de la nube, cargándola
negativamente y los iones positivos se dirigen hacia la tierra para cargarla
positivamente.
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La teoría de Wilson específica también que para estudiar el origen de las
descargas eléctricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento de las
gotas de agua en una tormenta y, por consiguiente la separación de su carga
eléctrica respectiva debida a la acción de la gravedad terrestre y a las corrientes deaire ascendentes.
En el proceso de la lluvia, las gotas hacen contacto con los iones eléctricos
presentes en el aire dando origen a que aumente la ionización de la atmósfera que
facilita la trayectoria del canal del rayo hacia tierra o hacia nube.
D) Teoría de los cristales de hielo
Esta teoría trata de explicar la importancia que representan los cristales de
hielo comúnmente conocidos como granizos especialmente en las partes superiores
de las nubes y también en las regiones antárticas; así se trata de dar algunas
explicaciones a este fenómeno.
Simpson y Robinson describen la formación de cargas eléctricas al
chocar un granizo con otro, permitiendo así que el aire adquiera carga positiva y el
hielo quede cargado negativamente.
Elster y Geitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la
fricción entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua.
Así se trata de explicar que en las tormentas recién formadas con un gran
cúmulo de nubes y en las que no existen precipitaciones pluviales ocurran
descargas eléctricas en el interior de la nube.
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2.4.1.3 Elementos que intervienen en una descarga.
En el proceso de una descarga intervienen varios factores que conviene
estudiar uno a uno:
A) El aire.
En estado seco se considera como un elemento aislante pero en la práctica
se ioniza, convirtiéndose en conductor, por la acción de radiaciones de material
radiactivo terrestre, radiaciones de los elementos de la misma atmósfera (caso del
aire sobre masas terrestres) o radiación cósmica (aire sobre masas terrestres omarinas).
De esta forma la conductividad depende de la ionización según las relaciones:
= i / E ( = conductividad)
siendo i la densidad de corriente y E la tensión de campo en V/m, dependiendo i
según la expresión: i = n. E. K.
Siendo n el número de iones / cm3 , K el coeficiente de movilidad de los iones
y E la carga del ión.
Luego resulta : = n. E. K
Con lo que la conductividad varía fundamentalmente en función de n, valor
éste de iones / cm3 , que varía sensiblemente entre diferentes puntos de la
superficie terrestre.
Oscila normalmente entre 300 y 1000 / cm3 , pero sobre masas terrestres
puede llegar a alcanzar valores de hasta 80, 000 iones / cm3 .
7/23/2019 Gutierrez Segura y Perez Barrientos
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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Tierra
Se han efectuado amplios estudios sobre las variaciones de campo sobre la
tierra, observándose incluso relaciones entre éstas variaciones y la contaminación
atmosférica.
En la práctica podemos considerar que existe un campo eléctrico terrestre,con la tierra cargada en forma negativa respecto a la atmósfera superior que lo esta
en forma positiva, este campo se comporta en forma distinta según los casos:
En condiciones normales teniendo buen tiempo, la existencia de iones libres y
de un gradiente de potencial en la atmósfera genera una corriente, pudiendo
considerar el circuito equivalente de la figura 2, donde se cumple:
R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ).
Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica.
Rv = Resistencia variable
Figura 2. Representación de una descarga atmosférica mediante un circuito
eléctrico.
Rc
Rv
h > 30 Km
ATMÓSFERA SUPERIOR
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29
nube
descargasatmosféricas(rayos)
En condiciones de mal tiempo, la niebla, nieve, lluvia, etc., modifican la
conductividad y la densidad de corriente i varía.
En caso de existir prominencias en el terreno, éstas se cargan eléctricamentey se produce el fenómeno de descarga por las puntas, incrementándose el gradiente
de potencial a su alrededor y generándose un paso continuo de corriente; este
fenómeno fue observado por Franklin, Dalibard, Lemonier y especialmente por
Wilson.
En conjunto, se establece un intercambio tierra-atmósfera que equivale a un
condensador cargado a 4 x 10
5
voltios y con corriente de intercambio según elesquema de la figura 3, donde:
R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ).
Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica.
Rv = Resistencia variable
Figura 3. Representación de un intercambio de energía tierra-atmósfera
mediante un circuito eléctrico.
A
B
Descarga porlas puntas
Rc corrienteDe buentiem o
Rv
CondensadorCargado a4 x 105 voltios
+
ATMÓSFERA
TIERRA
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
30
B) La nube
Normalmente nos interesa considerar las nubes de tormenta. Son nubes de
desarrollo vertical con una masa de agua considerable. La formación de lasdescargas eléctricas en el interior de estas nubes sigue un mecanismo complejo que
se explica actualmente con las diversas teorías descritas en el apartado anterior.
En general se acepta la de que hay en la masa de nubes, gotas que
descienden polarizadas con la parte positiva en la parte inferior, estas gotas
capturan iones negativos y ceden los positivos. Congeladas las gotas de agua, el
centro se conserva líquido y los iones positivos quedan en el centro. Al partirse lagota se separan los iones positivos y negativos y aunque éstos quedan en la parte
inferior se forman bolsas positivas en la parte baja de las nubes, que generan la
formación del rayo.
C) La tierra
La tierra, cargada negativamente, transfiere continuamente iones a la
atmósfera, dependiendo esta transferencia de diversos factores, grados de acidez
de los suelos (existencia de iones libres), humedad y conductividad en las puntas.
D) El rayo
El conjunto de los tres factores estudiados, el aire, la nube y la tierra, es el
origen de la generación del rayo.
7/23/2019 Gutierrez Segura y Perez Barrientos
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
31
Existen distintos tipos posibles de descarga: entre dos nubes, en el interior de
una nube o entre nube y tierra (que es el que nos interesa). El proceso de un rayo de
este tipo presenta varias fases sucesivas (figuras 4 y 5):
Figura 4. Fases de descarga de un rayo.
Figura 5. Formación campos eléctricos de las descargas Atmosféricas.
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1.-Se establece el llamado “leader ” en forma de dardo. El mecanismo inicial de
encendido se establece entre una bolsa positiva y una prominencia del terreno. El
diélectrico (aire) comienza a romperse y el “leader” avanza a saltos de 50 m.
aproximadamente cada uno y a 1/3 de la velocidad de la luz. De esta forma se vaionizando un camino irregular en diversas direcciones hasta unos 15 o 20 m de la
punta.
2.-Se dispara la corriente de retorno, mucho más brillante desde la prominencia
hacia el camino ionizado y a una velocidad próxima a la de la luz.
3.-Se efectúan repetidas descargas sucesivas de 3 a 5 usualmente, aunque hanllegado a contarse hasta 42. Estas descargas van en las dos direcciones (nube-tierra
y tierra-nube).
El conjunto del fenómeno se efectúa en un lapso corto de tiempo y para el
observador normal, la sensación es de un fenómeno único.
Los valores de la corriente de descarga son excepcionalmente altos
(centenares de miles de amperes), pero la duración de estas corrientes es
afortunadamente pequeñísima, ya que en general, la corriente de descarga sube
hasta su máximo en 1 a 10 microsegundos.
La trayectoria que presenta la formación de una descarga atmosférica,
demuestra por que los lugares elevados son alcanzados por los rayos con más
frecuencia, ya que de acuerdo con las leyes elementales de la Física, es evidente
que en los lugares elevados la concentración de carga es mayor que en los lugares
bajos Figura 6.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
33
Figura 6. Formación de una descarga atmosférica.
2.4.1.4 Factores que gobiernan la decisión de su instalación
La protección contra descargas atmosféricas constituye un tema de especial
interés.
Es del conocimiento de todos, la capacidad destructiva que posee esta
manifestación atmosférica que conocemos con el nombre de rayo. Sus efectos
externos han sido siempre conocidos por la humanidad, así como sus efectos
directos e indirectos.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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Las consecuencias de las descargas directas pueden ser graves como son:
daños a personas, objetos, equipos, incendios y destrucción, interrupciones en los
servicios de energía eléctrica, que puede originar grandes pérdidas económicas.
De acuerdo con el código de National Fire Protection Association (Asociación
Nacional de Protección Contra Incendios), los factores que gobiernan la decisión de
instalar un sistema de pararrayos son los siguientes:
1. Frecuencia de las tormentas en la zona.
2. Valor y naturaleza del edificio y su contenido.
3. Riesgos a las personas que lo ocupan.4. Exposición relativa.
5. Pérdidas indirectas.
En relación con la frecuencia de tormentas eléctricas, se consideran como
valores reales entre 25,000 y 40,000 descargas diarias sobre toda la superficie de la
tierra. En algunos países existen estudios estadísticos que permiten conocer la
cantidad de tormentas eléctricas que son de esperarse en una determinada zona.
En relación con el valor que pueden representar las pérdidas materiales
originadas por rayo, recientemente la “Sociedad Geográfica Nacional de
Washington”, publicó lo siguiente:
Se esperaban para la Unión Americana de 17,000 a 20,000 construcciones
dañadas por descargas en un año, y en total, una pérdida mínima de 10,000,000 de
dólares.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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H. M. Towne de General Electric Co; nos proporciona datos de la variación de
la probabilidad de incidencia con relación a la altura, con la cual se puede construir
una gráfica (Gráfica 1) que a continuación se presenta:
12 --
11 --
10 --
9 --
8 --
7 --
6 --5 --
4 --
3 --
2 --
1 –
0
50 100 150 180
Gráfica 1. Representación de la variación de la probabilidad de incidencia del rayo.
Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en el
diseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los
parámetros más importantes son:
Voltaje
Corriente eléctrica
Forma de onda
Frecuencia de ocurrencia
Altura en metros
Probabilidad
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El voltaje entre una nube de tormenta y la tierra, Figura 7 antes de una
descarga a tierra se ha estimado de 10 MV a 1000 MV. Sin embargo, para trabajo de
diseño, al ingeniero de protección le interesa el sobrevoltaje que aparece en el
aparato de energía en que ocurre la incidencia. Este voltaje será igual al producto dela impedancia por la corriente de la descarga.
La corriente de descarga al terreno es independiente de la impedancia de
terminación. La razón es que la impedancia de terminación es mucho más baja que
la resistencia del canal de descarga del rayo, la cual es del orden de unos miles de
ohms. En consecuencia, una descarga a tierra se considera normalmente como una
fuente ideal de corriente en el punto de incidencia. La cresta de la corriente eléctricade la descarga puede variar sobre un amplio intervalo: desde 1 a 200 kA. Muchos
investigadores han reunido datos sobre las magnitudes de la corriente de descarga a
tierra. Entre éstos, ha tenido mucha aceptación el trabajo de Berger realizado en
Suiza.
Figura 7. Ilustración del desarrollo de una descarga eléctrica.
