UCFACULTAD DE ELECTROMECANICADEPARTAMENTO DE ELCTRICACURSO Autores: M.Sc. Alfredo E. Gonzlez Dign.M.Sc. Davel Borges Vasconcellos.2009Protecciones Elctricas.PARTE II. Pararrayos

TemticasIntroduccin.Efectos del rayoParmetros del rayoNormasClasificacin de los pararrayosClculo del pararrayo.

Mitos y leyendas.

Formacin del rayoCon la carencia de nubes tormentosas el valor del campo elctrico en la tierra es de 0,1 kV/m, pero en caso de existencia de tormentas este potencial puede aumentar de 10 a 20 kV/m y en los puntos de ms alta concentracin en el interior de la nube este potencial va aumentando en un valor de aproximadamente 10 kV/cm, valor este suficiente para iniciar la descarga inicial o gua, la cual normalmente avanza a una velocidad de 1/6 de la velocidad de la luz por espacio de unos 50 - 60 m aproximadamente, haciendo un alto y emitiendo en su cabeza un haz de luz de gran brillantez y as sucesivamente.

Formacin del rayoCuando la gua original se acerca lo suficiente al otro centro de carga (comnmente sobre la superficie de la tierra), del mismo comienza a desarrollarse otra gua de carga contraria que avanza en busca del gua original. Al establecerse el contacto se ha formado ya un paso altamente ionizado entre los dos centros de cargas a travs del cual fluye una corriente, que se desplaza a una velocidad de 1/10 de la velocidad de la luz y a la cual se le denomina gua, por la cual se mantiene circulando una corriente del orden de los 100 - 1 000 A por espacio de unos 20 000 s lo cual mantiene un paso con un alto grado de ionizacin.

Formacin del rayoPor el camino altamente ionizado se da lugar a la descarga principal con una duracin que es del orden de los 100 s, proceso durante el cual es neutralizada la carga del paso ionizado y la carga restante en la nube. La corriente en la descarga principal es del orden de los 1000 y los 200 000 A teniendo un tiempo la descarga total en el orden de 0,03 s.

Trmicos (Desprendimiento de calor: la temperatura mxima puede alcanzar ms de 30000C. Se le asocian daos forestales, por fuego y de elementos elctricos y electrnicos por sobrecalentamiento).Electrodinmicos (Onda de presin: desplazamiento de conductores debido al esfuerzo a que es sometido con la circulacin de la corriente del rayo o en conductores paralelos prximos).Electromagnticos (Radiacin, induccin y acoplamiento de circuitos: provocados por la alta frecuencia del rayo. Se le asocian daos debido a sobretensiones inducidas en circuitos elctricos, electrnicos y de comunicaciones).

Electroqumicos (Corrosin y reaccin galvnica: reaccin qumica que provoca desgaste del metal en la zona de transicin con la tierra o si existe, la cubierta galvnica anticorrosiva. Se le asocian daos en los sistemas de puesta a tierra).Acsticos (Onda de sonora: el gran gradiente trmico entre ste y el aire que lo circunda, produce una onda de choque que normalmente se escucha en una tormenta y que se conoce como trueno).

Fisiolgicos (Afeccin de los centros nerviosos, electrocucin, quemaduras, muerte: En las proximidades de las tomas de tierra de los sistemas elctricos afectados por el rayo pueden aparecer potenciales de varios centenares de kV que constituyen un peligro para la vida por los altos valores de las tensiones de paso y de contacto).

TIPOS DE IMPACTOS DE LAS DESCARGAS ELCTRICASImpactos DirectosImpactos cercanos

Efectos de una descarga elctricaCuando un rayo cae directamente al suelo o a travs de una estructura conectada a tierra ( puede ser un poste elctrico, un pararrayos o una construccin, etc ) la corriente de la descarga del rayo puede elevar el potencial de la tierra varios miles de Voltios como consecuencia de la corriente que circula por el terreno.

Efectos de una descarga elctricaCuando un rayo cae directamente en las lneas areas, propagndose la sobretensin a lo largo de varios kilmetros. La sobretensin acaba llegando al usuario y derivndose a tierra a travs de sus equipos producindoles averas o su total destruccin.

