Trabajo Terminado de Sobretension 2014

TECNICAS DE ALTA TENSION

Contenido1. Reseña histórica........................................................................1

1.1.- Campo eléctrico de la tierra...............................................3

1.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS......................5

1.2.1.- INTRODUCCIÓN...............................................................5

1.2.2.- FORMACION Y DESARROLLO DE LOS RAYOS...................6

1.2.3.- INTENSIDAD DE LAS TORMENTAS ELECTRICAS.............14

1.2.4.- CARACTERISTICAS DE LA CORRIENTE DE LOS RAYOS.. . .15

2. SOBRETENSIONES....................................................................21

3.CLASIFICACION DE LAS SOBRETENSIONES...............................22

4. TRANSITORIOS.........................................................................22

4.1 LOS IMPULSOS TRANSITORIOS...........................................22

4.2 OSCILACIONES TRANSITORIAS............................................23

5. VARIACIONES DE TENSION DE CORTA DURACION..................23

5.1 AUMENTO DE TENSION (SWELL)........................................23

5.2 VARIACIONES DE TENSION DE CORTA DURACION.............23

6. AUMENTO DE TENSION (SWELL).............................................24

7. bibliografia..............................................................................24

SOBRETENSIONES Página 1


1. RESEÑA HISTÓRICA

La descarga eléctrica atmosférica, comúnmente llamada rayo, es quizás el fenómeno

meteorológico más admirado, temido y estudiado por las diferentes culturas a través de

los siglos, siendo objeto de innumerables mitos y leyendas.

Los rayos han sido temidos y venerados desde los principios de la historia; aún hoy, el

hombre se inquieta ante la ocurrencia de las descargas eléctricas atmosféricas. Muchas

culturas lo asociaban a poderes sobrenaturales y a sus dioses, así por ejemplo los

vikingos pensaban que el causante era Thor, los griegos creían que eran producidos por

Zeus y los romanos por Júpiter. Hindúes, Navajos o Araucanos, le atribuyeran al rayo y

el trueno un origen divino, ya sea como castigo o señal. Ni Santa Claus (o Papá Noel)

escapó al influjo de tales fenómenos, ya que dos de sus renos fueron llamados Donner

(trueno) y Blitzen (rayo). Changó se reconoce como el Dios del trueno en la religión

Afrocubana.

La representación más antigua que se conoce del rayo data del año 2200 antes de Cristo,

y se le atribuye a un paje de Bursin, rey de la ciudad de Isin, en Mesopotamia. Ya para

el año 700 antes de Cristo se observa la representación del rayo en la cultura Griega, y

así sucesivamente, hasta nuestros días donde en el largo camino del desarrollo del

conocimiento se identifica al rayo como un fenómeno natural cuya presencia se registra

desde mucho antes de la presencia del hombre en la tierra y según algunas teorías está

relacionado con el origen mismo de la vida ya que el rayo, a niveles no tan masivos

como en una tormenta eléctrica, pudo haber jugado un papel fundamental en la creación

de la vida en la Tierra. Harold Urey, Premio Nobel de Química en 1934, propuso que la

tierra estaba formada inicialmente por amonio, hidrógeno, metano y vapor de agua y

Stanley Millerm, uno de sus alumnos, creó experimentalmente, en 1950, un ambiente

conformado sólo con los elementos mencionados y le agregó una chispa eléctrica para

iluminarlo y descubrió que, habiéndose previamente cerciorado de que ninguna

estructura viva había en el ambiente por él diseñado, después de una semana encontró

que se habían formado aminoácidos, los componentes de las proteínas.

No es hasta mediados del siglo XVIII que Benjamin Franklin (1706-1790) realizó los

primeros experimentos que mostraron la semejanza entre el rayo y las chispas eléctricas



observadas en laboratorios. Franklin probó la naturaleza eléctrica de los rayos y también

concluyó que la parte baja de las células de tormenta eléctrica están generalmente

cargadas negativamente. Demostró la influencia de la conexión a tierra de un conductor

y del aislamiento. Analizó lo que sucedía en un conductor en forma de punta conectado

a tierra, creando el pararrayos.

En 1823, una comisión de “notables” de la Academia de Ciencias de Francia, formada

por Poisson, Lefevre-Gineau, Girard, Dulong, Fresnel y Gay-Lussac, fue creada con el

objetivo de mejorar el pararrayos de Franklin y escribir un informe con

recomendaciones sobre la protección de edificios contra descargas eléctricas. Éste fue

utilizado como standard hasta la aparición en 1879 del libro de Anderson titulado

“Pararrayos, su historia, naturaleza y modo de aplicación”, que se utiliza como

referencia hasta en la actualidad.