+ + + + + + + + +++ +++ + +++ + + +++ + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
37
La forma de onda de la corriente de descarga de un rayo a tierra , y
especialmente el tiempo de elevación de la misma, es muy importante. Una vez más,
la representación estadística de los datos de los tiempos de elevación de la corriente
de descarga reunidos por Berger aparece en la Gráfica 2 y 3.
La frecuencia de ocurrencia es también una característica muy importante.
Para poder cuantificar la actividad del rayo, se ha introducido la medida tosca del día
de tormenta.
Gráfica 2. Distribución de las magnitudes de la corriente de rayo
(registrada por Berger).
Amplitudes de cresta de los kiloamperes de corriente de la descarga
0 20 40 60 80 100 120 140
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
P r o b a b i l i d a d
d e s
o b r e
a s a r l a
a b s c i s a
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
38
0 1 2 3 4 5 6
Gráfica 3. Distribución de los tiempos de elevación de la corriente del rayo
(registrada por Berger).
Un día de tormenta se define como un periodo de 24 hrs, en el cual se ha
oído por lo menos un trueno. Específicamente por definición, un día de tormenta no
proporciona información alguna acerca de la frecuencia y la actividad total de las
descargas. A manera de ejemplo, Anderson ha sugerido el siguiente:
N1 = 0.12 T
En donde N1 es la densidad de los relámpagos a Tierra por km2 por año y T
es el número de días de tormenta por año.
0.1
0.8
0.6
0.4
0.2
Tiem o a la corriente de cresta de la descar a s
P r o b a b i l
i d a d
d e
s o b r e
a s a r l a
a b s c i s a
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2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO
Los sistemas de energía eléctrica expuestos a la intemperie, están sujetos a
descargas atmosféricas que originan los sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes segeneran por descargas directas sobre un aparato o sistema de energía, o por
descargas indirectas a objetos cercanos, de los cuales se transfieren sobrevoltajes
subsecuentes al sistema.
A diferencia de los sobrevoltajes por operación de interruptores, que son
proporcionales al voltaje del sistema, los sobrevoltajes por rayo, son independientes
del voltaje del sistema, pero dependen de las impedancias del mismo. Por ejemplo,una descarga directa de rayo en un conductor de fase de una línea aérea de
transmisión, generará un sobrevoltaje proporcional a la impedancia característica de
la línea y proporcional a la magnitud de la corriente de la descarga del rayo.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
40
t en s
l en metros
t
l
FRE NTE
DE
L
A
O NDA
E
2.4.1.6. ONDAS DE FRENTE ESCARPADO
Son producidas por diferentes causas, de las que más adelante se hará
mención, y se caracterizan por la gran inclinación de su frente. La onda que presentala figura 8, tiene una amplitud de cresta E y el escarpado esta comprendido en el
tiempo t, en microsegundos. Las abscisas, en la escala correspondiente,
representan los segundos o las longitudes.
Suponiendo, que t = 6 microsegundos, teniendo en cuenta que la velocidad
de la onda es de 300,000 kms/seg , le corresponderá una longitud de:
l = v t =(300000)(6X10-6 ) = 1.800km= 1800mts.
Por ejemplo si la amplitud E fuese de 1.7x103 kv, correspondería un gradiente
de potencial de:
mvoltios E /44.9441800
000,700,1
Figura 8. Representación de una onda de frente escarpado.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
41
Según experiencias realizadas, una onda cuyo frente escarpado tenga una
duración de 1 a 1.5 s, y en la que la cola presente una inclinación tal que conserve
el valor de la semiamplitud de la cresta durante 30 a 50 s, reproduce con
bastante aproximación el fenómeno a la realidad, y por ello éstas ondas,
normalizadas, se utilizan en los ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las
líneas, debiendo variar únicamente, según los casos considerados el valor de la
amplitud de la cresta.
En América, los valores tipo de esta clase de onda son: frente 1.5 s;
semiamplitud del valor de la cresta durante 40 s.
El valor del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y viene
expresada en amperios. Las amplitudes de la cresta pueden alcanzar a muchos
miles de amperios, pero generalmente no suelen pasar de 100,000 amperios.
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2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LÍNEAS AÉREAS
La formación de tormentas se origina debido a las cargas estáticas de las
nubes, consideradas como cuerpos conductores. Cuando una nube cargada
estáticamente a un cierto potencial se aproxima a la tierra o a otra nube, llega un
momento en que la diferencia de potencial entre las dos nubes o entre la nube y la
tierra, sea superior a la tensión crítica de descarga. Entonces saltará la chispa, a la
que se designa con el nombre de <<rayo>>. La figura 9 muestra la fotografía de un
rayo que está formado por un canal principal, y las derivaciones o efluvios que se
esparcen lateralmente en la atmósfera. En consecuencia, los rayos no son más que
grandes arcos entre dos cuerpos cargados electrostáticamente.
Figura 9. Representación de una descarga eléctrica entre nube y tierra.
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43
3
21
12
3
4
Esta teoría ha sido confirmada en principio por los ensayos realizados en
Upsala por Norinder, relativos al modo de repartirse la tensión inducida por las
nubes cargadas en el aire. Se encontró, para una altura de poste de 10 metros
sobre el nivel del suelo, una diferencia de potencial por metro de poste, de 140 kv.
Como la resistencia del camino de la descarga es muy variable, ésta debe ser
fuertemente oscilante y de una frecuencia irregular. Por experiencias realizadas,
Norinder llegó a la conclusión de que la frecuencia de la corriente debida al rayo,
puede alcanzar hasta 10,000 hz., lo que parece comprobar que el campo eléctrico
creado en el aire en el momento del rayo, varía a su vez muy rápidamente.
Los dos fenómenos señalados, es decir la diferencia de potencial sobre el
suelo y la variación rápida de esta diferencia en función del tiempo, concuerdan bien
con la hipótesis expuesta sobre las nubes cargadas de electricidad estática Como
se verá más adelante, estos fenómenos bastan para explicar las perturbaciones
provocadas por las tormentas en las instalaciones eléctricas
Se comenzará admitiendo que el cuerpo conductor 1 cargado de electricidad
positiva (figura 10a y 10b), esté en presencia de otro cuerpo conductor 2
+ - +
C
C
C
C
Figura 10 a. Cargas electrostáticas encuerpos conductores aislados de tierra.
Figura 10 b. Variación de la capilaridadCw entre una línea aérea y una nubemóvil.
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44
De la carga de conductor 1 aparecerá sobre el conductor 2 una carga
negativa y al mismo tiempo una carga libre positiva que hace que el conductor 2
adquiera un cierto potencial con respecto a la tierra, por lo que, si se une a ésta,
dicha carga positiva derivará a tierra y su potencial será entonces cero; pero si esteenlace entre 2 y la tierra se suprime y además desaparece la carga en 1 (por
ejemplo por una puesta a tierra), la carga negativa en 2 quedará en libertad y volverá
a existir una diferencia de potencial respecto a tierra.
2.4.2.1 Rayos Indirectos
En la figura 11, se muestra en efecto, que la línea se encuentra a un ciertopotencial con respecto a tierra, y de acuerdo a experiencias, podría decirse que aquí
se producirá una sobretensión. Aquí también se observa que el potencial es máximo
en el medio de la porción de la línea influenciada, y por esto es posible que en este
lugar se produzca el arco a tierra comúnmente llamado rayo.
Figura 11. Efecto electrostático de una nube cargada de electricidad sobre una
línea.
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45
Además para que un rayo se produzca no nada más es necesario que la
descarga sea mucho muy grande sino que además esté aplicada durante un cierto
tiempo. Estas dos condiciones pueden cumplirse en el caso de la puesta en libertad
de las cargas inducidas, porque de una parte el potencial puede ser superior a latensión del contorneamiento de los aisladores, y de la otra es posible que subsista
durante algún tiempo, al menos en el medio de la porción de línea considerada.
Cuando una descarga por contorneamiento se produce en un aislador, el potencial
cae bruscamente a cero, cuyo resultado es la formación de dos sistemas de onda de
descarga que se propagan, una hacia la derecha y otra hacia la izquierda, lo cual se
podrá observar en la figura 12. Por otra parte , las variaciones de potencial se
producen bruscamente, las ondas móviles de descarga avanzarán con un frente muyescarpado. Su amplitud será, desde luego, igual a la tensión de contorneamiento del
aislador, referido entonces a un gradiente de potencial de corta duración. Hay que
observar que la tensión de descarga es diferente según que el gradiente esté
aplicado momentáneamente o de un modo permanente, a causa del efecto
retardado que se manifiesta en el primer caso.
Figura 12. Descarga a tierra de la onda inducida en una línea, creada por la
influencia de una nube.
b a
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46
2.4.2.2 Rayos Directos
Éstos no se dan muy frecuentemente, pero su efecto es muy alto en cuanto a
daño se refiere, comparados con los rayos de incidencia indirecta, debido a queinciden directamente sobre la línea con valores de unos cientos de kilovoltios (valor
de cresta).
El resultado de la incidencia del rayo sobre la líneas se traduce en una onda
de frente muy escarpado y cuya cola tiene una inclinación que depende de las
condiciones en que se desarrolla el fenómeno. De acuerdo a experiencias realizadas
una onda cuyo frente escarpado tenga una duración de 1 a 1.5 microsegundos, y enla que la cola presente una inclinación tal que conserve el valor de la semiamplitud
de la cresta durante 30 a 50 microsegundos, se produce con bastante aproximación
al fenómeno en la realidad, y por ello estas ondas normalizadas, se utilizan en los
ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las líneas, debiendo variar
únicamente, según los casos considerados, el valor de la amplitud de la cresta .
El tamaño del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y se expresa
en amperios o en kv, su amplitud de la cresta puede alcanzar a muchos miles de
amperios pero generalmente no sobrepasan de 100,000.
De acuerdo a estudios realizados y estadísticas proporcionadas, el 7% de los
rayos es superior a 40,000 amperios
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2.4.2.3 Efectos de las descargas atmosféricas.
Los fenómenos de sobrevoltaje en instalaciones eléctricas, abordaremos los
originados por fenómenos externos como son las cargas atmosféricas. Este tipo desituación, ocasiona salidas frecuentes en las instalaciones que provocan
interrupciones en el servicio, por lo que es importante el conocimiento de los efectos
de las descargas atmosféricas, a fin de proporcionar la protección mas adecuada a
la instalación.
Basta con que se tengan nubes sobre la línea de transmisión para que se
presente la posibilidad de un sobrevoltaje.
Las nubes en un medio seco, con viento y con una velocidad aproximada de
40 Km. / hr. originan sobrevoltajes en la instalación.
Por lo general una descarga sobre una línea de transmisión provoca una
onda de sobrevoltajes inicial que se divide en dos ondas viajeras que van hacia la
izquierda y hacia la derecha del punto que se produce la descarga con una
velocidad igual a la de la luz en el caso de conductores aéreos.
