Teórico SPCR

8/7/2019 Terico SPCR

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DESCARGAS ATMOSFRICAS.

Introduccin.

Los rayos desde la mitologa han sido temidos como una descarga atmosfricade origen supernatural: la gran arma de los dioses. Para los griegos los rayos eranlanzados por Zeus. Para los vikingos los rayos eran producidos por Thor, quiengolpeaba su martillo sobre un yunque mientras se desplazaba en su carro guerrero atravs de las nubes. En oriente, las estatuas antiguas de Buda muestran un rayo conflechas en ambos extremos. Los indgenas de Amrica del Norte crean que los rayoseran plumas voladoras de un mstico pjaro tronador, cuyo aleteo produca el sonidodel trueno.

En la actualidad los cientficos utilizan procedimientos experimentales yconceptos intuitivos para explicar el fenmeno del rayo.

Benjamn Franklin fue el primer cientfico en estudiar el rayo. Con anterioridad

se conoca que las cargas elctricas positivas y negativas podan separarse yalmacenarse en primitivos capacitores, con los cuales pudieron generarse yobservarse chispas.

Franklin not similitud entre las chispas de laboratorio y el rayo, llegando a laconclusin que el rayo es de naturaleza elctrica, por lo tanto las nubes estncargadas elctricamente. En distintos experimentos observ que desde una nubecargada elctricamente pueden saltar chispas hacia una barra de acero conectada atierra. Tambin demostr que las nubes generalmente estn cargadas negativamenteen su parte inferior.

Como las partculas de las nubes estn en permanente movimiento,interactuando entre ellas y generan colisiones intercambiando energa, adquiriendo las

ms pequeas cargas positivas y la de mayor tamao cargas negativas, estaspartculas debido a la gravedad tienden a separarse quedando la nube con cargaspositivas en su parte superior y con cargas negativas en su inferior. Esta separacinde cargas produce enormes potenciales elctricos entre nubes o entre nube y tierra.Esto puede llegar a millones de voltios y eventualmente ante la ruptura de laresistencia dielctrica del aire de produce la descarga.

El rayo est compuesto de una serie de impulsos unidireccionales aperidicoscon un promedio de 4, pudiendo llegar a un mximo de 10. El largo y la duracin decada rayo es variable, pero oscila alrededor de 30 mS. La energa pico promedio delos pulsos es de 1000 Watts.

El sonido es generado por calentamiento de la atmsfera por la descarga

elctrica en el orden de los 20.000 C (3 veces la temperatura de la superficie del sol).Esto comprime el aire circundante del canal del rayo produciendo un choque de ondas,descomponindose en una onda acstica que se propaga fuera del canal del rayo.

La luz del rayo viaja a 186.000 millas/Segundo, alrededor de 1 milln de vecesla velocidad del sonido.

Tipos de descargas atmosfricas.


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Las descargas atmosfricas se producen al superar el gradiente de potencial,

existente entre los centros de cargas de distinta polaridad, los 10 KV/cm, valor de larigidez dielctrica del aire que al romperse deja un camino de menor resistencia atravs de la atmsfera.

Descarga nube-tierra. Es el ms daino y peligroso de los rayos. Debido a lascargas positivas acumuladas en la superficie terrestre se produce un gradiente depotencial entre la tierra y el centro de cargas negativas en la parte inferior de las nube.Al producirse la descarga hay una cesin mayoritaria de cargas negativas a la tierra.Tambin hay una entrega de cargas positivas pero de menor cuanta.

Descarga dentro de la nube. Ocurre entre centros de cargas opuestas dentrode la misma nube. Este proceso tiene lugar dentro de la nube y se ve desde el exteriorcomo un brillo difuso. Sin embargo la descarga puede salir fuera de los lmites de lanube observndose un brillo similar al de una descarga nube-tierra. La relacin de losrayos nube-tierra y dentro de la nube pueden variar significativamente de una tormentaa otra. Tormentas con mayor desarrollo vertical pueden producir casi exclusivamente

rayos dentro de la nube. Tambin influye la posicin con respecto a la latitud,existiendo un mayor porcentaje de descargas nube-tierra a altas latitudes. Detalles deporque una descarga existe dentro de la nube o se dirige a tierra an no sonconocidos. Quizs la descarga se dirige hacia la tierra cuando el gradiente de campoelctrico en la regin inferior de la nube es mayor que en la direccin contraria.

Descargas entre nubes. Como su nombre implica, ocurre entre centros decargas de dos nubes diferentes a travs de la descarga por un camino de aire entreambas.

Segn investigaciones de la NASA el tipo de descarga atmosfrica nube-tierrano es un de los ms frecuentes, pero si el ms conocido y que las que se producendentro de las nubes son las ms comunes. En cambio investigadores australianos

afirman que las descargas atmosfricas nube-tierra ocurren en el 50 % de los casos.

Proceso de descarga del rayo.

Con la ruptura del dielctrico del aire en un campo elctrico, un rayo puedecomenzar su propagacin descendente hacia la tierra. Este se mueve en pasos deaproximadamente 50 metros y es llamado Lder de Pasos. Como este crece, crea uncamino ionizado depositando cargas a lo largo del canal, y como el lder de pasos seacerca a la tierra, una gran diferencia de potencia es generada entre su extremo y latierra. Normalmente un rayo es lanzado desde la tierra y es interceptado por el lder depasos justo antes de alcanzar la tierra. Una vez logrado el camino de conexin unpulso de retorno vuela alrededor del camino ionizado hasta alcanzar la velocidad de la

luz. Este pulso de retorno libera gran energa, luz brillante y trueno. Ocasionalmentecuando hay un objeto elevado puesto a tierra la descarga puede realizarse sobre el.

Las descargas atmosfricas sobre un sistema pueden ser directas o indirectas.Las descargas indirectas se dan cuando una nube cargada induce en el sistema, porejemplo lneas elctricas, cargas de signo contrario. Al producirse una descarga denube a nube o nube-tierra y por la variacin del campo elctrico, se originan en elsistema sobretensiones de frente escarpado de varios centenares de KV. Asimismo


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por la rapidez de la descarga se origina un intenso campo magntico y por induccinelectromagntica se genera una sobrecorriente.

Las descargas directas o sea el paso de la corriente de rayo a travs delsistema originan bsicamente tres efectos:a) Electroqumicos: los objetos atravesados por la descarga pueden sufrir profundasalteraciones y descomposiciones en sus materiales.b) Electrodinmicos: A su paso la corriente de la descarga origina un intenso campomagntico que induce corriente en las partes metlicas prximas produciendoalteraciones en las aislaciones o en la forma de las canalizaciones.c) Trmicos: es el ms importante por el calor que puede desarrollar dando lugar a lafusin del material.

Las ondas de tensin o de corriente de una descarga atmosfrica son similaresen su forma. Los valores de las corriente de rayo pudieron hallarse por anlisis delcampo magntico inducido y sus lmites son:

Valor mximo de corriente: 200 KA

Valor mximo de tensin: 600 KVVelocidad de frente de onda: 50 KA/S

Duracin del frente de onda: 1 SDuracin de la cola de la onda:100 S

Figura 1

Como se observa el frente de onda es muy escarpado por lo que se debe teneren cuenta la impedancia de los conductores de bajada y puesta a tierra. La duracin


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del frente de onda T1 se considera desde que la corriente del rayo pasa del 10 al 90 %del valor de cresta. El gradiente del frente de onda est dado por la relacin entre lacorriente del 10 al 90 % y la duracin del frente de onda. La duracin de la cola de laonda T2 est medida desde el origen convencional hasta el valor final del 50 % de lacresta descendente. La relacin T1/T2 define la forma de la onda. Segn estudios

recientes realizados en Europa y Australia la onda del rayo tiene una forma 10/350 S.

Segn estadsticas se calcula que caen diariamente unos 8 millones de rayos yque la actividad cerunica es mxima en el ecuador, disminuyendo hacia los polos.Cada ao los rayos son responsables de la muerte de cientos de personas, severaslesiones a otras tantas y millones de dlares en daos a las propiedades, nicamenteen los Estados Unidos.