Efectos de una descarga elctricaLa radiacin emitida por el rayo sobre un objeto ( ya sea un poste, rbol o pararrayos, etc ) prximo a las lneas elctricas o telefnicas, induce corrientes transitorias en stas, transmitindolas al interior de nuestras instalaciones provocando averas o destruccin de los equipos.

Ejemplo de un impacto directo. Sector de la PNR de Ndales.

Ejemplo de un impacto directo.

Ejemplo de un impacto directo.

Ejemplo de un impacto directo.

Ejemplo de un impacto directo.

Torre de un catedral daada por impacto directo de rayo

Aerogenerador daado por impacto directo de rayo en una de sus palas

Edificio destruido por impacto directo de rayo

Daos fsicos en el cableado interno de un local debido a la corriente de rayo

Ejemplo de un daos por sobretensiones inducidas.

Ejemplo de un daos por sobretensiones inducidas.

Parmetros del rayo importantes para aplicaciones de ingenieraParmetros de incidencia:Nivel ceruneo, NC. Multiplicidad.Densidad de descargas a tierra DDT.Polaridad del rayo.Duracin de la descarga elctrica atmosfrica.Duracin del intervalo entre descargas individuales.Parmetro de amplitud de la corriente de retorno del rayo, CR.Parmetro de la forma de impulso de la corriente de rayo.

NIVEL CERUNICO ( Td o NC )Es el primer indicador establecido y ampliamente utilizado todava, que expresa la cantidad de das tormenta al ao (Td o Nc) de una regin y acostumbra a darse para un pas segn el Mapa de Niveles Isocerunicos (curvas de nivel de igual cantidad de das tormentas al ao). Para obtener el nmero de das tormentas al ao se utilizan las observaciones que se realizan desde las estaciones meteorolgicas donde se toma como da de tormenta, aquel en que el observador note aunque solo sea una llamarada de rayo o trueno. De esta manera no se discrimina entre los rayos nube a nube, entre nubes y los rayos nube a tierra.

Mapa de Distribucin de la Actividad de Rayos en el planeta

Variacin espacial del Nc en diferentes latitudes del mundoColombia. Vara entre 10 y 120.Francia. Menos de 15 y ms de 30.Estados Unidos. Vara entre 5 y 100.Brasil. Minas Gerais vara entre 30 y 140.Alemania. Valor promedio 20, en reas cercanas a las montaas de los Alpes mximo de 30.Gran Bretaa. El valor medio vara entre 2 y 14.Canad. Promedios entre 15 y 35 con valores mximos promedio de 35 en los grandes lagos.

Densidad de descargas a tierra (Ng o DDT)Este parmetro ha sido determinado tradicionalmente por dos mtodos:

Mediante ecuaciones empricas que relacionan la densidad de descargas a tierra con el nivel cerunico.Mediante mediciones directas con equipos contadores de rayos o localizadores.

Ejemplo de ecuaciones de DDT en funcin del Nc, utilizadas en diversas partes del mundo, aplicadas a tres aos de mediciones (1995, 1994, 1993) y comparadas con mediciones hechas con el contador RSA-10, en la ciudad de Bogot.

Ecuaciones empricas que relacionan la densidad de descargas a tierra con el nivel ceruneo

Mediciones directas con equipos contadores de rayosLos contadores de rayos reciben en una antena el campo elctrico de la descarga y la seal correspondiente pasa a un circuito contador. Si su nivel rebasa el umbral prefijado, el contador se dispara e incrementa en 1 su valor.

Mediciones directas con equipos contadores de rayos.LIMITACIONESDespus de operar no son capaces de volver a hacerlo hasta un segundo despus, lo que imposibilita registrar las descargas consecutivas. Tienen un alcance corto, su radio de cubrimiento es de 20 a 30 km por lo que para reas mayores implica la utilizacin de muchos contadores. (Esto encarece el sistema y dificulta la recuperacin de la informacin, por lo que en la actualidad se utilizan fundamentalmente en regiones no amplias). Deben ser colocados en reas totalmente abiertas porque las obstrucciones en su vecindad obliga a aumentar la altura de la antena y, por tanto, a ajustes de sensibilidad. No discriminan la polaridad de la descarga ni los rayos ramificados.