Como se ha visto en cualquiera de los tipos de acción externa se produce
sobrevoltajes que son mayores o menores dependiendo de sí la descarga es directa
o indirecta, este tipo de sobrevoltajes somete a los aislamientos de la instalación y
en particular a los de las maquinas a esfuerzos dieléctricos que pueden superar a
los niveles básicos de aislamiento; para cada elemento en que intervienen
aislamientos sé propician los perforamientos dieléctricos que traen consigo otro tipo
de fallas.
Otros efectos que ocasionan las descargas atmosféricas sobre las
instalaciones son las siguientes:
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I) La corriente del rayo alcanza valores instantáneos extremadamente altos que se
someten a los elementos de la instalación a esfuerzos dinámicos y térmicos y que
requieren para su disminución de un diseño adecuado de la red de tierras.
II) Los esfuerzos dinámicos debidos a la corriente del rayo someten a conductores
(barras) a fuerzas de atracción y repulsión que pueden llegar a romper los aisladores
soporte o deformar los tableros.
III) La corriente del rayo trae consigo una gran cantidad de energía calorífica
teniéndose temperaturas hasta de 8350 grados centígrados que pueden provocar la
falla de aislamientos de los pararrayos llegando a destruirse por explosión al nopoder descargar la energía recibida.
2.4.2.4 Tipos De Sobretensiones.
Las sobretensiones se clasifican en dos tipos que son:
Sobretensiones de origen interno.
Sobretensiones de origen externo.
Las sobretensiones de origen interno se deben principalmente a la operación
de dispositivos de desconexión (2 a 3 ciclos ) (dos veces la tensión de operación).
Las sobretensiones de origen externo se deben al contacto directo o indirecto
ocasionado por descargas atmosféricas, las cuales son de menor duración, pero las
más severas; para proteger los cables y equipos contra descargas atmosféricas se
deben instalar pararrayos.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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2.4.2.5 Protección contra sobretensiones
Estas se pueden dividir en tres grupos, los cuales son los siguientes:
La protección que previene la ocurrencia de una onda o reduce su magnitud
(hilos de guarda).
La protección con dispositivos que desvían la onda de línea a tierra (cuernos
de arqueo).
La protección con dispositivos que modifican la forma de onda de
sobretensión y/o absorben parte de su energía (pararrayos)
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50
2.4.3 Protección con Cables o Hilos de Guarda
En las líneas de transmisión que tienen una alta incidencia de descargas
atmosféricas, es importante prevenirlas contra éstas, mediante el blindaje con hilos
de guarda, que tienen como objetivo principal interceptar la descarga por rayo y
conducirlas a tierra.
Cuando se presenta una sobretensión, los cuernos de arqueo provocan
una ruptura dieléctrica del aire circulante a ellos, en ese preciso momento el
dispositivo actúa, llevando la sobretensión a tierra, para lo cual se requiere que la
separación y alineamiento entre ellos esté bien calibrada. En un trasformador los
cuernos de arqueo se encuentran colocados en las boquillas de los trasformadores
en el lado de la más alta tensión, y actualmente su uso ha desminuido debido a que
aumentó la popularidad del pararrayos.
En los cuernos de arqueo, cuando su nivel isoceráunico (nivel de descargas
en un área) es por debajo de 15, es más recomendable usar éstos ya que son
económicos, comparado con el pararrayos.
El nivel de protección de un sistema eléctrico de potencia contra las
descargas atmosféricas cuando se establecen hilos de guarda cobra gran interés
para el servicio que preste. Estos cables pueden ser de acero, o pueden ser hilos de
acero con película de cobre (COPPERWELD) o hilos de acero con película de
aluminio ( ALUMOWELD). Unos y otros, se conectan a las puntas más altas de las
torres de las líneas de transmisión o subtransmisión, sobre los conductores activos
o fases de la línea, es decir con hilos soportados paralelamente a los conductores dela línea, con una colocación a un nivel superior, que sirve como pantalla protectora
impidiendo que los rayos caigan directamente sobre los conductores activos.
Además en la parte alta de las torres se conecta a los hilos de guarda, un cable
conectado a tierra, que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensión
producidas por la descarga y que viajan por los hilos de protección.
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La protección de las líneas de transmisión persigue dos objetivos:
1. Evitar que la descarga alcance conductores.
2. Permite la descarga del rayo en la línea.
El primer método usa conductores conectados a tierra (cables de tierra)
suspendidos por encima de las líneas de transmisión, mientras que en el segundo
emplea dispositivos tales como tubos de protección, compensadores de defectos a
tierra (bobinas Petersen), o interruptores de reconexión automática.
Desde hace mucho tiempo, para la protección de líneas contra los rayosdirectos, se vienen utilizando cables de acero, o hilos de acero cubiertos con una
película de cobre o de aluminio, colocados por arriba de los conductores en la punta
de la torre, que actúan como pantalla y que se ponen a tierra en cada una de las
estructuras de la línea. En esta forma el impacto del rayo es recibido por el cable o
los cables de tierra y solamente un porcentaje muy reducido podría alcanzar a
algún conductor. Según el reglamento vigente, la altura a que debe colocarse el
cable de tierra se fijará teniendo en cuenta que el ángulo protector, es decir, el
formado por la vertical con la recta que une al cable de tierra y el conductor exterior
debe ser igual ó menor de 30°.
Es necesario además, que la distancia entre el cable de tierra y el conductor
sea por lo menos igual a la separación que resulte entre conductores según las
características de la línea e impuesta por el reglamento.
La rigidez dieléctrica juega un papel importante en los aisladores de la línea,
según el tipo de los elementos y número de éstos que constituyen la cadena. A este
respecto es necesario consignar que las ondas de choque producen el
contorneamiento de los aisladores no solamente por la amplitud de la cresta de
tensión; la tensión de contorneamiento puede ser superada cuando está aplicada en
tiempo corto. A continuación se presenta una torre utilizando hilos de guarda para su
protección (figura 13).
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Figura 13. Representación física de los hilos de guarda y su conexión a tierra.
Hilos de guarda
Conductores de faseConductores de fase
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La función encomendada al cable de tierra es interceptar el rayo y conducir su
corriente al suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes
para cebar el arco entre el hilo de tierra o la torre y los conductores. Para obtener
este resultado, es necesario que, en la parte central del vano, la separación entre elcable de tierra y los conductores sea suficiente para que la descarga del rayo no
pueda dar origen a una tensión superior a la de arco antes de dar tiempo a que las
ondas reflejadas en las torres más próximas lleguen de nuevo al punto de partida y
disminuyan el valor de la tensión existente. Las torres deben estar suficientemente
aisladas de los conductores de transmisión, para que las tensiones que aparezcan
como resultado de la caída de resistencia en su base no puedan ser causa de arco
alguno. Por tanto, para un rayo de intensidad dada, cuanto más alta sea laresistencia en el pie de la torre, más aislamiento se requiere entre torre y línea.
2.4.3.1 Condiciones físicas.
Los cables de tierra deben colocarse encima de los conductores de línea, en
forma de que el rayo descargue sobre aquellos antes de poder alcanzar a éstos.
Desde el punto de vista del rayo los conductores de tierra pueden ser de cualquier
material, tales como acero, cobre, aluminio o acero cobreado. La sección del
conductor viene, en general, definida por consideraciones mecánicas, pero si su
sección es insuficiente, la corriente del rayo puede dañarlo seriamente. Según los
datos obtenidos de acuerdo con investigaciones ya realizadas, el conductor mas
grueso fundido por la corriente del rayo fue uno del numero 4, ósea de 21 mm 2, de
cobre macizo. Probablemente, en la mayoría de los casos baste un conductor de
tierra de diámetro no inferior al número 1/0 ( 53 mm2 ). Una protección de éste tipo,
debe tenerse presente que la separación de tierra y los conductores de línea debe
ser mayor en el centro del vano que en los apoyos.
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Δh = 25.3 m
2.4.3.2 Problema sin utilizar Hilo de Guarda
A continuación presentaremos la diferencia que existe en la utilización o no
del hilo de guarda en dos ejemplos que muestran la importancia del mismo:
Ejemplo1. Estimar el índice de flameo de una línea de 220 KV que se opera sin hilo
de guarda. Los datos de la línea son:
Longitud del claro: 366 M (1200 pies).
Aisladores: de cadena con 15 discos de 254 x 127 (10x5 pulg. ).
Nivel isoceraunico: 27
Altura de los conductores superiores 25.3 M.Conductores de ACSR con una flecha de 9.15 M.
Impedancia característica: 480 Ohms.
Solución:
5.2 m
5.2 m
9.46 m
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La altura promedio de los conductores superiores considerando la flecha es:
h promedio = 25.3 - )15.9(3
2 19.2 M
El número de descargas por año en una línea ( F1) es:
F1 = 6230
DT
Km
asdesc
100
arg al año.
O bien considerando la altura promedio de los conductores (al no existir hilo de
guarda) y estar las torres con una altura promedio entre 25 y 30 M.
F1 =30
7.2 DT h
Km
asdesc
100
arg al año.
F1 =30
272.197.2 47
En curvas para una cadena de 15 discos la tensión crítica de flameo (VCF) es
1200 KV.
La tensión de flameo del aislamiento de fase a fase, es decir a 5.2 M, de
entre hierro para las dos cadenas de aisladores en serie es mucho mayor que 1200
KV y en este caso I1 es menor que I2 , por lo que:
I1 = 2O Z
VCF = 2
480
1200x 103 =5000 A
I1 = = 5 KA
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Considerando que la proporción de descargas que producirán flameo es p1 = 0.9,
la frecuencia de descargas en la línea por año, dará un índice de flameo:
FA = F1 p1 = 9.047 42 Km
flameos100
al año
2.4.3.3 Problema utilizando Hilo de Guarda
Ejemplo 2. Para el problema anterior no se utilizó el hilo de guarda, utilizando los
mismos datos para una línea de 220 KV, estimar el índice de flameo para línea con
hilo de guarda.
9.46 m
5.2 m
5.2 m
5.2 m
θs
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Θs = Arc tan2.5
73.4 = 3.42
La probabilidad P Θ de fallas por acorazado en por ciento es entonces:
Log P Θ =90
h s - 2.0 h = altura del hilo de guarda
Log P Θ =90
5.303.42 - 2.0
De donde : P Θ = 3.94 %
Para torres con altura del orden de 30 M en promedio, el número de
descargas por año en una línea es:
F1 = 2.7 ( Δh)30
DT = 2.7 (25.3)
30
27
F1 = 61.479
El índice de flameo con acorazado es entonces:
TF = F1 PΘ x 10-2
TF = (61.479) (3.94) x 10-2
TF = 2.422 Km
flameos
100 al año.
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De este valor solo una parte se debe a la corriente de descarga, pero de
suficiente magnitud para producir flameo en el aislamiento en la línea.