Un estudio realizado en Alemania con las compaas aseguradoras, arrojcomo resultado que el mayor resarcimiento econmico que las mismas debencumplimentar se debe a daos producidos por descargas atmosfricas ysobretensiones.

Figura 2

Protecciones contra Rayos y Sobretensiones.

El comercio, la industria, las empresas estatales y municipales y tambin laseconomas domsticas dependen cada vez en mayor medida de aparatos electrnicosy de sistemas tcnicos de informacin.

Los fallos en este tipo de instalaciones tan sensibles, se deben, con muchafrecuencia, a descargas electrostticas, a sobretensiones por conmutaciones o asobretensiones derivadas de las descargas de rayos. En particular los daos causadospor sobretensiones producidas durante las tormentas han puesto de manifiesto

Sobretensin29%

Robo18%Descuido28%

Fuego3%

Agua4%

Varios18%


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durante los ltimos aos que, instalaciones electrnicas situadas hasta 1,5 Km dedistancia del punto de descarga de un rayo estn expuestas al peligro de camposmagnticos y a sobretensiones en los conductores.

Fallas y caidas en sistemas informaticos pueden tener consecuenciasdramticas pudiendo llevar incluso a la quiebra a las empresas afectadas. Segninvestigaciones efectuadas por la asociacin de responsabilidades civiles de laindustria alemana, un 40 % de las empresas que han tenido que soportar lasconsecuencias de una caida total del sistema informtico no pueden sobrevivir.

Sin embargo el estado actual de las tcnicas permite ofrecer una proteccinefectiva de las instalaciones frente a las repercuciones y consecuencias de descargasde rayos y de sobretensiones.

Esta conviccin ha llevado en los ltimos aos al desarrollo de normasinternacionales de proteccin contra rayos, como:

IEC 1024-1, Proteccin de estructuras contra rayos.

IEC 1312, Protecin contra impulsos electromagnticos del rayo. DIN VDE 0185, parte 100, Proteccin de edificios, principios generales. Din VDE 0185, parte 102, Proteccin de edificios, principios generales,

directrices de aplicacin. DIN VDE 0185, parte 103, Proteccin contra impulsos electromagnticos de

rayos (LEM), principios generales.

IRAM 2184-1, Proteccin de estructuras contra descargas atmosfricas.

Esta ltima es la que tomaremos como gua para el presente estudio.

Desde que Franklin probara el carcter elctrico del rayo, se ha puesto muchaimaginacin y estudio para resolver el problema de preservar vidas y bienes materialesde sus destructivos efectos.

Ya se ha dejado establecido que todos los efectos destructivos del rayo serelacionan con los fenmenos asociados a sus poderosas corrientes pulsantes. Por lotanto, todo sistema de proteccin debe apuntar a sacar lo que se quiere proteger de sucamino y ello es, lo que hacen o tratan de hacer los diferentes sistemas desarrollados.

La primera idea que se le ocurri a Franklin es la de crear un punto que sea elms adecuado para que se produzca el salto de la corriente de retorno y desde allmanejar dicha corriente en su camino a tierra. Fu as que ide el colocar en el puntoms elevado del edificio a proteger, una varilla de hierro aguzada como aguja yconectarla a tierra por medio de un conductor metlico. Aparecen por primera vez, lostres elementos bsicos de un sistema de pararrayos: la punta captora, la bajada y latoma de tierra.

Este conjunto, que en pocas de Franklin formaba todo el sistema deproteccin, ha sido completado con la evolucin de la tcnica con sistemas dedispositivos accesorios, pues demostr ser insuficiente. Hoy reservamos para l elnombre de proteccin primaria o exterior y para el conjunto de los segundos el deproteccin secundaria o interior. Esta ltima denominacin no quiere expresar que elsegundo subsistema es de menor importancia ya que el sistema no funciona con la


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seguridad que debe proporcionar si no es completo, sino que constituye la segundalnea de este.

Algunos investigadores han elaborado un plan que contempla seis puntos deproteccin a saber:

1. Capturar el rayo sin producir daos.2. Conducir el rayo hacia el sistema de puesta a tierra sin inconvenientes.3. Disipar la energa en un sistema de puesta a tierra de baja impedancia.4. Eliminar los lazos y retornos de tierra5. Proteger los equipos contra las sobretensiones de las lneas de energa.6. Proteger los equipos contra los transitorios de las lneas de comunicaciones

y seales.

Proteccin externa contra rayos.

La tarea de la proteccin externa contra rayos consiste en evitar daosproducidos por incendio o daos producidos por destruccin mecnicas en un edificiocomo consecuencia de una descarga de rayo. En la Norma IRAM 2184-1 se definenlas instalaciones de proteccin contra rayos en distintas clases de proteccin debido ala diferente efectividad de las medidas.

Clases o Niveles de proteccin

Teniendo en cuenta la calidad o efectividad del sistema de proteccin que sedesea implementar se deben tener en cuenta distintos factores a saber:

- Dimensin y ubicacin de la estructura.

- Clases de estructura.- Densidad de rayos aceptada por la estructura Nc.

Con estos datos se calcula la frecuencia anual promedio de rayos

Nd = Ng . Ae

donde Ae es el area equivalente en una superficie plana de la estructura y Ng nos da lacantidad de rayos por ao y por Km cuadrado y responde a la siguiente ecuacin:

Ng = 0,04 . td1,25

[ rayos a tierra / ( Km2 . ao ) ]

Siendo td un valor que se obtiene de las curvas cerunicas (figura 6).


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Figura 3

Figura 4


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Figura 5

Este valor de Nd

es comparado con la cantidad de eventos crticos Nc, que est

en funcin de la clase de estructura y es proporcionado por una autoridad competente.Si la frecuencia de rayos sobre la estructura Nd es menor o igual que la cantidad deeventos crticos Nc no ser necesario instalar un sistema de proteccin contradescargas atmosfricas.

Es posible hallar la eficiencia y con ella los distintos niveles de proteccinmediante la siguiente ecuacin:

E = 1 Nc / Nd

La que se representa en la figura 7.

Esto tambin se puede apreciar en la siguiente tabla.

Nivel de Proteccin Eficiencia E del spcr

IIIIIIIV

0.980.950.900.80

Tabla 1


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Figura 7


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Dispositivo captor

La probabilidad de que un rayo penetre en el espacio a proteger se reduceconsiderablemente con la presencia de un dispositivo captor diseadoadecuadamente.

Los sistemas captores pueden estar formados por cualquier combinacin de loselementos siguientes:

1. Varillas con punta captora.

1.a. Pararrayos Franklin o de punta. Pueden ser de bronce o acero inoxidable y laspuntas deben ser aguzadas para permitir una gran concentracin de gradiente. Estedispositivo no es el ms conveniente, pues la punta incluso es un elemento e elevadaresistencia y se funde tras cada descarga. La cobertura de este tipo de pararrayosalcanza un valor mximo de un semingulo de 45 dependiendo de la altura a la queest instalado.

1.b. Pararrayos inico. El pararrayos inico est constituido por:

1.b.I. Una punta captora de cobre electroltico o de acero inoxidable queatraviesa el pararrayos, creando de esta forma un camino hacia tierra.

1.b.II. Electrodos superiores para la generacin de chispas.

1.b.III. Un dispositivo elctrico de cebado blindado en una caja protectora yhermtica.

El pararrayos inico aprovecha la energa del campo ambiental que aumentaen forma considerable a la proximidad de las tormentas, para alcanzar miles de voltios

por centmetro. Sus captores inferiores permiten almacenar la energa elctrica dentrodel dispositivo de ionizacin. Cuando la descarga es inminente se observa unrepentino incremento del campo elctrico local, que es detectado por el pararrayos.Esta informacin permite activar el dispositivo elctrico de cebado que libera la energaacumulada a travs de los electrodos superiores, provocando una ionizacin en laparte superior del pararrayos..

La ionizacin a nivel de la punta se caracteriza por:

1.b.I. El dominio de disparo de iones: el dispositivo de cebado permite generariones en un lapso de tiempo muy corto. La precisin del sistema de activacin asegurasu funcionamiento en el momento ms crtico, vale decir en el instante inmediatamenteprevio a la descarga principal.

