Sistemas Puesta a Tierra
Edición Nº 1 Julio 2013
Editada por: Asisclo Serrano Diseño: Asisclo Serrano
PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Pág. Introducción ……………………………… 2 Desarrollo técnico Descargas atmosféricas …………... 3 Análisis y monitoreo de las descargas atmosféricas…….…..….. 5 Daños causados por los rayos………………………………..….. 7 Sistemas de protección contra descargas atmosféricas…………………..…..….. 8
Conclusiones……….……….…..………13 Edición Nº 1 Julio 2013
Editada por: Asisclo Serrano Diseño: Asisclo Serrano
Las tormentas eléctricas son fenómenos naturales, por lo que no existe un mecanismo o método capaz de prevenir las descargas atmosféricas. Un rayo, y , q que es uno de los tipos p de descargas g atmosféricas existentes, tiene un enorme potencial para causar daños. En este tipo de descargas, pueden presentarse corrientes de hasta unos 200 kA. Una descarga directa e incluso una descarga de nube a tierra cercana, puede ser peligrosa para las estructuras, personas, instalaciones y para los aparatos o dispositivos en su interior. Un área U á peligrosa li es aquella ll donde d d puede d existir i ti riesgo de incendio o explosión debido a la presencia de gases o vapores inflamables, líquidos inflamables, polvo o fibras combustibles. Es importante realizar una adecuada selección de los equipos eléctricos, eléctricos materiales, métodos de instalación y condiciones especiales que deben cumplir, para poder ser instalados en este tipo de áreas. Por el riesgo inherente a estas zonas y adicionalmente el peligro que puede representar una descarga atmosférica en las mismas; debe prestarse suma atención a la hora de realizar el diseño y la instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas con el fin de minimizar los riesgos hacia la vida humana y las instalaciones.
Descargas atmosféricas Según el diccionario de la Real Academia Española, un rayo es una “chispa eléctrica de gran intensidad producida por descarga entre dos nubes o entre una nube y la tierra” . Sin embargo, una definición más apropiada para este tipo de fenómenos es el de descarga atmosférica. Las descargas atmosféricas incluyen las descargas que ocurren dentro de una nube (descargas intranube), entre dos nubes (descarga nube a nube) y g entre una nube y la tierra ((descarga g las descargas nube a tierra o descarga a tierra). Éste último tipo de descarga es lo que en realidad debería entenderse al hablar de un rayo. Las descargas atmosféricas usualmente se generan debido a una separación de cargas a lo interno de las nubes, la cual llega a generar un potencial eléctrico tal que se logra vencer la constante dieléctrica del aire i circundante. i d t “El productor más común de descargas es la nube de tormenta (cumulonimbus). No obstante, las descargas atmosféricas también ocurren en tormentas de nieve, tormentas de arena y en las nubes sobre volcanes en erupción” . 3
En la siguiente fotografía se muestra una nube de tormenta o cumulonimbus.