La tensión crítica de flameo para una cadena con 15 aisladores de
254 x 146 mm (10 x 54
3 pulg.) es 1200 KV, si la impedancia característica de la línea
es Zo = 480 Ohms, la corriente del rayo es:
I1 = 2 Zo
VCF x 103 = 2
480
1200 x 103 = 5000 A
I1 = 5 KA
La probabilidad p1 de que se excede este valor en la corriente, se obtiene de :
Log p1 = 2.0 -60
I 1 I I = Corriente del rayo en KA
Log p1 = 2.0 -60
5 = 1.9166
p1 = 82.54 %
Y entonces el índice de flameo en línea acorazada es:
TF = F1 p1 PΘ x 410
TF = 41094.354.82479.61 x
TF = 1.99 Km
flameos
100 al año.
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Por lo anterior podemos concluir que la utilización del hilo de guarda en los
sistemas de distribución que no utilizan éste dispositivo tienen 42 flameos/100 km al
año , por otro lado, utilizando el hilo de guarda en nuestros sistemas tienen 1.99
flameos/100 km al año ; en base a lo anterior observamos que hay una diferenciamuy elevada de 40.01 flameos/100 km al año; este estudio nos da una idea mas
clara para una toma de decisión a la hora de utilizar o no el hilo de guarda,
quedando a criterio de cada uno este sistema de protección.
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2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS
Anteriormente se conocía únicamente como pararrayos a los sistemas de
protección contra descargas atmosféricas; pero en la actualidad en México, se
utilizan también los apartarrayos, por lo cual se hará un estudio sobre estos dos
tipos de sistemas de protección contra descargas atmosféricas, que son:
1. PARARRAYOS
2. APARTARRAYOS
2.4.4.1 Estudio del Pararrayos
2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999
Pararrayos: es un dispositivo para recibir, colectar o desviar las descargas
eléctricas atmosféricas a tierra.
Selección de pararrayos
Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materiales
radiactivos.
Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de
instalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a
tierra la descarga eléctrica atmosférica, son:
a) el nivel isoceráunico de la región;
b) las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o explosivasque se almacenen, manejen o transporten en el centro de trabajo;
c) la altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes;
d) las características y resistividad del terreno;
e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias químicas,
inflamables o explosivas;
f) el ángulo de protección del pararrayos;
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g) la altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra las
corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica.
Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargasatmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo eléctrico;
colocados en la parte mas alta, para poder recibir la descarga atmosférica y drenarla
a tierra; comúnmente son conocidos como puntas pararrayos y es el elemento
primario para la coordinación de aislamiento, en base a las siguientes funciones:
Opera con sobretensiones en el sistema permitiendo el paso de las
corrientes del rayo y sin sufrir daño. Reduce las sobretensiones peligrosas a valores que no dañen el aislamiento
del equipo.
Las características principales para la selección correcta de un pararrayos en un
sistema de distribución son las siguientes:
1. La tensión nominal
2. La corriente de descarga
Estas se pueden calcular por promedio de la fórmala siguiente vn=ke.vf --f
Donde:
Vn = tensión nominal de pararrayos en kv
Ke = factor de corrección a tierra
Vf-f = tensión de línea a línea
El factor ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra de la
instalación eléctrica al sistema, considerando que una falla de línea a tierra es lo que
produce una sobretensión en las fases no falladas.
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2.4.4.1.2 Tipos De Pararrayos
Antes de comenzar la descripción de los diferentes tipos de pararrayos,
mencionaremos los 3 elementos fundamentales por los cuales está integrado un
sistema de pararrayos para un edificio ( ver figura 14).
Figura 14. Elementos fundamentales de un pararrayos.
1. Un elemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de
protección y los cables colocados estratégicamente en las partes de la estructura
que pueden recibir una descarga ( “A” figura 13).
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2. Circuito a tierra, formado por los conductores que tienen como misión
transportar a tierra la corriente de la descarga, según el recorrido perfectamente
determinado y de baja resistencia eléctrica, pasando normalmente por la parte
exterior del edificio. La realización práctica de estos elementos debe de efectuarseteniendo en cuenta que por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una
importancia notable la reactancia del circuito, cuya influencia puede originar grandes
caídas de tensión en el circuito ( “B” , Figura 14).
3. Electrodos a tierra llamados también dispersores de tierra los que proveen de
un contacto íntimo del sistema con el terreno, facilitando la dispersión de la corriente,
en el terreno propiamente dicho (“C”, Figura 14). Existen en la actualidad para elcálculo y diseño de estos electrodos a tierra, así como procedimientos de medición
de la resistencia, lograda. Se ha desarrollado también alguno productos que pueden
usarse como aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia
a tierra.
De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se
conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos:
Pararrayos de Franklin .- Descubierto por Benjamín Franklin en el año de
1750, consta de una punta y de una conexión a tierra, su interés actualmente es solo
histórico, ya que se han comprobado las limitaciones de superficie protegida que
provee, otro efecto estriba en el hecho de cada vez que es alcanzado directamente
por un rayo, la descarga se recibe en un solo lugar, lo cual origina que la punta de la
barra falle debido a la intensa corriente que transporta.
Pararrayos tipo de Jaula de Faraday.- La jaula de Faraday se basa en el
experimento del físico del mismo nombre, según el cual disponiendo una envoltura
metálica cerrada y conectada a tierra, cualquier fenómeno eléctrico, por intenso que
sea no causa ningún efecto en el interior de la envoltura, o sea, que la envoltura
mencionada sirve como “pantalla “ ó blindaje del interior.
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Actualmente este tipo de sistemas se construyen de una red o malla de
conductores que se coloca en la parte superior de la estructura que se protege, con
suficientes conexiones a tierra para lograr en dicha malla una distribución uniforme
del potencia de la tierra. La protección de las superficies intermedias entre los cablesque forman la red, se logra mediante pequeñas puntas ionizadoras de la atmósfera
que originan concentraciones de carga en ellas, las que en condiciones de tormenta
pr oveen múltiples “pilotos secundarios”, lo que además proporciona muchas vías de
entrada a la descarga principal, cada una de ellas con una intensidad de corriente
menor.
Este sistema es el que ha tenido hasta la fecha un desarrollo mayor, ya quedesde 1904 se dispone de reglamentos oficiales de institutos y organismo
especializados, los cuales recopilan normas de diseño experimentadas ampliamente
y revisadas periódicamente, lo cual proporciona una garantía de su funcionamiento.
Pararrayos Radioactivos.- A principios del siglo pasado comenzaron las
investigaciones sobre el pararrayos radioactivo, partiendo de la colocación de sales
radioactivas en una punta con lo que se ioniza el aire circundante y se favorece una
descarga paulatina sin que llegue a caer el rayo. Ese sistema que desarrollaron los
Capart (Padre e Hijo) de 1931 a 1953, tuvo una gran difusión posterior a causa de la
elevada superficie protegida (semiesfera de radio variable según la carga radioactiva
y cilindro tangente a la misma hasta el suelo).
En todas formas, pese a que la emisión radioactiva es muy limitada y no se
consideraba nociva, actualmente en ciertos países se genera una especial
resistencia al empleo de estos dispositivos, su uso no está reglamentado en nuestro
país.
Hilos de guarda.- el primer método usa conductores conectados a tierra
(hilos de guarda), suspendidos por encima de las líneas de transmisión. La función
encomendada al hilo de guarda es interceptar el el rayos y conducir la corriente al
suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes para cebar el
arco entre el hilo de guarda o la torre central y los conductores
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2.4.4.1.3 Proceso de Funcionamiento de un Pararrayo
de toda instalación de protección contr
en primer lugar se debe realizar un es
que determinará el nivel de protección
emplazamiento del PDC, el trazado de
la ubicación y tipo de la toma de tierra
partes fundamentales del estudio previ
cálculo del riesgo de impacto directo.
alto sea el riesgo, mayores serán las
protección requeridas (para un riesgo
NIVEL DE III, para un riesgo normal).
Para la máxima seguridad, la norma U
APLICACIONES
El anexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-1
GUÍA PARA LA EVALUACIÓN DEL RIESGO DE IMPA
SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN
Figura 15. Pararrayos electropropulsante Dat Controler.
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nexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-102 constituye ARA LA EVALUACIÓ
Las figuras 15 y 16 muestran al pararrayos y su estudio respectivamente; la
formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico ambiental
por encima de los 10kv/m. Esta energía natural es acumulada por el dispositivo de
cebado del pararrayos electropulsante DAT CONTROLER que de esta forma queda
en situación de precontrol.
A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco
incremento del campo eléctrico, originándose una zona de riesgo de impacto. Si esta
zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la brusca
variación del campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de protección
DAT CONTROLER que, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una
vía de descarga a tierra controlada y segura.
Figura 16. Representación del funcionamiento de un pararrayoselectropropulsante Dat Controler .
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Características:
Pararrayos electropulsante DAT CONTROLER caracterizado por:
1. Cumple Normas UNE 21 186* y NF C 17-102.
2. Tiempos de avance en el cebado específicos de cada modelo.
3. Radios de protección certificados para cada modelo y nivel.
4. Funcionamiento efectivo en condiciones de lluvia. Aislamiento superior al
95%.
5. Funcionamiento efectivo tras soportar corrientes de rayo repetitivas.
Efectividad
Pruebas de funcionamiento y efectividad:
LCOE Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia- Ministerio de Industria y
Energía (Madrid).
SEDIVE Laboratorio de Alta Tensión de Bazet (Francia).
Facultad de Física de la Universidad de Valencia.
Instituto de Tecnología Eléctrica. Universidad Politécnica de Valencia.
AIMNE Instituto Tecnológico Metal Mecánico (Valencia).
EDF Eléctrica de Francia. Laboratorio de Les Renardieres (Francia).
BET Laboratorio de Alta Tensión de Blitzschutz & EMV (Alemania).
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2.4.4.1.4 Materiales necesarios para la instalación de un sistema de pararrayos
en edificios.
Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son lossiguientes:
A) Puntas
Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mínima de 25 cm.,
quedando más altas del contorno que protegen, tendrán sus bases adecuadas a la
superficie donde se coloquen e irán fuertemente fijadas a la misma (ver la figura 17).
B) Conductores
Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:
I.- Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro, para edificios con altura
menor o igual a 23 m, (ver figura 18).
II.- Cable de cobre desnudo de 13mm. de diámetro, para edificios con altura
mayor de 23m. (ver la figura 19).
En cualquiera de los casos, se colocará el conductor de manera a proveer un
doble paso a tierra desde cada punta.
C) Conductores de baja
Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mástiles o estructuras
similares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada.
Su colocación estará tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal,
en esquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmente
opuestas en estructuras cilíndricas.
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Cuando una estructura tenga un perímetro que exceda de 75 m., debe tener
una bajada adicional por cada 30 metros de perímetro. Para el cálculo del perímetro
se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno, excluyendo
cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran de protección. El número totalde conductores de bajada en estructuras con azoteas planas o ligeramente
inclinadas y en las de forma irregular se calcularán de tal manera que la distancia
promedio entre ellos no sea mayor de 30 m.
