Huancayo – Perú

- 2013 -

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CÁTEDRA : INSTALACIONES ELECTRICAS Y ELECTROMEC.

CATEDRÁTICO : ING. GORA GALLO JOSÉ

SEMESTRE : DECIMO

ALUMMNO : TORIBIO MENDOZA, YONEL OBER

PARARRAYOS

UNIVERIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y ELECTROMECÁNICAS 1

1.1 CONSIDERACIONES SOBRE EL ORIGEN DE LOS RAYOS Como se puede deducir por el Esquema 1.1, la concentración de cargas eléctricas positivas y negativas en una determinada

región puede surgir una diferencia de potencial entre la tierra y la nube.

La ionización del camino seguido por la descarga piloto, propicia condiciones favorables de conductibilidad del ambiente.

Manteniéndose elevado el gradiente de tensión en la región entre la nube y la tierra, surge, en función de aproximación de solo

una de las ramificaciones de descarga piloto, una descarga ascendente, constituida de cargas eléctricas positivas, denominada

de descarga de retorno o principal, de gran intensidad, responsable por el fenómeno conocido como trasvase, que es el

dislocamiento de masa del aire circundante encaminamiento del rayo, en función de la elevación de temperatura y

consecuentemente del aumento del volumen. La descarga de retorno al llegar a la nube, provoca, en una determinada región de

la misma, una neutralización electrostática temporaria.

Esquema 1.1 Distribución de las cargas eléctricas de las nubes y del suelo

En la tentativa de mantener en equilibrio las potencias eléctricas en el interior de la nube, surgen en estas intensas descargas

que resultan en la formación de nuevas cargas negativas en su parte inferior, dando inicio a las llamadas descargas reflejadas o

secundarias, en el sentido de las nubes para la tierra, siendo como canal conductor aquel seguido por la descarga de retorno

que, en su trayectoria ascendente deja al aire intensamente ionizado. El esquema 1.2 ilustra gráficamente la forma de las

descargas atmosféricas.

Las descargas reflejadas o secundarias pueden acontecer por varias veces, después de concluida la descarga principal.

Tomándose como base las mediciones hechas, las intensidades de las descargas atmosféricas pueden ocurrir las siguientes

probabilidades:(97% 10 kA; 85% 15 kA; 50% 30 kA; 20% 15 kA; 4% 80 kA)

También fue comprobado que la corriente de descarga tiene una única polaridad, esto en una sola dirección. Una onda típica de

descarga atmosférica fue determinada para efecto de estudios específicos.

Esquema 1.2

Secuencia de eventos de una descarga atmosférica Esquema 1.3

Formato característico de una onda de descarga atmosférica

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El esquema 1.3 muestra la conformación de esa onda, en función del tiempo. La onda alcanza a su valor máximo de tensión V2

en un tiempo T2, comprendido entre 2 y 10 ms da el valor medio V1, correspondiente al valor medio de caída de onda, es

alcanzado en un intervalo de tiempo T1 de 20 a 50 ms, cayendo para V0 = 0, al final de T0 en un intervalo de 100 a 200 ms. El

conocimiento de la forma de onda, es de dos valores típicos de tensión y tiempo, y de los porcentajes de su ocurrencia,

posibilita los estudios para el dimensionamiento de los para rayos de protección contra sobretensiones en líneas y redes

eléctricas y de para rayos de hasta, destinados a la protección de construcciones e instalaciones en general.

1.2 PARARRAYOS DE PUNTA Utilizando las propiedades de las puntas metálicas de propiciar la canalización de las cargas eléctricas para la atmósfera,

llamado poder de las puntas, Franklin concibió un dispositivo que desempeña esta función, que fue denominado pararrayos.

Queda claro que las descargas eléctricas dentro de una determinada zona son más fácilmente canalizadas por el pararrayo de

que por una estructura de concreto, por ejemplo. El Esquema 1.4 muestra el principio fundamental de la actuación de un

pararrayo.