Nube de tormenta La distribución de la carga eléctrica de una nube de tormenta típica es lo que se conoce como la estructura tripolar p de la nube y se muestra en la siguiente g figura. g
Estructura tripolar de una nube de tormenta 4
Análisis y monitoreo de las descargas atmosféricas Alrededor Al d d del d l mundo d se llevan ll a cabo b observaciones b i y estudios de diversos fenómenos atmosféricos, dentro de estos estudios indudablemente se incluye el análisis de las descargas atmosféricas. De las mediciones realizadas se pueden obtener datos importantes para considerar a la hora de realizar el diseño de protección de instalaciones, de acuerdo al nivel de riesgo específico de la zona. zona Seguidamente se presentan dos parámetros importantes en el estudio de las descargas atmosféricas. Nivel ceráunico El nivel ceráunico (NK) es el número de días de tormenta al año de una zona dada. Densidad de descargas atmosféricas La densidad de descargas atmosféricas es la cantidad de descargas a tierra de la zona, por kilómetro cuadrado por año. La siguiente figura muestra un mapa de la densidad de caídas de rayos a nivel mundial, generado por el N ti National l Space S S i Science and d Technology T h l C t de Center d la l NASA. 5
Densidad de caídas de rayos mundial (número de destellos /km2/año)
En la siguiente figura se muestra la variación mensual de las descargas atmosféricas para el año 2009, según un informe elaborado por el Centro de Servicios de Estudios Básicos de Ingeniería del ICE. ICE En la gráfica se puede observar que el mes de mayo del 2009 registró la mayor cantidad de descargas, con un 86 797 rayos. Mientras que el mes con menor cantidad de rayos fue febrero con 26. El total anual registrado fue de 398 641. 641
Variación mensual de las descargas atmosféricas en el 2009 vs promedio 2004-2009
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Daños causados por los rayos Si una estructura es alcanzada por una descarga atmosférica, puede provocar daños en la estructura misma, a las personas u objetos en su interior. Los daños dependerán de la intensidad de la corriente y de su trayectoria. y Y son p provocados p por altas temperaturas y esfuerzos mecánicos, producto de la impedancia que se opone al paso de la corriente. Una descarga directa puede causar daños mecánicos, fuego o explosión; ya sea por la descarga en sí o por chispas o arcos causados por la sobretensión que se genera por el acople resistivo e i d ti inductivo. Sin embargo, una descarga directa no es la única forma en la que un rayo puede afectar las instalaciones También pueden generarse fallas de instalaciones. equipos, especialmente sistemas eléctricos y electrónicos. Las descargas en puntos cercanos a las instalaciones, ya sea descargas a tierra o descargas intranube pueden causar las fallas mencionadas. intranube, mencionadas De igual forma, las descargas en líneas de distribución eléctrica, o de telecomunicación pueden generar daños a los sistemas y equipos de los edificios. 7
Sistemas de atmosféricas
protección
contra
descargas
No existe ningún mecanismo o método capaz de prevenir i o detener d t l las d descargas atmosféricas. t fé i T l Tal como se mencionó, tanto las descargas directas como las descargas cercanas pueden ser peligrosas para las estructuras, personas, equipos y sistemas en el interior de las mismas. mismas Es por esta razón que deben tomarse medidas de protección contra las descargas atmosféricas. Es cierto que las descargas no pueden ser detenidas, detenidas pero la energía puede ser desviada de manera controlada. Un adecuado sistema de p protección requiere q del sistema interceptor de descargas atmosféricas y los equipos y accesorios para suprimir los transitorios presentados durante una descarga atmosférica. Para cumplir con éste fin, el sistema de protección contra descargas atmosféricas (SCODA), cuenta con dos tipos de protecciones: externa e interna. 8
Protección externa protección externa está diseñada p para Una p interceptar los impactos directos de rayo a la estructura, conducir la corriente del rayo de manera segura hacia la tierra y dispersar la corriente de rayo dentro de la tierra. Protección interna Un adecuado sistema de protección, requiere protección interna de las líneas de energía y de datos que alimentan equipos eléctricos y electrónicos; estos últimos son más vulnerables debido a su sensibilidad a las perturbaciones causadas por las descargas o ele ación del potencial de la toma de tierra en las elevación proximidades de la instalación. La selección de los dispositivos de protección interna contra rayos y sobretensiones se basa en la aplicación del principio de protección escalonada. El objetivo es que al llegar al equipo, la sobretensión haya sido lo suficientemente atenuada como para que no produzca ningún deterioro en el mismo.
