ESTUDIO DE DESCARGAS ATMOSFERICAS Y

DETERNINACION DEL INDICE DE RIESGO EN EDIFICASIONES

MANUEL ISMAEL RODRIGUEZ VARGASHEBERT HUGO ZABALA ZAMBRANA

U.M.R.P.S.F.X.CH.SUCRE

1.1.INTRODUCCIÓN• En cualquier instante dado, aproximadamente 1,800

tormentas eléctricas están en progreso sobre la superficie de la Tierra. La intensidad media de la descarga de un rayo se estima en 20,000 amperios, pero se han detectado rayos de hasta 200,000 amperios.

1.1.INTRODUCCIÓN• Las características climáticas y montañosa de cada país determina

el número y la intensidad de las tormentas que se producen es decir el nivel isoceráunico, riesgo que varía dentro de un mismo país. El conocimiento de las zonas de riesgo es una información importante para determinar eficazmente el tipo de protección contra el rayomás adecuado.

Mapa mundial con la distribución de la frecuencia tormentosa

1.2.JUSTIFICACIÓN• Los efectos de un rayo pueden ser ocasionados por un impacto

directo o por causas indirectas. También pueden alcanzar las instalaciones interiores de fábricas, hogares, comercios industrias, etc., a través de las líneas de conexión del suministro de energía eléctrica, por las líneas de conexión de teléfonos, fax, modems, televisión por cable , y también a través de la estructura metálica de los edificios, por contacto directo o porinducción, por las raíces de los árboles. Por lo cual es necesario que los equipos estén protegidos frente a todas estas posibilidades.

• Mientras que un impacto directo puede tener consecuencias catastróficas para las personas, edificaciones, y animales; los daños por causas indirectas suelen ser más numerosos, acompañados de cuantiosas pérdidas económicas. Se entiende como causas indirectas como la caída de rayos en las inmediaciones o sobre los tendidos aéreos o las inducciones electromagnéticas en estos conductores.

1.2.JUSTIFICACIÓN• No existe método alguno para evitar la formación de

descargas atmosféricas (rayos).Tampoco sería deseable, en vista que los rayos son responsables en gran parte de la formación de vida en el universo.

• El propósito entonces es tratar de protegerse contra las descargas atmosféricas (rayos), controlando el paso de la corriente de las descargas eléctricas, y así prevenir lesiones a las personas y daños a la propiedad.

• La primera medida a tomar es interceptar la trayectoria del rayo y conducirlo a lo largo de un conductor de baja resistencia, con el fin de que no se recaliente y que no produzca elevados niveles de voltajes durante la descarga. Con tal fin, la instalación para protección contra rayos se debe iniciar con la colocación de un terminal aéreo de captación, de una adecuada bajante a tierra y un sistema de electrodos de puesta a tierra.

1.2.JUSTIFICACIÓN

• Un aspecto importante para la realización de este estudio es por la razón de que la ciudad de Sucre tiene un nivel muy alto de descargas atmosféricas. Como se ve en la siguiente figura.

1.2.JUSTIFICACIÓN

1.2.JUSTIFICACIÓN

• Igualmente en la siguiente grafica podemos ver que todas fallas presentadas en las redes de distribución de CESSA (Compañía Eléctrica de Sucre) son debidas a las descargas atmosféricas.

ESTADISTICAS DE CESSA:

FALLAS QUE SE PRODUCEN EN LA CIUDAD DE SUCRE

1.2.JUSTIFICACIÓN

1.3. OBJETIVOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN

EFICIENTE• Protección y seguridad para la vida humana.• Protección y seguridad en la operación

electromecánica y electrónica.• Alta eficiencia mecatrónica, (automatización,

robótica, informática.), evitando paradas y fuera de servicio.

• Continuidad de operación y cumplimiento puntual con los programas de aseguramiento de la calidad.

• Reducción de los costos de mantenimiento.• Calidad de operación y equilibrio ecológico.

2.1.GENERALIDADES• La instalación o aparato a

proteger tiene que incluirse dentro de un círculo de protección imaginario, tal como representa la figura. En todos los puntos de corte "línea -círculo de protección" tienen que instalarse aparatos de protección contra sobretensiones que correspondan a los datos nominales del tipo de circuito o a la interfase del aparato a proteger correspondiente. De esta manera, la zona interior del círculo de protección queda protegida de forma que no es posible un acoplamiento de sobretensiones desde el exterior.