1.b.II. La anticipacin del trazado ascendente: por su accin va anticipando laformacin de un trazador ascendente, a partir de su punta, con respecto a cualquieraspereza vecina. Es por lo tanto el punto de impacto privilegiado del rayo en la zonaprotegida y el que suscita, en el momento oportuno, el camino preferencial del rayo.

Estos dispositivos tienen una serie de ventajas a saber: permite una mayorcobertura ya que para igual altura que un pararrayos de punta, este tiene unacobertura de 3 a 6 veces el anterior; funcionamiento totalmente autnomo; se activa


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nicamente ante el riesgo inminente de la cada de un rayo; la cantidad de ionizacindepende de la intensidad del rayo.

La emisin se incrementa en forma directamente proporcional al cuadrado de ladisminucin de la distancia. A medida que el lder de pasos se acerca, se incrementala cantidad de iones producidos.

Los pararrayos inicos no son recomendables para instalacin sobre mstil dems de 40 metros de altura por sobre el nivel de la estructura a proteger.

1.c. Pararrayos radiactivos. Mejora el funcionamiento de las puntas Franklindeteriorando la rigidez dielctrica del aire que lo circunda agregando radioistoposradiactivos en su inmediata cercana. Estos istopos (bromuro de radio), por la accin

de la radiactividad ioniza fuertemente el aire que rodea la punta. En estascondiciones el salto de la corriente de retorno es inducida por el rayo desde una mayordistancia, lo que aumenta el radio de accin de la punta.

A diferencia del pararrayos inico, la cantidad de ionizacin que produce esconstante y depende de la cantidad de istopo radiactivo.

1.d. Pararrayos piezoelctricos. Al igual que los pararrayos radiactivos tienengeneradores de ines independientes de las condiciones atmosfricas.

La particularidad de los pararrayos activos (inico, radioactivo y piezoelctrico)es la anticipacin en la formacin del lder ascendente. Esta se produce, ms omenos, en la mitad del tiempo en que la hace un pararrayos de punta. El lderstreamer comienza a recorrer antes el espacio que lo separa del descendente. Ya harecorrido una distancia que lo acerc al descendente, cuando los otros lderes, conaquel originado en el captor Franklin, recin comienzan su desplazamiento. El tiempo

ganado se ha transformado en distancia ganada: la intercepcin del lder descendentepor el ascendente se produce a mayor distancia del captor o, lo que es lo mismo, amayor altura. El cono de proteccin, cuyo vrtice coincide con el extremo superior delcaptor, tambin se ha elevado y cubrir un radio enormemente mayor. Este mayorradio depende del incremento de ionizacin por cm3.

2. Conductores tendidos captores.

Hay situaciones en que los pararrayos de punta no resultan prcticos ya que lazona a proteger es extensa en longitud y angosta en ancho, tal el caso de las lneaselctricas. Para ello se dispone sobre el nivel de la lnea elctrica un conductorconectado a tierra el que recibe el nombre de hilo de guardia. La descarga a tierra se

hace por medio de bajadas situadas a no mucha distancia una de otra. La coberturacomprobada experimentalmente no excede un semingulo de seguridad de 30 .

Tiene la ventaja de su fcil instalacin y su bajo costo.

Por otra parte cuando un rayo incide sobre un edificio sin proteger lo hace confrecuencia sobre las aristas o sobre las esquinas, puntos de gran concentracin degradientes elctricos. Lo que se suele hacer es acompaar estas aristas con un hiloperimetral puesto a tierra.


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1. Mallas de conductores captores.

Como una extensin de los captores con conductores tendidos en edificios degran superficie o muy irregulares, se suele realizar tendidos de conductores paralelosy transversales formando una red o malla, llamada vulgarmente Jaula de Faraday.

La distancia mnima entre la parte inferior de la catenaria de un captorhorizontal elevado y el plano a proteger ser de 2 metros. Esta distancia se elevar a 4metros cuando la zona sea de circulacin de personas.

Mtodo del ngulo de proteccin

Es posible determinar con bastante exactitud las zonas y ngulos deproteccin, cuando se utilizan pararrayos de puntas.

Existen diversas frmulas para el clculo segn la altura del pararrayos:

- para pararrayos de hasta 30 metros de altura total

rx = 1,6 ha / ( 1 + hx / h ) [ m ]

siendo:

h : altura total del pararrayoshx: altura del objeto a protegerha: h hx: altura activa del pararrayosrx: radio de proteccin

Figura 8


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A fin de facilitar algunas aproximaciones se tiene en cuenta el siguiente grfico,en el que se obtiene para distintas alturas de pararrayos, valores del radio deproteccin en funcin de la relacin hx / h.

Figura 9


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El ngulo de proteccin es posible hallarlo de la relacin entre el radio deproteccin y la altura activa del pararrayos

Tg = rx / ha

- si el pararrayos tiene una altura mayor de 30 metros se emplea la siguienteexpresin:

rx = 8,8 ha / [( 1 + hx / x ) h-1/2 ]

Cuando se tienen 2 pararrayos de puntas de igual altura la zona de proteccintiene una forma como la indicada en la figura

Figura 10

En la cual:

a: distancia entre los pararrayos.2bx: ancho mnimo de la zona de proteccin a la altura hx.rx: radio de proteccin de un solo pararrayos.R: radio de un crculo que pasa por la cima de los pararrayos.

el punto O est a un nivel

para h


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para h > 30 metros - - - - - - - - - - - - - - - - - { [ h a ( h ) ] / 38,5 }

Para el espacio no comn de proteccin de ambos pararrayos la determinacinde rx se realiza como si se tratara de un pararrayos aislado.

El ancho mnimo de la zona de proteccin a una altura hx entre 2 pararrayos dealtura h (menor de 30 metros) se determina grficamente de las figuras

Figura 11

Figura 12


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En el caso de pararrayos de altura mayor de 30 metros, se utilizan los grficosanteriores multiplicando las escalas de los ejes coordenados por el factor:

P = 5,5 / (h)

Es posible proteger una superficie por medio de 3 o 4 pararrayos de punta,cuya cobertura se muestra en las figuras

Figura 13 Figura 14

donde bx, bx y bx el ancho de la zona de proteccin entre los pararrayos se

determinan segn las curvas de las figuras anteriores.

La condicin indispensable para proteger toda la superficie entre los pararrayoses:

para h


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La distancia D entre el punto de impacto y el punto de unin de los lideres, esconocido como distancia de impacto y es adems el recorrido de longitud del lderascendente.

Por lo anterior, esto aparece como una esfera ficticia de radio D, y movindosergidamente con el extremo del lder descendente en su centro.

Figura 15

Considerando un pararrayos simple de altura h respecto a la superficie dereferencia (azotea, tierra plana, mstiles, etc.) se tienen tres posibilidades.

Si le esfera entra en contacto con el pararrayos vertical (A) solamente, elpararrayos debe ser el punto de impacto.

Si la esfera entra en contacto con la superficie de referencia y no con el

pararrayos, el punto de impacto debe ser la tierra (S).

Si la esfera entra en contacto con ambos, el pararrayos y la superficie dereferencia al mismo tiempo, estos son dos posibles puntos de impacto: A yC, pero la descarga del rayo nunca deber impactar sobre el reasombreada.

Tabla 2


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La distancia de impacto D est dada por la siguiente ecuacin:

D = 10 . I 2/3 [ m ]

siendo I el pico de corriente de retorno del primer impacto en KA.

Mtodo de mallas

Este mtodo utiliza mallas de conductores como captores, instalados sobre lasuperficie a proteger y solidariamente unidos. Requiere de varias bajadas para laconduccin de la corriente del rayo hacia tierra.

La separacin de la trama entre los conductores captores vara segn el nivelde proteccin deseado.

Conductores de bajada.

Este elemento contituye la conexin entre el captor y la puesta a tierra. Por elcircula toda la corriente del rayo. En su forma ms elemental est formado por unconducto metlico que puede ser cable, alambre o planchuela.

El tema del material de contruccin de las bajadas ha sido motivo de polmicasterminando por generalizarse el uso del cobre por ser resistente a la corrosin.Trataremos de clarificar la importancia de la conductividad del material.

