protección contra descargas eléctricas atmosféricas

IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE

COLECCICOLECCIÓÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA

DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA

TDGL POZA RICATDGL POZA RICA

TESINATESINA

PARA OBTENER EL TITULO DE :PARA OBTENER EL TITULO DE :

INGENIERO MECANICO ELECTRICISTAINGENIERO MECANICO ELECTRICISTA

PRESENTAN:PRESENTAN:

ANGELES SANCHEZ JESUS MOISESANGELES SANCHEZ JESUS MOISES

MORA GALICIA LUIS DAVIDMORA GALICIA LUIS DAVID

POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010

UNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

ZONA POZA RICA ZONA POZA RICA -- TUXPANTUXPAN

IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE IMPLEMENTACION DEL METODO DE VOLUMEN DE

COLECCICOLECCIÓÓN PARA LA PROTECCION CONTRA N PARA LA PROTECCION CONTRA

DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS EN LA

TDGL POZA RICATDGL POZA RICA

TESINATESINA

PARA OBTENER EL TITULO DE :PARA OBTENER EL TITULO DE :

INGENIERO MECANICO ELECTRICISTAINGENIERO MECANICO ELECTRICISTA

PRESENTAN:PRESENTAN:

ANGELES SANCHEZ JESUS MOISESANGELES SANCHEZ JESUS MOISES

MORA GALICIA LUIS DAVIDMORA GALICIA LUIS DAVID

POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010POZA RICA DE HGO. VERACRUZ 2010

UNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

ZONA POZA RICA ZONA POZA RICA -- TUXPANTUXPAN

Implementación del método de volumen de colección para la protección contra descargas

eléctricas atmosféricas en la TDGL Poza Rica

Página 1

INDICE

Introducción……………………………………………………………………………......4

Capítulo I

Generalidades……………………………………………………………………………..7

Justificación………………………………………………………………………………..8

Naturaleza sentido y alcance del trabajo……………………………………………….9

Enunciado del tema……………………………………………………………………..10

Explicación de la estructura del trabajo……………………………………………….11

Capítulo II

Desarrollo del tema……………………………………………………………………..12

Planteamiento del tema de investigación……………………………………….…….13

Marco contextual………………………………………………………………………...14

Marco teórico………………………………………………………………………...…..16

SUB-TEMA 1.0 GENERALIDADES…………………………………………………16

SUB-TEMA 2.0 PELIGRO DE LOS RAYOS Y SUS EFECTOS

ASOCIADOS……………………………………………………………………………..16

2.1 El problema de las descargas atmosféricas…………………………………….18

2.1.1 Efectos directos………………………...…………………………………….….18

2.1.2 Efectos secundarios……………………………………………………….…….19

2.1.3 Líneas energizadas……………………………………………………………...20

2.2 Operación de una descarga atmosférica………………………………………..21

2.2.1 Mecánica del rayo……………………………………………………………….22

2.2.2 Efectos de la descarga atmosférica…………………………………………...25

2.3 Sistema contra descargas atmosférica…………………………………………..33

2.3.1 Factores de riesgo………………………………………………………………..33

2.3.2 Dentro y sobre edificios……………………………………………………….....34

SUB-TEMA 3.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS………………………………….36

3.1 Teorías sobre la formación de las descargas atmosféricas…………………….36

3.1.1 Teoría de Simpson………………………………………………………………..36

3.1.2 Teoría de Elster y Geitel………………………………………………………….37

3.1.3 Teoría de Wilson…………………………………………………………………..37

3.1.5 Teoría de Brooks………………………………………………………………….38



Página 2

3.1.6 Teoría de sir Basil Schonlan…………………………………………………….39

3.2 Características de las descargas eléctricas………………………………………41

3.3 Campos eléctricos…………………………………………………………………..44

3.3.1 Campos eléctricos de la atmosfera……………………………………………..44

3.3.2 Campos eléctricos en el núcleo de las nubes…………………………………46

3.4 Formación y producción de las descargas……………………………………….47

3.5 Estructura eléctrica de una tormenta……………………………………………...49

3.6 Diferencia de potencial en las descargas atmosféricas…………………………50

3.7 Longitud de las descargas atmosféricas………………………………………….51

3.8 Nubes de tormenta………………………………………………………………….51

3.9 Tipos de descarga…………………………………………………………………..52

3.10 Física de la formación de la descarga nube – tierra…………………………...55

3.11 Contabilización de las descargas atmosféricas………………………………...62

3.12 Parámetros importantes del rayo, para aplicaciones prácticas

amplitud…………………………………………………………………………………...67

3.13 Calculo de índices de riesgo para protección de estructuras y

edificaciones……………………………………………………………………………...71

3.14 Protección contra rayos…………………………………………………………...84

3.15 Protección convencional………………………………………………………….85

3.16 Protección no convencional……………………………………………………....87

3.17 Sistemas de eliminación…………………………………………………………..89

SUB-TEMA 4.0 SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS

ATMOSFERICAS………………………………………………………………………..91

4.1 Método de volumen de colección CVM…………………………………………..91

4.2 Procedimiento de cómputo del CVM……………………………………………..94

4.3 componentes del CVM para la protección contra descargas

atmosféricas……………………………………………………………………………...97

4.3.1 Terminal aérea dynasphere…………………………………………………….99

4.3.2 Conductor de bajada a tierra…………………………………………………...104

4.3.3 Contador de descargas atmosféricas…………………………………………106

4.3.4 Sistema de tierras……………………………………………………………….108

SUB-TEMA 5.0 ESTUDIO TECNICO ECONOMICO……………………………...118

5.1 Introducción………………………………………………………………………..118

5.2 Cargos que integran el precio unitario………………………………………….119

5.2.1 Cargos directos………………………………………………………………….120



Página 3

5.2.2 Cargos indirectos………………………………………………………………...123

5.2.3 Utilidad…………………………………………………………………………….124

5.3 Análisis del costo total de la obra………………………………………………...124

5.3.1 Materiales y equipo……………………………………………………………..124

5.3.2 Mano de obra…………………………………………………………………….127

5.3.3 Maquinaria, equipos y herramientas…………………………………….……127

5.3.4 Costo total de la obra……………………………………………………………128

Capitulo III

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………..…130

BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………133

ANEXOS………………………………………………………………………………...135



Página 4

INTRODUCCION

En cualquier instante dado, casi 1,800 tormentas eléctricas están en progreso

sobre la superficie de la Tierra, y en promedio hay 50,000 tormentas eléctricas en

México cada año. 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.

Las características climáticas y montañosa de cada país determina el número y la

intensidad de las tormentas que se producen (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

rayo más adecuado.

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, televisión

por cable, y también a través de la estructura metálica de los edificios, por

contacto directo o por inducción, 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.



Página 5

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.

De acuerdo a las teorías generalmente aceptadas, los rayos juegan un papel

importante en un intento de la naturaleza por mantener un balance dinámico entre

las cargas eléctricas de las capas superiores de la atmósfera y la superficie

terrestre.

Fue Benjamín Franklin el principal científico de la era moderna en estudiar el

fenómeno no solo en cuanto al origen y carga eléctrica de la nube, sino en las

alternativas de protección contra este fenómeno.

Sin embargo, el hombre desde los inicios de su existencia se ha visto fascinado y

atemorizado ante este evento natural. Alrededor de él, se han originado, Dioses,

leyendas, maldiciones, venganzas, milagros, etc.



Página 6

Se habla de protección, pues a pesar de tratarse de un evento natural de

espectacular belleza, su poder destructivo debido a la gran energía que maneja en

mínimos intervalos de tiempo, es muy grande.



Página 7

CAPITULO I

GENERALIDADES



Página 8

JUSTIFICACION

“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre

impredecible; Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta cien descargas

por minuto y, una pequeña nube de tormenta pude generar la energía de una

pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de megawatts).

No todos los rayos descargan a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía

puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, pude salir de

operación por horas o días, debido a daños en el equipo, o una planta

petroquímica puede tener incendios originados por rayos, peligrosos riesgos y

elevados costos.

Hasta hace relativamente poco tiempo, poco se podía hacer para minimizar estos

riesgos. Cuando y donde ocurrirán las descargas eléctricas atmosféricas

tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la

energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física.

Al mismo tiempo que este puede eliminar algunos de los graves efectos de un

impacto directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos y todos ellos afectados

por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos

electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos los rayos son peligrosos,

especialmente en áreas donde se manejan productos flamables, explosivos y

equipos electrónicos, razón por la cual, se justifica el estudio y la mejor

implementación del sistema de protección contra descargas atmosféricas.



Página 9

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO

No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados a

incendios, lesiones o perdida de la vida, daños, destrucción a propiedades,

perdidas significativas de tiempo y dinero por salidas de operación, debidas a

daños en los equipos , todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza. Los

efectos secundarios pueden resultar devastadores, esto resulta especialmente

cierto para líneas de energía e instalaciones en equipos electrónicos que son muy

sensibles.

Los efectos directos de un rayo, son la destrucción física, causadas por el impacto

directo que puede producir incendios cuando un impacto golpea a una instalación

donde hay materiales combustibles.

Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la

naturaleza destructiva de los rayos. Perdidas de millones de dólares se registran

cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y de otras instalaciones.

Además de las perdidas de vida cuando estas se incendian ò explotan

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una

instalación incluyen; la carga electrostática del pulso electromagnético y los pulsos

electrostáticos, las corrientes de tierra y el voltaje transitorio.

Datos estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la mayoría

de los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras.

El alcance de este trabajo es el de proponer una guía de la metodología en la

implementación de sistemas de protección contra descargas atmosféricas.



Página 10

ENUNCIACION DEL TEMA.

La enunciación de tema de nuestro trabajo excepcional es “Implementación del

Método de Volumen de Colección para la Protección Contra Descargas

Atmosféricas en la TDGL Poza Rica” en donde se propone, que permita a las

personas interesadas tener un procedimiento para la selección de pararrayos y su

calculo adecuado. Desde el primer momento en que se tiene el conocimiento de

que un rayo es una descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e

investigado con profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin

embargo, la protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde

los tiempos de Benjamín Franklin).

Después de siglos de investigación, nuevos y sofisticados instrumentos que han

aportado grandes conocimientos, todavía hay muchas incógnitas acerca de este

fenómeno que no ha sido claramente entendido como se produce y opera la

descarga eléctrica atmosférica y cual es el sistema de protección mas adecuado

para diferentes aplicaciones, por lo que es necesario un análisis de lo que es el

fenómeno.

a) Instalar el mejor pararrayos o terminal aérea que tenga la función de

atracción de rayos.

b) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las

corrientes del rayo a tierra.

c) Evitar que durante la circulación de las corrientes de rayo a tierra se puedan

producir diferencias de potencial entre distintos puntos de las bajadas a tierra, que

puedan ser peligrosas para el personal, el equipo eléctrico y electrónico.

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico y la mayor

protección al equipo electrónico y el mejor cuidado a la vida humana.



Página 11

EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

En ese proyecto el lector podrá ver de manera concisa y comprender los temas

que se involucran en el diseño y construcción de sistemas de protección contra

descargas atmosféricas, así también como el cuidado que se debe tener al

seleccionar el tipo de pararrayos. Para no caer en errores que puedan ser

costosos tanto de tiempo como económicos y de perdidas humanas.

El desarrollo de este proyecto se divide en tres capítulos y comprenden los

siguientes temas:

En el capitulo I se encuentra la justificación de este proyecto, su naturaleza

sentido y alcance, la enunciación del tema y la explicación de la estructura del

trabajo.

En el capitulo II se observa el planteamiento del tema de investigación, el marco

contextual, es decir, los factores que intervienen en este proyecto, seguido por el

marco teórico el cual esta dividido en cinco sub.-temas los cuales son:

1) Generalidades.

2) Peligro de los rayos y sus efectos asociados.

3) Descargas atmosféricas.

4) Sistema de protección contra descargas atmosféricas.

5) Estudio técnico económico.

En el capitulo III se encuentran las conclusiones a las que se llego, la bibliografía

de donde se obtuvo nuestra información para el desarrollo del proyecto así como

los anexos y apéndices.



Página 12

CAPITULO II

DESARROLLO DEL TEMA



Página 13

PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION

Todos los días del año y en casi todo el mundo se originan cambios del clima y en

consecuencia la posibilidad de que se produzcan tormentas eléctricas asociadas

con descargas atmosféricas que pueden golpear directamente o indirectamente a

instalaciones de energía eléctrica y de comunicaciones que son las mas

afectadas, causando perdidas humanas y daños materiales, que se traducen en

grandes perdidas económicas, por lo que surge la necesidad de diseñar

adecuadamente el sistema de pararrayos, con el objeto de desviar la trayectoria

de los impactos de los rayos y transferir toda esa energía a tierra y de esta forma

minimizar los efectos primarios y secundarios de los rayos .

El motivo principal de este trabajo de investigaciones es proporcionar a

estudiantes de ingeniería mecánica eléctrica información relativa a al protección

contra las descargas atmosféricas con el uso de pararrayos y sistemas de tierras.

Este trabajo se utilizara de manera sencilla y práctica una teoría de selección de

pararrayos y sistemas de tierra.

Esperando que esta información le sirva al lector, como una consulta en los

proyectos en donde se involucren la protección de sistemas eléctricos, contra

descargas atmosféricas.



Página 14

MARCO CONTEXTUAL

Las descargas atmosféricas pueden ser devastadoras. Además del peligro para

las personas, es una causa importante de costosas fallas en los equipos

electrónicos y la interrupción onerosa de la actividad comercial.

Por lo general, el punto más alto de una instalación es el lugar más vulnerable a

ser objeto del impacto de una descarga atmosférica. Los pararrayos o terminales

aéreas son necesarias para capturar la descarga atmosférica en un lugar

específico y dirigir la energía en forma segura a tierra para minimizar el riesgo.

En la actualidad se ha desarrollado un avanzado sistema de protección contra

descargas atmosféricas, conocido con el nombre de Método de Volumen de

Colección para la Protección Contra Descargas Atmosféricas.

Este sistema innovador es un ejemplo de la aptitud del sistema para una amplia

variedad de tipos de estructuras, se dedica a proporcionar la mejor solución para

la protección contra descargas atmosféricas para cualquier aplicación

determinada.

Este método o sistemas de protección contra descargas atmosféricas cumplen

totalmente con más de doce estándares nacionales e internacionales así como

también sistemas no convencionales basados en terminales aéreas optimizadas y

conductores aislados para aplicaciones en las cuales dichos elementos

proporcionan una solución ventajosa para el cliente.



Página 15

El enfoque del Método de Volumen de Colección para la Protección Contra

Descargas Atmosféricas se basa en las soluciones mas adecuadas. El objetivo es

proporcionar la mejor solución para una aplicación determinada. Algunas

estructuras son más aptas para la protección tradicional y convencional contra las

descargas atmosféricas y diseños que requieren protección mediante el enlace de

la estructura del edificio completo. Otras estructuras se ajustan más a un método

que utilice protección mediante aislamiento.

Cualquiera que sea la aplicación o el problema de protección presentado, el

Método de Volumen de Colección para la Protección Contra Descargas

Atmosféricas ofrece una mejor solución.



Página 16

MARCO TEORICO

SUB-TEMA 1.0 GENERALIDADES

A continuación trataremos como opera una descarga eléctrica atmosférica (rayo)

y los efectos secundarios, generados por la misma (Pulsos Electromagnéticos,

Pulsos Electrostáticos, Corrientes de tierra y Carga Estática).Debido a la gran

cantidad de descargas eléctricas que generan al año muchas empresas tienen

problemas con sus equipos e instalaciones.

“Alcanzado por un rayo”, es una metáfora para lo inesperado, un desastre

impredecible. Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas

por minuto y lo mismo, una pequeña nube de tormenta puede generar la energía

de una pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de megawatts).

No todos los rayos son a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía puede ser

devastadora. Una empresa de Telecomunicaciones, puede salir de operación por

horas o por días debido a daños en el equipo, o una planta petroquímica puede

tener incendios originados por rayos, con peligrosos riesgos y elevados costos.

Hasta hace relativamente poco tiempo, muy poco se podía hacer para minimizar

esos riesgos. Cuando ocurrían y donde ocurrirán descargas eléctricas

atmosféricas.

Tradicionalmente, la protección contra rayos ha pretendido atraer y desviar la

energía de una descarga eléctrica atmosférica hacia la tierra física. Al mismo

tiempo que esto puede eliminar algunos de los graves efectos de un impacto

directo, resultan otras desventajas y serios inconvenientes.



Página 17

Ninguno de los sistemas tradicionales son 100% efectivos, y todos ellos son

afectados por los efectos secundarios en relación a la proximidad con los campos

electrostáticos y campos electromagnéticos. Todos ellos son peligrosos,

especialmente, en áreas donde se manejan productos flamables, explosivos y

equipos electrónicos. Una pregunta sin respuesta es: en primer lugar, ¿por qué

atraer un rayo cuando estos crean efectos secundarios peligrosos que puede

eliminarse? se ha demostrado que es posible eliminar los rayos totalmente y en

consecuencia, eliminar todos los riesgos relacionados con ellos.