2.2.LA SOBRETENSIÓN

• Se denomina sobretensión a todo aumento de tensióncapaz de poner en peligro el material o el buen servicio de una instalación eléctrica. La relación entre la sobretensión Us, y la tensión de servicio se llama factor de sobretensión que viene expresado por :

2.2.LA SOBRETENSIÓN

• Por ejemplo en una línea cuya tensión nominal es de 6 kV, y aumenta la tensión hasta 15 kV, el factor de sobretensión vale :

• Muchas veces es posible calcular el factor de sobretensión y, por lo tanto, prever la magnitud de las posibles sobretensiones que pueden presentarse en la instalación.

2.3. CLASIFICACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES

• Las tensiones anormales o sobretensiones pueden clasificarse, según su origen, en dos grupos: las sobretensiones internas y las atmosféricas.

2.3.1. SOBRETENSIONES INTERNAS

• Las sobretensiones internas se forman como consecuencia de las oscilaciones entre las energías de los campos magnético y eléctrico producidas por un arco intermitente, es decir arcos que se apagan al pasar la corriente alterna por cero, pero se vuelven a encender cuando la sinusoide de la tensión toma mayores valores. Estos no se producen solamente por arqueo de aisladores sino también en los interruptores cuando desconectan altas intensidades.

2.3.1. SOBRETENSIONES INTERNAS

• El carácter de las sobretensiones producidas por tales oscilaciones, llamadas sobretensiones internas, es completamente distinta del de la elevación de la tensión debida a la autoexcitación de máquinas sincrónicas o al efecto Ferranti, pues en estos dos casos se trata de la elevación de la tensión de 50 Hz ( ó 60 Hz. Según el país ), mientras que las sobretensiones internas están caracterizadas por ondas de otra frecuencia que se superponen a la frecuencia básica .

2.3.1. SOBRETENSIONES INTERNAS

• La frecuencia de las sobretensiones internas está definida por la frecuencia natural del sistema siendo :

• donde Csis y Lsis , indican la capacitanciacorrespondiente a la inductancia de todo el sistema de transmisión, y fsis, resulta del orden de 10^3 Hz.

2.3.2. SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

• El segundo grupo lo forman las sobretensiones de orígenexterno , como las que que penetran en líneas aéreas desde la atmósfera a consecuencia de golpes de rayo o de influencia electroestática. Las sobretensiones producidas por golpes de rayo directos son las más peligrosas por ser mucho más altas que las internas y las debidas a influencia electroestática de las nubes. Se incluyen en este grupo, las sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que, por lo tanto sus amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la instalación afectada. Comprenden, sobre todo, las sobretensiones de origen atmosférico, tales como rayos, cargas estáticas de las líneas, etc.

2.3.2. SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

• Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan hasta las instalaciones de tres formas:

2.3.2 SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

• Sobretensión conducida El rayo puede caer directamente en las líneas aéreas, propagándose la sobretensión a la largo de varios kilómetros. La sobretensión acaba llegando al usuario y derivándose a tierra a través de sus equipos produciéndoles averías o su total destrucción.

2.3.2. SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

• Sobretensión InducidaLa radiación emitida por el impacto del rayo sobre un objeto (poste, árbol, pararrayos, etc.) próximo a líneas eléctricas o telefónicas, induce corrientes transitorias en éstas, transmitiéndolas al interior de nuestras instalaciones provocando averías o destrucción de los equipos conectados.

2.3.2. SOBRETENSIONESATMOSFERICAS

• Aumento del potencial de tierraCuando un rayo cae directamente al suelo o a través de una estructura conectada a tierra (puede ser un poste eléctrico, un pararrayos, etc.) la corriente de la descarga del rayo puede elevar el potencial de la tierra varios miles de Voltios como consecuencia de la corriente que circula por el terreno.

2.4. PROPAGACIÓN DE LA SOBRETENSIONES

• Existen tres modos diferentes por los cuales se pueden propagar las sobretensiones transitorias en un sistema:

• Acoplamiento galvánico• Acoplamiento inductivo• Acoplamiento capacitivo

2.4.1. ACOPLAMIENTO GALVÁNICO

• Por medio de las impedancias comunes se acoplan sobretensiones galvánicamente desde una lugar hacia otro.

• Las altas amplitudes de corrientes de rayo causan una sobretensión a través de la resistencia de tierra de una conexión equipotencial entre dos aparatos conectadas.