Cualquier conductor al paso de una corriente pulsante como la del rayo,presenta una resistencia hmica y una impedancia inductiva. Un simple clculopermite tener una idea de sus valores relativos. Consideraremos a modo de

comparacin de materiales el cobre y el hierro. La resistencia hmica especfica delcobre es 1,7.10-8 ohm.m. por m2 de seccin y la del hierro es de 1,0.10-8 ohm.m porm2 de seccin.

Si consideramos un cable de 50 mm2 de seccin y 20 m de longitud, este tienepor resistencia para el cobre:

R = 1,7.10-8 . 20 / ( 50 . 10-6 ) = 0,007 ohm

y para el hierro:

R = 1,0.10-8 . 20 / ( 50 . 10-6 ) = 0,04 ohm.

Si se tiene en cuenta que la corriente del rayo no es continua sino que tieneuna forma de onda pulsante y que el tiempo de crecimiento T1 es de 10 S, elconductor se comportar de manera diferente debido al efecto pelicular variando elvalor de su resistencia en aumento a la cual se denomina Resistencia de corrientealterna Rca. Este fenmeno se ver luego al tratar el tema de las distintas seccionesde conductores.

El valor de la inductancia para materiales no magnticos, como el cobre, estdada por:


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Lo = 0,00508 . l ( 2,303 . log ( 4 l / d ) - 0,75 ) mHy

Lo = 0,00508 . 787 ( 2,303 log ( 4 . 787 / 0,31 ) - 0,75 ) = 34 mHy

estando todas las longitudes en pulgadas.

Si el material es magntico como el hierro la frmula a utilizar en este casotiene un nuevo parmetro que es la permeabilidad magntica m = 1,58.10-3 ( Tesla . m/ Av ) = 0,062 ( Tesla . pulg / Av ):

L = 0,00508 . l ( 2,303 . log ( 4 . l / d ) - 1 + m / 4 ) Hy

L = 0,00508 . 787 ( 2,303 log ( 4. 787 / 0,31 ) - 1 + 0,062 / 4 ) = 33 Hy

Si pensamos que este conductor es recorrido por un rayo con un valorpromedio de corriente de rayo de 30.000 Amperes tendremos una elevacin detensin dada por:

tensin en la resistencia hmica

Er = I . R = 30.000 . 0,0007 = 210 Volts

para el cobre y para el hierro

Er = 30.000 . 0,04 = 1.200 Volts

tensin en la impedancia (considerando que el tiempo de crecimiento de la corriente

del rayo T1 es de 10 S)

El = I . Xl = I. 2 . . f . L = I . 2 . . L / t =

= 30.000 . 2 . . 33.10-6 / 10.10-6 = 622 Kvolts.

La comparacin entre estos dos valores nos nuestra que carece, para la mismaeleccin de bajada, de importancia el material del que est construido siempre que seametlico, an en el caso del hierro que, al ser magntico, se satura al paso del pulso,reduciendo la seccin con respecto a la resistencia hmica.

Lo anterior nos lleva a la conclusin de que es intil el pretender aislar lastensiones del rayo. La nica defensa que disponemos contra las enormessobretensiones que genera es el cortocircuito.

El valor de El calculado es para la impedancia pura de un conductor recto.

Dems est decir que cada curva que se agregue a la bajada aumentar laimpedancia y con ello la tensin generada. La Norma IRAM 2184-1 establece quedeben evitarse la formacin de bucles. Si esto no es posible, la distancia S medidaentre dos puntos del conductor y la longitud l del conductor entre estos dos puntosdebern cumplimentar con lo siguiente:

S >= d


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d = Ki . Kc . l / Km [ m ]

Figura 16

siendo: Ki = un coeficiente que depende del nivel de proteccin elegido para el sistemade proteccin contra rayos

Nivel de proteccin Ki

I 0.1

II 0.075

III y IV 0.05

Tabla 3

l = longitud de la bajada desde el punto en que se tiene en cuenta laproximidad hasta el punto de conexin equipotencial ms prximo

Kc = un coeficiente que depende de la configuracin dimensional


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Figura 17

Figura 18


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Figura 19

Km = es un coeficiente que depende del material separador

Material Km

Aire 1

Slido 0.5

Tabla 4

Para el caso de varias bajadas no muy cercanas unas de otras, la corriente sedivide entre todas y por ello la tensin disminuye. Por este motivo la Norma IRAM2184-1 prescribe por lo menos dos bajadas diametralmente opuestas para elpararrayos.

Para el caso de sistemas de proteccin contra rayos aislados de la estructura aproteger, si el dispositivo captor est formado por varillas colocadas sobre mstilesseparados (o sobre un solo mstil), se necesitar al menos una bajada por cadamstil. Si los mstiles son metlicos o existe una armadura de acero interconectada,no es necesaria una bajada suplementaria.


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Si el captor forma una red de mallas de conductores, se necesitar al menosuna bajada por cada estructura de apoyo.

Si el sistema de proteccin contra rayos no est aislado de la estructura aproteger, las bajadas se repartirn a lo largo del permetro del espacio a proteger, deforma que su separacin media no sea mayor que los valores que figura en lasiguiente tabla:

Nivel de proteccin Distancia media (m)

I 10

II 15

III 20

IV 25

Tabla 5

Preferentemente, las bajadas se distribuirn de manera uniforme a lo largo delpermetro y en la medida de lo posible, cerca de los diferentes ngulos de laestructura.

Estas bajadas se interconectarn mediante conductores anulares horizontalescerca del nivel del suelo y por anillos adicionales cada 20 m de altura.

Un caso particular lo presentan los edificios con estructuras metlicas o dehormign armado. Estos representan el mejor mtodo para distribuir la corriente delrayo entre muchos caminos paralelos. Las barras de refuerzo deben estarelctricamente conectadas entre ellas por medio de grampas, soldaduras o alambre deatar. Segn experiencias realizadas sobre ms de 1.000 probetas demostraron quedos vueltas de alambre de atar, uniendo dos hierros superpuestos en el doble de sudimetro soportan, embebidos en el hormign armado, perfectamente el impacto delrayo.

En el caso del uso de estructuras metlicas o de hormign armado comobajadas, adems de justificaciones econmicas tiene su razn de ser en la seguridad,ya que si se toma adecuadamente el terminal areo, todo el edificio acta como unconductor de enorme seccin con la consiguiente disminucin de la impedancia, y conello, de la tensin producida. Adems todo lo contenido en el edificio est en unaverdadera Jaula de Faraday. Esto es particularmente beneficioso para equiposaltamente sensibles como los electrnicos.


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Las estructuras premoldeadas carecen de continuidad elctrica entre lasestructuras metlicas de distintos componentes.

Tipos de conductores de bajada.

Los tipos de conductores de bajada ms comunes en cuanto a sus materialesson el cobre puro y el acero revestido de una pelcula de cobre. Teniendo en cuentalas formas de los conductores los hay se seccin circular como alambre o cable,seccin rectngular en forma de cinta o planchuela o de seccin anular como tubos.

Se realizar un anlisis de como se comportan las resistencias e inductanciassegn las distintas secciones de los conductores de bajada, frente a corrientes de altafrecuencia o gran dI/dt como las corrientes de rayo.

Al circular por el conductor una corriente pulsante con un valor de dI/dt alto, lasprdidas de potencia aumentan, comparadas con las generadas por la circulacin delmismo valor de corriente pero de continua. Esto se debe a varios factores, siendo el

principal el efecto pelicular o Skin.

En altas frecuencias la corriente que circula por un conductor no estuniformemente distribuida en la seccin transversal, sino que tiende a concentrarsecerca de la superficie. Este es el llamado efecto pelicular y es el resultado de la accinde las lneas de flujo no magntico que no rodean uniformemente al conductor.