En plantas químicas, plantas nucleares de generación de energía, refinerías e

instalaciones petroleras y muchas otras instalaciones, y se han demostrado que

las pérdidas y daños relacionados con los rayos son completamente previsibles.



Página 18

SUB-TEMA 2.0 PELIGRO DE LOS RAYOS Y SUS EFECTOS

ASOCIADOS

2.1 EL PROBLEMA DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS

No hay duda acerca del peligro que implican los rayos y sus efectos asociados.

Incendios, lesiones o pérdida de la vida, daños y destrucción a propiedades,

pérdidas significativas de tiempo y de dinero por salidas de operación, debidas a

daños en los equipos, todo esto convierte a los rayos en una seria amenaza. En

tanto que los efectos directos de un rayo son obvios, los efectos secundarios

pueden resultar devastadores. Esto resulta especialmente cierto para líneas de

energía e instalaciones con equipo electrónico que es muy sensible.

2.1.1 EFECTOS DIRECTOS.

Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto

de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una

instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al

canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo.

Las estadísticas de la industria petrolera, registran amplia evidencia de la

naturaleza destructiva de los rayos. Millones de dólares en pérdidas se registran

cada año por la destrucción de plantas petroquímicas y muchas otras

instalaciones, por los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas

atmosféricas en muchas partes del mundo, además de pérdidas de vidas cuando

esas instalaciones se incendian o explotan.



Página 19

Por ejemplo, en 1990, en Nigeria se incendió un área de tanques de

almacenamiento a causa de un rayo, quemándose totalmente un tanque de

670000 barriles de petróleo crudo. El tanque estaba lleno, con la pérdida total del

producto y el tanque. Este tanque estaba “protegido” con un sistema radioactivo

convencional, lo que demostró claramente que estos sistemas de protección

tradicionales no son suficientemente efectivos.

Es verdad que el riesgo de la pérdida de un tanque de almacenamiento de

productos derivados del petróleo, es pequeño. Pero también es cierto que cuando

llega a ocurrir un siniestro, se pone en riesgo toda el área de tanques, no

solamente el tanque siniestrado.

2.1.2 EFECTOS SECUNDARIOS.

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación

incluye; la carga electrostática, los pulsos electromagnéticos, los pulsos

electrostáticos, las corrientes de tierra y el sobre voltaje transitorio. La carga

electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común. Datos

estadísticos indican que los efectos secundarios, son la causa de la mayoría de

los incendios reportados actualmente en instalaciones petroleras. Estos incendios

con frecuencia se extinguen por sí mismos hasta que se aíslan o consumen los

vapores de combustión. Por ejemplo, la carga electrostática y los pulsos

electromagnéticos inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los

conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos

transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables

conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente

electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Los

gases ventilados a la atmósfera por chimeneas que normalmente no son

quemados en su totalidad, serán incendiados como resultado de los arcos



Página 20

eléctricos de los efectos secundarios. La compañía PPG de Lake Charles,

Louisiana, experimentó por años este fenómeno en sus chimeneas que

normalmente ventean hidrógeno. Los efectos secundarios no siempre son

fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección

convencional no influirá en ninguno de los efectos secundarios, excepto que

aumenta el riesgo de un evento. Las puntas pararrayos o terminales aéreos atraen

el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de los materiales

combustibles. Además, la tendencia hacia la micro miniaturización en el desarrollo

de los Sistemas Electrónicos, trae como consecuencia que sean más sensibles a

los fenómenos transitorios. Transitorios de menos de 3 volts en el pico o niveles

de energía más bajos que 10-7 Joules, pueden dañar o “confundir” esos Sistemas

y sus componentes.

2.1.3 LINEAS ENERGIZADAS

Las anomalías en los voltajes de líneas de energía son la causa más grave de

destrucción y disturbios que día a día sufren en su operación los equipos

eléctricos y electrónicos. Existen cuatro fuentes básicas de falla: las descargas

eléctricas atmosféricas, el servicio eléctrico local, los sistemas eléctricos vecinos y

el equipo eléctrico propio de la instalación. Cada uno de estos factores puede

crear sus propias formas de anomalías. De todas estas fuentes de falla, el rayo es

obviamente la mayor amenaza, el que representa el mayor riesgo, en términos de

potencial destructivo y fenómeno de falla. Un impacto de rayo directo en la línea

de energía en la entrada del servicio, puede causar daños muy graves dentro de

las instalaciones que no están protegidas o que están mal protegidas. Una

instalación protegida adecuadamente contra descargas eléctricas atmosféricas,

también está protegida contra otras anomalías en el sistema eléctrico. Por

ejemplo: que un vehículo choque contra un poste de una línea de energía de 220

kV y que los cables caigan sobre otra línea de 13.2 kV momentáneamente y que



Página 21

esta línea sea el alimentador principal de la instalación. El resultado serían altos

voltajes y grandes sobrecargas hacia los usuarios de esas fuentes de energía.

Aunque las causas de las anomalías en una línea de energía pueden variar

significativamente de acuerdo con su localización, los resultados son los mismos.

Los equipos fallarán inmediatamente o se degradarán en poco tiempo. Las fallas

pueden ser catastróficas y de alguna manera, en poco tiempo, se requerirá la

reposición, la reparación, la reprogramación, o el re arranque del programa en

ejecución. Cualquiera de estos eventos puede originar pérdida de tiempo y de

dinero. Todos estos eventos pueden ser eliminados con el acondicionamiento

apropiado del equipo de fuerza, adecuadamente instalado y mantenido. La

mayoría de estos eventos pueden ser eliminados por medio del uso de equipo de

protección relativamente barato.

2.2 OPERACIÓN DE UNA DESCARGA ATMOSFERICA

Desde el primer momento en que se tiene conocimiento de que un rayo es una

descarga eléctrica, científicos e ingenieros han estudiado e investigado con

profundidad las tormentas y descargas eléctricas atmosféricas (sin embargo, la

protección contra los rayos no ha cambiado substancialmente desde los tiempos

de Benjamín Franklin). Después de siglos de estudios e investigaciones, nuevos y

sofisticados instrumentos que han aportado grandes conocimientos, todavía hay

muchas incógnitas acerca de este fenómeno que no ha sido claramente

entendido. Para entender como opera la protección contra descargas eléctricas

atmosféricas y cuál es el sistema más adecuado para diferentes aplicaciones, es

necesario un análisis de lo que es el fenómeno.



Página 22

2.2.1 MECANICA DEL RAYO

Las nubes de tormenta son cuerpos cargados eléctricamente, suspendidos en una

atmósfera que puede considerarse, en el mejor de los casos, como un conductor

pobre. Durante una tormenta, ocurre una separación de cargas dentro de la nube.

El potencial en la base de la nube, generalmente se considera alcanza cerca de

cien millones de volts y el campo electrostático resultante es de 10 kV por metro

de elevación sobre la superficie de la tierra. El proceso de carga (o separación de

carga) dentro de la célula de tormenta, generalmente deja a la base de la nube

con una carga eléctrica de polaridad negativa, sin embargo, en muy raras

ocasiones, llega a ocurrir lo contrario.

Esta carga resultante, induce una carga similar de polaridad positiva en la tierra,

concentrándose en la superficie, justo en el rastro o la sombra que deja la nube y

más o menos, con el mismo tamaño y forma de la nube (Ver figura 1).

Figura 1: Separación de Cargas



Página 23

A medida que la tormenta crece en intensidad, la separación de carga continúa

dentro de la nube, hasta que el aire entre la nube y la tierra no puede actuar más

como aislante eléctrico. El punto de ruptura específico varía con las condiciones

atmosféricas.

Las formaciones de relámpagos de baja intensidad llamadas “paso líder”, se

mueven de la base de la nube hacia la Tierra. Estos pasos son de más o menos la

misma longitud, y esa longitud está en relación directa con la carga eléctrica en la

célula de la tormenta (la nube) y la corriente pico del rayo. Estos pasos líder,

varían en longitud de 10 metros a más de 160 metros, para una descarga eléctrica

de polaridad negativa. A medida que los pasos líder se acercan a la tierra, el

campo eléctrico entre los pasos líder se incrementa con cada paso. Finalmente, a

casi un paso de distancia de la tierra (o en una instalación sobre la tierra), se

establece una “zona de impacto”, como se ilustra en la Figura 2. Una zona de

impacto en forma de hemisferio, con un radio igual a la longitud de un paso líder.

Figura 2: Zona de Impacto

ZONA DE IMPACTO PUNTO DE

DISCRIMINACION

SOMBRA ELECTRICA DE LA NUBE

PUNTO DE DISCRIMINACION



Página 24

El campo eléctrico dentro de la zona de impacto es tan grande, que crea

“streamers” o flámulas, moviéndose hacia arriba desde los objetos que están

sobre la tierra. El primer streamer que alcance al paso líder, cierra el circuito

eléctrico e inicia el proceso de neutralización de la carga eléctrica de la nube.

Cuando se encuentran estructuras entre la tierra y la célula de tormenta (nube),

esas estructuras se cargan eléctricamente. Puesto que ellas acortan una parte de

la separación del espacio de aire, ellas pueden disparar un rayo, ya que la

estructura reduce una porción significativa del espacio de aire intermedio. La

neutralización de la carga (el rayo), es causada por el flujo de electrones de un

cuerpo a otro, de tal manera que como resultado, no hay una diferencia de

potencial entre dos cuerpos (Ver Figura 3).

Figura 3: Neutralización de la carga eléctrica (“Rayo”)

El proceso crea el mismo efecto que se tiene cuando se acercan las terminales de

una batería. Un arco eléctrico.

FLUJO DE CORRIENTE DE CARGA

EN LA SUPERFICIE HACIA EL

CANAL DEL RAYO

SOMBRA DE

NUBE

ELECTRICA



Página 25

2.2.2 EFECTOS DE LA DESCARGA ATMOSFERICA

El relámpago se define como el resultado de un canal ionizado de una descarga

eléctrica atmosférica; un rayo es una sobre corriente en ese canal. Hay cuatro

diferentes efectos secundarios que acompañan a un relámpago. Estos son:

Pulsos Electromagnéticos (EMP)

Pulsos Electrostáticos

Corrientes Transitorias de Tierra

Carga Electroestática

PULSOS ELECTROMAGNÉTICOS

Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos

transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga

del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube

y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico.

La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente, en relación directa

con la impedancia en el canal de descarga y la carga eléctrica de la nube de

tormenta. La relación de crecimiento de estos pulsos de corriente, varía en

órdenes de magnitud. Ellos han sido medidos en niveles de arriba de 510 ka por

microsegundo. Un promedio práctico, podría ser de 100 ka por microsegundo. Las

corrientes que fluyen a través de un conductor, producen un campo magnético en

relación a las mismas. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y



Página 26

alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperes, los pulsos magnéticos

que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP)

dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente,

puede también ser muy significativo (Ver figura 4).

Figura 4: Canal de Descarga del Rayo (EMP)

A medida que las nubes se cargan eléctricamente, aparece un paso líder hacia

abajo en la base de la nube de tormenta. Conforme el paso líder descendente se

acerca a la tierra, otro paso líder ascendente lo alcanza, y entonces ocurre el rayo

de retorno. Un descomunal aumento de carga acompaña a este rayo de retorno, la

cual actúa como una gigantesca antena de onda viajera, generando potentes

ondas de pulsos electromagnéticos. Por lo que, los EMP de una descarga eléctrica

atmosférica, pueden propagarse a grandes distancias y afectar grandes áreas (Ver

Tabla 2).

TABLA 2

Di /dt=100kg/1s

SISTEMA DEL

SATELITE

PROCESADOR DE

DATOS



Página 27

DATOS DEL RAYO DE RETORNO DE UNA DESCARGA ELÉCTRICA

ATMOSFÉRICA

Corriente 1 de Retorno 5 kA – 200 Ka

di/dt 7.5 kA/ s a 500 kA/ s

Velocidad 1/3 velocidad de la luz

Longitud (altura de las nubes de

tormenta)

3 – 5 km. Sobre la superficie

Cualquier línea de transmisión o de datos aérea, también sufrirá o será afectada

por las interferencias de los EMP, derivados de una descarga eléctrica

atmosférica, a pesar de que esté blindada. Los EMP de un rayo, tienen un amplio

espectro y la mayor parte de su energía está en la banda de baja frecuencia. De

ahí que, los EMP de un rayo puedan penetrar el blindaje y causar interferencias en

el sistema. Los EMP también tienen relación con los efectos secundarios que

resultan del flujo de corriente en el sistema de tierras. En esta situación, el rápido

cambio de corriente en relación al tiempo (di/dt) crea un campo magnético, el cual

será inducido a cualquier línea subterránea que pase cerca, o vaya paralela en

cualquier tramo del sistema de tierras. Resumiendo, la cercanía de cables o

alambrado subterráneo que se cruce o corra paralelamente, da como resultado la

transferencia de energía (EMP). (Ver Figura 5). Esa energía no siempre causa

daño en la acometida del servicio eléctrico; sin embargo, siempre resultará muy

alta y será suficiente para dañar a los circuitos de las líneas de datos.



Página 28

PULSOS ELECTROSTÁTICOS

Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la

variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica.

Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso

dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a

su altura (i.e. tantas veces la altura por la intensidad del campo), sobre la

superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a

una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático

medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100

kV y 300 kV con respecto a la tierra. Cuando ocurre la descarga (rayo), esa carga

deberá moverse hacia abajo en una línea, buscando un camino a la superficie de

la tierra. Cualquier equipo conectado a esa línea, proveerá el camino hacia la

Di /dt=100kg/1s

LINEA DE ALIMENTACION

ENTERRADA

CABLE DE TIERRA

ENTERRADO



Página 29

tierra. A menos que ese camino esté protegido adecuadamente, será destruido

durante el proceso de la descarga a tierra para neutralizarse. Este fenómeno es

conocido como transitorio atmosférico inducido. La elevación y caída de voltaje

electrostático, también está relacionado con los pulsos electrostáticos (ESP). (Ver

Figura 6).

Figura 6: Pulsos Electrostáticos

De acuerdo con la teoría electromagnética, las cargas estáticas, se acumulan en

la superficie de cualquier objeto sobre la tierra. La densidad de carga es

proporcional a la magnitud de esos campos electrostáticos. A mayor densidad de

carga, mayor es el riesgo de una terminación o alcance de un paso líder. Una

estructura metálica vertical inmersa en estos campos electrostáticos,

especialmente, aquellas que terminan en forma de punta, tienen una considerable

diferencia de potencial con respecto a la tierra. Si la estructura no está aterrizada,

CAMPO ELECTROSTATICO

VARIABLE

LINEAS DE DATOS ENTRE PLANTAS

RAYO CERCANO

LINEA DE ENERGIA AEREA SE INDUCIRAN

TRANSITORIOS



Página 30

puede causar arcos eléctricos y en algunos lugares con clasificación de alto

riesgo, puede iniciarse un incendio o bien, alterar el funcionamiento o incluso

dañar al equipo electrónico, generalmente, muy sensible.

CORRIENTES TRANSITORIAS DE TIERRA

La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de

neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es

consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la

tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el

rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino

más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo.

Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos

conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo se

impactó. A este voltaje inducido se le llama “corriente transitoria de tierra” y

aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Si los

conductores están blindados, los alambres internos experimentarán la primera

inducción de la corriente que fluye por el blindaje. Aunque el proceso de descarga

es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan

pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto (Ver Figura 7).



Página 31

Figura 7: Corrientes Transitorias de Tierra

La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos

siguientes:

1. 1. Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes,

cables o sistemas de tierra. (Normalmente se considera un gradiente de ruptura de

50 kV/m. Por ejemplo, la resistencia al pie de una torre de energía es de 10 Ohms,

la corriente del rayo de retorno es 200 kA, y la distancia de separación mínima es

de 40 metros).

2. 2. La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de

tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de

potencial de tierra no uniforme (GPR) en el sistema de tierra. Por ejemplo, dos

alambres de tierra de 10 metros enterrados con una resistencia de aterrizaje de

31.8 Ohms, están separados a 5 metros. Cuando fluye una corriente de 75

amperes en uno de los electrodos de tierra, los otros electrodos tendrán una

elevación de voltaje de aproximadamente 188 volts.

LINEAS

ENTERRADAS LINEAS

ENTERRADAS

CORRIENTES

TRANSITORIAS DE TIERRA



Página 32

CARGA ESTÁTICA

La causa más común de incendios en instalaciones donde se manejan productos

del petróleo relacionadas con rayos, es el fenómeno conocido como “carga

estática resultando arcos eléctricos secundarios” (BC/SA).Para entender el riesgo

de BC/SA, es necesario entender como se forma la carga estática y como resultan

los arcos secundarios provocando el incendio. La célula de tormenta induce la

carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. La carga estática

(amperes-segundo) está relacionada con la carga en la célula de tormenta. Debido

a que los productos del petróleo generalmente son almacenados en tanques

metálicos que son conductores eléctricos, esos contenedores y el producto

almacenado se cargan eléctricamente, resultando una diferencia de potencial

entre el tanque y la tierra física del lugar. Después de la tormenta, la carga

eléctrica del producto se moverá lentamente hacia las paredes del tanque. La

tierra en condiciones normales, tiene carga eléctrica de polaridad negativa con

respecto a la ionosfera. Cuando aparece una célula de tormenta entre la Ionosfera

y la tierra, la carga positiva es inducida sobre la superficie de la Tierra,

neutralizando la carga negativa y cargándose rápidamente con carga eléctrica de

polaridad positiva. El Tanque está al mismo potencial de la tierra, positivo antes

del rayo, pero instantáneamente, es negativo después del rayo. Los arcos

secundarios, resultan con el repentino cambio de la carga (20 microsegundos) de

la pared del tanque (polaridad negativa), y la carga eléctrica de polaridad positiva

del producto contenido en el tanque. El aterrizaje no tendrá una influencia

significativa en el potencial del fenómeno BC/SA. La protección contra rayos

convencional no puede prevenir la Carga Estática (BC) / Arcos Secundarios (SA),

porque no hay un camino de descarga confiable y disponible.