Mediciones directas con Sistemas de Deteccin y Localizacin de Rayos.La medicin de la densidad de rayos a tierra con este sistema constituye hasta hoy el medio ms exacto para evaluar este parmetro.

Por otra parte adems de la latitud y la longitud de cada impacto y de poder discriminar los rayos nube a tierra, La aparicin de estos sistemas brinda una poderosa herramienta para caracterizar otros parmetros del rayo, como son, la informacin sobre el momento en que ocurre la descarga en tiempo real, su valor pico, la cantidad de descargas consecutivas, su polaridad, etc.

CORRIENTE DE RETORNO DEL RAYOLa descarga de retorno es la etapa del fenmeno que tiene mayor aplicacin en la ingeniera del diseo y proteccin de sistemas elctricos y electrnicos, ya que presenta las mayores magnitudes de corriente elctrica entre el centro de carga de la nube y tierra. Adems, es el suceso ptico ms brillante y visible del rayo, donde se produce el mayor calentamiento del canal (aprox. 30 000 C) generando un fuerte gradiente trmico entre ste y el aire que lo circunda, produciendo la onda de choque que normalmente se escucha en una tormenta y que se conoce como trueno.

Magnitudes de corriente de retorno del rayo en diferentes latitudes

POLARIDAD DEL RAYOBerger (1978) propuso cuatro tipos de rayos en trminos de la direccin del movimiento de las cargas entre la nube y la tierra (ascendente o descendente) y en trminos del signo de las cargas del lder que inicia la descarga (positivo o negativo).

+ + + ++ + + + + +Descendente positiva- - - - - - - - - -Descendente negativa- - - - - -- - - - - - - -+ + + + + + + +Ascendente negativa+ + + ++ + + + + +- - - - - - - - - -Ascendente positiva+ + + ++ + + + + ++ + + + + + +

Campo de Aplicacin

La norma IEC 62305, partes 1 a la 5 es aplicable a la evaluacin, diseo, instalacin, inspeccin y mantenimiento de las medidas de proteccin contra rayos necesarias para reducir o minimizar las prdidas que estos acarrean.

Partes de la IEC 62305IEC 62305-1: Principios generales.IEC 62305-2: Gestin del riesgo.IEC 62305-3: Daos fsicos y peligro para la vida en las edificaciones.IEC 62305-4: Sistemas elctricos y electrnicos en edificaciones.IEC 62305-5: Servicios.

IEC 62305-1: Principios generalesNotifica sobre el peligro del rayo, las caractersticas de los rayos (anexo A) y los parmetros derivados para la simulacin de los efectos del rayo (anexo B). Adems brinda un recorrido por la serie completa de normas para la proteccin contra el rayo donde se explican los procedimientos y principios de proteccin, en los cuales se basan las restantes partes.

IEC 62305-2: Gestin del riesgoIndica el anlisis de riesgo para determinar la necesidad de proteccin contra el rayo y las medidas de proteccin tcnicas y econmicamente ptimas que pueden seleccionarse. Brinda la posibilidad de evaluar el riesgo tanto a la edificacin en s como a un servicio en especfico.

IEC 62305-3: Daos fsicos y peligro para la vida en las edificacionesSe refiere a las medidas de proteccin para reducir los daos fsicos y a la vida debido a las descargas de rayo en la estructura.

IEC 62305-4: Sistemas elctricos y electrnicos en edificacionesSe refiere a las medidas de proteccin para reducir los fallos de los sistemas elctricos y elctrnicos en una edificacin.

IEC 62305-5: Servicios

Se refiere a las medidas de proteccin para reducir los daos y perdidas de los servicios que entran a la edificacin. Ejemplo, lneas elctricas, lineas de telecomunicaciones, y tuberias metlicas (gas, agua, combustibles).