Esquema 1.4 Principio fundamental de actuación de un pararrayo

Un sistema de pararrayos de punta, o pararrayos de tipo Franklin, es constituido de diferentes partes, cuyos

elementos principales son:

a) Captor: Esquema 1.5

Elemento de un sistema de protección contra descargas atmosféricas

b) Varilla (mástil):

c) Aislador:

d) Conductor de descenso:

e) Electrodo de tierra:

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f) Conector de medición:

1.3 DIMENSIONAMIENTO DE UNA INSTALACION DE PARARRAYOS

El correcto dimensionamiento de una instalación de protección contra descargas atmosféricas, proporciona un elevado grado de

seguridad a las construcciones en general y en particular a los edificios industriales, principalmente aquellas que trabajan con

productos de alto riesgo y están localizadas en regiones de elevado índice ceráunico, que representa el número de días de

tormenta por año. Ese dimensionamiento será hecho tanto para la protección de construcciones en general, como para la

protección de subestaciones de consumidores instaladas a la intemperie.

Antes de tomar una decisión aleatoria sobre la necesidad de dotar determinada construcción de una protección adecuada

contra la incidencia de rayos, es prudente que se calcule la probabilidad ponderada que permitirá una decisión técnica sobre la

instalación.

El método a ser utilizado es de la norma BS 6651 (origen inglesa). Ese método considera valores de ponderación en función del

tipo de ocupación predial, material de construcción utilizado, localización etc., de acuerdo con la Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Factor de ponderación

Tipo de

ocupación A Material de

construcción B Contenido C Localización D Topografía E

Habitación

0.3

Construcción de

cobertura no metálica

0.2

Sin valor

patrimonial o histórico

0.3

Áreas circundadas por

árboles o

estructuras de

cualquier

naturaleza

0.4

Planicies

0.3

Habitación con antena externa

0.7

Construcción de

concreto y cobertura no

metálica

0.4

Sensibles a daños

0.8

Áreas semi- aisladas

1.0

Colinas

1.0

Construcciones

industriales

1.0

Construcción de metal o concreto y

cobertura metálica

0.8

Subestaciones,

centrales

telefónicas, instalaciones de

gas, estaciones de radio y TV

1.0

Áreas aisladas

2.0

Montañas con altura entre 300

a 900 m

1.3

Construcciones

destinadas a

hoteles, moteles, salas

comerciales

1.2

Construcción de

alvenaria

1.0

Museos,

monumentos y

construcciones de la misma

naturaleza

1.3

Montañas con

altura encima de

900 m

1.7

Construcciones

destinadas a

shopping center, museos, centros

deportivos y

similares

1.3

Construcción de

madera

1.4

Escuelas,

hospitales y similares

1.7

Escuela,

hospitales y

similares

1.7

Construcción de

alvenaria o madera

con cobertura

metálica

1.7

Construcción con

cobertura de tejas y

similares

2.0

El factor de ponderación final es dado por la siguiente ecuación:

P0 = A x B x C x D x E x Npr

Donde:

A, B, C, D, E, F = Factor de ponderación de la Tabla 1.1,

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Npr = Número probable de rayos que pueda alcanzar a la construcción y es dado por la siguiente ecuación:

Npr = Sc x Nda x 10-6

Sc = Área de construcción en m2;

Nda = Densidad de rayos, en rayos /km2/año, dada por la ecuación siguiente:

da tN N

Nt = Índice ceráunico, o sea número de días con rayos por año;

= 0.023

= 1.3

A partir de los valores de P0, se puede determinar, a través de la Tabla 1.2, la necesidad o no de incluir la protección contra las

descargas atmosféricas.

Tabla 1.2

Probabilidad ponderada

Probabilidad ponderada Protección deseada

P0 < 10-5 No aconsejada

10-4 > P0 > 10-5 Aconsejada

P0 > 10-4 Obligatoria

11.4.1 Niveles de protección

Hay siempre la posibilidad de falla del sistema de pararrayos, pudiendo la construcción protegida, en este caso, ser alcanzada

por una descarga atmosférica. A partir de esa premisa, la IE 1024-I determina cuatro diferentes niveles de protección, en base a

las cuales deben ser tomadas las decisiones de los proyectos más o menos severas. Esos niveles de protección están así

definidos:

Nivel I: Es el nivel más severo en cuanto a la pérdida de patrimonio.

Nivel II: Se refiere a las construcciones protegidas, de bienes de valor estimable.