Página 33

2.3 SISTEMA CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

Desde 1971, los ingenieros especializados y con experiencia, han desarrollado

sistemas de protección contra descargas eléctricas atmosféricas. La ingeniería y

una solución más adecuada, es más difícil que la simple instalación de una punta

pararrayos. Cada lugar es evaluado por factores de riesgo, posición geográfica,

tipo de suelo y muchos otros parámetros, antes de implementar un plan de

protección. Por muchas razones, no puede haber una misma solución, sobre todo

cuando se trata de una protección contra descargas eléctricas atmosféricas.

2.3.1 FACTORES DE RIESGO

El número Keráunico (días de descargas eléctricas atmosféricas o tormentas

eléctricas por año), o nivel Isokeráunico (Isoceráunico), es un índice de medición.

Mientras mayor sea el número Keráunico, es mayor la actividad de rayos

encontrada en un área. En los Estados Unidos de Norteamérica, varía desde 1

hasta 100. En otras partes del mundo, puede llegar a ser hasta 300. En los

Estados Unidos de Norteamérica, hay un promedio de 30 tormentas-día-año a lo

largo y ancho del territorio, y muchos rayos ocurren durante una sola tormenta.

Los estudios muestran que para un área promedio dentro de los E.U.A., puede

haber entre 8 y 17 impactos por año en un área de una milla cuadrada. En el área

central de la Florida, el riesgo se incrementa entre 37 y 38 rayos por milla

cuadrada por año. Las características estructurales tales como altura, forma,

tamaño y orientación, también pueden influir en el riesgo. Por ejemplo, estructuras

altas tienden a colectar los rayos en el área que las rodea. Mientras más alta es la

estructura, mayor será el número de rayos que atrae y colecta. Estructuras altas

también provocarían más rayos que de otra manera no ocurrirían. Además, como

las nubes de tormenta tienden a viajar a alturas específicas con sus bases a 5000

ó 10000 pies, estructuras en áreas montañosas tienden a provocar rayos más



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fácilmente. El sistema factor de exposición para una línea de transmisión es un

ejemplo. Considere un tramo de 50 millas de longitud de una línea de transmisión

en el área central de la Florida. De acuerdo con datos del Subcomité en

Descargas Eléctricas Atmosféricas del IEEE, debería haber 1500 rayos por año

sobre la línea (en total para los alambres y conductores de fase). Doscientos

veinticinco de estos, excederían los 80000 amperes, todos en un año promedio.

2.3.2 DENTRO Y SOBRE EDIFICIOS

La Norma del IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc.)

C62.41de1991 fue elaborada para establecer una guía de sobrecargas para

aquellos equipos electrónicos que estuvieran expuestos a un ambiente con carga

electrostática, dependiendo del lugar de instalación. Esta norma fue revisada en

1991 para reflejar los efectos del lugar en el sistema expuesto. Por ejemplo, un

producto en la Florida donde el número de tormentas día-año es 100, no tendría el

mismo riesgo al estar expuesto que el mismo producto tendría en California,

donde el número de tormentas día-año es de 5. Cuando se prueba cualquier

producto, como un computador o un protector de eventos eléctricos transitorios, es

imperativo que las pruebas de comportamiento sean las adecuadas. La mayoría

de los Ingenieros piensan que las sobrecargas solamente son entre línea a tierra o

entre línea y neutro. En realidad, una sobrecarga se puede inducir de cuatro

maneras: línea a tierra, línea a neutro, neutro a tierra y línea y neutro a tierra. Por

ejemplo, si un protector de sobrecarga normal (standard) es únicamente para

proteger una línea a neutro, el dispositivo puede ser vulnerable a los impulsos

resultantes de los otros tres tipos de sobrecarga. Cuando se revisen las

características de los protectores de sobrecarga de clavija, debe tenerse cuidado

de verificar que están protegidas todas las 4 formas de sobrecarga mencionadas.

Las Normas IEEE, separan las pruebas de impulso por lugar, definiéndolas por

categoría A, B y C. La categoría C es para la entrada de la alimentación de la



Página 35

instalación. Esto incluye cualquier dispositivo instalado afuera del edificio o como

entra la energía al edificio, cerca del interruptor principal o por los alimentadores

entre el medidor y el Tablero de Distribución. La categoría B, incluye un

alimentador de más longitud y circuitos derivados más cortos, tales como tableros

de distribución secundarios a más de 10 metros dentro del edificio, o líneas que

alimentan cargas mayores. La categoría A incluye circuitos derivados de mayor

longitud y todos los contactos que están a más de 10 metros de la categoría B,

con calibres de cable o alambre del #14 AWG al #10 AWG.

NOTA: todos los supresores de eventos eléctricos transitorios para los

equipos electrónicos, deberán seleccionarse de acuerdo con la localización en que

estén instalados éstos.



Página 36

SUB-TEMA 3.0 DESCARGAS ATMOSFERICAS

3.1 TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DE LAS DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

El rayo una inmensa chispa eléctrica natural, llamada también descarga

atmosférica; el arma más poderosa de la naturaleza, además de que tiene un

promedio de concurrencia de 100 veces por segundo sobre la faz de la tierra, se,

le conoce más por sus efectos nocivos aun que son mas lo beneficios que

proporciona.

Se desconoce el proceso exacto por el cual la atmosfera o una nube adquiere

cargas eléctricas de tal magnitud que dan origen al rayo o descarga atmosférica.

Se ha emitido varias teorías para explicar la acumulación de estas cargas, pero el

problema es complejo y aun que se reproduce en el laboratorio, este no es

significativo por los valores de corriente alcanzado, además de lo aleatorio de las

condiciones necesarias para que ocurra la descarga de una tormenta.

3.1.1 TEORÍA DE SIMPSON

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

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

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

vapor al encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas

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

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

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

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

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



Página 37

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

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

inferior de la nube se carga en forma positiva.

3.1.2 TEORÍA DE ELSTER Y GEITEL

Esta teoría se fundamenta en estudios realizados sobre una gota grande de lluvia

atra vez del campo eléctrico de la misma, cuyo gradiente superficial es de 100

volts por metro de altura; debido a la acción de este campo, la gota se polariza en

la parte inferior por una gota positiva.

La gota cargada eléctricamente en su caída, se encuentran con corrientes de aire

ascendentes que le producen una disminución de tamaño, continuando su caída

hacia la tierra, pudiendo así encontrar gotas de mayor tamaño, desequilibrándose

eléctricamente. El contacto de gotas de diferentes tamaños se repetirá frecuente

mente, originándose este valor hasta llegar a un valor critico, que produce la

descarga o rayo.

Este proceso descrito en 1985, permite explicar la carga positiva de la lluvia, pero

no la formación de los campos eléctricos de las tormentas.

3.1.3 TEORÍA DE WILSON

Según C.T. Wilson una gota polarizada capta en su caída más iones negativos

que positivos, cargándose por esta razón en medida creciente con electricidad

negativa. En la atmosfera normalmente existe una gran cantidad de iones

negativos y positivos que se mueven en diferentes direcciones con una velocidad

promedio de un centímetro por segundo, bajo la acción de un campo eléctrico de

un volt por centímetro (experimento de Wilson).



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La existencia de iones en el aire los estima de 1000 positivos y 800 negativos por

centímetro cubico, Juan jagsich nos dice que en Pilar, cerca de Córdova

Argentina, se registraron en término medio 2,272 iones por centímetro cubico, los

cuales 1,147 fueron de carga positiva y 1,125 de carga negativa.

Wilson especifica también que para estudiar el origen de las descargas

atmosféricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento de las gotas de

una tormenta; por consiguiente, una separación de su carga eléctrica respectiva

en el proceso de lluvia, las gotas hacen contacto eléctricos dando origen a que

auméntela ionización de la atmosfera, facilitando la formación de trayectoria del

canal del rayo para descargar hacia la tierra o hacia la nube.

3.1.4 TEORIA DE FINDEISEN Y WICHAMANN

El hielo en la nube tiene importancia en la acumulación de cargas eléctricas que

produce el rayo. La teoría de findeisen y wichmann, suponen que los cristales de

hielo en caída desprenden astillas cargas de electricidad negativa.

Estas astillas, debido a su reducido peso, que darían flotando en el espacio,

mientras que los “granos “de hielo. Considerablemente más pesados en continuo

crecimiento, prosiguen su caída, de esta manera hay una separación de cargas en

la nube.

3.1.5 TEORIA DE BROOKS



Página 39

Esta teoría se basa en el contacto que tiene un granizo con otro, por el efecto volt

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

negativamente, en el laboratorio se ha podido comprobar que el hielo al formarse

queda cargado negativamente.

3.1.6 TEORIA DE SIR BASIL SCHONLAN

Según este científico la descarga atmosférica está vinculada con las nubes.

Cuando una típica nube de tormenta comienza a formarse una masa de aire cálido

asciende, esta masa transporta una considerable cantidad de humedad, en forma

de vapor de agua. A medida que la masa se eleva, se va enfriando; entonces

puede retener menos vapor de agua que cuando estaba más caliente. El vapor

sobrante se condensa en diminutas gotas que forman nubes.

El agua generalmente se congela a cero grados centígrados, sin embargo, bajo

ciertas condiciones permanece liquida a temperatura mucho más baja aun a -4

grados centígrados, en este estado se dice que el agua está sobre enfriada.

Las gotas se forman en las nubes de tormenta, se sobre enfrían, elevándose

mucho más arriba que el nivel en que la atmosfera se encuentra a cero grados

centígrados.

Finalmente, alcanza una altura tal, en que la temperatura desciende a los -40

grados centígrados, entonces las gotas se transforman en pequeños trozos de

hielo. Algunas de las gotas al congelarse se unen a otras de esta manera forman

pequeñas piedras de granizo que comienzan a caer a causa de su peso; pero

continuamente chocan contra las gotas sobre enfriadas que ascienden, el agua de

cada gota se congela sobre la piedra de granizo con la que choca, y

gradualmente, estas piedras aumentan de tamaño. Al chocar contra cada gota, la



Página 40

piedra de granizo adquiere una carga negativa, sir Brasil estaba convencido de

que millones de estos choques entre las gotas de agua y las piedras de granizo

producen en la nube la carga eléctrica que origina el rayo.

Al mismo tiempo, una pequeña astilla de hielo se desprende de la gota de agua

cundo esta se congela, la astilla lleva una carga positiva, las corrientes de aire

ascendentes transportan estas astillas y sus cargas positivas a las partes más

elevadas de la nube.

A medida que las astillas con cargas positivas se elevan en la nube, las piedras

de granizo cargadas negativamente caen hacia la base, que es más caliente,

entonces estas se derriten para transformarse en grandes gotas de agua.

Este proceso puede continuar por una hora, durante ese tiempo toda la nube es

como un inmenso generador. Mientras se ha estado produciendo el proceso

principal de carga, un efecto similar pero en menor escala se ha producido en la

base de la nube, de bajo el polo negativo ahí es donde ocurre el disparo que

desata el rayo.

La descarga salta de este receptáculo de electricidad positiva al polo negativo,

situado un poco más arriba, entonces toda la carga positiva inferior, así como

parte de la negativa queda neutralizada, además del trayecto através del cual

ocurre la descarga el aire se ioniza, provocando que se comporte como un

conductor.

Por la descendiente el resto de la carga negativa, que continua en su trayectoria

hacia abajo, atraída por una carga positiva en la superficie de la tierra.

La descarga no salta en una enorme chispa, si no que se orienta guiada por

variaciones locales en el campo eléctrico que tiene por delante. Puede formar



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ramas, que se bifurcan hacia uno y otro lado. (VER ANEXOS FIGURA 1,2,3) se

observa que al formarse y hielo queda cargado negativamente.

3.2 CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS ELECTRICAS

El aislamiento de los sistemas eléctricos, está continuamente bajo esfuerzo y para

que no dañe o falle, debe limitarse al valor delas sobre tensiones que se presenten

durante el funcionamiento de dichos sistemas.

Las sobre tensiones en cuestión, pueden ser de origen interno y de origen externo

o atmosférico, siendo estas últimas las que mayores magnitudes alcanzan,

aunque se presenten con menor frecuencias que las primeras.

Las descargas atmosféricas se deben principalmente a nubes cargadas a un

potencial elevado, cuya polaridad es opuesta a la de tierra. Puede comparase el

rayo con el salto de la chispa entre las placas de un condensador de enormes

dimensiones, donde las nubes forman una placa, la superficie de la tierra otra y el

aire su dieléctrico.

Cuando la carga de algunas nubes alcanza una elevada concentración y el

gradiente de potencial supera la rigidez dieléctrica del aire interpuesto, se produce

la ruptura, constituyendo el rayo a úna corriente de aire ionizado.

Las descargas atmosféricas sobre líneas aéreas pueden alcanzar magnitudes

hasta de 2500 KV, 200KA y frecuencias de orden de 100KHz. Sin embargo,

aunque la tensión y la intensidad de la corriente de un rayo son extremadamente

grandes, la energía efectiva es relativamente pequeña del orden de 4KwH, puesto

que su duración es solo de unos cuantos microsegundos. El rayo es un suceso

aleatorio, puede ocurrir durante una tormenta o bien, no ocurre cuando la carga



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eléctrica acumulada no es suficiente, así podemos ver tormentas con descargas

atmosféricas o bien sin rayos.

Esto sucede sin que se tenga una frecuencia determinada hay descargas con

distinta configuraciones inclusive invertido el orden de signos.

Un análisis comparativo de diferentes tipos de pararrayos, nos lleva a ver su

funcionamiento antes, durante y después de una descarga atmosférica, que es

contra lo que nos vamos a proteger, la descarga se repite dos veces (50%

restante) en el mismo lugar, siguiendo el camino de gases fuertemente ionizados

que dejo la primera, al provocar fallas o reducción de eficiencia, descarga lo que

se puede en algunos pararrayos.

No todos los lugares tienen la misma probabilidad de que ocurra una descarga, se

puede ver esta probabilidad en los mapas de nivel isoceraunico , es decir , mapas

que nos muestran regiones con igual probabilidad de descarga atmosférica, por lo

que los sistemas pararrayos también deben ser diferentes en su diseño o

componente de tierra igualmente la altura de edificación por proteger influye, aun

cuando están a una región con igual nivel isoceraunico, el de mayor altura tiene

mayor probabilidad de rayo.

La cantidad de corriente que tiene un rayo, es del orden de los kilos amperes, con

un rango que abarca desde las decenas hasta las centenas, que se han podido

medir, en las líneas y subestaciones eléctricas.

La diferencia de potencial, tiene variación de valores desde 100 hasta 1, 000,000

kilo volts, aunque para la instalación de pararrayos es más importante la tensión

que pueda surgir entre el sistema a tierra y el conjunto receptor o pararrayos que

se encuentre a mayor altura en la instalación protegida, porque de ello depende la



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disipación de la carga en el terreno, según el sistema de pararrayos para evitar la

incidencia del rayo.

Otro dato interesante sobre los rayos es su longitud; estudios realizados en

estados unidos hablan de rayos desde 304.8 metros (1, 000 pies), hasta

aproximadamente 160 kilómetros (100 millas).

Pero la carga total liberada por un rayo,, es relativamente pequeña por el tiempo

tan corto de vida que es del orden de los microsegundos , así los valores de carga

de una sola descarga es de 7 columbios y aun con las descargas sucesivas ,

estas no supera los 200 columbios.

El fenómeno no parece aislado, pero ocurre en promedio 100 veces por segundo,

sobre la tierra y la magnitud del mismo hace que cuando toca una persona o una

instalación no protegida, causa daños, pero las pérdidas que ocasiona , sobretodo

en interrupciones de energía eléctrica hacen que tenga el nombre de dañino,

aunque proporcione más beneficios, al ser el principal abastecedor de nitrógeno

para la tierra y de ozono de la atmósfera, sin embargo, los daños existen y tiene

probabilidad de causar muchos más y aunque en México no se lleva una

estadística.

Los cambios de dirección en un conductor de pararrayos no pueden ser bruscos,

por lo que se deben seguir ciertas normas dado que la tensión al circular por un

conductor, genera un frente de onda.

3.3 CAMPOS ELECTRICOS



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3.3.1 CAMPOS ELÉCTRICOS DE LA ATMÓSFERA

Redondeando la tierra existe en la atmósfera en condiciones normales de buen

tiempo. Un campo eléctrico permanente con superficies equipotenciales

concéntricas, cuyo centro coincide con el de la tierra, siendo por lo tanto vertical el

vector de intensidad de campo (E) en cada punto.