• En los conductores que pasa una corriente de rayo se genera adicionalmente una sobretensión, que a causa de la gran velocidad de aumento de corriente se puede atribuir, según la ley UL = L .di/dt, esencialmente a la componente inductiva.

2.4.2. ACOPLAMIENTO INDUCTIVO

• El acoplamiento inductivo en una línea tiene lugar a través del campo magnético según el principio del transformador. Una sobretensión provoca una corriente transitoria en un conductor con una alta velocidad de aumento de la di/dt. Al mismo tiempo, alrededor de este conductor se genera un campo magnético (función del primario de un transformador). En conductores aledaños que se encuentran en la zona activa del campo magnético, se induce una sobretensión (función del secundario de un transformador).

2.4.3. ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

• El acoplamiento capacitivo tiene lugar, en principio, a través del campo eléctrico entre dos puntos con gran diferencia de potencial.

• Una parte o un aparato eléctricamente conductor [1] es puesto a un alto potencial debido a la descarga de un rayo, p.ej. la barra colectora de un pararrayos.

• Se genera un campo eléctrico entre [1] y otras partes con potencial inferior [2], p.ej. una línea de alimentación o de transmisión de señales dentro del edificio. La tensión entre [1] y [2] tiende a igualarse lo que conduce al transporte de una carga. Esto aporta un ascenso de tensión en la línea afectada [2] y en el aparato conectado a ésta.

2.5. FORMACIÓN DEL RAYO • En condiciones

atmosféricas propicias, dadas principalmente en verano, se crea dentro de la nube una separación de cargas colocándose las negativas en la base de la nube mientras las positivas lo hacen en la parte superior. El potencial dentro de la nube es generalmente del orden de varios millones de voltios.

2.5. FORMACIÓN DEL RAYO

• Este efecto produce un cambio similar, pero de polaridad opuesta en la superficie de la tierra y del mismo tamaño aproximadamente.

2.5. FORMACIÓN DEL RAYO• El campo eléctrico entre la base de la nube y la superficie de la tierra

situada bajo la misma, es tan alto que se crean pequeñas descargas desde la nube llamadas líderes de paso. Cuando estos líderes se acercan a la superficie de la tierra se genera un flujo ascendente de carga positiva. Cuando el líder de carga y el flujo ascendente se encuentran se cierra el circuito con una corriente de descarga entre 10kA y 200kA.

+++

+

- ---

- -

+

+

+

+

- ---

- -

+

+

Campo Eléctrico

+

+

+

+

- ---

- -

+

+

Campo Eléctrico

-

-

2.6. PROTECCIÓN CONTRA IMPACTO DIRECTO DE RAYO

• Para la protección de estructuras y personas se hace necesaria la utilización de un sistemas de protección contra el rayo, el cual debe atraer el rayo y canalizar las corrientes hacia tierra.

2.6.1. SISTEMAS PARA LA PROTECCION ESTERNA

CONTRA EL RAYO

• Tres son los sistemas utilizados en la actualidad para la protección externa contra el rayo:

PUNTA FRANKLIN

• Su misión es provocar la excitación atmosférica por encima de cualquier otro punto de la estructura a proteger, para aumentar la probabilidad que la descarga incida en su zona de influencia, y derivar a tierra la corriente del rayo.

TENDIDO• Protección formada por

uno o múltiples conductores aéreos situados sobre la estructura a proteger. Los conductores se deberán unir a tierra mediante las bajantes en cada uno de sus extremos. El área protegida vendrá dada por el área formada por el conjunto de conductores aéreos.

JAULA DE FARADAY

• El sistema consiste en la recepción del rayo a través de un conjunto de puntas captadoras unidas entre sí por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra mediante una red de bajantes conductores.

2.10. CALCULO PARA SABER SI UN INMUEBLE REQUIERE O NO REQUIERE PROTECCION

Índice de Riesgo: Ir = A + B + C + D + E + F + G

Este índice debe ser interpretado de la forma siguiente:

• 0 - 30: Sistema de protección opcional.

• 31- 60: Se recomienda una protección.

• Más de 60: La protección es indispensable.

USO AL QUE SE DESTINA LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE A

Casas y otras construcciones de tamaño similar. 2

Casas y otras construcciones de tamaño similar con antenas exteriores.

4

Industrias, talleres y laboratorios. 6

Edificios de oficina, hoteles, edificios de apartamentos. 7

Lugares de reunión, como iglesias, auditorios, teatros, museos, salas de exposición, tiendas por departamentos, oficinas de correos, estaciones, aeropuertos y estadios.