Seguiremos considerando el ejemplo, al que agregaremos que el tiempo de

crecimiento de la onda del rayo es de 10 S. La resistencia de corriente continua tomael valor de:

R = . l / S

para un conductor de seccin circular, la resistencia a la corriente alterna seobtiene mediante la figura 19, donde:

x = ( 8 . . . f / ( r . 109 ) )1/2

siendo : permeabilidad del conductor [ tesla . pulg / Av ]f: frecuencia [ Hz ]R: resistencia para corriente contnua para 1 cm de conductor [ Ohm ]

Para el hierro:

x = ( 8. . 0,062 . 100.103 / ( 2.10-5 . 109 ) )1/2 = 2,8

Rca / Rcc = 1,3

Rca = 1,3 . Rcc = 1,3 . 0,04 = 0,052 ohm


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Figura 20

Para el cobre la formula anterior se simplifica, quedando:

x = 0,271 . d . ( f )1/2

siendo d: dimetro en milsimas de pulgadas

f: frecuencia (Hz)

x = 0,271 . 0,31.103 ( 0,1 )1/2 = 26,5

Rca / Rcc = 9,5

Rca = 9,5 . Rcc = 9,5 . 0,007 = 0, 066 ohm.

La inductancia a baja frecuencia para el cobre est dada por la frmulasiguiente:

Lo = 0,0058 . l . ( 2,303 . log ( 4 . l / d ) - 0,75 ) = 34 Hy

y para materiales magnticos, se tiene:

Lo = 0,0058 . l . ( 2,303 . log ( 4 . l / d ) - 1 + / 4 ) = 33 Hy

Al aumentar la frecuencia estas ecuaciones sufren una modificacin, tomando laforma:

L = 0,0058 . l . ( 2,303 . log (4 . l / d ) - 1 + / )


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donde es un factor que tiene en cuenta el efecto pelicular y se obtiene del siguientebaco:

Figura 21

Para nuestro ejemplo:

= 0,025

L = 32,89 Hy para el hierro yL = 32,99 Hy para el cobre.

Si ahora el conductor de bajada es una cinta de 50 mm de ancho y 1 mm deespesor (seccin 50 mm2), es posible obtener su resistencia a corrientes alternasutilizando la siguiente figura:


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Figura 22

donde p = ( 8 . . f ( ( R . 109 ) )1/2

siendo f: frecuencia [ Hz ]R: resistencia en corriente contnua por cm de longitud

p = 2,8

Rca / Rcc = 1,2

Rca = 1,2 . Rcc = 1,2 . 0,007 = 0,0084 ohm.

La inductancia a bajas frecuencia de una barra rectangular recta de longitud l,ancho b y espesor c, en pulgadas, es:

Lo = 0,0058 . l . ( 2,303 . log ( 2 . l / ( b + c ) ) + 0,5 + 0,2235 . ( b + c ) / l ) Hy

Lo = 0,0058 . 787 . ( 2,303 . log ( 2. 787 / ( 1,96 + 0,039 ) + 0,5 + 0,2235 .

( 1,96 + 0,039 ) / 787 = 28,66 Hy

Puesta a tierra

Sabemos ya que los iones necesarios para formar la corriente de retorno sonextraidas de la tierra por el sistema, por medio de lo que se llama dispersor de tierra.


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Ocurre que, an en las ms ptimas condiciones de construccin la toma de

tierra tiene una resistencia de valor finito que, al ser recorrida por la corriente, producetensiones. Todas las normas sobre instalacin de pararrayos, tratan de disminuir losriesgos derivados de estas tensiones, limitan el valor permitido a la resistencia detierra, limitacin que va desde un mnimo de 2 ohm del cdigo holandes, hasta unmximo de 30 ohm del sudafricano. Nuestra Norma IRAM 2184-1, siguiendo el cdigoingls, permite hasta un mximo de 10 ohm.

El factor principal para la utilizacin de un sistema de toma de tierra es laresistividad del suelo en la regin considerada. Tal resistividad dependeescencialmente de factores comunes a vastas regiones, pero ciertas particularidadeslocales pueden inducir a elegir ciertos puntos para el establecimiento de sistemas detomas de tierra, por su resistividad de tierra ms favorable.

An as es difcil conseguir los valores de resistencia deseables en numerosospuntos del globo terrqueo donde el suelo est constituido por una delgada capa deroca o de arena, o donde las precipitaciones son poco abundantes o estn

concentradas en cortos perodos. Cuando hay cierta libertad en la eleccin delemplazamiento, se pueden aprovechar las variaciones locales de la resistividad paraestablecer un sistema de tomas de tierra de resistividad suficientemente reducidas.

La resistividad de la tierra depende sobre todo del tamao de las partculas quela componen, de la proporcin de materiales solubles y de su grado de humedad. Elsuelo se compone principalmente de xidos de silicio y de aluminio que son buenosaislantes. La presencia de sales en estos xidos reducen la resistividad. En la tabla 6se dan valores representativos de la resistividad para diferentes tipos de suelo.

La resistividad se debe por una parte al proceso electroltico y por otra, a laresistencia de contacto entre un gran nmero de finas partculas. Si el contenido deagua o de sales es elevado, el fenmeno predominante ser probablemente el

proceso electroltico; en cambio, si el proceso es seco, los factores escenciales sernel tamao de las partculas y el volumen del aire retenido en sus insterticios. El tamaodel grano, su distribucin y la compactacin, son tambin factores influyentes, dadoque controlan el modo en que la humedad se mantiene en el suelo.

Como se vi ms arriba la resistividad del terreno est en funcin de laprofundidad, la humedad y la temperatura del suelo. La variacin con respecto a losparmetros mencionados puede observarse en las figuras 23.


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( a )

( b )

( c ) Figuras 23 a, b y c


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La resistividad del terreno se expresa en ohm.metro y representa la resistividadelctrica de un cubo de tierra de 1 m de lado. La resistencia elctrica total de unainstalacin de puesta a tierra es la suma de las tres resistencias a saber:

a) Resistencia hmica de los conductores que constituyen la instalacin depuesta a tierra

b) Resistencia de contacto entre el sistema de electrodos de puesta a tierra yel suelo circundante

c) Resistencia del suelo que rodea al sistema de electrodos de puesta a tierra(resistencia de dispersin).

La difusin de la corriente queda determinada por la resistencia de dispersin yel hiperboloide de revolucin de la tensin. Esto es, las corrientes tienden a penetrarms profundamente en el suelo cuanto ms elevada es la conductividad del mismo, ypor el contrario flotan hacia la superficie a medida que la frecuencia es ms alta.

Los filetes de corriente del rayo por el suelo se expanden radialmente desde latoma de tierra y se extienden a una gran distancia respecto de las dimensiones de ella

en todas las direcciones. Tambin puede deslizarse por otra red de tierra ms omenos alejada como sucede en el caso de la medicin del valor de la resistencia deuna puesta a tierra.

En este caso, se originan efectos tales como la aparicin de potenciales entorno a la red de tierra. Este razonamiento se efecta con el electrodo ms simple ycmodo que es la semiesfera, el mismo se entierra en la superficie de un terreno

homogneo de resistividad .

Los filetes de corriente se distribuyen determinando superficies equipotencialesque sern semiesferas concntricas con las del electrodo y cuyas intersecciones conla superficie del suelo, tendr forma circular como muestra la figura

Figura 24

Si el valor de la corriente del rayo es I, la densidad de corriente J a unadistancia x (en metros) del centro ser:


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J = I / S = I / ( 2 . . x2 ) [A / m2]

El valor del campo elctrico E (o gradiente de potencial G) que se harpresente en ese lugar estar dado por:

E = G = dU / dx =

. J =

. I / ( 2 .

. x2 ) [ V / m ]

De manera tal que, la diferencia de potencial entre el electrodo de radio r y elpunto considerado Ur-x ser:

x

Ur-x = re. dx = ( . I / 2 . ) .( 1 / r 1 / x )

El potencial absoluto del electrodo con respecto a un punto de referenciainfinitamente alejado tendr por expresin

Ur-x

= 0,16 . . I / r

Anlogamente, para cualquier punto a una distancia x del centro de electrodo,podr escribirse que el potencial absoluto es:

Ux = 0,16 . . I / x

De manera que para la corriente de rayo y un terreno determinado, vara inversamenteproporcional a su distancia del centro del electrodo, obviamente con independencia delradio de este, siendo la curva que representa su variacin, una hiprbola como seobserva en la siguiente figura

Figura 25

En la figura anterior se puede apreciar que el valor de la tensin absoluta delelectrodo se reduce a la mitad para puntos que disten de la periferia del mismo unalongitud igual al radio.