El sentido de este valor es tal que se dirige hacia el centro de la tierra , lo que

indica que esta ultima posee una carga negativa, mientras que las distintas capas

de la atmósfera son más positivas cuando más alejadas están de la superficie

terrestre de tal forma que el gradiente eléctrico decrece con la altura.

Como consecuencia de la existencia de ese campo eléctrico permanente, los

iones negativos existentes se dirigen hacia arriba, mientras que los positivos caen

hacia la tierra, la resultante de estos dos desplazamientos iónicos es llamada

“corriente de inducción” dirigida hacia abajo según el sentido convencional de la

corriente) cuyo valor medio es 2×10-16 amperes por centímetro cuadrado (A/cm2)

lo que representa una corriente total entre atmósfera y tierra de unos mil amperes.

La corriente de conducción puede considerase también permanente como el

campo que la produce, variando muy poco tanto la situación geográfica como la

estación, día y hora.

Independientemente de la corriente de conducción, existen “corrientes de

precipitación”, llamada así por originarlas el transporte de cargas eléctricas,

producida por las precipitaciones atmosféricas, dichas corrientes de precipitación

son en general del mismo sentido que la de conducción, aportando también

cargas positivas a la tierra, su intensidad puede llegar a ser de 2×10-11 A/cm2; o

sea superior a la de conducción que es.



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Al contrario que esa última variable con las condiciones de tiempo y lugar, su valor

medio resulta inferior, habiéndose estimado unos 400 amperes. Considerando la

acción continua de etas dos corrientes, resulta a primera vista sorprendente que la

carga negativa que posee la tierra permanezca contante y aproximadamente igual

a 500,000 coulombios.

Sin embargo, este es un hecho in cuestionable, demostrado por la experiencia que

obliga a admitir la existencia de otros fenómenos compensatorios sobre los que se

ha establecido multitud de hipótesis, de las cuales destacan las siguientes:

1. Por efecto de altas temperaturas en el núcleo de la tierra. Escapa aire

ionizado positivamente por los intersticios capilares de la corteza terrestre, que es

elevado por corrientes conectivas a considerables alturas (efecto Ebert).

2. La radiación tanto procedente de la tierra, como del sol y las estrellas, da

lugar a la ionización de las moléculas del aire. Los electrones producidos se

escapan de la atmosfera gracias a su gran movilidad originándose por tanto una

acumulación de cargas positivas en ellas.

3. Cuando las condiciones normales de buen tiempos se alteran por distintos

fenómenos atmosféricos, tales como la lluvia, nieve, granizo, nubes tormentosas

etc. se producen casi siempre inversiones del campo eléctrico, aportando una gran

cantidad de carga negativa a la tierra como consecuencia de los procesos

siguientes:

Descargas continuas de electricidad positiva por las puntas de conductores

conectados a tierra.

Descargas intermitentes y de gran magnitud de electricidad positiva, como

consecuencia de caídas de rayos.



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3.3.2 CAMPOS ELÉCTRICOS EN EL NÚCLEO DE LAS NUBES

Entre los diferentes tipos de nubes, son los Cumulus-Nimbus, los que pueden

llegar a convertirse en nubes tormentosas que se caracterizan por desarrollarse a

base de aire húmedo y caliente que se eleva a velocidades considerables, del

orden de los 30 a 35 metros por segundo.

Las gotas de agua arrastradas por estas corrientes conectivas llegan a convertirse

en cristales de hielo al alcanzar la altura suficiente, disminuyendo paulatinamente

su velocidad de ascensión, hasta que inicia su caída, es durante este descenso de

los cristales de hielo, cuando se verifica por frotamiento una separación de gran

magnitud de los iones de distinto signo, estableciéndose en el interior de la nube el

campo eléctrico consiguiente, con la distribución de carga representada. (VER

ANEXOS FIG.4).

A pesar de que la distribución anterior es estadísticamente la más frecuente,

existen casos que se pueden estimar un 10%, en que la polarización resulta

invertida. Concentrándose las cargas negativas en la parte superior de la nube,

mientras que las cargas positivas se distribuyen en la parte inferior.

3.4 FORMACION Y PRODUCCION DE LAS DESCARGAS

Los campos eléctricos en el interior de las nubes tormentosas, hacen que la parte

inferior de estas y el terreno sobre el que se encuentran, actúen como las



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armaduras de un gran condensador, cuyo dieléctrico está constituido por el aire

existente entre ambas, lo más probable es que la base de la nube sea negativa,

con lo que se inducirán cargas electrostáticas positivas en el terreno, aunque no

se debe olvidar que el 10% de los casos ocurrirá todo lo contrario.

Descartando por el momento estos casos menos probables. (VER ANEXOS EN

FIGURA 5,6) se presenta e proceso más frecuente de formación y caída del rayo

que es análogo a la descarga de un capacitor por perforación disruptiva del

dieléctrico.

De la zona de la base de la nube, en que la concentración de cargas negativas es

máxima. Parten estas hacia abajo siguiendo una serie de caminos ramificados,

llamados descargas piloto.

Propagándose intermitentemente con direcciones de 10 a 12 microsegundos entre

cada 2 impulsos avanzando en cada uno de los saltos algunas decenas de

metros a velocidades del orden de los 10,000km/s.

Teniendo en cuenta los tiempos de detención antes mencionados la velocidad

resultante de propagación puede estimarse en un valor de 100 a 300 km/s. la

descarga piloto sigue su avance creciendo al mismo tiempo la intensidad del

campo electrostático inducido en el terreno, hasta que partiendo de este se eleva

una descarga positiva llamada descarga de retorno, que va al encuentro de la

descarga piloto.

Este encuentro normalmente se origina entre los 15 y 120 metros de altura,

medidos desde el punto de salida y varía según haya o no pararrayos. Hasta el

momento el fenómeno ha sido silencioso y débilmente aluminoso, pero al

establecerse el contacto entre las descargas piloto y la descarga. Llamada



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descarga principal que se manifiesta por la aparición de una intensidad luminosa

acompañada de un fuerte trueno.

Esta descarga principal está formada por una gran corriente de carga positiva, que

partiendo del terreno circular hacia arriba y siguiendo el camino recorrido por la

descarga de retorno y la descarga piloto, llega a alcanzar intensidades del orden

de los 200.000 Amperes.

Los puntos de emergencia, tales como los pararrayos, donde se manifiesta un

campo eléctrico, más intenso durante la sucesión de las ultimas descargas piloto

serán los puntos donde se partirán más probablemente las descargas de retorno y

por lo tanto de los que surgirán también con más frecuencia las descargas

principales.

La primera descarga principal tiene el efecto de crear un canal fuertemente

ionizado entre la nube y la tierra. Al no quedar la nube completamente

neutralizada después de la descarga principal, aparecerán otras secundarias que

seguirán el mismo canal ionizado establecido por la descarga principal,

produciéndose alternativamente de nube a tierra y de tierra a nube, las descargas

como se ve en (VER ANEXOS EN FIGURA 7) se verifican a intervalos en

algunas centésimas de segundo, tiempo necesario para permitir la descargas

eléctricas en el interior de la nube.

El rayo que comprende un cierto número de descargas, se llama múltiple. El

número promedio de descargas de un rayo es de 4 a 6 pero se ha observado

algunos de hasta 42 descargas distintas, de una duración de 0.6 segundos

aproximadamente.



Página 49

El proceso descrito es solamente el más probable, pero no el único posible, en

caso de que la parte inferior de la nube posea una acumulación de cargas

positivas. Se inducirán en el terreno de cargas electrostáticas negativas y el efecto

sería una inversión de polarización en el capacitor de nube-tierra que se ha

considerado como se ve en (VER ANEXOS EN LA FIGURA 8).

3.5 ESTRUCTURA ELECTRICA DE UNA TORMENTA

El campo electrostático de una atmosfera, en buen tiempo y ausencia de nubes,

es prácticamente uniforme y estable, dirigido hacia abajo, porque la superficie de

la tierra tiene carga negativa y la atmosfera tiene carga eléctrica neta de signo

positivo.

En medio de ese campo es de unos 120 volts por metro sobre el continente y unos

130 por metro sobre el océano, donde la contaminación ambiental es grande,

estos pueden aumentar mucho se ha observado en México D.F. valores de 220

por metro a nivel del suelo y en el observatorio de Kiev en Unión de Estados

Independientes, se han registrado valores de unos 350 volts por metro.

El gradiente de potencial eléctrico disminuye mucho con la altura a 10 km es

apenas de un 3% de su valor en la superficie según las medidas hechas por los

norte americanos, a los 20 km los valores de ese gradiente son sumamente

pequeños, lo que demuestra que el aire a esas alturas es sumamente conductor.

Esta conductividad se explica porque las tormentas en la troposfera pueden

afectar la transmisión de las ondas cortas que se reflejan en la ionosfera,

ocasionando desvanecimientos (fading) que se puede utilizar para localizar, los

ciclones del Caribe o los frentes fríos del norte.



Página 50

3.6 DIFERENCIA DE POTENCIAL EN LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS

La diferencia de potencial que provoca la descarga atmosférica tiene valores

extremadamente variables y depende de numerosos factores, tales como la altitud

de la nube con relación a la tierra, las características del pararrayos, las del

edificio, la configuración de las instalaciones y otros más.

Para efectos prácticos en el funcionamiento del pararrayos del sistema de tierra,

reviste un mayor interés, la diferencia de potencial que aparece entre el sistema

de tierra y la parte más alta del edificio o sea, donde debe estar al menos un

conjunto receptor, valores que dependen de la impedancia del conductor, o mejor

dicho, tratándose de impulsos de gran pendiente.

Para facilitar el cálculo, si consideramos que la tensión antes de la descarga es de

10 kilo volts por metro de altura, el potencial transportado será de de 200 kilo volts

aproximadamente.

Estudios realizados por el Laboratorio Atmosférico Oceánico Nacional de los

Estados Unidos, situado en colorado, después de estudiar 300 tormentas locales,

establecieron que a 4800 metros sobre el nivel del mar las descargas

atmosféricas alcanzan valores de 2400 kilo volts por metro. Cleirici nos muestra

(VER ANEXOS FIGURA 9) que el 85%de los rayos alcanzan los 30 kilo volts por

metro.

3.7 LONGITUD DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS



Página 51

Estudios realizados por la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany dice que

los rayos varían en su longitud entre los 304.8 metros (1000 pies) hasta los 160

kilómetros (risillas), siendo el más común el de 1609 metros (1milla).Cleirici nos

muestra en (ver anexos figura 10) que los rayos varían entre los 500 y los 7000

metros si situamos a la ciudad de México a una altura de 2450 metros sobre el

nivel del mar, entonces tendremos un gran número de rayos cercanos a los 240

kilo volts por metro, es decir rayos de 2350 metros (osea7700 pies).

3.8 NUBES DE TORMENTA

Las descargas atmosféricas son producidas por un tipo particular de nube,

conocida como nube de tormenta o cumulus - nimbus. Cumulus: apilados,

nimbus: lluvia. Sin embargo, se conoce que otros tipos de nubes en

condiciones especiales, pueden también originar este fenómeno.

La formación de este tipo de nube, puede ser de dos formas distintas:

Por convección natural. Típico en zonas tropicales.

Por frentes de aire frío. Típico en zonas de clima templado.

La nube se forma siempre de forma vertical debido al movimiento de las masas de

aire ascendentes y en su forma geométrica particular parecida a un yunque, puede

llegar a alcanzar alturas en cuanto a su parte superior de hasta 20 Km y en su parte

más baja, hasta 3 Km.



Página 52

3.9 TIPOS DE DESCARGA

Según se muestra en lo siguiente, existen básicamente cuatro tipo de descargas

atmosféricas:

Descargas dentro de la nube.

Descargas entre nubes

Descargas Nube - Tierra

Descargas Nube - Ionósfera.

De todas ellas, la más perjudicial es la nube tierra, pues es la que puede

producir daños a estructuras, animales y personas.



Página 53

Descarga de Nube – Tierra (Rayos)



Página 54

Descarga nube – nube (relámpagos)

Descarga originada por Actividad Volcánica



Página 55

Descargas Nube - Ionosfera

3.10 FÍSICA DE LA FORMACIÓN DE LA DESCARGA NUBE- TIERRA

Una de las teorías más aceptadas para explicar la formación de la descarga

nube - tierra, es la de “Schonland”, según la cual el ciclo de la nube de

tormenta (cumulus-nimbus) y la consecuente descarga denominada rayo, se

puede resumir en las siguientes etapas:

a.- Las cargas eléctricas en la nube se encuentran distribuidas en forma no

homogénea, existiendo por consiguiente concentraciones desiguales de carga

en el seno de la misma. Y alrededor del 90% de las nubes poseen la

concentración de cargas negativas en su parte inferior.

La explicación del por qué la concentración es de esa forma, no esta clara,



Página 56

aunque tiene que ver con las temperaturas existentes en la parte superior de la

nube (-40ºC), que hace que las gotas de agua se conviertan en cristales de hielo y

en conjunto con las cargas que se mueven desde la superficie por culpa de la

convección y las colisiones entre estas partículas dan origen a dicha distribución

(Cristales de hielo = q+ y gotas de agua = q-).

b.- La concentración de carga en la nube, provoca altos gradientes de campo

eléctrico. Una vez que dicho gradiente (tensión en la nube cerca de 10

millones de voltios) sobrepasa el valor crítico, comienzan a ocurrir pequeñas

descargas en el seno de la nube. Estas, en virtud de la ionización por choque en



Página 57

el aire, van degenerando en una forma de avalancha, denominada “Pilot

Streamer” o descarga piloto, la cual avanza a una velocidad promedio de 150

Km/seg (aproximadamente 1/20 veces la velocidad de la luz).

c.- La rama de la descarga piloto orientada hacia la tierra logra imponerse en

su crecimiento hacia la tierra, viéndose acompañada de pequeños puntos

luminosos característicos de las descargas escalonadas “Stepped Leaders”.

Durante este proceso, la luminosidad es baja y la corriente no excede de unos

pocos amperios.

Las descargas escalonadas parecen tener su origen en la acción del viento,

llegando raras veces a tierra; esto se debe a que la intermitencia de la

descarga piloto (de 30 a 90 µseg) les sustrae la energía necesaria para tales fines.



Página 58

Esta etapa ocurre a mucha mayor velocidad (aproximadamente a un 3 % de la

velocidad de la luz).

El incremento del gradiente eléctrico de la tierra al aproximarse la descarga a ésta,

favorece a la formación de un canal de recepción; dicho canal muchas veces

puede ser distinto al suelo, es decir, que puede ser un objeto el causante del canal

de recepción “Upward Streamer”, y es de notar que rara vez dicho canal supera

los 30 metros de altura. Y puede tener llegar a ser notorio desde muchos puntos en

el entorno.



Página 59

d.- El canal de recepción sale entonces al encuentro de la descarga piloto, la

cual trae una gran cantidad de cargas negativas (positivas muy pocas veces),

formándose así un canal plasmático.

Para neutralizar la carga en la nube, una gran cantidad de cargas opuestas

salen de tierra utilizando el mismo canal previamente ionizado. A través del

canal plasmático ocurrirán todas las descargas sucesivas, de las cuales la

primera es la denominada de retorno o “Return Stroke”.

La velocidad de propagación de ésta descarga es aproximadamente 10% de la

velocidad de la luz, lo cual causa que sea apreciable el valor de la intensidad

de corriente que puede alcanzar valores de hasta 400 kAmp. Mientras la

descarga principal requiere de un tiempo aproximado de 20 mseg para llegar a

tierra, la descarga de retorno acusa un tiempo promedio de 100 µseg.

El manejo de esa gran cantidad de energía en tan poco tiempo, hace que en

canal plasmático de la descarga se produzca una temperatura del orden de

30000ºC (5-6 veces la temperatura de la superficie del sol), lo cual produce un

canal de alta presión originando una onda expansiva que es lo que origina un

fuerte sonido denominado trueno.

La forma de onda de la corriente del “Return Stroke”, es determinada por la ráfaga

de descarga del canal plasmático, la cual es función de la velocidad del retorno y

de la distribución de las cargas a lo largo del canal.



Página 60

e.- El impacto provocado por las cargas eléctrica que la descarga de retorno

introduce en el seno de la nube es tan fuerte, que en la mayoría de los casos

origina una segunda descarga orientada hacia tierra, denominada descarga

secundaria o "Dart Leader”, con una velocidad promedio de 1% la de la luz.

Este par de fenómenos (Return Stroke/Dart leader), puede repetirse un número

de veces apreciable y esto se denomina descargas sucesivas o “Múltiple

Stroke”, que consisten en descargas separadas que utilizan el mismo canal

plasmático. Cerca del 50% de las descargas que ocurren son múltiples y el

intervalo de tiempo entre descargas, va desde 0.5 mseg, hasta 0.5 seg.



Página 61

Resumen grafico del proceso de formación de una descarga atmosférica

Descargas Sucesivas Nube – Tierra



Página 62

3.11 CONTABILIZACIÓN DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Existen dos formas de representar la actividad de rayos en el planeta tierra y que

tienen utilidad tanto en lo que respecta a estimación de variables

meteorológicas, como en actividades de protección.