Precedente para la proteccin. Dada la imposibilidad de evitar la formacin de un rayo ni evitar su cada hasta el momento. La nica propuesta razonable es controlar la recepcin y paso de la descarga evitando graves daos personales y materiales. Solo se puede influir sobre el rayo en los ltimos momentos o metros de su descenso. El punto de impacto del rayo quedar determinado por el punto de salida en tierra del trazado ascendente.

Clasificacin de los pararrayos.Tipos Pasivos Activos Punta Franklin Jaula de Faraday Radioactivos Piezoelctricos Dielctricos Lser Pasivos Activos Cable Protector Catdico Expulsin Valvular Oxido de Zinc

Componentes de un pararrayos. Cabezal captador. Pieza de adaptacin. Mstil. Protector mstil de antena. Anclaje de mstil. Conductor bajante. Soportes cable. Contador de descarga Junta de control y manguito de unin Tubo de proteccin Toma de tierra y equipotencialidad Punta del pararrayo.

Pararrayos Franklin.Benjamn Franklin (1752) observ una descarga producida por la llamaba botella de Lyden. era una chispa y un chasquido con una increble semejanza a un rayo y el trueno, solo que a menor escala. Un experimento el cual consisti en empinar un barrilete en una tormenta con el hilo mojado para conducir la electricidad, el barrilete con una punta metlica y una llave cerca del extremo que sostena Franklin. No haba cado ningn rayo sobre la cometa, sino que manifestaba una corriente en la llave, fruto de la diferencia de tensin entre el cielo y la tierra. Al ao siguiente (1753) Georg Wilhem Richmann, trabaj sobre la idea de Franklin disponiendo una varilla para la captura de rayos. Pero no fue tan afortunado como su colega norteamericano (Franklin) y muri al recibir una descarga. Es el riesgo de los que exploran en el lmite de lo conocido.

Pararrayos Franklin. De una sola punta De varias puntasEn sntesis, un pararrayo Franklin es una barra vertical terminada en punta y conectada a tierra a travs de un conductor de seccin adecuada. La punta Franklin basa su funcionamiento en el llamado efecto punta.

Forma de conexin del Pararrayos Franklin. Con una sola varilla. Con varilla horizontal (Un conductor).

Jaula de Faraday. 1884 El fsico Belga propuso proteger los edificios encerrndolo dentro de una jaula de Faraday. Asegurando que en el interior de una caja cerrada por paredes metlicas y perfecta continuidad elctrica no se ve afectada por ninguna variacin del campo elctrico externo. Siendo este el mtodo ms efectivo en la proteccin contra el rayo.Como se puede deducir inmediatamente el costo de una instalacin de este tipo es elevadsimo al mismo tiempo que el resultado esttico puede ser deplorable.

Pararrayo radioactivo.Las primeras experiencias con pararrayos radiactivos se remontan a 1914 y fueron realizadas por el fsico ingls L. Szyllard. No es ms que una punta metlica provista de sales radioactivas de Radio-226 colocada en un campo elctrico, la cual proporciona una corriente elctrica producida por las partculas alfa y beta y radiacin gamma emitidas por el material radioactivo utilizado.Es de todo conocido el alto poder ionizante de las partculas alfa que al entrar en colisin con las molculas del aire van perdiendo su energa dejando a su paso pares de iones de signo opuesto. De la misma forma actan las partculas betas y los rayos gamma pero con mucha menor eficacia. as a constituir un canal ionizado de baja impedancia elctrica entre la tierra y la nube, que servir para canalizar una posible descarga hasta su disipacin.

Caractersticas de los pararrayos radioactivos. Estos pararrayos tienen amplias zonas de proteccin. Son relativamente baratos. Actualmente se ha prohibido el uso de este tipo de pararrayos por el peligro que puede traer el rompimiento del material que envuelve al elemento radioactivo.

Pararrayo Piezoelctrico.Como se sabe, el aplicar una presin sobre un cristal de cuarzo se produce una polarizacin de sus caras, establecindose una diferencia de potencial muy elevada en las mismas. Esta diferencia de potencial puede hacer saltar una pequea descarga disruptiva ionizante entre los electrodos metlicos conectados en cada una de esas caras.Ejemplo de este pararrayo es el Saint-Elme diseado por el francs Franklin France, el cual obtuvo el premio de innovacin tecnolgica en 1986.