D) Fijaciones.
Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas yserán del mismo metal que estos, deberán quedar lo suficientemente fuertes para
sujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas de otras (ver
figuras 17,18 y 20).
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Figura 17. Conectores para fijaciones de puntas pararrayos.
Abrazadera para cable. Conector detuberías.
Base de pretil parapunta.
Desconectador detierra.
Conector detuberías. Conector “T” mecánico.
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Figura 18. Materiales utilizados para la instalación del pararrayos.
Cable de cobre de 24hilos de 1.7 mm dediámetro.
Punta triple galvanizadamaciza de cobre.
Boquilla niveladora
para punta.
Conector de
contacto.
Conector detuberías.
Conector “Pasa
Losa”.
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Figura 19. Tipos de materiales para la fijación e instalación del pararrayos.
Varilla Coperweldpara tierra.
Rehilete para tierra.
Conector “T”. Abrazaderaspara tierra.
Ajusrtador para cable y bases. Conector cruz.
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Figura 20. Representación esquemática de la fijación del pararrayos.
Base planapara punta.
Nivelador para
puntas.
Punta maciza de
cobre, cromadade 25 o 32 cm.
Cable de cobre de 28 o
32 hilos.
Abrazadera para cable.
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2.4.4.1.5 Conexión a Tierra. Interconexión de Metales, Tuberías y Equipos
Todos los objetos metálicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra,
que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados almismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y
conectores especiales (ver la figura 21).
Figura 21. Instalación del pararrayos por medio de abrazaderas y conectores
especiales
Conector “T”.
Cable de cobrede 28 o 32 hilos.
Conector zapata paraaterrizar elementosmetálicos.
Ducto deextrucción deaire.
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75
Las conexiones a tierra se harán por medio de bayonetas y/o rehiletes, para
conseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentro de las
normas referidas.
En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a los
recomendados (máximo 25 ) , serán necesarios trabajos adicionales para mejorar
las condiciones del terreno.
Es importante, también, considerar lo siguiente:
A) Ubicación
Las conexiones a tierra se harán en aquellos lugares donde se logre una fácil
dispersión de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de la cimentación y
en un área de jardines.
B) Medio de conexión
Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de diámetro (véase la
figura 22).
Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad.
Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. de
profundidad.
Varilla de cobre-acero, en registro de mampostería (en el caso de suelos
rocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capas alternadas de
10 cm. de carbón de piedra en polvo, cloruro de sodio en grano, cloruro de
calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio.
C) Tierras comunes
Se deberán realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del
sistema de pararrayos y las de otros servicios como eléctrico, antenas de radio y
televisión, etc.
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Figura 22. Medios de conexión del pararrayos.
D) Instalación
La instalación se hará de manera poco visible. El conductor se colocara a menos de
60 cm. de la orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre o atrás de los
pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrás de las bajadas de agua y
en general, procurando esconder el equipo lo más posible. Todos los materiales se
fijaran fuertemente a la construcción para evitar cualquier posibilidad de
desplazamiento y para facilitar el mantenimiento subsiguiente.
Varilla Coperweldpara tierra, de cobrecon alma de acero de13 mm. y 3.05 m.
Cable de cobre de 28o 32 hilos.
Abrazadera paratierra.
Tubo rígido de PVC de19mm. de diámetro y
3 m. de longitud.
Abrazadera galvanizadade 19 mm. de diámetro.
Desconectadorpara prueba.
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2.4.4.1. Selección del Pararrayos
1. Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionan a base de material
radioactivo.
2. Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación
de instalar pararrayos y en su caso el tipo de pararrayos a utilizar para drenar
a tierra la descarga eléctrica son:
a) El nivel isoceráunico de la región.
b) Las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o
explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro detrabajo.
c) La altura del edificio con elación con las elevaciones adyacentes.
d) Las características y resistividad del terreno.
e) Las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias
químicas, inflamables o explosivas.
f) El ángulo de protección del pararrayos.
g) La altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierralas corrientes generadas por la descarga eléctrica.
2.4.4.1. Instalación del Pararrayos
Para el desarrollo de la correcta instalación de un sistema de pararrayos se
deben considerar los siguientes aspectos básicos:
Debe respetar absolutamente las normas existentes.
Realizar la correcta ubicación y distribución de todos los elementos.
Utilizar estrictamente los materiales especificados.
Es de especial interés al análisis de las siguientes observaciones generales
relativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalación de este tipo,
que son:
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1. Localización de la posición de las puntas.
2. Fijación de las bases para la localización de las puntas.
3. Determinación del recorrido de conductores.4. Fijación de conductores.
5. Conexiones.
6. Determinación de la posición de los electrodos a tierra.
7. Instalación de los electrodos.
8. Pruebas.
1. Localización de la posición de las puntasLa parte más alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. más alta que el
contorno protegido. La separación máxima de la orilla del contorno protegido es de
60 cm. El espaciamiento máximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +- 10%.
2. Fijación de las bases para la colocación de las puntas
Se debe usar algún elemento rígido adecuado al ambiente en el que se instale, por
ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plástico con
tornillo de latón, considerando que además de corrosivo es húmedo.
3. Determinación de recorrido de conductores
Horizontales:
De cada punta deberán existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas ascendentes.
Los cambios de dirección no deben tener un radio menor de 20 cm.
Verticales:
Deben ser lo más directo posible.
No deben tener curvas inversas.
Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metálicas.
Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme.
En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel del
terreno), deberá instalarse una guarda de protección, con la finalidad de
proteger al conductor de daño mecánico, se sugieren tuberías no metálicas.
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4. Fijación de conductores
Antes de sujetarse el cable, deberá ser tomado para garantizar trayectorias lo
más rectas posible.
El espaciamiento máximo entre puntos de sujeción (abrazaderas), será de 90cm.
Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio ambiente
en el que se instale.
5. Conexiones
Las conexiones deberán ser las mínimas necesarias y de la máxima rigidez
mecánica. Siempre se deberán usar conectores mecánicos especiales para este uso.
Las conexiones soldadas deberán evitarse.
6. Determinación de la posición de los electrodos de tierra
Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra.
Preferentemente fuera de cimentaciones.
Separados por lo menos 60 cm. de la construcción.
De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo más húmedo posible
o este en el máximo contacto con humedad.
7. Instalación de los electrodos
Varillas o bayonetas:
Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno es bueno, o
sea, que a través de la superficie de la varilla se establezca un buen contacto
con el terreno, por lo tanto, deberá evitarse el hacer una excavación para
colocar en ella la varilla.
La conexión entre el cable y la varilla se hará con un conector especial para
este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada.
Preferentemente, pero no indispensable, se construirá un registro para tener
acceso al conector mencionado anteriormente y colocado en el extremo
superior de la varilla.
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Rehiletes:
Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavaciones
especiales para ellos, de la máxima profundidad posible.
El rehilete se colocará en el fondo de la excavación en una mezcla de ciscode carbón (carbón menudo) y sal en proporción de 5 a 1.
Es muy importante que la excavación sea tapada con tierra de las mejores
condiciones de conductividad, al máximo grado de compactación que sea
posible.
Desconectadores de tierras:
Cada electrodo de tierra deberá proveerse de un medio que permita sudesconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su
resistencia a tierra.
Normalmente es recomendable la instalación del desconectador en el
extremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en
cuenta que es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber
ninguna otra conexión.
8. Pruebas
Para considerar satisfactoria una instalación, deberá tener:
Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendo pasar
una corriente a través de ellos.
Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (máximo 25 ohms).
Rigidez mecánica en sus elementos de soporte.
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2.4.4.2 Estudio del Apartarrayos
2.4.4.2.1 Norma 001-SEDE-1999
ARTÍCULO 280 – APARTARRAYOS
A. Disposiciones generales
280-1. Alcance. Este Artículo cubre los requisitos generales, de instalación y de
conexión de apartarrayos conectados a sistemas de alambrados de usuarios.
280-2. Definición. Un apartarrayos es un dispositivo protector que limita las
sobretensiones transitorias descargando o desviando la sobrecorriente así
producida, y evitando que continúe el paso de la corriente eléctrica, capaz de repetir
esta función.
280-3. Número necesario. Cuando se utilice como un elemento en un punto del
circuito, el apartarrayos se debe conectar a cada conductor de fase. Se permite que
una misma instalación de apartarrayos proteja a varios circuitos interconectados,
siempre que ningún circuito quede expuesto a sobretensiones cuando esté
desconectado de los apartarrayos.
280-4. Elección del apartarrayos
a) Para circuitos de menos de 1000 V. La capacidad nominal de los apartarrayos
debe ser igual o mayor que la tensión eléctrica continua de fase a tierra a la
frecuencia de suministro que se pueda producir en el punto de aplicación. Los
apartarrayos instalados en circuitos de menos de 1000 V deben estar aprobados y
listados para ese fin.
b) En circuitos de 1 kV y más, tipo carburo de silicio. La capacidad nominal de
los apartarrayos tipo carburo de silicio no debe ser inferior a 125% de la tensión
eléctrica máxima continua de fase a tierra disponible en el punto de aplicación.
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NOTA: La elección adecuada de apartarrayos de óxido metálico se debe basar en
consideraciones de la tensión eléctrica máxima continua y del valor y duración de las
sobretensiones en el lugar donde se vaya a instalar, y de cómo puedan afectar al
apartarrayos las fallas de fase a tierra, los métodos de puesta a tierra del sistema,las sobretensiones por operación de interruptores y otras causas. Es conveniente
consultar las instrucciones de los fabricantes para la aplicación y selección de
apartarrayos en cada caso particular.
B. Instalación de los apartarrayos
280-11. Localización. Está permitido instalar apartarrayos en interiores o exteriores,
pero deben ser inaccesibles a personas no-calificadas, y lo más cerca posible delequipo. Véase 280-27
Excepción: Los apartarrayos aprobados y listados para su instalación en lugares
accesibles. En instalaciones en vía pública, deben instalarse apartarrayos en los
puntos normalmente abiertos. Cuando se trate de sistemas subterráneos, el
apartarrayos debe ser de frente muerto.
280-12. Tendido de los cables de los apartarrayos. El conductor utilizado para
conectar el apartarrayos a la red o cables y a tierra no debe ser más largo de lo
necesario, y se deben evitar curvas innecesarias.
C. Conexión de los apartarrayos
280-21. Instalados en acometidas de menos de 1000 V. Los conductores de
conexión a la red y a tierra no deben ser de tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2
(14 AWG) en cobre ni menor a 13,3 mm 2 (6 AWG) en aluminio. El conductor de
puesta a tierra de apartarrayos se debe conectar a uno de los siguientes elementos:
(1) al conductor puesto a tierra de la acometida; (2) al conductor del electrodo de
puesta a tierra; (3) al electrodo de puesta a tierra de la acometida o (4) a la terminal
de puesta a tierra de equipo de acometida. En los elementos (2) y (3) anteriores, el
conductor de puesta a tierra debe ser de cobre.