Nivel Ceraúnico (TD)

Densidad de Rayos a Tierra (Ng)

El primero de ellos es el más antiguo, aunque muchos países en el mundo

mantienen sus mapas en función de días de tormenta al año (o nivel

ceraúnico), así pueden presentarse regiones con 1 o menos días de

tormenta al año (baja actividad ceraúnica), hasta 200-300 días de tormenta al

año, en zonas críticas, especialmente en el trópico (Centro - Sur de América

y África). El problema de tener como información solo los días en los que

ocurren descargas, es que no se puede especificar directamente cuántos de

los eventos correspondientes son del tipo Nube - Tierra, que es precisamente el

dato importante.

Sin embargo, se han obtenido en función de medidas y estadísticas, ciertas

formulaciones que permiten establecer una relación entre el nivel ceraúnico y la

densidad de rayos a tierra (rayos/Km2-año). Y la más aceptada a nivel de

normativas y trabajos internacionales, es la siguiente:

Ng = 0.04 TD1.25 rayos/Km2-año

Donde TD es el nivel ceráunico en días de tormenta al año.



Página 63

Así por ejemplo, una región con un TD de 20 días de tormenta al año, tendría

una densidad de rayos a tierra de 1.7 rayos-tierra/Km2-año.

A continuación se presentan los mapas Ng obtenidos para la actividad de rayos

en el planeta tierra, a través de sistemas satelitales de la NASA.

Así como el mapa de densidad de rayos de España y el mapa de niveles

ceraúnicos de Venezuela.

Densidad de descargas a tierra por km² al año



Página 64

Densidad de Rayos a Tierra por año en España



Página 65

Mapa isoceraunico de Venezuela (días de tormenta al año)

La forma de obtener la información del Ng, es actualmente de la siguiente:



Página 66

Localizadores terrestres de rayos

Detección satelital

Los cuales mediante programas avanzados, manejan la data de Ng y otra no menos

importante relacionada con las propias características de la descarga (polaridad,

magnitud, etc.).

Hay otro tipo de localizadores terrestres que permiten obtener información puntual

con menor precisión, en función de señales de alta frecuencia captadas desde

antenas. Así, en las siguientes páginas web, puede tenerse información aproximada

acerca de la ocurrencia minuto a minuto de este tipo de eventos.

3.12 PARÁMETROS IMPORTANTES DEL RAYO, PARA APLICACIONES



Página 67

PRÁCTICAS AMPLITUD

La magnitud de la descarga no depende de las características del punto de

terminación, ya que la resistencia propia del canal plasmático es superior (en el

orden de los miles de Ω) a la propia de la terminación.

Su comportamiento es totalmente aleatorio y por lo tanto su caracterización debe

realizarse desde el punto de vista probabilística.

Media para descarga principal: 31 kAmps.

Media para descargas sucesivas: 12 kAmps

La Distribución acumulada de probabilidades, puede ser aproximada por la

siguiente función:

P(I) = ____I___

I+ I _ 2.6

31

Donde I es la corriente en KAmps



Página 68

Distribución de Frecuencia Acumulativa para Corrientes Máximas (Probabilidad

(%) de exceder a la Corriente (kA)):

1. Primeras descargas negativas

2. Descargas negativas sucesivas

3. Descargas Positivas

FORMA DE ONDA

Una forma de representar a una onda de descarga atmosférica es por la tasa de

crecimiento de ésta, hasta alcanzar el valor pico (kAmps/µseg).

La Distribución acumulada de probabilidades, en este caso, puede ser

aproximada por la siguiente función:

P(S) = ____I___

I+ S 4

24



Página 69

Donde S es la tasa de crecimiento en KAmps/µseg

Distribución de Frecuencia Acumulativa para la Tasa de Crecimiento:

1. Primeras descargas negativas

2. Descargas negativas sucesivas

3. Descargas Positivas

ANGULO DE INCIDENCIA

Es el ángulo con el cual incide la descarga con cualquier punto terminal,

respecto a la línea vertical.

Considerar que todos los rayos inciden verticalmente, introduce errores

principalmente debido a que se debe tener en cuenta que no solo el área

superior de la estructura es la que está expuesta, sino su superficie lateral,

también.



Página 70

La probabilidad P (Θ), de ocurrencia de un ángulo de inclinación se puede

expresar como:

π/2

P(Θ) = _4_ ∫cos2 Θ d Θ

π Θ

Probabilidad de frecuencia acumulada para el ángulo de incidencia del rayo

(Grados, respecto a la vertical)



Página 71

3.13 CALCULO DE INDICES DE RIESGO PARA PROTECCION

DE ESTRUCTURAS Y EDIFICACIONES

La metodología matemática para establecer de forma aproximada, el riesgo

que posee una instalación de sufrir daños por descargas atmosféricas debe

tomar en cuenta diversas variables no solo locales, sino más generales, que

permitan tomar en cuenta no solo los posibles daños estructurales o materiales

locales, sino también los daños en el entorno (estructuras vecinas, medio

ambiente), afectación de servicios básicos (electricidad, gas, agua), daños

internos en cuanto a equipamiento y por su puesto el más importante el daño a

personas. Este último es el objetivo primordial de cualquier normativa de

seguridad y no considera solo aquellos daños que pueden sufrir las personas

por impacto del rayo de forma directa, sino mucho más (situaciones de pánico,

por ejemplo).

Tomar todas estas consideraciones, implica tener acceso a un gran cantidad de

información que al inicio de un proyecto de protección o en general, no está

disponible, por lo que existen metodologías aproximadas que permiten de

forma conservadora establecer índices de riesgo para una estructura, a fin de

permitir establecer si existe o no la necesidad de un sistema de protección

general o detallado contra impacto por descargas atmosféricas. Para tomar la

decisión de si la estructura en estudio necesita o no protección contra rayos, hay

que tener en cuenta dos variables:

Índice de Riesgo real de la estructura (Nr)

Índice de Riesgo máximo permitido (Np)



Página 72

El primero es el que se determina mediante un procedimiento que toma en

cuenta todas las variables anteriormente mencionadas.

El segundo, es fijado por la normativa particular de cada país en función de la

experiencia y del tipo de instalación.

Así, por ejemplo para estructuras convencionales, suele utilizarse como criterio

un valor de Np = 1 x 10-5, esto significa un daño real cada cien mil eventos

(1/Np).

Determinación de un índice aproximado Nr:

Nr = Ae . Ng . K . 10-6

Donde:

Ae, es el área de atracción equivalente de la estructura Ng, la densidad de rayos a

tierra y K, factor de corrección por condiciones particulares de la instalación.

Ae=L⋅W+2⋅L⋅H+π⋅H2 (m2)

Y L, W y H, son el largo, ancho y alto de la estructura en metros,

respectivamente.



Página 73

Estimación del área efectiva de colección.

Como fue definida anteriormente, corresponde a la densidad de descargas a tierra

por Km2 y año. Este dato es obtenido directamente de los mapas mostrados y

es dependiente de la zona geográfica de la instalación.

El factor, K, por su parte contiene cierta cantidad de correcciones por las

características específicas de la estructura y su entorno, así, puede ser definido

como la composición de los siguientes sub-factores:

K=Ks⋅C1⋅C2⋅C3⋅C4⋅C5

Ks es un factor de seguridad (se suele utilizar un valor de 1.1).

La obtención de los sub-factores Cn, viene definida en las siguientes tablas.



Página 74

Factor de corrosión por uso C1 – m1

Características Valor de factor C1

Casa ó edificios de viviendas 0.3

Casas ó edificios con áreas abiertas 0.7

Fabricas laboratorios ó similares 1

Oficinas , hoteles ó similares 1.2

Lugares públicos: iglesias, teatros, cines,

estacionamientos. Etc.

1.3

Escuelas, hospitales ó similares 1.7



Estructura y techo de metal, ó acero

reforzado

0.1

Estructura e metal ó acero de refuerzo y

techo de otro material no metálico

0.3

Estructuras y techo de materiales

prefabricados como concreto ó fibras

1.2

Estructura y techo de materiales

inflamables

2




Página 75


Uso domestico ó de oficina sin valor 0.3

Edificios industriales ó de agricultura 0.8

Estaciones eléctrica de gas.

Telecomunicaciones

1

Edificaciones industriales, monumentos

históricos, museos

1.3

Escuelas hospitales ó lugres de publica

concurrencia

1.7



Estructura situada en un espacio donde

hay otras estructura ó arboles de la

misma altura ó más altos

0.4

Estructura situada en un espacio donde

hay otras estructura ó arboles de la

misma altura ó más bajos

1

Estructura completamente aislada 2




Página 76


Plano 0.3

En pequeñas colinas 1

Montañas ( 1000 msnm) 1.3

Existen otras metodologías más complejas para determinar los índices de

riesgo y en particular cada país tiene una que debe ser revisada según su

normativa vigente.

Aquí solo se ha buscado tener una idea acerca del procedimiento comúnmente

utilizado para este fin, sin necesidad de ser la única forma de llevarlo a cabo.

La normativa internacional más completa a este respecto, es la IEC 61662 y

una hoja de cálculo en MathCad, ha sido desarrollada en función de las

recomendaciones de ésta, para la determinación de un índice de riesgo que

toma en cuenta una mayor cantidad de variables que si bien hacen más realista

la estimación, implican un mayor conocimiento de lo que es la estructura a

proteger, su entorno y las características específicas de los servicios que

necesita o presta.

Una vez determinado en índice de riesgo, debe llevarse a cabo la siguiente

comparación a fin de definir la necesidad o no de un sistema de protección

contra rayos.

1.- Si Nr < Np, entonces no se necesita ningún sistema de protección particular.

2.- Si Nr > Np, entonces se necesita un sistema de protección cuyas

características vienen definidas por un valor de eficiencia que se determina

según la siguiente relación:



Página 77

Eficiencia de la Instalación de Protección (E) =1 - (Np/Nr)

Según el valor de E, se selecciona un nivel de protección utilizando la siguiente

tabla :

Nivel de protección (NP) Valor de E

I 0.98

II 0.95

III 0.90

IV 0.80

Si el valor de E es superior a 0.98, se elegirá el NP I y algunas medidas de

protección adicionales que tienen que ver no solo con el sistema de protección

principal, sino con la seguridad de protección a personas (control de las tensiones

de paso) o de equipos (protección contra sobretensiones).

EJEMPLO DE CÁLCULO

Un ejemplo de cálculo para la determinación del índice de riesgo y posterior

selección de un Nivel de Protección (en caso de ser necesario), es el siguiente:

NAVE DE ALMACÉN EN EL CAMPO.

Características del Entorno TD = 20 días de tormenta al año

Dimensiones de la estructura (rectangular): 10 m x 10 m x 6 m (L,W,H).

Características de la estructura: Aislada de su entorno, con techo y estructura



Página 78

metálicos, para uso de agricultura, en zonas con pequeñas colinas.

Primeramente, se calculará el valor de Ng:

Ng = 1.7 rayos a tierra/Km2-año.

Ahora el valor de Ae:

Ae = 453.09 m2.

El valor de K:

K = 1,1 * 1 (C1) * 0.1 (C2) * 0.8 (C3) * 2 (C4) * 1 (C5) K = 0.176

Así:

Nr = 0.711 * 453.09 * 0.176 * 10-6 = 1.34*10-4 1 daño / 7412 eventos.

Nr > Np, lo que implica que necesita protección contra rayos.

E = 0.926; Con ese valor de E, se necesita un nivel de protección II, con un 95 de

eficiencia.



Página 79

Otras formas de ver el cálculo del riesgo y la necesidad de protección



Página 80

Daño a personas por tensiones de toque, paso y transferidas.

Evidentemente el peor escenario es aquel en el que se involucra el daño grave,

permanente o transitorio a personas. El peor escenario, es aquel que involucra

la muerte de una persona, seguido por aquellos escenarios que tienen

consecuencias de corto plazo: quemaduras, paradas cardiorrespiratorias,

daños neurológicos severos y por último y los más difíciles de manejar,

aquellas consecuencias que aparecen a mediano plazo y no inmediatamente al

sufrir el accidente, como por ejemplo: cataratas, daños neurológicos

progresivos, etc. Una lista inicial de esos daños, se indican a continuación:



Página 81

Hipertensión

Complicaciones Cardiopulmonares

Cambios Electrocardiográficos

Daños al Miocardio

Falla del corazón o Arritmia

Fibrilación ventricular

Contracciones ventriculares prematuras

Complicaciones Respiratorias

Complicaciones Neurológicas

Pérdida de Conciencia

Confusión

Paraplejia o cuadriplejia

Amnesia retrógrada

Hemiplejia

Coma

Hematomas

Complicaciones Vasculares

Inestabilidad Motora

Espasmo Arterial

Vasoconstricción, vasodilatación

Complicaciones dermatológicas - Quemaduras Cutáneas

Complicaciones Oftalmológicas

Cataratas

Lesiones de la Cornea

Hemorragias

Complicaciones de los oídos

Ruptura de la membrana del tímpano o Pérdida temporal de la audición.



Página 82

Algunas estadísticas permitirían establecer el peligro debido a las descargas

atmosféricas:

Hay un promedio de estimado de más de 15000 Muertes al año y más de

100000 heridos por culpa de las descargas atmosféricas. Por ejemplo en

EEUU, mueren al año 1 persona por cada millón de habitantes y con un

promedio de 100 al año.

Además se generan unas pérdidas económicas en el mundo del orden de

2000 millones de dólares al año, con especial énfasis en los gastos

originados por incendios forestales.

Y de la muerte o daño a personas, las estadísticas establecen que casi la mitad se

producen por la exposición en campo abierto y casi un 25% por buscar cobijo

debajo de árboles.

Las descargas atmosféricas son la segunda causa de muerte por eventos naturales,

después de las inundaciones.

A continuación se presentan algunas fotografías de los daños físicos

producidos en estructuras no protegidas o no correctamente protegidas, por

culpa de descargas atmosféricas.



Página 83



Página 84

3.14 PROTECCION CONTRA RAYOS

Los sistemas de protección contra rayos, buscan minimizar los daños

ocasionados por las descargas atmosféricas. No existe un sistema 100%

efectivo y por eso se establecen riesgos aceptables de daño y en función de

ellos una eficiencia del sistema.

Un sistema de protección contra rayos está compuesto por tres elementos

fundamentales que forman una cadena en la que ningún eslabón funciona

correctamente sin el otro. Estos son: El sistema de captación (terminales

aéreos), el sistema de conducción (bajantes) y el sistema de drenaje (puesta a

tierra). Y por último en casos de protección extrema, deben añadirse los

sistemas de protección contra sobretensiones y las mallas de tierra y

equipotencialización para evitar tensiones de toque y paso peligrosas.



Página 85

3.15 PROTECCIÓN CONVENCIONAL

Este esquema fue propuesto a nivel conceptual por Franklin hace más de 250

años. Se basa en la ubicación de elementos conductores (puntas), por encima

de todos los objetos existentes en la parte superior de la estructura a proteger.

Su ubicación se realiza de acuerdo al método electrogeométrico planteado por

Whitehead para determinar la efectividad del apantallamiento.

En éste método se pretende que los objetos a ser protectivos sean menos

atractivos a las descargas atmosféricas que los elementos captadores; esto se

logra determinando el radio de atracción que tiene un objeto frente a la

descarga, que conceptualmente corresponde a la última longitud del líder de la

descarga antes de formar el canal de retorno. Dicha distancia es función de la

energía del rayo y por lo tanto de la corriente que este drenará.

Así se formula la siguiente relación entre esta distancia y la magnitud de la

descarga.

Con I en kA. R = 10 * I0.65 (m)

Esta distancia es fijada por la normativa, según la eficiencia del sistema tal

como se muestra en la siguiente tabla.

Nivel de protección Distancia R de atracción (m)

I 20

II 30

III 45

IV 60



Página 86

Por ejemplo, según la relación entre R e I expuesta anteriormente, la R para el

nivel III, corresponde a una corriente I de 10 kA.

Esto implica que para garantizar un sistema más eficiente, se trabaja con

menores magnitudes de corriente, lo que implica menores radios de atracción. La

forma en como se implementa el método es relativamente sencilla y es

precisamente como su nombre lo indica, una esfera rodante “rolling sphere”.

Esta esfera se hace rodar alrededor de la estructura a proteger y con ella se

definen las zonas de protección y las ubicaciones de los elementos captadores.

El radio de la esfera viene determinado por el valor de la tabla anteriormente

colocada.

Por ejemplo para una Terminal su área de protección sería como se indica en la

siguiente figura.



Página 87

3.16 PROTECCIÓN NO CONVENCIONAL

SISTEMAS DE EMISIÓN TEMPRANA

Existen los sistemas de Emisión temprana con el objeto de acelerar o generar

más rápidamente un líder ascendente en las inmediaciones de la punta justo

antes de la iniciación del rayo. De esta forma, este líder ascendente forzado

alcanzaría mayores distancias al momento de producirse el punto de contacto,

aumentando la efectividad del sistema de protección. Al igual que las otras

“mejoras”, este sistema no ha sido validado en campo, a pesar de que los

fabricantes argumentan haber obtenido resultados positivos en laboratorio. Uno

de los aspectos científicos más relevantes contra la utilización de estos

dispositivos es que la micro descarga inicial no siempre garantiza la

propagación del líder ascendente, porque aún cuando se inicie la

micro descarga, el nivel de gradiente de potencial alrededor de la punta

pararrayos necesario para la propagación del líder ascendente es

prácticamente suministrado por la carga contenida en el líder ionizado

descendente. Solo las normativas Francesas y Española, permiten

expresamente la utilización de este tipo de dispositivos.