Pararrayo Piezoelctrico.Partes que lo componen Cabeza captadora Un asta de soporte. Un estimulador piezoelctricoCaractersticas fundamentales El funcionamiento correcto de este pararrayos requiere de la accin del viento, no siempre presente en las tormentas. Por otra parte, la descarga piezoelctrica es un fenmeno intermitente, esto quiere decir que entre descarga y descarga puede existir un tiempo de inactividad lo que hara que la ionizacin desapareciera en la atmsfera por recombinacin. No requiere ninguna vigilancia ni mantenimiento. Robusto, esttico y poco costoso.

Pararrayo Piezoelctrico.Pararrayo de la firma INDALECExisten firmas que proporcionan software para el clculo de sus pararrayos como por ejemplo sta.Hacer clic aqu

Clasificacin de los pararrayos Dielctricos.Tipos Pararrayos dielctricos. Pararrayos dielctricos condensador electroatmosfrico. Pararrayos dielctricos condensador-generador.

Pararrayo Dielctrico.Bsicamente estos aparatos incorporan aros o planchas metlicas paralelas y aisladas entre s, constituyndose como armadura de un condensador, una de estas planchas o electrodos se encuentra conectada a tierra y las otras a una punta metlica.Con la presencia de nubes tormentosas y en la cada del rayo se eleva el valor del campo electroesttico lo que establecer en las armaduras del condensador una diferencia de potencial por lo que se ionizara el ambiente en las puntas situadas entre los electrodos y por consiguiente una formacin inica en avalancha.

Pararrayo Dielctrico Condensador-Electroatmosfrico (ION-CORONA DAT).Este pararrayo ha solucionado la anterior incertidumbre de funcionamiento o tiempo muerto de respuesta del pararrayo dielctrico y Piezoelctrico, al proporcionar, por medio de un dispositivo electrnico productor de ionizacin, una gran cantidad de cargas libres necesarias para que el proceso de carga-descarga del condensador no se vea, en ningn momento, retrasado o interrumpido. Pararrayos ION-CORONA (SOLAR o DAT)Para su alimentacin dispone de un panel solar homologado de silicio monocristalino 12 V, 5 W, y acumulador de energa de plomo seco, con autonoma de 20 das de funcionamiento normal continuado en ausencia total de insolacin.

Pararrayo Dielctrico Condensador-Generador (EC-SAT).Este sistema dispone de un transfor-generador de impulsos elctricos de alta tensin con funcionamiento alterno.En los campos elctricos inferiores a 6 kV/m es muy difcil que se exciten los dispositivos de cebado convencionales con estos campos elctricos bajos. EC-SAT capta esta energa, acumulndola y mediante su transfor-generador libera unos impulsos de alta tensin que en pequeos intervalos son liberados a la atmsfera en forma de lderes o trazados ascendentes, alcanzando una velocidad de 1m/s .

Pararrayo Lser.Una de las variantes que al parecer esta dando resultados prometedores, es la utilizacin de rayos lser para provocar una descarga controlada y orientarla lejos de zonas peligrosas. El primer intento fue la utilizacin de un rayo lser del tipo infrarrojo; la idea era que el empleo del lser generara un nuevo camino por el cual el rayo fuera conducido desde la nube hacia el suelo, pero la idea no tuvo resultados. Se ha tratado de mejorar la idea, utilizando esta vez, no solo un haz de lser, sino varios haces de lser infrarrojos apuntados a distintos puntos de la nube. De esta manera, se logr (en ensayos de laboratorio) desviar descargas elctricas de ms de 7 (siete) metros de longitud.

Pararrayo Lser.Mientras tanto, otro equipo de cientficos calcularon tericamente que utilizando un rayo lser ultra violeta de baja energa daba mayores resultados. Ejemplo de este tipo de proteccin

Cable Protector.La proteccin ms comn y efectiva contra las descargas atmosfricas en las lneas areas la constituye el cable protector, con el cual se pueden lograr altos grados de apantallamiento, el que depender del ngulo de proteccin al igual que en los mstiles. El ngulo de proteccin est normalmente entre los 20 y 40, siendo el valor ms usual el de 30. El nmero de cables protectores depender del nmero de circuitos de la lnea, de su configuracin y del grado de apantallamiento que se requiera.