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280-22. Instalados en el lado de la carga en instalaciones de menos de 1000 V.
Los conductores de conexión de apartarrayos a la red y a tierra no deben ser de
tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2 (14 AWG) en cobre ni menores a 13,3 mm 2
(6 AWG) en aluminio. Se permite conectar un apartarrayos entre dos conductorescualesquiera (de fase, puesto a tierra o conductor de puesta a tierra). El conductor
de puesta a tierra y el puesto a tierra sólo se deben conectar entre sí cuando
funcione el apartarrayos normalmente durante una sobretensión.
280-23. Circuitos de 1 kV en adelante: conductores de los apartarrayos. Los
conductores entre apartarrayos y la red y entre aquéllos y la conexión de puesta a
tierra, no deben ser inferiores a 13,3 mm 2 (6 AWG) de cobre o aluminio.
280-24. Circuitos de 1 kV en adelante: conexiones. Los conductores de puesta a
tierra de apartarrayos que protegen a un transformador cuyo secundario suministre
energía a un sistema de distribución, se deben conectar como se indica en los
siguientes incisos.
a) Conexiones metálicas. Se debe hacer una conexión metálica con el conductor
puesto a tierra en el secundario o al conductor de puesta a tierra del equipo en el
secundario, considerando que además de la conexión directa puesta a tierra del
apartarrayos:
1) El conductor puesto a tierra en el secundario tenga además una conexión de
puesta a tierra con una tubería metálica continua enterrada para agua. No obstante,
en zonas urbanas donde haya por lo menos cuatro conexiones con tubería de agua
al neutro y no-menos de cuatro de dichas conexiones por cada 1,6 km de longitud
del neutro, se permite hacer la conexión metálica con el neutro del secundario, sin
tener que hacer la conexión directa a tierra del apartarrayos.
2) El conductor puesto a tierra en el secundario del sistema forme parte de un
sistema con múltiples puestas a tierra del neutro en el cual el neutro del primario
tiene al menos cuatro conexiones a tierra por cada 1,6 km, adicionalmente a la
puesta a tierra en cada acometida.
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b) A través de un entrehierro o dispositivo. Cuando el conductor de puesta a
tierra del apartarrayos no esté conectado como se indica anteriormente en (a) o
cuando el secundario no esté puesto a tierra como se indica anteriormente en (a),
pero sí como se indica en 250-81 y 250-83, se debe hacer una conexión a través deun entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado, como sigue:
1) En sistemas con primario no-puesto a tierra o con un solo punto de puesta a
tierra, el entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión
eléctrica de ruptura a 60 Hz como mínimo del doble de la tensión eléctrica del
circuito primario, pero no necesariamente más de 10 kV, y debe haber como mínimo
otro punto de puesta a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario, a una
distancia no-menor de 6 m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos.2) En sistemas cuyo neutro del primario tenga varios puntos de puesta a tierra, el
entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión eléctrica de
ruptura a 60 Hz no-superior a 3 kV y debe haber como mínimo otro punto de puesta
a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario a una distancia no-inferior a 6
m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos.
c) Con permiso especial. Sólo se puede hacer una conexión del conductor de
puesta a tierra del apartarrayos y del neutro del secundario, que no sea como las
indicadas en los anteriores (a) y (b), mediante permiso especial de la empresa
suministradora.
280-25. Toma de tierra. Excepto lo indicado en este Artículo, las conexiones de
puesta a tierra de los apartarrayos se deben hacer como se indica en el Artículo 250.
Los conductores de puesta a tierra no deben ir en una envolvente metálica a no ser
que estén conectados equipotencialmente a ambos extremos de dicha envolvente.
280-26. Sistemas aéreos en anillo y en transiciones. Deben instalarse
apartarrayos en el punto abierto de sistemas aéreos en anillo y en transiciones de
línea aérea a subterránea.
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280-27. Instalación en interiores. Cuando se instalen apartarrayos en el interior de
edificios, deben ubicarse fuera de pasillos y alejados de otros equipos, así como de
materiales inflamables.
280-28. Resguardo. Los apartarrayos y sus accesorios deben resguardarse, ya sea
por su elevación o por su localización en sitios inaccesibles a personas no-
calificadas; o bien, protegidos por defensas o barandales, similares a los que se
mencionan en 710-35.
280-29. Conexión de puesta a tierra
a) Conductores de puesta a tierra. Los apartarrayos deben ser puestos a tierra lomás directamente posible y deben cumplir con el tamaño nominal mínimo señalado
en 280-23.
b) Conexión de puesta a tierra de partes metálicas de apartarrayos. Cuando no
sea factible el resguardo de los apartarrayos como se indica en 280-28, su
estructura y partes metálicas que no conducen corriente eléctrica, deben ser puestos
a tierra.
c) Apartarrayos instalados en terminales de cables subterráneos. Cuando se
instalen en terminales de cables subterráneos con cubiertas metálicas, éstas deben
conectarse al mismo sistema de tierra de los apartarrayos.
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Los apartarrayos actúan como válvulas de seguridad destinadas a descargar
las sobretensiones causadas por descargas atmosféricas, maniobras u otras
perturbaciones, que en caso contrario se descargarían por los aisladores o
perforando el aislamiento, ocasionando una interrupción en una línea yeventualmente desperfectos en las máquinas. Están proyectados de modo que
absorban suficiente energía transitoria para evitar reflexiones peligrosas y para
cortar la corriente en su primer paso por cero, después de la descarga de la
sobretensión. El aparato incluye uno o más juegos de distancias explosivas que
determinan la tensión de descarga y ayudan a la extinción del arco, evitando el paso
de corriente en servicio normal. La resistencia del material del apartarrayos es,
aproximadamente inversamente proporcional a la tensión que soporta, de maneraque la caída de potencial a través del apartarrayos aumenta muy poco al aumentar
la intensidad que lo atraviesa.
El apartarrayos es utilizado para la protección contra descargas indirectas
cuyas ondas viajan a través de las líneas de entrada a la subestación y contra las
descargas directas; también protegen el equipó contra algunas ondas que se
presentan por operaciones de maniobra.
Algunos de los apartarrayos actuales son capaces de drenar cualquier
descarga eléctrica como retraso en la descarga, ya que no es práctico diseñar
apartarrayos con un intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a
tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga del
apartarrayos puede ser de varios cientos de amperes su duración es muy corta en
comparación con la energía total absorbida por el apartarrayos, la primera
consideración en la aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje
de línea a tierra a que el apartarrayos puede estar sujeto para cualquier operación
del sistema o falla.
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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
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2.4.4.2.2 Protección de la Subestación
La protección de las subestaciones contra sobretensiones de origen externo o
contra sobretensiones por operaciones de maniobra (switcheo), consistebásicamente en varillas coperweld en las estructuras, hilos de guarda, pararrayos y
apartarrayos. Cómo protección adicional al equipo y el personal de operación se
tienen la red de tierra cuyo diseño está en función de la corriente de falla a tierra, la
corriente de rayo y la forma en que se encuentra el equipo conectado a tierra. Él
número de varillas coperweld que se instalan en una subestación tipo intemperie no
esta sujeto a un cálculo ya que se pueden localizar tantas varillas coperweld como
columnas de los marcos de la estructura de la subestación.
2.4.4.2.3 Selección del Apartarrayos
El apartarrayos protege contra las descargas indirectas, cuyas ondas viajan a
través de las líneas de entrada a la subestación y contra las descargas directas,
también protegen el equipo contra algunas ondas que se presentan por operaciones
de maniobra.
Algunos de los modernos apartarrayos son capaces de descargar cualquier
descarga eléctrica como algún retraso en la descarga ya que no es practico diseñar
apartarrayos con el intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a
tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga eléctrica
puede ser de varios cientos de amperes su duración, es muy corta en comparación
con la energía total absorbida por el apartarrayos. La primera consideración en la
aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje de línea a tierra a
que puede estar sujeto para cualquier operación del sistema o falla.
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2.4.4.2.4 Tensiones nominales del Apartarrayos
Los sobrevoltajes de falla a tierra pueden ser causadas por la pérdida súbita
de carga en generadores de plantas hidroeléctricas, por energización de líneas envació, por fenómenos de resonancia o por fallas en el sistema dentro del tipo de
fallas internas, en este grupo lo más importante a considerar son los sobrevoltajes
por fallas en el sistema, los otros casos se consideran como casos especiales.
El máximo sobrevoltaje por condiciones de fallas se obtiene por la corrección
de línea a tierra considerando el efecto de la aterrización. De acuerdo con las
normas ASA las relaciones de X0/X1 y R0/X1 dan una clasificación de los sistemasdebido a la forma en que se encuentran aterrizados sus neutros para la
determinación de sus sobrevoltajes, como se muestra en la tabla 1, mostrándose la
clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra utilizando las normas
ASA para la determinación de sobrevoltajes por falla:
DESCRIPCION CLASE RELACIONES DE LIMITE COEFICIENTE DE
ATERRIZACION ENX0/X1 R0/X1
ATERRIZADO A * * 75
ATERRIZADO B 0 – 3 0 a 1 80
ATERRIZADO C 3 a +∞ 1 a +∞ 100
NO
ATERRIZADO D -40 a -∞ - 100
NO
ATERRIZADO
E 0 a -40 - -
*Relación no establecida.
Tabla 1. Clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra.
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Los apartarrayos suelen localizarse en las subestaciones eléctricas lo más
cercano al equipo por proteger, sin embargo algunas veces pueden encontrarse
localizados a una distancia del equipo que aunque es relativamente corta se le
conoce como localización remota de apartarrayos.
2.4.4.2.5 Acción del Apartarrayos
La acción de un apartarrayos va dirigido fundamentalmente hacia la operación
con ondas de sobrevoltaje debido a descargas atmosféricas y la interrupción de la
onda de corriente que se presenta simultáneamente. Aunque en la actualidad se
tiene apartarrayos de diseño especial que operan con ondas de voltaje que sepresentan con operaciones de maniobra (switcheo). En esta parte solo se estudiará
el caso de ondas debidas a descargas atmosféricas .Como se ha estudiado, la
propagación de las ondas en la línea de transmisión que llegan al equipo en las
subestaciones o plantas tiene lugar a través de la impedancia característica de la
líneaC
L Z
0 , dependiendo de la flexión y transmisión (refracción) de estas
ondas (Figura 20), de los puntos de transición (cambio de medio de propagación) enla línea.
f e
f e Onda incidente
Figura 20. Representación de la propagación de una onda de una línea de
transmisión.