A nivel mundial existe un gran movimiento tendiente a la eliminación en cuanto a

uso de estos dispositivos, pues se duda de su real eficacia y hay bastantes

registros ligados a fallas en sistemas protegidos con esta tecnología.

El aumento de la zona de protección suministrado por algunos fabricantes, es como

se muestra en la siguiente tabla. Su localización podría llevarse a cabo al igual que

en el caso anterior, utilizando la esfera rodante.



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Nivel de

Protección

D (m)

Sistema

Convencional

Sistema de

Protección

ESE I

Sistema de

Protección

ESE II

I 20 40 75

II 45 55 93

III 60 65 102



Página 89

3.17 SISTEMAS DE ELIMINACIÓN

Algunos fabricantes, junto con algunos científicos, han ido mucho más lejos,

proponiendo inclusive dispositivos que “evitan” o “neutralizan” la acumulación

de carga en las celdas correspondientes de la nube (tecnología CTS) a través

de corrientes iónicas que se propagan de la punta aérea a la nube de tormenta,

evitando con ello la formación del líder descendente en el volumen de interés,

que es el paso previo a la iniciación del rayo. Este razonamiento está fuera de

todo contexto científico, ya que los resultados obtenidos en las investigaciones

de los últimos veinte años en la formación del rayo indican que: El plano de

tierra u objetos aterrizados elevados no tienen influencia alguna en la formación

(desde la nube) del líder descendente, siendo esta influencia significativa hasta

la etapa del último paso de la descarga.

BAJANTES (CONEXIÓN ENTRE CAPTADORES Y EL SPAT):

El tema de los bajantes es igual de importante que el de los captadores, pues su

selección adecuada tanto en ruta, como en cantidad, calibre y tipo de material,

va a garantizar que el efectivo trabajo de las terminales aéreas, llegue de forma

segura hasta los sistemas de drenaje en tierra. La siguiente característica es

fundamental en esta etapa:

CANTIDAD DE BAJANTES: Como lo indica la siguiente tabla, la cantidad

mínima de bajantes viene definida según el nivel de protección, por la

siguiente tabla. La relación es la distancia mínima que debe existir entre

bajantes en el perímetro de la superficie a proteger.



Página 90

Nivel de Protección Distancia Promedio

I 10

II 15

III 20

IV 25

SUB-TEMA 4.0 SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS

ATMOSFERICAS

4.1 EL MÉTODO DE VOLUMEN DE COLECCIÓN CVM

La colocación de las terminales aéreas en estructuras frecuentemente se lleva a

cabo con el Método de la Esfera Rodante (RSM), que se basa en el Modelo

Electro Geométrico (EGM) para la distancia de ruptura. El simple EGM no

representa los principios físicos del proceso de generación del líder ascendente y

la importancia de la altura de la estructura o la geometría de los objetos sobre

dicha estructura. El RSM usa una distancia de ruptura fija, por lo general de 45 m.,

sin tomar en cuenta la altura o ancho de la estructura. Esto significa que a una

estructura con una altura de 5 m. se le asigna la misma área de captura y

probabilidad de ser impactada que a una torre de comunicación de 100 m.

Un modelo electro geométrico mejorado fue inicialmente desarrollado por el Dr. A.

J. Eriksson (1979, 1980, 1987). A fines de los ochenta, el modelo básico de

Eriksson fue ampliado por los científicos e ingenieros de ERICO para su aplicación



Página 91

a estructuras prácticas. Esto fue hecho mediante modelado de campos eléctricos

en ordenador alrededor de un amplio rango de estructuras de 3D y mediante la

aplicación del concepto de “elementos de competencia” para determinar si una

estructura se encuentra protegida o no. Este método se ha conocido a nivel

mundial durante muchos años como el Método de Volumen de Colección (CVM).

El CVM considera los criterios físicos de ruptura del aire junto con el conocimiento

de la intensificación del campo eléctrico creado por los diferentes puntos en una

estructura. Entonces, el CVM usa esta información para proporcionar el sistema

óptimo de protección contra caída de rayos para una estructura, es decir, la

ubicación más eficaz de las terminales aéreas para un nivel de protección

seleccionado.

El Método de Volumen de Colección define el “volumen

de captura de rayos de puntos de caída potenciales de

una estructura”.



Página 92

Usando el enfoque moderno de evaluación del riesgo, el resultado del CVM

depende de los niveles de protección seleccionados por el usuario. Los niveles de

protección típicos se encuentran en el rango de 84-99%. Estos valores se toman

de una distribución estándar de la corriente de pico de los rayos.

La cantidad de impactos capturados por el sistema de protección en estructuras

involucradas en este estudio se obtuvieron de los "contadores de eventos de

descargas atmosféricas” (LEC) ubicados sobre el conductor de bajada del sistema

de protección contra descargas atmosféricas. En general, estimaciones del

“rendimiento” demuestran que la tasa de intercepción predicha por el CVM se

encuentra en una excelente conformidad con la frecuencia observada de captura.

Esto significa que la tasa de intercepción de la descarga atmosférica es por lo

menos tan alta como los niveles de protección declarados, que oscilan entre 85 –

98%.

Las descargas atmosféricas pueden ser devastadoras. Además del peligro para

las personas, es una causa importante de costosas fallas en los equipos

electrónicos y la interrupción onerosa de la actividad comercial.

Por lo general, el punto más alto de una instalación es el lugar más vulnerable a

ser objeto del impacto de una descarga atmosférica. Los pararrayos o terminales

aéreas son necesarios para capturar la descarga atmosférica en un lugar

específico y dirigir la energía en forma segura a tierra para minimizar el riesgo.



Página 93

ERICO ha desarrollado el ERITECH SYSTEM 3000 un avanzado sistema de

protección contra descargas atmosféricas. Este sistema innovador se ha utilizado

en más de 15,000 instalaciones en todo el mundo. Instalaciones de PEMEX en

México son un ejemplo de la aptitud del sistema para una amplia variedad de tipos

de estructuras.

A medida que el relámpago se acerca a la torre, se puede ver la DYNASPHERE

lanzar un líder continuo ascendente para interceptar el relámpago que cae (el líder

descendente).

4.2 PROCEDIMIENTO DE CÓMPUTO DEL CVM

Se proporciona una descripción detallada de los cálculos que son la base del

Método de Volumen de Colección (CVM) para posicionar las terminales aéreas en

las estructuras y alrededor de los sitios e instalaciones para protección contra las



Página 94

descargas de relámpago de nube-a-tierra. La mayor parte de la base teórica y

científica del CVM se enfoca principalmente en aspectos computacionales.

Se deben entender desde el principio que la naturaleza científica más avanzada

del CVM significa que no puede llevarse a cabo con cálculos triviales que

involucran formulas analíticas simples. El volumen de la colección de cada punto

de interés se determina mediante los cálculos numéricos e iterativos, es decir, los

cálculos se realizan en diferentes posiciones verticales y laterales del líder

descendente.

Por lo tanto, el objetivo general es proporcionar un procedimiento para los

cálculos numéricos del volumen de la colección y el radio de atracción de un punto

especificado.

En la próxima sección, el procedimiento del cómputo para el CVM se describe de

una manera gradual

Usando la información crucial resumida del CVM, el procedimiento de cálculo

global es como sigue:

I. Especifique todos los objetos de elevada altura, la anchura y forma, y todas

las características estructurales.

II. Identifique las características competentes “más probables” (características

externas con puntas agudas).

III. Seleccione el número, la localización y la altura de las terminales aéreas

(usando un cálculo aproximado del área atractiva de cada uno).

IV. Especifique los parámetros físicos básicos:



Página 95

La carga del líder descendente / la corriente de la cresta probable / el

nivel de protección, según Tabla 1 o similar;

Altura de la base de nube;

La elevación o la altitud del sitio sobre nivel del mar y aplica el factor

de corrección apropiado al campo de la depresión del aire si fuera

aplicable;

La proporción de velocidad de líder; y

Los factores de intensificación de campo para todas las terminales

aéreas y características competentes.

V. Para todas las terminales aéreas y características competentes nominadas,

calcular el:

El volumen de colección (distancia de la superficie atractiva, usando

el concepto del radio crítico, y la velocidad/el límite de propagación-

basado del líder);

Radio atractivo del punto de intersección de la distancia a la

superficie atractiva (para la carga dada del líder /LPL) y del límite de

la velocidad.

VI. Si la estructura tiene una altura mayor o igual 60 m, aplique al volumen de

colección la reducción apropia de la capacidad normal del ángulo (Tabla 2).

VII. Aplique los radios atractivos o áreas a sus respectivas terminales aéreas y las

características de competencia.



Página 96

VIII. Verifique para ver si las áreas de captura de las terminales aéreas se

traslapan completamente las áreas atractivas de todas las características de

competencia (una vista del plan es útil aquí).

XI. Si no hay traslape completo, use más terminales aéreas, o relocalice alguno

existente, y repite los pasos anteriores hasta que el traslapo completo se

logre.

Para garantizar una óptima protección, la colocación y aplicación del SYSTEM

3000 es crítica. El programa de diseño por computadora permite una aplicación

más fácil y confiable del SYSTEMA 3000 tomando en consideración los

parámetros individuales del sitio y las variables requeridas para llevar a cabo un

diseño óptimo usando el CVM.

Diseño por computadora del CVM

4.3 COMPONENTES DEL CVM PARA LA PROTECCIÓN CONTRA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

La DYNASPHERE es un sistema de protección contra las descargas atmosféricas,

de tecnología avanzada. Las características exclusivas de este sistema permiten



Página 97

que la captura y control de la descarga atmosférica sean confiables. La terminal

aérea DYNASPHERE constituye un punto preferido para las descargas

atmosféricas que, de lo contrario, caerían y dañarían una estructura desprotegida

y/o sus contenidos. La DYNASPHERE se encuentra óptimamente conectado a un

conductor de bajada y a un sistema de puesta a tierra de baja impedancia de

modo tal que forma un sistema totalmente integrado. El SYSTEM 3000 incluye los

siguientes elementos:

Terminal aérea DYNASPHERE

Conductor de bajada

Contador de eventos de descargas atmosféricas

Sistema de puesta a tierra de baja impedancia especialmente diseñado



Página 98



Página 99

4.3.1. TERMINAL AÉREA DYNASPHERE

La función principal de una terminal aérea, o sistema aéreo de captación, es

capturar la descarga atmosférica hacia un punto preferido, de modo tal que la

corriente de descarga pueda dirigirse a través del/los conductor/es de bajada

hacia el sistema de puesta a tierra.

TERMINAL AÉREA OPTIMIZADA

La DYNASPHERE es una terminal aérea optimizada patentada.

Sus características incluyen:

Tecnología no radioactiva

No necesita fuente de alimentación externa

No hay piezas móviles

Selección de los radios de la punta y de la impedancia variable con el fin de

obtener rendimiento óptimo a diferentes alturas de instalación.

Respuesta dinámica al acercarse un líder descendente

PRINCIPIOS DE DYNASPHERE



Página 100

Durante más de 200 años, se han hecho pocas mejoras en los sistemas de

protección contra descargas atmosféricas. Sin embargo, los métodos modernos de

investigación y registro han llevado a un mejor entendimiento del proceso de la

descarga atmosférica, y se han obtenido diversos avances en la simulación de las

condiciones de campo eléctrico por descarga atmosférica.

Fase estática de la tormenta

Durante la fase dinámica de la tormenta, en el acercamiento del líder

descendente, la semiesfera o domo del ERITECH DYNASPHERE aumentará su

voltaje a través de un acoplamiento capacitivo. Cuando el voltaje es lo



Página 101

suficientemente alto, se crea un arco a través del entrehierro entre la esfera y la

punta aterrizada.

Fase dinámica de la tormenta

El arco tiene dos efectos:

I. genera un gran número de electrones libres necesarios para iniciar una

trayectoria ionizada ascendente



Página 102

II. genera un incremento “fijo” en el campo eléctrico sobre la terminal aérea, lo

cual otorga la energía adicional para iniciar y convertir un líder ascendente

de fuerte propagación

Estos dos efectos generan la propagación estable del líder para ayudar a

garantizar la captura confiable del rayo. El tamaño del entrehierro se optimiza para

que el arco de disparo sólo tenga lugar cuando el campo eléctrico ambiental sea lo

suficientemente alto para garantizar que se pueda desarrollar un líder ascendente

estable para interceptar de forma exitosa el líder descendente.

Fase de disparo controlado del canal de recepción ascendente



Página 103

La DYNASPHERE se ha diseñado para cumplir con los criterios necesarios para la

emisión controlada de un canal de recepción ascendente. El concepto de

"controlado” es importante porque no es eficaz lanzar un canal de recepción

ascendente anticipado – el campo ambiental no será lo suficientemente alto para

convertir al canal de recepción ascendente en un líder y el canal de recepción

ascendente no se propagará. Esto dejará una carga espacial detrás que puede

inhibir futuros intentos de iniciación.

Dos conceptos fundamentales han emergido de estos avances en el proceso de

captura de rayos y el rendimiento de las terminales aéreas:

Las terminales aéreas que generan cantidades copiosas de corona (carga

espacial) son menos eficaces como receptores de la descarga atmosférica.

Una terminal aérea óptima es aquella que lanza un canal de recepción

ascendente o trayectoria ionizada ascendente cuando el campo eléctrico

ambiental se encuentra en un nivel adecuado para soportar la propagación

continua del líder.

La DYNASPHERE ha sido desarrollada con estos dos conceptos en mente. La

DYNASPHERE es una punta Franklin optimizada con un domo semiesférico que

se acopla capacitivamente al campo eléctrico de un líder descendente que se

acerca.

Este domo conductivo esférico rodea a una punta central aterrizada. El domo está

aislado de la punta pero se conecta a tierra a través de una impedancia dinámica

variable con conducción de CC.



Página 104

La DYNASPHERE se encuentra aislada de la estructura usando un mástil de

soporte aislado. El mástil también ayuda a permitir la conexión segura del

conductor de bajada a la terminal aérea.

4.3.2. EL CONDUCTOR DE BAJADA A TIERRA

La función de un conductor de bajada es proporcionar una vía de baja impedancia

desde el sistema aéreo de captación al sistema de puesta a tierra de forma tal que

la corriente del rayo pueda dirigirse hacia la tierra sin el desarrollo de voltajes

excesivamente altos. A fin de disminuir la posibilidad de chispas peligrosas

(arqueos laterales), la/s ruta/s del conductor de bajada deber ser tan directa como

sea posible sin curvas pronunciadas o puntos de esfuerzo en los cuales se

incrementa la inductancia y, por lo tanto, la impedancia, bajo condiciones de

impulso.



Página 105

Como una parte integral de la DYNASPHERE, el conductor de bajada aislado y

blindado transporta la corriente del rayo a tierra con un mínimo riesgo de arqueo.

Una cubierta exterior semiconductiva permite la unión electroestática del edificio a

través de elementos de fijación del cable.

Este cable está compuesto por materiales dieléctricos seleccionados

cuidadosamente, lo cual crea un balance capacitivo y ayuda a garantizar la

integridad del aislamiento bajo condiciones de impulso alto.

Para comprender el valor técnico del cable, es primero necesario revisar los

problemas relacionados con los conductores de bajada normales. Un valor de

inductancia de 1,6 μH/m es normalmente considerado como bastante pequeño.

Sin embargo, cuando se imprime una corriente la cual se incrementa en un valor

de 1010 Amperes por segundo, el efecto de esta inductancia se convierte en

primordial. Como ejemplo, un solo conductor de bajada de 60 metros alcanzará un

valor por encima de 1.000.000 de Volts con la aplicación de una descarga

promedio. Esta es la razón por la cual el conductor de bajada posee una ventaja

significativa sobre los conductores de bajada convencionales.

El conductor de bajada es un cable de baja inductancia, baja impedancia

diseñado para minimizar la elevación de tensión debido a impulsos provenientes

de rayos. Este cable tiene un comportamiento significativamente mejor que

cualquier otro cable HV normal y está diseñado especialmente para el control de

los impulsos de la descarga.

El peligro principal en el control de los impulsos por rayo es el incremento de

tensión muy rápido y los tiempos de incremento de corriente posteriores a la

captura del rayo.



Página 106

Para comprender aún más el valor técnico del cable, es necesario revisar el

mecanismo de la descarga y la elevación de tensión resultante. La tensión entre el

conductor interno y la cubierta externa se determina mediante tres parámetros

diferentes. Éstos son dominantes en diferentes etapas durante la operación del

cable al transportar la energía del rayo hacia tierra (como se muestra en la Tabla

de forma de onda típica del rayo).