Pararrayo Catdico.Este tipo de pararrayo, de origen alemn, posee un explosor de disparo, que determina el nivel de proteccin dado por el descargador. El explosor consta de electrodos divididos. En caso de variaciones de la tensin de servicio, acta, como salidas de chispas. Si por el contrario, se manifiesta una sobretensin u onda viajera, con incrementos bruscos, la tensin en la parte exterior del electrodo se encuentra retrasada con relacin a la interior, de forma que este electrodo, con sus cantos vivos, acta como si fuese un descargador de puntas, facilitando con ello la descarga a tierra.

Pararrayo de Expulsin.Este tipo de pararrayo se utiliza en sistemas de distribucin de energa. Estos pararrayos consisten en una seccin de entrehierros y una cmara de expulsin, todo dentro de un cuerpo aislante de porcelana. La funcin de los entrehierros es mantener el sistema aislado para las tensiones de operacin y permitir la descarga cuando se produzca una sobretensin mayor que la permisible por el nivel bsico de aislamiento del sistema en cuestin, con lo que permite que circule la corriente a travs de la cmara de expulsin.

Pararrayo de ValvularUna de las desventajas de los pararrayos conocidos hasta ahora, exceptuando al descargador catdico, reside en que la operacin del dispositivo conlleva a un cortocircuito en el sistema. El resultado de las mejoras del pararrayo catdico y las innovaciones surgidas en los aos sesenta permitieron el desarrollo de un pararrayo ms eficiente y ms confiable, al cual se le ha denominado valvular o autovlvula, debido al comportamiento caracterstico de su sistema no lineal.

Pararrayo de Oxido de ZincEstos son los ms modernos y son utilizados en lneas de alta tensin, soporta mayores corrientes y son ms eficientes.Los pararrayos con resistencias a base de xido de metlico u xido de zinc comenzaron a penetrar en el mercado en la dcada de los aos 70. Composicin interna.

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayoIR= + + + + + + .Determinacin del ndice de riesgo = ndice promedio de das en el ao con tormentas elctricas en la zona. = ndice de uso de la edificacin. = ndice del tipo de edificio. = ndice de estructura y construccin del objeto. = ndice de altura del objetivo respecto al terreno. = ndice de orografa o tipo de terreno. = ndice de tipo de regin de ubicacin del objetivo.Si la suma de estos coeficientes es igual o superior a 40, el edificio necesita proteccin contra el rayo. + + + + + + 40 si proteccin.

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayo

Clculo del pararrayoDonde:H- Altura del mstil.Ho- Altura del cono de proteccinHx- Altura del objetivo a proteger.rx- Radio de la zona de proteccin a la altura Hx.ro- Radio de la zona de proteccin al nivel del terreno.

Clculo del mstil de un pararrayo franklin

Clculo del pararrayoZona A: zona que posee un grado de seguridad igual o mayor que 99.5 %.Zona b: zona que posee un grado de seguridad igual o mayor que el 95 % y menor que 99.5 %.Zona A

Clculo del pararrayoZona A: zona que posee un grado de seguridad igual o mayor que 99.5 %.Zona b: zona que posee un grado de seguridad igual o mayor que el 95 % y menor que 99.5 %.Zona B

BibliografaIEC 62305 Proteccin contra el rayo.Electrical Engineering Handbook. Richard Dorf.Industrial Power Systems Handbook. D. Beeman.Electrical Power Supply and Distribution. Army.IEE Wiring Regulations for Electrical Installations. Sixteenth. BS 7671:1992.IEC International Electrotechnical. Vocabulary.Chapter 826: Electrical installations of buildings. Publication 50 (826) 1982.Substation Grounding IEEE.Distribucin en baja tensin: proteccin de personas. Artculo de Merlin Gerin.Canadian Electrical Code. Part I. C22.11982. Safety Standard for Electrical Installations.National Electrical Code. 1993 Edition. NFPA 70