Nivel III: Se refiere a las construcciones de uso común.

Nivel IV: Se refiere a las construcciones, donde no es normal la presencia de personas.

Existen básicamente tres métodos de protección contra las descargas atmosféricas, de los cuales indicaremos uno:

11.4.2 Método de franklin

Consiste en determinar el volumen de protección propiciado por un cono, cuyo ángulo de generatriz con la vertical varía según

el nivel de protección deseado y para una determinada altura de construcción. La Tabla 1.3 muestra el ángulo máximo de

protección para una altura de construcción no superior a 20 m.

La Tabla 1.3 muestra el ángulo de protección contra descargas atmosféricas tomando como bases diferentes

Tabla 1.4

Angulo de protección en (º) y altura de construcción

Nivel de protección

Altura de construcción en m

20 30 45 60

I 25 No permitida la protección por el

II 35 25 método de franklin

III 45 35 25

IV 55 45 35 25 Por ejemplo, en un proyecto de una construcción de propiedad comercial de 12 pisos, o sea, 42 m de altura aproximadamente,

el ángulo de protección debe ser de 25º, ya que se trata de un edificio clasificado con nivel de protección III.

Los proyectos de instalación de pararrayos por el método de franklin pueden ser elaborados tomándose la siguiente secuencia

de cálculo:

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a) Zona de protección: Los pararrayos ofrecen una protección dada por un cono cuyo vértice corresponde a la extremidad

superior del captor y cuya generatriz hace un ángulo de an con la vertical, propiciando un radio de la base del cono de

valor dado por la ecuación siguiente: Rp = Hc x tg , conforme se observa en el Esquema 1.6

Donde:

Rp = Radio de base del cono de protección, en m;

Hc =Altura del extremo del captor, en m;

= Ángulo de protección con la vertical dado en la Tabla 1.4. Si hay más de un captor, puede agregarse 10º al ángulo

Se debe establecer una protección del borde de la parte superior de la edificación, a través de un conductor, conectando a la

malla de tierra de los captores.

b) Número de conductores de descenso: Debe ser función del nivel de protección deseado y de la separación

entre los conductores de descenso, o sea:

cocd

cd

PN

D

Donde:

Ncd = Número de conductores de descenso.

Pco = Perímetro de construcción, en m;

Dcd =Distancia entre los conductores de descenso, dada en la Tabla 1.5.

Tabla 1.5

Distancia máxima entre los conductores de descenso

Nivel de protección Distancia máxima (m)

I 10

II 15

III 20

IV 25

Los conductores de descenso deben ser distribuidos a lo largo de todo el perímetro de construcción, con un espaciamiento

máximo en función del nivel de protección deseado y dado en la Tabla 1.5, no admitiendo un número de conductores de

descenso inferiores a 2.

Esquema 1.6 Zona de protección

El Esquema 1.7 muestra esquemáticamente los conductores de descenso de una construcción fabril. Debe ser mínimo cuatro

los números de conductor de descenso en torres o tinglados de altura superior a 25 m en consecuencia transversales

cuadradas o hexagonales. Deben ser provistos por lo menos dos captores para las chimeneas o tinglados. Todas las partes

metálicas que componen la torre y tinglados, tales como tirantes de estacamiento, fundaciones etc., deben ser debidamente

aterradas.

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c) Sección del conductor: De preferencia deben ser utilizados conductores de cobre duro, principalmente en zonas

industriales de elevada polución.

La sección mínima de los conductores es dada en función del tipo de material del conductor y de la altura de la edificación,

conforme la Tabla 1.6.

Tabla 1.6

Sección de los conductores de malla superior y de descenso en mm2

Material conductor Altura de la construcción

20 m > 20 m

Cable de cobre 16 35

Cable de aluminio 35 50

Cable de acero galvanizado 50 80

Las conexiones entre captores, descensos y masas metálicas y entre los electrodos del aterramiento, la sección mínima del

conductor de cobre es de 16 mm2.

d) Resistencia de malla de tierra: La resistencia de malla de tierra no debe ser superior a 10 W en cualquier época del año.

Cuando la construcción es destinada a materiales explosivos o inflamables, la resistencia de malla de tierra no debe ser

superior a 1 W.

Esquema 1.7