PRINCIPALES BENEFICIOS

El impulso del rayo se contiene dentro del cable y la cubierta exterior

semiconductiva se interconecta a la estructura a través de abrazaderas

metálicas, lo cual significa que el riesgo de arqueos es insignificante

La baja impedancia característica del cable minimiza una falla dieléctrica

interna

El cable puede colocarse lejos de equipos sensibles, cableado eléctrico,

acero estructural y áreas de trabajo de seres humanos

Uso de un solo conductor de bajada en lugar de varios conductores de

bajada

Facilidad de instalación

Mantenimiento mínimo

4.3.3 CONTADOR DE EVENTOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El contador de eventos de descargas atmosféricas (LEC IV) es un dispositivo para

el registro a número de descargas atmosféricas que el Sistema ha interceptado.

El diseño de este contador permite muchas alternativas en la instalación del

conductor de bajada a tierra como se explica más adelante en el texto.



Página 107

Debe considerarse lo siguiente antes de la instalación del contador de eventos de

descargas atmosféricas evento contra el rayo:

Es aconsejable para localizar la LEC IV en una zona segura que no es propensa a

Contacto con objetos en movimiento, el robo, o Vandalismo.

Si la LEC IV es encapsulada en un recinto adicional, asegúrese de que sea

montada para facilitar el acceso a la pantalla.

Terminación de barra distribución y varilla de tierra

ABRAZADERA

PARA MANGUERA

2.5MM (12AWG)

LINEA DE COBRE

HACIA EL SISTEMA A TIERRA

VARILLA A

TIERRA

ERICORE

LEC IV

ERICORE

ABRAZADERA

DE VARILLA

BARRA DE

DISTRIBUCION

DE COBRE

TERMINAL DE

COMPRESION

TAPA DE

COBRE

TERMINACION MAS BAJA

QUE SE LIMITARA ALA

IMPERMEABILIZACION DEL

MASTIL



Página 108

Terminacion para el conductor pararrayos

4.3.4. SISTEMA DE TIERRAS

El sistema de puesta a tierra debe contar con baja impedancia para dispersar la

energía de la descarga atmosférica. Puesto que la descarga atmosférica consiste

en componentes de alta frecuencia, nos preocupa específicamente el parámetro

eléctrico dependiente de la frecuencia del sistema de puesta a tierra – impedancia

así como también la puesta a tierra de baja resistencia.

LEC IV

TERMINACION INFERIOR

DEL CONDUCTOR

PARARAYOS UNIDA EN

UN MASTIL

IMPERMEABILIZADO

HOYO EN SUELO

ERITECH VARILLA A TIERRA



Página 109

Los sistemas de puesta a tierra son altamente variables entre sitios debido a las

consideraciones geográficas. La malla de puesta a tierra debe minimizar el

incremento del potencial del voltaje a tierra y reducir el riesgo de lesiones al

personal o daños a los equipos.

Estos componentes forman una parte integral del Plan de Protección de Seis

Puntos de ERICO. Cada componente debe considerarse independiente y

definitivamente integrado para formar el sistema completo de protección contra

descargas atmosféricas. Sin esta integración se conforma una protección limitada.

Si bien es posible implementar un sistema híbrido usando otros componentes, es

importante considerar que las ineficacias en cualquier reemplazo representan una

ineficacia en el sistema de protección como un todo.

FUNCIONES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE TIERRA:

1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de

sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga

eléctrica bajo condiciones de falla.

2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se

excedan los límites de operación de los equipos.

3. Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo

requieran (Transformadores, Reactores, etc.).

4. Proveer un medio de descarga y desenergización de equipos antes de

proceder a tareas de mantenimiento.

5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de

protección, de eliminación de fallas a tierra en el sistema.



Página 110

COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE TIERRA.

El sistema de tierra de una subestación se integra con los siguientes elementos:

Conductores

Varillas o electrodos de tierra

Conectores o juntas

CONDUCTORES

Sirven para formar el sistema de tierra y para la conexión a tierra de los equipos.

Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cables

concéntricos formados por varios hilos y los materiales empleados en su

fabricación son: el cobre, cobre estañado, copperweld (acero recubierto con

cobre), acero, acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio.

El factor principal en la selección del material es la característica de resistencia a

la corrosión que presenta al estar enterrado.

El cobre es la selección más común para los conductores, ya que es económico y

tiene buena conductividad, además de ser resistente a la corrosión y a la fusión.

VARILLAS O ELECTRODOS DE TIERRA.

Estos elementos se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas más

húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica en el subsuelo. Los

materiales empleados en la fabricación de varillas o electrodos de tierra son

generalmente el acero, acero galvanizado, acero inoxidable y copperweld.

Como en los conductores, la selección del material dependerá del de las

características de resistencia a la corrosión que presenten al estar enterrados. El

copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra ya que combinan



Página 111

las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica de acero, tiene buena

conductividad, resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica para ser

clavada en el terreno.

CONECTORES O JUNTAS.

Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra,

para conectar las varillas a los conductores y para la conexión de los equipos, a

través de los conductores al sistema de tierra.

Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son generalmente de dos tipos:

A) Conectores a presión.

B) Conectores soldables

Los conectores a presión son todos aquellos que mediante presión mantienen en

contacto a los conductores. En este tipo están comprendidos los conectores

atornillados y los de compresión.

Los conectores a presión deberán diseñarse para una temperatura máxima de 250

a 350 ºC.

Los conectores soldables son aquellos que mediante una reacción química

exotérmica, los conductores y el conector se soldan en una conexión molecular.

Este tipo de conector, por su naturaleza, soporta la misma temperatura de fusión

del conductor.

Los conectores deberán seleccionarse con el mismo criterio con que se

seleccionan los conductores, además tendrán las siguientes propiedades:



Página 112

A) Tener dimensiones adecuadas, para absorber el calentamiento que se

produce al circular por él corrientes elevadas. (Resistente a la fusión).

B) Tener suficientemente asegurados a los conductores para soportar los

esfuerzos electrodinámicos originados por las fallas, además de no permitir

que el conductor se mueva dentro de él.

CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE TIERRA.

Cada elemento del sistema de tierra deberá tener las siguientes características:

A) Resistencia a la corrosión. Para retardar su deterioro en el ambiente donde

se localice.

B) Conductividad eléctrica. De tal manera que no contribuya sustancialmente

con diferencias de potencial en el sistema de tierra.

C) Capacidad de conducción de corriente. Suficiente para soportar los

esfuerzos térmicos durante las condiciones más adversas impuestas por la

magnitud y duración de las corrientes de falla.

D) Resistencia mecánica. De tal manera que soporte esfuerzos

electromecánicos y daño físico.

Simbología

CONDUCTOR DE TIERRA.

VARILLA DE TIERRA

CONECTOR



Página 113

DISPOSICIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA.

Se han considerado básicamente tres sistemas:

SISTEMA RADIAL.

Este sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra a los cuales se

conectan la derivación de cada uno de los equipos. El sistema radial es el menos

seguro, se producen elevados gradientes de potencial.

Sistema radial

SISTEMA EN ANILLO.

El sistema en anillo se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de

suficiente calibre alrededor de la superficie ocupada por los equipos de la

subestación. Al anillo se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos

usando un conductor de calibre más delgado. En los vértices del anillo se instalan

varillas o electrodos de tierra. Este sistema es más eficiente que el sistema radial,



Página 114

ya que los potenciales disminuyen al disiparse la corriente de falla por varias

trayectorias en paralelo.

SISTEMA EN ANILLO

SISTEMA DE MALLA.

El sistema de malla es el más usado actualmente en las subestaciones eléctricas.

Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares

formando una malla o retícula, a la cual se conecta las derivaciones de cada uno

de los equipos.



Página 115

En el perímetro de la malla generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra.

Este sistema es el más eficiente ya que se limitan los potenciales originados por la

circulación de la corriente de falla.

SISTEMA DE MALLA

INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE TIERRA

Antes de la instalación a tierra de los sistemas protección contra rayos, es

importante hacer referencia en el plano todos los sitios de los servicios.

Se debe tener cuidado de seguir el diseño en el terreno. Asegurar que los



Página 116

materiales correctos han sido suministrados para lograr un aceptable resistencia

de tierra DC (generalmente <10 ohm s).

Ejemplos típicos de sistemas de tierra que pueden utilizarse (Nota: estos pueden

o no ser pertinentes a la especificidad del sistema) se muestran en las figuras 1 y

2 siguientes.

Sillas de montar

ERICORE

Hoyo de suelo

La terminación inferior

(Determinada en mastil

Impermeabilizado)

Cinta de cobre en tierra Longitud típica, mínima de 5 metros (17 pies). (Longitudes dependen de la lectura de resistividad del suelo) a 600 mm (24 pulgadas) de profundidad.

Evento relámpago

Contador - LEC IV

Cada zanja se trata

con ERITECH o GEM

Aumento de los

compuestos

Evento relámpago

Contador - LEC IV

Varillas de tierra fija o

Cadwelded a tierra de

cinta de cobre.

Evento relámpago

Contador - LEC IV

Contador de eventos de

relámpago -LEC IV



Página 117

Figuras 1 y 2. Radial de tierra

Sillas de montar

ERICORE

La terminación inferior

(Determinada en mastil

Impermeabilizado)

Contador de

eventos de

relámpago -LEC IV

Evento

relámpago

Contador -

LEC IV

Hoyo en suelo

ERITECH en terreno varillas sujetas a cinta de cobre en

tierra Cinta de la red de tierra de cobre 5000 x 5000mm (17 x 17ft.) más si es necesario para garantizar que está por debajo de la línea

de las heladas.



Página 118

SUB-TEMA 5.0 ESTUDIO TECNICO ECONOMICO

5.1 INTRODUCCION.

Actualmente, el país cuenta con la experiencia necesaria para diseñar e implantar

en los contratos de obras mecanismos de ajuste de costos ágiles y de fácil

aplicación pero lo que es increíble es que esta experiencia no se aplica en

ocasiones a su tiempo, ni adecuadamente a las empresas constructoras. Es por

eso que si alguna persona física o una empresa tiene por objeto realizar una obra

tiene las siguientes alternativas:

POR CONCURSO.- Se invita a dos o más empresas constructoras a concursar

sobre “X” proyecto y el criterio de adjudicación es, para el que presente el precio

mas bajo, tomando en cuenta la seriedad de la empresa.

POR ASIGNACIÓN.- En este tipo de contratación, el cliente decide quien

construirá la obra en base al catalogo de precios que el mismo impone.

En relación con la forma de pagos de contratos, utiliza cualquiera de las 3 clases

de contrato siguientes:

A).- POR PRECIOS UNITARIOS.- En el contrato aparecerán los conceptos a

realizar, la unidad, los volúmenes de obra y precios unitarios de cada concepto

B).- POR PRECIO ALZADO O FIJO.- En este se fija el importe total de la obra, el

contratista tiene que realizar la obra con el mismo importe independientemente sin

en el periodo de ejecución los materiales, mano de obra o equipo sufren

incrementos en sus costos.



Página 119

C).- POR ADMINISTRACIÓN.- Se caracteriza principalmente porque la utilidad del

contratista se obtendrá aplicando un porcentaje sobre la cantidad total erogada.

El tipo de contratación mas usual en la construcción mexicana es por precios

unitarios y por el tipo de pagos es por administración, el precio alzado de hecho se

descarta debido al índice inflacionario.

Una de las etapas de gran importancia dentro de la planeación de la obra eléctrica

es la elaboración de los precios unitarios para tener un presupuesto global de la

obra.

Este capítulo tiene como objetivo evaluar todos los factores y elementos que

intervienen en la ejecución de los trabajos correspondientes, así como también al

personal, equipo, materiales, gastos de administración, de campo, de oficina, así

como también los impuestos y contribuciones.

5.2 CARGOS QUE INTEGRAN EL PRECIO UNITARIO

Los cargos que integran el precio unitario son:

CARGOS DIRECTOS

CARGOS INDIRECTOS

UTILIDAD

CARGOS ADICIONALES

En la siguiente grafica se representan estos cargos y el porcentaje aproximado

con el que participan para la integración del precio unitario:



Página 120

5.2.1 CARGOS DIRECTOS

Son los cargos aplicables al concepto de trabajo que se derivan de las

erogaciones por materiales, mano de obra, maquinaria, herramienta, instalaciones

y por patentes en su caso, efectuadas exclusivamente para realizar dicho

concepto de trabajo.

CARGO DIRECTO POR MATERIALES.- Es el correspondiente a las erogaciones

que hace “El Contratista” para adquirir o producir todos los materiales necesarios

para la correcta ejecución del concepto de trabajo que cumpla con las normas de

construcción y especificaciones de “La Dependencia” o “Entidad”, con excepción

de los considerados en los cargos por maquinaria. Los materiales que se usan

podrán ser permanentes o temporales. Los primeros son los que se incorporan y

CARGOS

DIRECTOS

50%- 70%

CARGOS

ADICIONA-

LES 3%-5%

UTILIDAD

10%-15%

CARGOS

INDIRECTOS

17%-35%



Página 121

forman parte de la obra., los segundos son los que se consumen en uno o varios

usos y no pasan a formar parte integrante de la obra.

El cargo unitario por concepto de materiales “M” se obtendrá de la ecuación:

M = Pm x C

Donde:

Pm = representa el precio del mercado mas económico por unidad de material que

se trate, puesto en el sitio de su utilización.

C = representa el consumo de materiales por unidad de concepto de trabajo.

CARGOS POR MANO DE OBRA.- Es el que se deriva de las erogaciones que

hace “El Contratista,” por el pago de salarios al personal que interviene exclusiva y

directamente en la ejecución del concepto de trabajo que se trate, incluyendo al

cabo o primer mando.

El cargo de mano de obra “Mo” se obtendrá de la ejecución:

Mo = S / R

En la cual:

S = representa los salarios del personal que interviene en la ejecución del

concepto de trabajo por unidad de tiempo. Incluirá todos los cargos y prestaciones

derivados de la Ley Federal de Trabajo, de los Contratos de Trabajo en vigor y en

su caso de la Ley del Seguro Social.



Página 122

R= representa al rendimiento, es decir, el trabajo que desarrolla el personal por

unidad de tiempo medido en la misma unidad utilizada al valuar S.

Los factores que afectan al salario base por jornada para obtener el salario real

que es lo que la empresa erogara por jornada trabajada. La afectación de estos

factores agrupados se le conoce como factor de salario real, y es la relación entre

los días pagados, incluyendo prestaciones y los días trabajados.

CARGO POR HERRAMIENTA DE MANO.- Este cargo corresponde al consumo

por desgaste de herramientas de mano utilizadas en la ejecución del concepto de

trabajo.

Este cargo se calculara mediante la fórmula:

HM = KH x Mo

KH = representa un coeficiente cuya magnitud se fijara en función del tipo de

trabajo de acuerdo a la experiencia.

Mo = representa el cargo unitario por concepto de mano de obra.

NOTA: Aunque la Ley no lo menciona, el coeficiente KH varía de 2% a 5%.

CARGO DIRECTO POR MAQUINARIA.- Es el que se deriva del uso correcto de

las maquinas consideradas como nuevas y que sean las adecuadas y necesarias

para la ejecución del concepto de trabajo, de acuerdo a lo estipulado en las

normas y especificaciones de construcción de “La Dependencia” o “Entidad” y

conforme al programa de trabajo establecido.



Página 123

El cargo directo unitario por maquinaria CM se expresa como el coeficiente de

costo horario directo de las maquinas, entre el rendimiento horario de dichas

maquinas. Se obtendrá mediante la ecuación:

CM = HDM / RM

Donde:

HMD = representa el costo directo de la maquinaria

RM = representa el rendimiento horario de la maquina expresado en la unidad que

se trate.

El cargo directo por maquinaria se compone de:

Cargos fijos

Cargos por consumos

Cargos por salarios para la operación.

5.2.2 CARGOS INDIRECTOS.

Corresponden a los gastos generales necesarios para la ejecución de los trabajos

no incluidos en los cargos directos que realiza el contratista, tanto en sus oficinas

centrales como en la obra, y que comprenden entre otros, los gastos de

administración, organización, dirección técnica, vigilancia, supervisión,

financiamiento, imprevistos, transporte de maquinaria y, en su caso prestaciones

sociales correspondientes al personal directivo y administrativo. Los cargos

indirectos se expresan como un porcentaje del costo directo de cada concepto de

trabajo. Dicho porcentaje se calculara sumando los importes de los gastos

generales que resulten aplicables y dividiendo esta suma entre el costo directo

total de la obra de que se trate. Según la Ley de Obras Publicas, los gastos



Página 124

generales mas frecuentes que podrán tomarse en consideración para integrar el

cargo indirecto y que pueden aplicarse indistintamente a la Administración Central

o a la Administración de Obra o a ambas.

5.2.3 UTILIDAD.

Calculado el porcentaje de indirectos se procede a determinar la utilidad. Para

efectos de este cargo la Ley de Obras Publicas establece:

CARGO POR UTILIDAD.- La utilidad quedará representada por un porcentaje

sobre la suma de los cargos directos mas indirectos del concepto de trabajo.

Dentro de este cargo queda incluido el impuesto sobre la renta que por Ley debe

pagar “El Contratista”.

5.3. ANALISIS DEL COSTO TOTAL DE LA OBRA

a) Costos directos.