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La resistencia que posee el electrodo semiesfrico, se puede hallar como larelacin de su potencial absoluto y la intensidad que lo recorre.

R = Ur-x / I = 0,16 . / r = . I / ( 2 . . r . I )

Por consiguiente, la resistencia del electrodo es igual a la resistividad delterreno, dividido por el permetro de la semiesfera, observndose que la resistenciavara directamente con la resistividad del terreno y con la inversa del radio delelectrodo, por lo tanto la expresin anterior puede combinarse a:

R = / ( 2 . . r ) = ( / ) . [ ( r / 2 ) / r2 ]

La que permite afirmar que la resistencia opuesta por un suelo homogneo a lacirculacin de la corriente por un electrodo semiesfrico, es igual a la de un elementocilndrico del terreno con igual seccin que la diametral del electrodo, pero con unalongitud o altura igual a la mitad del radio.

Sin embargo, prcticamente los electrodos semiesfricos apenas se emplean,

ya que su forma corta produce una mala utilizacin del metal y es preferible hacer queeste tenga una zona de contacto mucho ms grande con el terreno.

Las superficies equipotenciales evolucionan con el alejamiento del electrodoadoptando una forma ms parecida al electrodo cuando ms cerca este de l. Paraelectrodos de forma irregular, las mencionadas superficies tendern siempre aacercarse a la que representa la semiesfera, esto a medida que ms nos alejamos delelectrodo, como se puede ver en la siguiente figura:

Figura 26


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Por lo tanto, a una distancia que sea un poco grande respecto de lasdimensiones del electrodo (2 3 veces su mxima dimensin), el potencial absoluto yel gradiente no dependern ni de la forma ni de las dimensiones de este.

Tipos de electrodos de tierra

Electrodos de tierra instalados en zanja.

Estos electrodos, consisten en conductores enterrados horizontalmente a unaprofundidad mnima de 0,5 m. Tales electrodos hacen intervenir un gran volumen deterreno. Cuando se conoce la resistividad del suelo se puede determinar el largo deconductor necesario para obtener una determinada resistencia de difusin a tierra.

La resistencia de dispersin a tierra de un conductor de dimetro d y longitud L,

enterrado a una profundidad h en un suelo de resistividad , puede calcularse de lasiguiente manera:

R = C . 2 . / L

Donde C se toma de la siguiente figura:

Figura 27

En el caso de utilizar cintas o planchuelas se debe reemplazar el dimetro dpor la mitad del ancho.

Si es necesario utilizar un conductor de gran longitud, puede ser preferible

sustituirlo por varios conductores ms cortos dispuestos en estrella, por las siguientesrazones:

La resistencia mhica propia de un solo conductor de gran longitud puedeser considerable.

Frecuentemente es ms fcil enterrar varios conductores de pequealongitud que uno solo ms largo.


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La impedancia de impulso de dos o ms conductores radiales es menor quela de uno solo.

Sin embargo cualquiera de las disposiciones en estrella varan el valor de laresistencia, segn lo muestra la siguiente tabla:

Disposicin Descripcin Resistencia de dispersin atierra

LConductor rectilneo

horizontalR (*)

L / 2 Angulo recto R + ( 3 R / 100 )

L / 3Estrella de tres puntas R + ( 6 R / 100 )

Estrella de cuatro puntas R + ( 12 R / 100 )

Estrella de seis puntas R + ( 42 R / 100 )

Estrella de ocho puntas R + ( 65 R / 100 )

Tabla 7

Jabalinas instaladas verticalmente.

Las jabalinas hincadas verticalmente constituyen un tipo conveniente deelectrodo de puesta a tierra y de ser cortas son relativamente fciles de instalar.


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enterrados para la interconexin, puede disminuir el valor de la resistencia de puesta atierra total.

La siguiente figura da una idea del aumento de la resistencia a tierra conrespecto al valor terico:

Figura 28

El efecto de la reduccin de la resistencia a tierra de jabalinas puestas enparalelo puede verse en la siguiente tabla:

N de jabalinas enparalelo ( n )

2 3 4 5 6 7 8 9 10

K 0.57 0.42 0.33 0.27 0.24 0.21 0.19 0.17 0.15

Tabla 8

Materiales y secciones mnimas de los electrodos de tierra anteriormente mencionados


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El material ms apropiado para la construccin de la toma de tierra es el cobreque resiste muy bien a la corrosin. Otro material es el acero revestido de cobre. Elacero tambin puede revestirse con una capa gruesa de cinc para evitar su corrosin.

La conductividad del cobre, mucho mayor que la del acero hace que su empleosea indicado en el caso de electrodos de gran longitud, a fin de que sea baja la partede la resistencia de puesta a tierra que depende de la resistencia elctrica propia delelectrodo.

Dada la rigidez mecnica necesaria y la capacidad de descarga de corriente atravs de los electrodos de tierra se recomiendan los siguientes valores mnimos:

a. Electrodos instalados en zanjas

a.1. Electrodos de cobre

Cable de 35 mm2 (dimetro mnimo del alambre 1,8 mm)

Fleje y pletina de 50 mm2

a.2. Electrodos de acero recubiertos de cobre

Alambre de 35 mm2 Cable de 35 mm2 (dimetro nominal mnimo del alambre = 2,52 mm)

a.3. Electrodos de acero cincado

Fleje o pletina de 100 mm2 (espesor mnimo = 3 mm)

Barra redonda de 78 mm2

b. Jabalinas enterradas verticalmente

b.1. Jabalinas de cobre

Barra redonda de 35 mm2

Cao de 113 mm2 de espesor mnimo = 2 mm2 y dimetro exterior de 20mm

b.2. Jabalina de acero recubierta de cobre

Jabalina redonda de 64 mm2

Jabalina JL10 x ... (segn IRAM 2309)

b.3. Jabalina de acero cincado

Jabalina redonda de 165 mm2

Jabalina JL16 x ... y JA16 x ... (segn IRAM 2310)

Jabalina perfil L de 50 mm x 5 mm

Electrodo de tierra de cimientos.


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En la dcada del 60, Uffer comenz a investigar la posibilidad de usar lasfundaciones de los edificios con estructura de hormign armado como tomas de tierra.Otros investigadores comprobaron el excelente comportamiento de estos electrodosdesde el punto de vista de los pulsos de rayos. Una comparacin realizada entre estetipo de electrodo y jabalinas hincadas arroj resultados ventajosos desde muchospuntos de vista para los electrodos Uffer.

El resultado ampliamente aceptado hoy, es que los electrodos Uffer sontotalmente satisfactorios como tomas de tierra para todo uso.

Para el caso de pararrayos ofrece la ventaja muy importante desde el punto devista de la seguridad, ya que al dispersar la corriente sobre una gran superficie eliminael peligro del gradiente de paso y de la tensin de contacto.

Estos electrodos, cuando tienen extensiones suficientes dan resistencia detierra muy bajas siendo una excelente solucin para casos de suelos de muy altaresistividad.

A continuacin se mencionan algunos aspectos constructivos que debencumplirse en la realizacin de las zapatas Uffer a fin de asegurar la continuidadelctrica de las armaduras de acero interiores a las estructuras de hormign armado:

Aproximadamente de 50 % de las interconexiones mecnicas de los hierrosestn soldadas o firmemente atadas.

Los hierros verticales estn soldados o bien empalmados por superposicino yuxtaposicin de una longitud mnima de 20 dimetros y estn firmementeatados.

Se establezca y asegura que entre las armaduras de acero de los distintoselementos de hormign prefabricados haya continuidad elctrica y tambincon los correspondientes elementos de hormign prefabricadosadyacentes.

En el caso de hormign pretensado se debe tener en cuenta el riesgo delos efectos mecnicos admisibles debido a la corriente de descargaatmosfrica.

Figura 29


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Electrodos en forma de placas.

Enterrados a profundidades comprendidas entre 1 y 4 metros. Se trata deelectrodos hoy prcticamente en desuso por ser la forma ms antieconmica depuesta a tierra y por haber sido superados por los electrodos sealados anteriormente.