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Como se mencionó anteriormente las funciones básicas del apartarrayos son:
limitar la magnitud del voltaje que se presenta en sus terminales, presentar una baja
impedancia a tierra para facilitar el paso de la corriente del rayo para recuperar su
rigidez dieléctrica después de que ha sido operado el apartarrayos
Un apartarrayos es por lo tanto un aislador en presencia de ondas de voltaje
debajo de su valor de operación en sus terminales. Arriba de este valor se presenta
un arqueo cuando una onda de voltaje pase a través del apartarrayos.
Pudiera ser que la línea a la que se encuentra conectado un apartarrayos en
un punto, no estuviera adecuadamente protegida y que el apartarrayos tuviera unvalor de operación superior al cual debiera de operar, en estas condiciones se
presenta el fenómeno de reflexiones sucesivas ya que el apartarrayos puede tener
un intento de operación y originar reflexiones de ondas negativas.
2.4.4.2.6 Tipos de Apartarrayos
Apartarrayos tipo línea.- Son algo más pequeño y mas baratos, y poseen
una capacidad de descarga más reducida y una caída RI. Estos pararrayos se usan
en líneas con trasformadores de distribución y en los extremos de las zonas
protegidas de centrales o estaciones
Apartarrayos tipo Thyrite.- Construido por la General Electric Company .-
emplean discos de una composición de cerámica homogénea, no porosa e
inorgánica, que se convierten, de aislantes, en excelentes conductores, cuando la
tensión se eleva a un valor determinado. En serie con los discos de thyrite se hallaun conjunto de varias distancias disruptivas en serie, formando unidad, cada una de
las cuales está shuntada por una resistencia thyrite en derivación, que asegura una
distribución de la tensión regulada y uniforme. Los discos y los espacios disruptivos
están encerrados dentro de un cuerpo de porcelana con tapa y fondo metálicos. Se
forman columnas de una o más unidades para obtener la tensión nominal
adecuada. Estos pararrayos pueden conseguirse para una serie de tensiones desde
2.3 hasta 287 Kv.
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Apartarrayos de Película de Oxido.- Se componen de cierto número de
celdas que contienen peróxido de plomo, en serie con una distancia disructiva entre
línea y tierra. Este tipo de apartarrayos ha sido suplantado en gran escala por otros
tipos.
Apartarrayos tipo de Bolitas o Píldoras (Pellet).- Es una modificación del
de película de óxido. El peróxido de plomo recibe la forma de bolitas del tamaño de
una píldora común, recubiertas de un polvo aislante o barnizadas y colocadas en un
tubo convenientemente aislado según la tensión a que ha de aislarse. Completan el
conjunto un explosor o distancia explosiva en serie y los conductores terminales. La
descarga, después de salvar el explosor perfora la capa aislante de las bolitas yseguidamente dicha capa se regenera, cortando el paso de la corriente dinámica.
Este apartarrayos esta clasificado como propio para distribución y líneas; su
capacidad de descarga es inferior a los de los tipos para estaciones o centrales.
Estos apartarrayos se construyen para tensiones de 1 hasta 73 kvolts
Apartarrayos de elementos de aluminio.- Basan su funcionamiento en una
película aislante formada aplicando una fuerza electromotriz entre dos electrodos de
aluminio en un electrolito apropiado. La película se perfora con una sobretensión,
pero se vuelve a formar cuando la tensión baja a su tensión normal. Antes se
usaban mucho, pero debido a sus elevados gastos de conservación, este tipo ha
sido sustituido por otros más modernos.
Apartarrayos Autovalvulares.- Tal como los construye la Westinghouse
Electric Corporation, se fabrican tanto para centrales como para líneas. Los primeros
se hacen para una capacidad descarga de 100,000 amperes, y los segundos para
50,000 amperes y para tensiones de 1 hasta 287 kv. El apartarrayos autovalvular se
compone de bloques cilíndricos porosos y elementos explosores; el conjunto es
comprimido por medio de resortes. Las unidades así formadas están encerradas en
una cámara de porcelana, provista de una pieza de base y otra de tapa, donde se
fijan las terminales de puesta a tierra y de línea respectivamente ( ver figura 24).
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Figura 24. Tipo de apartarrayos autovalvular.
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Apartarrayos de Distribución con Sello Rolado.- (para altitudes de 0 a 3 km. Uso
exterior e interior de 3 a 24 kv, a una fase.). El apartarrayos IUSA de distribución, es
ahora el más pequeño y ligero disponible en el mercado. Este apartarrayos ha
mantenido las distancias de fuga de campanas más profundas y mejorado suscaracterísticas eléctricas de excelente protección al mismo tiempo que las
reducciones en tamaño y peso proporcionan al usuario numerosa ventajas: facil
manejo durante la instalación, reducción de peso en las crucetas, mejor apariencia
de las instalaciones eléctricas de distribución, reducción de espacios de aislamiento
y mayor facilidad para almacenamiento (figura 23).
Figura 23. Representación del apartarrayos de distribución con sello rolado.
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Los apartarrayos de distribución tipo rolado marca IUSA, han sido
manufacturados y probados, de acuerdo con las normas ANSI, NEMA e IEC para
apartarrayos clase distribución.
Funcionamiento :
La función básica del apartarrayos es proteger las instalaciones eléctricas de
alta tensión y equipo de sub-estaciones, principalmente los transformadores
eléctricos, cuando en la línea se produce una sobre tensión que puede ser debida a
una caída de rayos o efectos transitorios tales como operación de interruptores,
cortos circuitos, etc; todos ellos cercanos a las instalaciones. Dicha sobretensión se
deriva a tierra en forma de corrientes muy elevadas que pasan a través de lasdistancias de arqueo a los cilindros autovalvulares hasta la terminal a tierra, pasando
por el indicador de fallas.
Cuando se presenta el fenómeno , el apartarrayos debe descargas las
sobretensiones y ser capaz de interrumpir la corriente remanente cuando termine el
primer medio ciclo a frecuencia normal de la línea.
Para dar una idea de lo anterior, esto significa la extinción del fenómeno en
forma completa en 1/120 de segundo para frecuencia de 60 hz.
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Figura 24. Partes de un apartarrayos de distribución con sello rolado.
Partes constitutivas de un Apartarrayos de distribución con sello rolado (figura 24):
1. Capuchón aislante
2. Terminal superior , conector y tapa inferior.
3. Conjunto de cámaras de arqueo.
4. Resorte de contacto con derivador.
5. Cilindros autovalvulares.
6. Porcelanas fabricada bajo proceso húmedo.
7. Abrazadera galvanizada.
8. Indicador de fallas.
9. Sello rolado.
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Factores de selección e instalación:
El principio de selección de un apartarrayos es que su tensión nominal
corresponda a la tensión que normalmente existe en una línea determinada entrecada fase y tierra o sea que corresponda con el valor real que en forma sostenida
va a tener verdaderamente aplicado entre terminales el apartarrayos. En todos los
casos se instala un apartarrayos por fase instalada de fase a tierra y debe
conectarse dicha tierra al neutro aterrizado del equipo cuando éste exista.
Con el propósito de seleccionar el valor adecuado de tensión nominal para un
apartarrayos dado, en sistemas trifásicos, existen los siguientes tipos o sistemas deaterrizaje :
Tipo A: Sistemas con neutro a tierra: Sistemas con neutro a tierra cuyas relaciones
reactancia a resistencia son menores que las de los sistemas tipo B. Los sistemas
tipo A llevan 4 hilos con neutro múltiple en conexiones de distribución: este sistema
es llamado usualmente “multiaterrizado”.
Tipo B: Para sistemas con tierra múltiple con relación de reactancia (X0/X1)positiva y
menor de 3 y aquellos cuya relación de resistencia (R0/X1)sea positiva y menor de 1
en cualquier punto del sistema.
Este sistema es usualmente definido como”efectivamente aterrizado o firmemente
aterrizado”.
Tipo C: Este sistema con todo y tener el neutro aterrizado, no llena los
requerimientos del sistema tipo B porque la relación de reactancia es mayor de 3
con valor positivo;
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2.4.4.2.7 Instalación del Apartarrayos
La instalación del apartarrayos constituye una seguridad contra las
interrupciones de servicio de las líneas y de los desperfecto en equipos. La magnitudy el tipo de protección depende de la frecuencia de intensidad de las tormentas que
se producen en la región, del valor que se asigne a la reducción de las
interrupciones de la línea ocasionadas por descargas atmosféricas y de
desperfectos a los equipos. En general, el grado de aislamiento de la línea en la
proximidad en la central y el de los equipos de la misma debería estar coordinado de
tal manera que el aislamiento de los equipos no se perfore ni pudiese saltar el arco
en los aisladores de los transformadores e interruptores. Las centrales conectadas alíneas aéreas tienen que estar dotadas de protecciones contra descargas
atmosféricas proporcionadas al riesgo que éstas implica. La figura 25 indica la
disposición adoptada para dos grupos de apartarrayos colocados exteriormente en
una estación transformadora.
Figura 25. Instalación de apartarrayos en el exterior de una estación
transformadora.
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La figura 26 se refiere a una instalación de interior en la que se hace llegar en
curva suave al apartarrayos su conexión a la línea, efectuada por un conductor
apropiado, y derivando del punto de entrada del apartarrayos la alimentación de la
estación transformadora, cuyos conductores no hay inconveniente en que presenten
trazados más o menos sinuosos.
La figura 27 muestra las medidas de montaje para apartarrayos hasta
37,000 voltios de tensión de trabajo, señalando las cotas mínimas necesarias cuyos
valores se aprecian en la tabla 2.
Figura 26. instalación de unapartarrayos en el interior deuna estación transformadora.
Figura 27. Medidas de montajepara apartarrayos autovalvularesde 3 a 37 kilovoltios de tensiónnominal.
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MONTAJE
Tensión Interior Exteriornormal
en kv P mm P1 P mm P1 3.7 200 130 300 1606.4 210 155 315 18511 230 180 340 21015 285 235 375 28524 285 235 405 28537 365 315 480 385
Tabla 2. Medidas de montaje para los apartarrayos.
Los criterios para la instalación del sistema de apartarrayos se obtienen de
acuerdo a las normas vigentes, a continuación se describe los puntos que se deben
tomar en cuenta para la instalación de un sistema de apartarrayos:
1) Cuando la construcción que se desea proteger alcance una altura igual o mayor a
15m. y no se encuentren construcciones más elevadas en un radio de 500m.
2) Cuando la construcción sea la más alta de la población en donde está localizada,
aún cuando dicha altura sea menor a los 15m.
3) Cuando la construcción se localice en terreno con altura sobresaliente respecto a
la población en donde se ubique .
4) Cuando la construcción se encuentre aislada o alejada una distancia radial a
500m. de cualquier otra construcción.