Los costos directos son los cargos aplicables al concepto de trabajo que se

derivan de las erogaciones por: mano de obra, materiales, maquinaria,

herramientas, instalación y por patentes en su caso, efectuadas exclusivamente

para realizar dichos conceptos de trabajo.

Dentro de los costos directos podemos citar:

5.3.1 MATERIALES Y EQUIPO



Página 125

TERMINAL DE DISTRIBUCION DE GAS LICUADO (TDGL)

SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

No. DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.U. IMPORTE

1 CALHILDRA KGS 151.56 $ 6.50 $ 985.14

2 MADERA DE SEGUNDA M2 7.57 $ 26.00 $ 196.82

3 CONECTOR VARILLA 2 CABLES CAT GAR6426 PZA 3 $ 178.78 $ 536.33

4 VARILA DE TIERRA PZA 9 $ 84.50 $ 760.50

5 TUBO DE CONCRETO DE 8" PZA 9 $ 162.50 $ 1,462.50

6 TAPA DE CONCRETO SIMPLE PZA 9 $ 110.50 $ 994.50

7 CONECTOR VARILLA A 3 CABLES CAT GAR6429 PZA 6 $ 196.72 $ 1,180.30

8 MOLDE CADWELD CAT TAC-261V PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

9 CARTUCHO CADWELD 45 PZA 30 $ 27.46 $ 823.68

10 MOLDE CADWELD CAT 1V-1V PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

11 MOLDE CADWELD CAT GTC-312G PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

12 CARTUHO CADWELD 115 PZA 20 $ 56.63 $ 1,132.56

13 MOLDE CADWELD CAT GTC-312L PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

14 MOLDE CADWELD CAT TAG-2C2C PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

15 CARTUCHO CADWELD 90 PZA 4 $ 46.80 $ 187.20

16 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 2/0 ML 260 $ 46.80 $ 12,168.00

17 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 2 M 80 $ 46.80 $ 3,744.00

18 CABLE DE COBRE DESN.SEMIDURO CAL 3/0 M 30 $ 46.80 $ 1,404.00

19 MOLDE CADWELD CAT XAC-2G2G PZA 1 $ 951.60 $ 951.60

20 DYNASPHERE PLATEADA PARTE DSSILV MK3 PZA 1 $ 21,450.00 $ 21,450.00

21 MASTIL DE FRP 2 MTS. No. PARTE FRP 2M BLK PZA 4 $ 3,946.80 $ 15,787.20

22 KIT DE MONTAJE ERISTRT A12H1000S4 PZA 2 $ 503.10 $ 1,006.20



Página 126

TERMINAL DE DISTRIBUCION DE GAS LICUADO (TDGL)

SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

No. DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.U. IMPORTE

23 CONDUCTOR ERICORE DE BAJA E1020T M 20 $ 1,009.45 $ 20,189.00

24 CONTADOR DE EVENTOS PARTE LEC 1V PZA 1 $ 5,292.30 $ 5,292.30

25 ABRAZADERAS CADDY CD2B PZA 20 $ 14.35 $ 287.04

26 ABRAZADERAS CADDY CD5B PZA 2 $ 26.91 $ 53.82

27 VARILLAS DE TIERRA ERITECH PARTE 615900 PZA 4 $ 146.38 $ 585.52

28 CINTA DE COBRE 2" ANCHO, PARTE No.A811 A26F20 PZA 3 $ 796.38 $ 2,389.14

29 MOLDE PARA CONEXIÓN VARILLA A CINTA PZA 1 $ 2,093.00 $ 2,093.00

30

COLDE PARA CONEXIÓN COND. DE BAJADA A

VARILLA PZA 1 $ 1,293.50 $ 1,293.50

31 CARGA CADWELD 150 PZA 10 $ 101.40 $ 1,014.00

32 MANIJA PARA MOLDE E-Z PARTE L160 PZA 1 $ 611.00 $ 611.00

33 INTENSIFICADOR D TERRENO GEM 25 AMPS PZA 15 $ 415.48 $ 6,232.20

34

KIT CADWEL PARA TERM. INFERIOR No. PARTE

LTCW 9 PZA 1 $ 600.60 $ 600.60

35 CASQUILLO PVARILLA TIERRA B137/18 PZA 1 $ 406.25 $ 406.25

36

JUGO DE TORRE AT-29 GALV.15 MTS ALTURA

LOTE 1 $ 20,657.00 $ 20,657.00

CON ACCESORIOS DE MONTAJE

37 GRAVA 3/4" M3 2.13 $ 234.00 $ 498.42

38 ARENA DE RIO M3 1.53 $ 234.00 $ 358.02

39 CEMENTO TON 1.68 $ 2,080.00 $ 3,494.40

40 AGUA M3 1.8 $ 52.00 $ 93.60

41 PASTO TIPO ALFOMBRA M2 150 $ 7.80 $ 1,170.00

SUB-TOTAL : MATERIALES Y EQUIPO $ 36,847.33



Página 127

5.3.2 MANO DE OBRA.

El cargo por mano de obra es el que se deriva de las erogaciones por pago de

salario al personal que interviene exclusiva y directamente en la ejecución de la

electrificación, incluyendo al cabo o primer mando. Para la obra “Implementación

del método de volumen de colección para la protección contra descargas

atmosféricas en la TDGL Poza Rica”, es como sigue:

1.- Instalación del sistema de protección contra

Descargas atmosféricas. $ 54,738.00

Subtotal Mano de Obra $ 54,738.00

5.3.3 MAQUINARIA, EQUIPO Y HERRAMIENTAS

Para llevar a cabo la realización de la obra se tiene contemplado la utilización de

la siguiente maquinaria, equipo y herramientas que a continuación se mencionan:

Camión 3.5 Ton de capacidad

Cable de Manila y acero para maniobra.

Polea y polipasto manual

Herramienta manual de excavación: pico, pala, cavadoras y barras.

Equipo de seguridad: cinturón, casco, guantes, ropa de algodón, botas, fajas

y gafas.

Herramienta manual mecánica: pinzas (de corte, mecánicas y electricistas),

llaves (españolas, perica y steelson), etc.

Herramienta de corte y compresión.



Página 128

5.3.4 COSTO TOTAL DE LA OBRA

Para llevar a cabo la realización de la obra se analizo cada uno de los conceptos

que integran los costos directos y que se muestra en forma de resumen en la

forma siguiente:

1. Subtotal de materiales y equipos $ 136,847.33

2.- Subtotal Mano de Obra $ 54,738.00

3.- Herramientas menor $ 5,747.49

A-COSTO DIRECTO (1+2+3) $ 197,332.82

B-INDIRECTOS 10% A $ 19,733.28

C-SUMA ( A + B) $ 217,066.10

D-FINANCIAMIENTO 0 % C ------------------

E-SUMA (C + D) $ 217,066.10

F-UTILIDAD 10 % E $ 21,706.61

PRECIO UNITARIO (E + F) $ 238,772.71



Página 129

CAPITULO III

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES



Página 130

CONCLUSIONES Es muy importante conocer los métodos para la colocación de pararrayos, ya que

si bien es cierto que no existe la certeza de dónde ni cuándo se va a producir una

descarga atmosférica (rayoa9, si se puede prevenir las consecuencias producidos

por esto a través de la colocación de dispositivos, tomando en cuenta según el tipo

de uso para determinar la protección más adecuada en contra de los rayos.

Al no existir un Sistemas de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) en

las instalaciones de la Terminal de Distribución de Gas Licuado Poza Rica Ver.

(TDGL Poza Rica), ésta se encuentra vulnerable de presentarse alguna descarga

atmosférica, ya que existen estructuras que contienen elementos sensibles,

además se cuenta con un número importante de personas. De acuerdo al método

aplicado (IEC 61662, 1995), las estructuras requieren de un SPDA, considerando

todos los parámetros y características en cada una de las estructuras evaluadas.

El uso de pararrayos para las instalaciones de la TDGL Poza Rica, ayudará a la

captación de posibles descargas atmosféricas y en conjunto con el resto de partes

del SPDA, protegerá a las estructuras de sobretensiones por impactos directos e

indirectos.

Se recomienda proveer de un SPDA para las instalaciones de la TDGL Poza Rica,

ya que se cuenta con dispositivos electrónicos en todas las estructuras evaluadas.

Como recomendación especial, las estructuras requieren de un sistema de puesta

a tierra adecuado para el SPDA, que facilite la disipación de las descargas

atmosféricas.



Página 131

El apantallamiento propuesto está basado en una adecuada puesta a tierra de los

elementos expuestos a descargas atmosféricas, cumpliendo las normas y

reglamentos eléctricos nacionales y extranjeros (NOM, ICONTEC, NEC, etc.). Se

reitera que el principio fundamental del apantallamiento es la protección de la vida

y las estructuras contra descargas atmosféricas directas.

El valor de la resistencia de puesta a tierra para cada bajante, en forma

independiente, es decir antes de su unión con las demás mediante el cable

enterrado existente, será de 8,21 ohm,

tierra equivalente será aproximadamente de 3,78 ohm, este último valor de

resistencia obtenido se considera adecuado, conforme a las recomendaciones de

la NOM. Cabe anotar que el diseño ya contempla la unión del sistema de puesta a

tierra del apantallamiento con la malla de la subestación eléctrica principal.

RECOMENDACIONES Realizar una inspección del sistema de apantallamiento cada año con el objeto de

determinar sus condiciones de montaje y eléctricas.

Implementar y difundir una guía general de seguridad personal con el objetivo de

lograr comportamientos seguros durante tormentas eléctricas en la instalación.

En caso de instalarse elementos adicionales que sobresalgan de la superficie de

los techos, tales como líneas de vida, aire acondicionado o chimeneas, posteriores

a este diseño, se debe rediseñar el sistema de apantallamiento, ya que dichos

elementos afectan la efectividad del mismo.



Página 132

Implementar un sistema de protecciones contra sobretensiones transitorias para

las redes de suministro eléctrico, de voz y de datos, siguiendo los criterios

establecidos en el NOM.

Ver recomendaciones específicas para el montaje del sistema de apantallamiento

en el informe IEB-603-07-03 “Informe con las especificaciones técnicas para el

suministro e instalación del sistema de apantallamiento”.



Página 133

BIBLIOGRAFÍA NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas

(utilización) (NOM). Carpenter, Roy B. “Lightning Prevention for Transmission and Distribution

Systems”, American Power Conference, Chicago, IL, Vol. 49, 1987. “Lightning Strike Protection, Criteria, Concepts and Configuration”, Report

Nº LEC-01-86, Revised 1993. “New and More Effective Strike Protection for Transmission Distribution

Systems”, 1992. Chalmers, Alton. “Atmospheric Electricity”, Pergamon Press, 1967.

Davis, Charles. “Lightning and Fiber Optics, Transmission and Distribution”,

World Espo 92, Indianapolis, IN, 1992. Eriksson, A.J. “The Incidence of Lightning Strikes to Power Lines”, IEEE

Transactions on Power Delivery, 3 July 1987. Golde, R.H. “Lightning Performance of High Voltage Distribution Systems”,

Proceedings of the IEEE, 113 Nº 4, April 1966. Grzybowski, Stan. “Effectiveness of Dissipators Used for Lightning

Protection on 115 kV Distribution Lines”, (Rev. 1) Final Report, Jan. 1992. Lightning Protection Manual for Rural Electric Systems, NRECA Research

Project 82-5, Washington, DC, 1983. Merrit, S. “Design Charts to Relate Transmission Line Parameters to

Flashover Probability”, Union Camp Paper, Franklin, VA, 1988. Uman, Martin. “The Lightning Discharge”, Academic Press, 1987.

Williams, Earle. “The Electrification of Thunderstorms”, in the Enigma of

Weather, Scientific American, 1994. Bernardi, M., Dellera, L., Garbagnati, E. & Sartorio, G., 1996, “Leader

progression model of lightning: Updating of the model on the basis of recent test results”, Proc. 23rd ICLP, Florence, Italy, pp. 399-407.



Página 134

Carrara, G. & Thione, L., 1976, “Switching surge strength of large air gaps:

A physical approach”, IEEE Trans. Pow. App. Sys., 95, pp. 512-524. D'Alessandro, F. & Gumley, J.R., 2001, “A ‘Collection Volume Method’ for

the placement of air terminals for the protection of structures against lightning”, J. Electrostat., 50, pp. 279-302.

D’Alessandro, F., 2003, “The use of ‘field intensification factors’ in

calculations for lightning protection of structures”, J. Electrostat., 58, pp. 17-43.

Dellera, L. & Garbagnati, E., 1990, “Lightning stroke simulation by means of

the leader progression model. Part I. Description of the model and evaluation of exposure of free-standing structures”, IEEE Trans. Power Delivery, 5, pp. 2009 2022.

Eriksson, A.J., 1979, “The lightning ground flash - an engineering study”,

PhD thesis, University of Natal, Pretoria, South Africa (CSIR Special Report ELEK 189).

Eriksson, A.J., 1980, “Lightning striking distances - an analytical study”,

Proc. 6th Int. Conf. Gas Disch. Appl., Edinburgh, U.K., pp. 143-146. Eriksson, A.J., 1987, “The incidence of lightning strikes to power lines”,

IEEE Trans. Pow. Del., 2, pp. 859-870. Gorin, B.N., Levitov, V.I. & Shkilev, A.V., 1976, “Dinstinguishing features of

lightning strokes to high construction”, Proc. 4th Int, Conf. Gas Disch., Swansea, U.K., pp. 271-273.

International Electrotechnical Committee, 2006, IEC 62305-3 Ed. 1.0:

Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard, CEI, Geneva, Switzerland.

Miyake, K., 1994, “Development of measuring system on lightning discharge

and explication for characteristics of Winter lightning”, CRIEPI Report No. T36, Japan.

Yokoyama, S., Miyake, K. & Suzuki, T., 1990, “Winter lightning on the Japan

sea coast - development of measuring system on progressing feature of lightning discharge”, IEEE Trans. Pow. Deliv., 5, pp. 1418-1425.



Página 135

ANEXOS



Página 136

ANEXO 1

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Orden diferencial de potencial

Figura 1: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura

hecho para dos hielos de agua destilada

+5 -50

Prueba de temperatura de hielo

Dife

renc

ia de

tem

pera

tura

gra

dos c

entíg

rado

s

0 30 40 50 00 10 50 30 100

1 minuto

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica

Sustentantes:

Jesús Moisés Ángeles Sánchez

Luis David Mora Galicia



Página 137

ANEXO 2

--1

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6


Figura 2: diferencia de potencial contra diferencia de temperatura

hecho para hielo de agua ( en proceso) y hecho de hielo de. NaCl en

una varilla.

+1 -10

Difer

encia

de te

mpera

tura g

rados

cent

ígrad

os

1/2 -1/2

con contacto

Sin contacto

Orden diferencial de potencialprueba

de temperatura de hielo – 26.3

0 30 40 50 00 10 50 30 100



Sustentantes:





Página 138

ANEXO 3

-3

-2

-1-

0

1

2


Figura 3: diferencia de potencial contra diferencia de temperaturade.

NaCl en una varilla.

+1 -10

Dife

renc

ia d

e te

mpe

ratu

ra g

rado

s ce

ntíg

rado

s

1/2 -1/2

Prueba de tem. – 23.2 ºC

Sin contacto

0 30 40 50 00 10 50 30 100

con contacto



Sustentantes:





Página 139

ANEXO 4

+

-- - - - - - - -

-- - - - - - - - -

-- - - - - - - - - -

----------- - - --

-- - -- - - - - - -

+++

++

+

++

+++

+++ ++

+

+

+

+

+

+

+

++++

+++++

+ ++

--------------------------- - - - - - - ---------------------- - - -- - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - -- - - - -- -

- - - - - - - - - - - - - - --- - - - - - -

-20º

-10º

0º+ + + + + ++++

+ + + + +++++

++ + + + ++++

Lluvia positiva ---------- negativa

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Figura 4:Distribución de las cargas eléctricas en el interior de la nube tormentosa

nube

tierra

Figura 5: proceso mas frecuente de formacion de una descarga



Sustentantes:





Página 140

ANEXO 5

Figura 6: proceso de descarga de un rayo

Nube

Tierra

Figura 8: Representación de una descarga tierra nube



Sustentantes:





Página 141

ANEXO 6

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Figura 10 porcentaje de rayos en funcion de longitud.



Sustentantes:





Página 142

ANEXO 7

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

1 2 3 4 5 6 7

CARGA (COULOMBIOS)

GRAFICA DE PORCENTAJE DE RAYOS EN

FUNCION DE UNA SOLA DESCARGA.



Sustentantes:





Página 143

ANEXO 8

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

020 40 60 80 100 120 140

CARGA DE RAYOS (COULOMBIOS

PORCENTAJE DE RAYOS EN FUNCION DE LA

CARGA TOTAL PUESTA EN JUEGO.

Figura 11 Porcentaje de rayos en función de la carga

total puesta en juego.



Sustentantes:





Página 144

ANEXO 9

10 20 30

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

KV/MTS.

Figura 9 Porcentaje de rayos en funcion del gradiente del

frente de onda



Sustentantes:





Página 145

ANEXO 10

0 10 20 30

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Kw / MTS

Porcentaje de rayos en funcion del gradiente de frente de onda



Sustentantes:



protección contra descargas eléctricas atmosféricas

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