8

Escuelas, hospitales, guarderías infantiles y ancianatos. 10

Índice de riesgo A

TIPO DE CONSTRUCCIÓN VALOR DEL ÍNDICE B

Estructura de acero con techo no metálico. 1

Concreto forzado con techo no metálico 2

Ladrillo, concreto liso o albañilería, con techo no metálico de material incombustible.

4

Estructura de acero o concreto armado con techo metálico. 5

Estructura de madera o con revestimiento de madera con techo no metálico de material incombustible.

7

Ladrillo, concreto liso, albañilería, estructura de madera con techo metálico.

8

Cualquier construcción con techo de material combustible. 10

Indice de riesgo B

CONTENIDO O TIPO DEL INMUEBLE VALOR DEL ÍNDICE C

Inmuebles residenciales oficinas, industrias y talleres con contenido de poco valor, no vulnerable al fuego.

2

Construcciones industriales o agrícolas que contienen material vulnerable al fuego.

5

Plantas y subestaciones eléctricas y de gas, centrales telefónicas y estaciones de radio y televisión.

6

Plantas industriales importantes, monumentos y edificios históricos, museos, galerías de arte y construcciones que contengan objetos de especial valor.

8

Escuelas, hospitales, guarderías y lugares de reunión. 10

Índice de riesgo C

GRADO DE AISLAMIENTO VALOR DEL ÍNDICE D

Inmuebles localizados en un área de inmuebles o árboles de la misma altura, en una gran ciudad o bosque.

2

Inmuebles localizados en un área con pocos inmuebles de la misma altura.

5

Inmueble completamente aislado que excede al menos dos veces la altura de las estructuras o árboles vecinos.

10

Índice de riesgo D

TIPO DE TERRENO VALOR DEL ÍNDICE E

Llanura a cualquier altura sobre el nivel del mar. 2

Zona de colinas. 6

Zona montañosa entre 300 y 1000 m. 8

Zona montañosa por encima de 1000 m. 10

Índice de riesgo E

ALTURA DE LA ESTRUCTURA VALOR DEL ÍNDICE F

Hasta 9 m. 2

de 9 m a 15 m. 4

de 15 m a 18 m. 5

de 18 m a 24 m. 8

de 24 m a 30 m. 11

de 30 m a 38 m. 16

de 38 m a 46 m. 22

de 46 m a 53 m. 30

Índice de riesgo F

NÚMERO DE DÍAS DE TORMENTAS POR AÑO

VALOR DEL ÍNDICE G

Hasta 3. 2

de 3 a 6. 5

de 6 a 9. 8

de 9 a 12. 11

de 12 a 15. 14

de 15 a 18. 17

de 18 a 21. 20

más de 21. 21

Índice de riesgo G

EJEMPLO TIPO PARA INSTALACIONES DE PARARRAYOS

EN LA CATEDRAL DE SUCRE

Según las tablas anteriormente expuestas se obtiene lo siguiente:

A = 8

B = 8

C = 8

D = 10

E = 10

F = 8

G = 21

Ir = 73 Resultando Más de 60: La protección es indispensable.

. Por consiguiente es recomendado instalar protección con pararrayos.

CRITERIO DE SELECCIÓN DE DESCARGADORES I max

Los factores que determinan la selección de la Imáx. de los protectores son: La zona geográfica, la proximidad de pararrayos, el coste del equipo y lo más importante, el coste de la inoperatividad del equipo tanto el valor económico de tener paradas las instalaciones, como la imagen delante de los clientes.

El diagrama a nuestra derecha es una ayuda para la selección de P1 en función de Imax. que debe soportar el protector que se seleccione como cabecera para instalar en la entrada de la acometida.

• NIVEL DE PROTECCIÓN (Up)Elnivel de protección (Up) es el valor de tensión admisible por los equipos que se desean proteger sin que se vean dañados. Un protector debe asegurarnos que la tensión entre sus bornes (Up) cuando esté descargando a tierra será inferior a la soportada por el equipo a proteger.

• Para determinar Up debe tenerse en consideración las diferentes sublíneas, ya que requieren valores distintos de nivel de protección (Up) en función de los equipos conectados a ellas. Normalmente se conectan equipos similares en las diferentes sublíneas.

Ejemplos a título orientativo de Up soportados

GRACIAS POR SU ATENCION