5) Cuando el objetivo de la construcción sea almacenar alcohol, acetona o productos
altamente inflamables o explosivos
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2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
La tensión dinámica máxima posible en un dispositivo de tensión tiene que
estar por debajo de la tensión disruptiva a que se ha ajustado el explosor o de latensión máxima admisible entre la línea y la tierra del apartarrayos. La tensión
disruptiva y las características de descarga de los dispositivos de protección, bajo
las peores condiciones posibles, con un determinado margen de seguridad
determinan el grado de protección provisto. El nivel básico de aislamiento de los
aparatos, aisladores, etc; es el valor de cresta del impulso de tensión que pueden
resistir, debe hallarse con un margen adecuado, por encima del grado de protección.
Los márgenes de protección elegidos dependen de la distancia de los dispositivosde protección y los equipos a proteger, la importancia del servicio, el costo que
representa y la frecuencia probable de sobretensiones peligrosas.
El caso más interesante de este aislamiento es el del contorneamiento de los
aisladores por efecto de una onda de choque. El valor de la tensión necesaria para
producirlo depende de la polaridad de la onda (+) ó (-), dicha tensión tienen en
general mayor amplitud que la que correspondería a la corriente de frecuencia
industrial.
Es sabido que el valor de la tensión de contorneamiento por ondas de cresta
elevada y de frente muy escarpado, no depende solo del tiempo que dure su
aplicación sino que también muy especialmente de la forma de la onda. Dicha
tensión de contorneamiento depende, así mismo y de modo apreciable, del estado
de las superficies de los aisladores
Un aislante en aceite que esté en paralelo con otro aislante en el aire,
representa ventaja por lo que a la tensión de choque se refiere, y lo confirman los
excelentes resultados obtenidos a este con respecto con los aparatos en aceite y en
especialmente con los transformadores.
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Los aisladores impregnados en aceite tienen cualidades parecidas a la de
este por lo que se refiere a la rigidez dieléctrica con las ondas de choque; por el
contrario en los aislantes sólidos secos, sobre todo en la porcelana, la relación de
impulsión no es muy grande. En los pasamuros de dicho material, la tensióndisruptiva aplicando ésta durante un periodo muy corto por debajo de I μs, es
sensiblemente del mismo valor que con la frecuencia industrial.
No existe explicación clara de por qué en los aisladores, y por lo que se
refiere a la rigidez dieléctrica la sobretensión que soportan con las ondas de choque
es mayor que la frecuencia de servicio, sobre todo si se trata de ondas cuya
amplitud de cresta es elevada y de frente muy escarpado. La figura 27 muestra loscontorneamientos tan distintos que producen las dos clases de ondas de choque: la
de la izquierda, con onda normalizada definida, como se dice luego, y la de la
derecha, con una alternancia a la frecuencia de 50 Hz. ambas ondas son negativas.
Como la tensión de contorneamiento aumenta a medida que disminuye el
tiempo en el cual esta aplicada dicha tensión puede ocurrir que la porcelana sufra
una perforación antes de que se haya provocado el contorneamiento, especialmente
si se trata de ondas de muy pequeña duración.
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Figura 27. Contorneamientos producidos con ondas negativas. A la izquierda con
ondas de choque, y a la derecha con una alternancia a la frecuencia de
50 hertz.
La proporción de las descargas capaces de producir flameos en el
aislamiento de las líneas, decrece a medida que la tensión en el sistema aumenta. A
esta conclusión se ha llegado en estudios hechos en otros países para redes de 132
KV, 66 KV, y 33 KV, en sistema de transmisión y distribución.
Actualmente con los niveles de tensión que se usan en transmisión y la
tendencia a incrementarlos arriba de 400 KV, las ondas de sobretensión por
maniobra en los interruptores representan la causa principal de fallas en el
aislamiento.
El primer problema que se presenta en los niveles de alta tensión para la
transmisión, es que el aislamiento de las cadenas y claro en el aire ( distancias de
conductor a estructura y conductor ), no se incrementan linealmente con la tensión,
se incrementan en forma aproximada como V1.6.
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Es necesario considerar la frecuencia con la cual bajo condiciones normales
de operación, las operaciones de maniobra de interruptores causan sobretensiones.
Por lo general, esto conduce a estudios estadísticos en los que se grafican enforma de histograma en el eje de la abscisas las sobretensiones en P. U. y en el de
las ordenadas, la frecuencia, de estos estudios se ha llegado también a las
siguientes conclusiones de tipo general:
a) Si el nivel de aislamiento se selecciona arriba del máximo nivel de
sobretensión producido por maniobra de interruptores, la probabilidad de falla
en el aislamiento es muy baja.
b) Si se emplea un nivel de aislamiento reducido, la probabilidad de fallas en el
aislamiento aumenta con relación al caso anterior.
c) Si se emplea aislamiento reducido, pero la característica de distribución de
sobretensión se modifica por el uso de apartarrayos o amortiguamiento por
resistencia en los interruptores, la probabilidad de falla en aislamiento es baja.
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2.4.5.1 Coordinación entre líneas y estaciones.
En lo que concierne a la coordinación entre líneas y estaciones
transformadoras, en principio existen dos soluciones posibles: La primera consisteen aislar la línea débilmente con aquellas estaciones; con ello, éstas no estarán
sometidas a tensiones peligrosas. La segunda solución, consiste en aislar las líneas
fuertemente para tener en las mismas pocas perturbaciones y dejar que se
produzcan los contorneamientos inevitables en lugares determinados de las
estaciones transformadoras o antes de aquéllas. La práctica ha seleccionado esta
segunda solución por que las condiciones en las líneas y estaciones son tan
diferentes que no parece acertado recurrir a la primera solución. Además, lassobretensiones se amortiguan rápidamente en el recorrido de las líneas, de forma,
que en las estaciones transformadoras son aquéllas menos elevadas que en el lugar
donde se producen. Si existe mayor grado de aislamiento en las líneas que en las
estaciones transformadoras, se puede dar el caso de que una sobretensión dada no
produzca contorneamiento ni en las líneas, ni en las estaciones.
De lo expuesto se deduce la conveniencia de que las sobretensiones lleguen
a las estaciones transformadoras, donde encontrarán el correspondiente nivel de
protección: apartarrayos o explosores.
Si no se quiere instalar en la misma estación transformadora, en los puestos o
puntos destinados a las descargas, pueden colocarse los apartarrayos o los
explosores inmediatamente antes de dicha estación. Esto es sobre todo ventajoso
cuando los explosores se instalan en combinación con el dispositivo de reenganche
rápido; más es preciso que los explosores que se encuentran al exterior de la
subestación reemplacen el nivel más bajo de ella y no constituyan otro nivel más.
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El hecho de que las ondas móviles se amortiguan, sugiere la idea de proteger
mejor las líneas en la proximidad de las estaciones transformadoras, por ejemplo, en
un radio de 1 kilómetro. Esta medida es aconsejable cuando no se justifica
económicamente el tendido a lo largo de toda la línea del cable de tierra. Empleandoéste en los trozos de líneas antes de la estación transformadora, se evita lo mejor
posible la producción de sobretensiones en la porción contenida en el radio
protegido, por las que se origina más allá, llegan a la estación suficientemente
amortiguadas. Ciertamente que ésta precaución no debe tomarse sin proteger la
estación transformadora contra los rayos directos; si se trata de una estación
transformadora del tipo intemperie, será necesario tender cables de tierra por
encima de la instalación.
Por lo que se refiere a los intervalos entre los distintos niveles, se considera
necesario que la diferencia entre el nivel intermedio y el superior, sea al menos del
25%, si las pruebas de coordinación son independientes para cada uno de ellos. Sin
embargo, el comité Suizo de coordinación prescribe que el ensayo ha de ser
simultáneo y entonces el escalón puede ser únicamente de un 15% sin que se
aumente por ello la probabilidad de funcionamiento intempestivo.
Entre la tensión de encebamiento del nivel intermedio y el de los apartarrayos,
un intervalo del 15% parece bastar, aunque las pruebas de coordinación no sean
simultáneas. Sin embargo, como los pararrayos deben también cumplir su misión,
cuando los aparatos de alta tensión que deben protegerse están situados a alguna
distancia, es posible admitir que las tensiones que llegarán a la estación
transformadora serán un poco mayores que las tensiones de encebamiento de los
apartarrayos. Por ello es lógico prescribir un intervalo al menos de 25% entre los
niveles de aislamiento.
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2.4.5.2 Diseño del aislamiento de las líneas por sobretensión de origen
atmosférico
Para diseñar líneas de transmisión con un comportamiento aceptable durantedescargas atmosféricas, se debe disponer de métodos confiables para predecir
posible flameos y salidas de operación de la línea. Actualmente los métodos
disponibles son aquellos que emplean curvas generalizadas como las que aparecen
en EHV Transmisión Líneas del Edison Institute y aquellas técnicas basadas en la
aplicación del método de Monte-Carlo, que permite el uso de aspectos
probabilísticos para el análisis detallado de una línea especifica y parámetros
establecidos en la descarga y que dan resultados bastante aproximados.
En realidad, se puede decir que cualquiera de los métodos de cálculo carece
de una base sólida de conocimientos teóricos, ya que tienen que ser
complementados con la experiencia adquirida en el campo; de esto se observa que
en algunos casos los resultados obtenidos coinciden con la experiencia que se tiene
y se establece un procedimiento con cierto grado de confiabilidad; en cambio en
otros casos, es necesario hacer modificaciones y debido a la gran cantidad de
parámetros que se manejan, estos procedimientos no eliminan la posibilidad de
hacer correcciones y compensar errores que pueden mejorar los cálculos en otras
líneas cuando se aplican a otros tipos y condiciones que las encontradas
previamente, por lo que una buena regla es que cuando se aplique el método de
predicción a una nueva línea, se deben verificar que experiencias que se han tenido
previamente con objeto de que en caso de ser necesario, se modifiquen algunos
aspectos basados en la experiencia práctica y experimental.
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CAPITULO III
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CONCLUSIONES
La instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas y
sobrevoltajes es una labor delicada tanto en proyecto como en la instalación, y esrecomendable que estos trabajos sean desarrollados por personas que tengan el
conocimiento sobre las consecuencias que trae consigo una descarga eléctrica de
tipo atmosférico. Es conveniente para toda persona dedicada a la construcción,
ingenieros eléctricos, técnicos, estudiantes, etc, conozca sobre el fenómeno natural
llamado “rayo”, para que de esta forma protejan tanto los sistemas eléctricos, líneas
de distribución, centrales eléctricas etc., sobre dicho fenómeno.
Es recomendable darle la importancia a este tema ya que no está por demás
señalar la capacidad destructiva que posee una descarga atmosférica que trae
consigo grandes consecuencias tanto sus efectos directos o indirectos como son,
daños a personas y cosas, incendios y destrucción, etc.
Por todo lo anterior se considera que se han mencionado los puntos básicos
del comportamiento, así como las consecuencias que trae consigo una descarga
eléctrica producida por un “rayo” y así de esta manera, por medio de este estudio
tengan a la mano una información valiosa para su vida.
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BIBLIOGRAFÍA
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