Si la profundidad de enterramiento es muy grande respecto al dimetro de laplaca la resistencia de tierra vale:

R = / ( 4 . d ) para placa circular

R = / ( 4 . 1,128 . b ) = / ( 4,5 . b ) considerando d = 1,128 . b,

para placa cuadrada.

Este tipo de dispersor se usa cuando el nivel de la napa subterrnea es pocoprofundo y en todos los casos inferior a 2 o 3 metros. Se hacen con chapas de hierrogalvanizadas de 5 mm de espesor y superficie mnima de 1 m 2 considerando ambas

caras.

Presentan la ventaja de su gran superficie de contacto con la tierra y se puederecurrir a su empleo cuando a poca profundidad aparecen estratos de mucha dureza yno es conveniente o posible el uso de jabalina hincadas.

Mejoramiento de las puestas de tierra mediante componentes qumicos

Desde hace tiempo se utilizan diversos mtodos para disminuir la resistividaddel suelo en las inmediaciones del sistema de electrodos: utilizacin de coque,escorias de hierro y polvos metlicos, riego de las zonas que rodean a los electrodoscon diversos electrolitos (por ejemplo: cloruro de sodio, sulfato de magnesio o sulfato

de cobre). Se utiliza bentonita de baja resistividad obtenida mezclando bentonitapulverizada con agua, sales y otros componentes.

Antes de aplicar cualquier tratamiento qumico se debe verificar que noocasione un efecto perjudicial al material del electrodo (corrosin, falso contacto, etc.).Por ejemplo, el cloruro de sodio, si bien es el ms fcil de conseguir, es tambin unode los productos que ms corroe al electrodo, en especial si este es de acero cincado.

El tratamiento qumico es efectivo nicamente en terrenos de muy altaresistividad y se realiza nicamente en aquellos casos en los que no se puededisminuir la resistencia por los medios normales (electrodos en paralelo, profundos,etc.) ya que la efectividad del tratamiento disminuye con el tiempo, por el lavadopaulatino del terreno.

En la actualidad existen comercialmente kits para puestas a tierra conteniendoelectrodos especiales los cuales poseen en su interior compuestos qumicos que sonvertidos hacia el suelo a travs de pequeos orificios a lo largo del tiempo.


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Figura 30

Otros, adems contienen compuestos qumicos para colocar en el exterior del

electrodo en contacto con el suelo. Lo que se logra con estos elementos es una menorresistencia de puesta a tierra y perdurable con el tiempo.

Estos kits estn garantizados para mantener la resistencia de la puesta a tierrapor aproximadamente 3 aos sin mantenimiento.

Tipos de conexiones

En caso que se deban realizar conexiones o empalmes entre cables, o entrecables y pararrayos o entre cables y electrodos de puesta a tierra, estas unionesdebern estar fijadas firmemente para que las fuerzas electrodinmicas o lassolicitaciones mecnicas accidentales no hagan que los conductores se rompan o se

suelten.

El nmero de uniones a lo largo de un conductor se reducir a un mnimo. Sedeber asegurar la solidez de las uniones mediante compresin profunda, atornillados,abulonados o soldados.

Las uniones mediante compresin profunda se realizan utilizando un manguitode conexin al cual, luego de introducirle ambas puntas de los cables, se lo comprimecon herramienta especial.

Otro tipo de unin a realizar es por superposicin de los conductores, loscuales son fijados mediante grampas tipo peine o U.

El tipo de fijacin ms reciente es la soldadura cuproaluminotrmica. Estaunin se realiza por aporte de cobre en estado de fusin que incide a una temperaturasuperior a los 2000 C sobre la pieza a soldar. Esta colada de cobre fundido a altastemperaturas se obtiene a partir de un proceso de reaccin exotrmica que se generadentro de un molde de grafito apto para el tipo de unin a ejecutar.

Equipotencializacin o ecualizacin de la puesta a tierra


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Desde el punto de vista de las proteccin contra rayos, la mejor solucin es un

nico sistema de puesta a tierra integrado en la estructura y previsto para todos losfines (por ejemplo: proteccin contra el rayo, proteccin de instalaciones elctricas debaja tensin e instalaciones de telecomunicaciones).

En caso de necesitar que alguna puesta a tierra funcione por razonesoperativas separada del sistema de proteccin contra rayos pueden generarsediferencias de potencial ante una descarga atmosfrica, la que producira serios daosal equipamiento conectado a ella y al operador. Usualmente se recomienda conectarentre esta puesta a tierra y la puesta a tierra del sistema de proteccin contra rayos undispositivo limitador de sobretensin que en condiciones normales de funcionamientoopera como circuito abierto o de alta impedancia. Ante la presencia de unasobretensin (bajo condiciones transitorias) que exceda su tensin de disparo ocebado, el dispositivo cierra inmediatamente y los potenciales de tierra sonecualizados protegiendo de esta forma los equipos y las personas.

Proteccin interna contra el rayo.La proteccin interna contra rayos comprende una serie de medidas destinadas

a reducir los efectos elctricos y magnticos de la corriente del rayo dentro de lainstalacin que se desea proteger.

Hasta ahora se ha hablado de tensiones generadas por la circulacin de lacorriente del rayo, involucrando solamente las estructuras sometidas al impacto directodel mismo. Se sabe ya que la influencia del rayo no se limita a estos casos debiendosetener en cuenta sus efectos inductivos. Lineas areas de comunicaciones o deelectricidad, antenas de comunicaciones y an las mquinas de los ascensoressituadas en los puntos prominentes de las azoteas de los edificios sufren la influenciade estos campos por lo que su consideracion debe ser incluida en la proteccin

secundaria.

La equipotencialidad contituye un medio muy importante para reducir el riesgode incendio y de explosin y los riesgos de muerte por choque elctrico en el espacioa proteger.

Se consigue una equipotencialidad conectando al sistema de proteccin contrarayos, la armadura metlica de la estructura, la instalacin metlica, los elementosconductores externos y las instalaciones elctricas y de telecomunicacin interiores alespacio a proteger mediante conductores de equipotencialidad o limitadores desobretensin.

Las conexiones equipotenciales se deben realizar cerca del nivel del suelo. Los

conductores de la conexin equipotencial de los equipos (cable de tierra) debenconectarse a una barra de conexin equipotencial, la que deber conectarse alsistema de tierra. Para grandes estructuras podrn montarse varias barras deequipotencializacin interconectadas entre ellas.

Para edificios de ms de 20 metros de altura, la ecualizacin debe realizarsecada 20 metros como mximo, ya que esta es una distancia suficiente para que labajada adquiera diferencias de potencial significativas con respecto al punto deecualizacin. Los conductores de bajadas deben interconectarse entre ellos con un


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anillo perimetral externo al edificio. Las barras de equipotencializacin debernconectarse a estos conductores anulares horizontales.

En caso de hacerse, por cualquier motivo, la bajada clsica en edificios conestructura de hormign debe ecualizarse la estructura de hierro del mismo, con igualperiodicidad a los efectos de evitar que la tensin rompa el hormign.

Las conexiones de equipotencializacin, salvo aquellas que sern recorridaspor la corriente del rayo (bajada y conductor de tierra) no requieren secciones muyfuertes ya que por ellas circular una parte insignificante de la corriente de descargadel rayo o la corriente necesaria para saturar las capacidades distribuidas contra tierra.

Nivel de proteccin Materiales Seccin transversal(mm2)

Cu 6

Al 10

Fe 16

I al IV

Acero-Cobre 6

Tabla 9

Todos los cables y conductores entrantes y salientes, tanto de la red deenerga como de la red de informacin, se conectan indirectamente a la compensacinde potencial para proteccin contra rayos a travs de descargadores de corriente derayo, tan cerca como sea posible del punto de penetracin a la estructura.

En el caso de canalizaciones de agua o gas que contengan elementosaislados, estos debern estar puenteados mediante limitadores de sobretensiones.

En el caso de tratarse de un sistema de proteccin contra rayos aislado, serealizar nicamente una conexin equipotencial a nivel del suelo.

Si por alguna razn no es posible colocar un conductor de conexinequipotencial, la solucin es implementar limitadores de sobretensiones.