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Principios de un sistema de protección contra descargas atmosféricas El principio fundamental en la protección de la vida y la propiedad contra las descargas atmosféricas es proveer el medio por el cual la descarga pueda entrar o dejar la tierra sin dejar daños o pérdidas. pérdidas Se debe brindar, un camino de baja impedancia que la descarga seguirá preferentemente a cualquier otro camino de alta impedancia ofrecido por los materiales de construcción. Cuando el rayo y sigue g caminos de alta impedancia, puede causarse daño por el calentamiento y fuerzas mecánicas generadas durante el paso de la descarga. La mayoría de los metales, al ser buenos conductores, prácticamente no se ven afectados por el calor o las fuerzas mecánicas si tienen el tamaño adecuado para portar la corriente que se pueda recibir producto de la descarga. La selección de los conductores metálicos debe realizarse con cuidado para asegurar la integridad de los mismos por un n período prolongado. prolongado Un metal no ferroso, como el cobre o el aluminio, presentan en la mayoría de los ambientes una resistencia adecuada a los efectos de la corrosión.
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Partes de un sistema externo de protección contra descargas atmosféricas El sistema de protección externo está compuesto por tres elementos principales, que tienen como fin asegurar el camino de baja impedancia requerido para lograr una protección efectiva. efectiva • Sistema de captación o de captura: es el encargado de interceptar el impacto del rayo, está compuesto de y o elementos metálicos tales como bayonetas pararrayos tipo Franklin, conductores de acoplamiento o catenarias que interceptan intencionalmente el rayo. El sistema de captación puede estar integrado por cualquier combinación de los siguientes elementos: - Varillas Tipo Franklin autosoportados) - Cables colgantes -Mallas de conductores
(incluyendo
mástiles
• Sistema de conductores bajantes: encargado de conducir d i de d manera adecuada d d y segura la l corriente i t rayo al sistema de puesta a tierra. • Sistema de puesta a tierra: que conduce y dispersa intencionalmente la corriente del rayo en el terreno. terreno
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Niveles de protecciรณn contra el rayo La norma IEC 62305 considera cuatro niveles de protecciรณn contra el rayo (I a IV). Para cada NPR se fijan un conjunto de parรกmetros de corriente del rayo mรกximos y mรญnimos. Para el NPR I los valores mรกximos de los parรกmetros de corriente no serรกn sobrepasados con una probabilidad del 99%. De acuerdo con la relaciรณn de polaridad considerada los valores tomados para las descargas positivas tendrรกn probabilidades inferiores al 10% mientras que los de las descargas negativas permanecerรกn inferiores al 1%. Los valores L l mรกximos รก i d los de l parรกmetros รก t d la de l corriente i t del rayo correspondiente al NPR I se reducen al 75% para el NPR II y al 50% para los NPR III y IV (lineales para I, Q y di/dt, cuadrรกticos para W/R). Los parรกmetros de tiempo no cambian. cambian Los valores mรกximos de los parรกmetros de la corriente del rayo para los diferentes niveles de protecciรณn contra el rayo se emplean para el diseรฑo de los componentes de protecciรณn contra el rayo (por ejemplo, secciรณn de los conductores, espesor de las hojas metรกlicas, capacidad de corriente de los dispositivos de protecciรณn contra sobretensiones transitorias, distancias de separaciรณn contra chispas peligrosas), y para definir los parรกmetros de ensayo que simulen en estos componentes los efectos del rayo.
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Las descargas atmosféricas son un fenómeno natural, por lo tanto son impredecibles y no existe forma de detenerlas. Ningún sistema protege totalmente contra la acción del rayo, sin embargo el cumplir con las normas reduce el riesgo de daños en la estructura protegida. El principio fundamental de un sistema de protección contra descargas atmosféricas es brindar un camino de baja impedancia a tierra para disipar la corriente del rayo. y Además de un sistema de captación, se requiere de una adecuada puesta a tierra para lograr disipar la corriente de una descarga. Un sistema de protección contra descargas atmosféricas está compuesto por un sistema de externo y uno interno. Existen varios métodos para ubicar en forma adecuada los terminales aéreos, según el nivel de protección buscado.
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Ingenier铆a de Computaci贸n Educaci贸n para los Valores Humanos