Como se mencion anteriormente una segunda opcin en la implementacinde las protecciones secundarias son los limitadores de sobretensiones, los que


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pueden utilizarse tambin como complemento de la equipotencializacin. En el casode la cada de un rayo, se genera entre la bajada del pararrayos y el neutro de lainstalacin elctrica puesto a una tierra lejana en la central de generacin, unadiferencia de potencial que no es soportada por la aislacin de los cables de bajatensin destruyendo la instalacin elctrica. Por tal motivo, las normas VDE(alemanas) del grupo 100, primeras que se ocuparon del problema, prescriben la unindel neutro a la tierra del pararrayos (primer paso en la unificacin de tierras).

Pero ocurre que con esta disposicin las fases quedan al potencial de tierra,aproximadamente 200.000 voltios, ms o menos 220 Volts tampoco soportable para laaislacin del cable. El problema se resuelve intercalando entre fases y neutro, o seafases y tierra, limitadores de sobretensiones que, cuando la diferencia de tensinsupera un cierto valor cortocircuite los conductores (proteccin por cortocircuito). Paramantener la sistematizacin que separa la tierra de proteccin de la tierra de ejercicio(neutro) se coloca un cuarto semiconductor entre ellas. Se ha variado un poco estadisposicin de la VDE para mantener el sistema TT vigente en nuestro pas, deproteccin contra el riesgo elctrico por seccionamiento del neutro juntamente con lasfases, que no es el que rige en Alemania.

Adems la susceptibilidad a las sobretensiones que tienen los equipos ydispositivos electrnicos ha crecido en forma exponencial en las ltimas dcadas. Losrayos, fuente de sobretensiones y de interferencias, constituyen un fenmeno demuy alta tecnologa; las descargas del rayo pueden liberar varios cientos de mega-joules; sin embargo solo una fraccin muy pequea (en el rango de los deci o nanojoule) puede afectar a un dispositivo electrnico sensible. Por ejemplo la energadisruptiva para circuitos integrados digitales y analgicos tiene valores de 10 -9 y 10-8joules respectivamente y el valor de la energa destructiva para ambos es de 10-6joules.

El campo electromagntico del canal del rayo cado en un radio de 1,5 Km dedistancia de un edificio puede afectar a los equipos y dispositivos electrnicos

sensibles a las sobretensiones, instalados en su interior; si cae sobre el propio edificiopueden correr el riesgo mximo si no poseen una proteccin adecuada contra lassobretensiones. Ondas de sobretensiones, originadas en fenmenos atmosfricospueden penetrar a los edificios va cables de energa, datos, telefnicos, etc.

De acuerdo a las tareas de proteccin que cumplen, segn se trate de la red deenerga o de la red de informacin, los aparatos de proteccin se dividen en:

Descargadores de corriente de rayo Descargadores de sobretensiones.

Los descargadores de corriente de rayo tienen que ser capaces de soportar, sindestruirse, las corrientes de rayo, o por lo menos corrientes parciales de rayo

importantes.

La va de chispas est compuesta por electrodos con material aislante situadoentre ellos, que tiene un efecto de apagado de los arcos voltaicos producidos, a travsdel cual fluye la corriente de rayo y una corriente consecutiva de la red de energa. Sehan conseguido vas de chispas de capacidad de derivacin de 100 KA (10/350) conun nivel de proteccin bajo de 3,5 KV (1,2/50).


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Los descargadores de sobretensiones, en cambio, estn destinadosnicamente a la limitacin de sobretensiones en corrientes de choque relativamentepequeas. El descargador de sobretensin, cronolgicamente, debe:

Soportar contnuamente la tensin entre lnea y tierra del sistema.

Reconocer la sobretensin.

Entrar rpidamente en conduccin. Derivar la corriente de descarga a tierra.

Salir rpidamente de la conduccin. Soportar contnuamente la tensin entre lnea y tierra.

Estar preparado para la prxima descarga.

Como elemento ideal de proteccin hay que citar el varistor de xido metlico. Estaresistencia dependiente de la tensin, se encuentra en permanente servicio y registraincluso mnimas sobretensiones en dependencia del nivel de la corriente de choque.Gracias a esta caracterstica U/I se garantiza la activacin del elemento de proteccinen algunas milsimas de segundo. En la actualidad existen varistores con capacidadde derivacin de 15 KA (8/20). El elemento de proteccin tiene que ser capaz de

soportar veinte veces como mnimo esta capacidad de derivacin sin destruirse nisufrir alteraciones de sus caractersticas.

Figura 31

El Concepto de proteccin coordinada.

En edificios con equipos y dispositivos electrnicos de gran volmen yextensin, hay que aplicar el concepto de zonas de proteccin contra rayos. Para elloel edificio a proteger se divide en diferentes zonas de proteccin, teniendo en cuentatambin los aspectos de la compatibilidad electromagntica. Cada una de estas zonas


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de proteccin orientadas a la compatibilidad electromagntica, se configura mediantela proteccin externa contra rayos y el apantallamiento del edificio, de los locales y delos aparatos, utilizando los componentes metlicos del edificio.

A la zona de campo (zona de proteccin contra rayos 0), en la que se producenlas descargas directas de rayo y donde se originan los campos electromagnticos muyelevados, siguen hacia el interior del edificio, otras zonas de proteccin con riesgodecreciente. La zona de proteccin 1 es interior al edificio y est en contacto mutuocon la zona 0. Dentro de la zona 1, es posible ubicar otra zona de mayor proteccin, la2, que tiene la particularidad de estar encerrada por una jaula de Faradayequipotencializada con el sistema de proteccin contra rayos. Existe una cuarta zonade proteccin, denominada 3, que est confinada en el interior de la cobertura delequipamiento a proteger.

Figura 32

Con el concepto de zonas de proteccin contra rayos, orientado a lacompatibilidad electromagntica, se definen, entre otras cosas, los puntos deemplazamiento de los descargadores y se determinan las diferentes exigencias quedichos descargadores deben cumplir.

Como primera etapa de proteccin (zona de proteccin contra rayo 0-1 BSZ0-1) se precisa un descargador que sea capaz de soportar la mayor parte de lacorriente del rayo y crear un entorno soportable para los descargadores conectados

posteriormente. Esta tarea la pueden cumplir las vas de chispas en ejecucincompacta, ya que son capaces de reducir la corriente de choque de rayo 10/350 avalores tolerados, transformndola en una corriente de choque 8/20 que puede sersoportada por los descargadores de sobretensiones dispuestos posteriormente.

La segunda etapa de proteccin (BSZ 1-2) tiene que derivar la parte restantede la onda de corriente de choque 8/20, reduciendo las tensiones a valores tolerablespara la instalacin. El elemento ideal para esta zona es el varistor. Los modernos


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varistores de xido de metal se caracterizan por un comportamiento rpido derespuesta y por bajas tensiones residuales (nivel de proteccin).

En la tercera zona de proteccin (BSZ 2-3) deben tomarse en consideracinespecialmente, los requisitos y exigencias de los equipos a proteger. Con un circuitode varistores emplazado entre el conductor exterior y el neutro se limitan lassobretensiones que pueden ocacionarse como consecuencia de procesos deconmutacin y de inducciones. Las corrientes de choque son derivadas a tierramediante vas de chispas de gas.

Para facilitar la interaccin de estas tres zonas de proteccin es indispensableuna coordinacin energtica. Del mismo modo que en el sector de la corriente de altaintensidad se precisa un escalonamiento selectivo de fusibles, tambin en el caso delos descargadores de corriente de rayo y de sobretensiones hay que alcanzar unaselectividad con la que se eviten sobrecargas de los descargadores conectados enparalelo, al producirse algn caso de influencia y activacin.

Proximidad de instalaciones al sistema de proteccin contra rayos.Para evitar chispas peligrosas cuando no se puede realizar una conexin

equipotencial, la distancia S entre el sistema de proteccin contra rayos y lasinstalaciones metlicas, as como entre los elementos conductores externos y laslneas, se aumentar con respecto a la distancia de seguridad d de la manerasiguiente:

S >= d

La explicacin de esta expresin es similar a lo mencionado anteriormenterespecto a evitar la formacin de bucles en los conductores de bajada.

Esta expresin es vlida si la separacin entre bajadas es del orden de los 20metros.


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