También durante el siglo XIX, Pockels, en Alemania, midió las corrientes de los rayos

analizando el campo magnético inducido. En el siglo XX, Charles Thomson Rees

Wilson(1869-1959), que ganó el premio Nobel de Física en 1927 por su método de

hacer visibles las trayectorias de las partículas cargadas eléctricamente por



condensación de vapor, postuló una teoría sobre la separación de cargas en tormentas

eléctricas. Otros científicos destacados tambien postularon teorías importantes sobre la

separación de cargas en tormentas destacándose la Teoría de Simpson y la de Elstery

Geisel.

Aunque se ha avanzado mucho desde la época de Franklin todavía no se conoce

totalmente qué pasa dentro de una tormenta eléctrica.

Como se planteo anteriormente en las sobretensiones externas la energía de las mismas

es aportada por el campo eléctrico creado durante el proceso de acumulación de grandes

cantidades de cargas eléctricas en la nube y las inducidas por ellas en la superficie de la

tierra. En este tipo de sobretensión el elemento activo es la nube, mientras que la tierra

se comporta como el elemento pasivo, por lo que la acumulación de cargas en su

superficie, o en los objetos que están sobre ella, se debe exclusivamente a la inducción

electrostática.

1.1.- Campo eléctrico de la tierra

La tierra junto con la atmósfera puede ser considerada como un potente capacitor

eléctrico cuyas armaduras son la corteza de la tierra con carga negativa y la ionosfera

con carga positiva, de manera que la tierra se halla rodeada de un campo eléctrico cuya

intensidad en la superficie terrestre se estima en unos 130 V/m y sobre los mares y

océanos en unos 110 V/m. Este campo se le conoce como campo de buen tiempo. Pero a

medida que la altitud es mayor el campo se vuelve cada vez más débil. La diferencia

total de potencial desde el nivel del mar hasta la parte superior de la atmósfera (50.000

metros) es de alrededor de 400.000 volts. El campo de buen tiempo no provoca peligro

para los organismos vivos y las instalaciones eléctricas pero juega un rol significativo

en la acumulación de cargas eléctricas en exceso en las nubes de tormenta.

La carga eléctrica de la atmósfera se origina por la ionización de las moléculas del aire

debido a la acción directa sobre ellas de las radiaciones de la tierra (radiactividad

natural), el sol y los rayos cósmicos. El balance de esta carga eléctrica tiene signo



positivo. Sobre la carga eléctrica de la corteza de la tierra, de una densidad de carga

negativa σ s ≈30000 e /cm2 , no existe una teoría única para su explicación, ya que

unos la atribuyen a la inducción, otros a la alta temperatura del centro de la tierra, a las

tormentas eléctricas, etc. Por tanto, como se señaló anteriormente, la Tierra es un

capacitor esférico con carga neta negativa de un millón de Coulomb y con una carga

positiva igual en la atmósfera.

Debido al efecto del campo eléctrico de la Tierra circulará una corriente cuya densidad

es de alrededor de 10 µA por metro cuadrado paralelo a la tierra. Esta corriente varía a

lo largo del día en ± 15%, según varía el campo eléctrico de la tierras y es máxima a las

19:00 horas de Greenwich que es cuando el campo eléctrico de la tierra alcanza su valor

máximo.

Esta La corriente eléctrica, que lleva cargas positivas a la superficie terrestre es, en total,

cercana a los 1800 A. Si sólo existiera esta corriente la tierra se descargaría en media



hora aproximadamente pero las tormentas eléctricas y sus rayos mantienen esta

diferencia de potencial ya que el 90% de los rayos llevan cargas negativas hacia la tierra

y de esta manera cargan la tierra a un promedio de 1800 amperes.

Se estima que en todo momento hay cerca de 2000 tormentas eléctricas sobre la tierra,

generando unos 100 rayos por segundo, casi 30 millones de descargas en un año lo que

lo convierte en el principal regulador del balance calorífico del planeta, además de ser

un gran fijador del nitrógeno en el suelo, necesario para la vida vegetal y un recuperador

del ozono en el aire. En este caso también a las 19:00 horas de Greenwich se presenta

un máximo cualquiera sea el lugar del mundo donde se realizan las mediciones.

1.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS.

1.2.1.- INTRODUCCIÓN.

La tierra junto con la atmósfera puede ser considerada como un potente capacitor

eléctrico cuyas armaduras son la corteza de la tierra con carga negativa y la ionosfera

con carga positiva, de manera que la tierra se halla rodeada de un campo eléctrico cuya

intensidad en la superficie terrestre se estima en unos 130 V/m y sobre los mares y

océanos en unos 110 V/m. Este campo se le conoce como campo de buen tiempo. El

campo de buen tiempo no provoca peligro para los organismos vivos y las instalaciones

eléctricas pero juega un rol significativo en la formación de cargas eléctricas en exceso

en las nubes de tormenta.

La carga eléctrica de la atmósfera se origina por la ionización de las moléculas del aire

debido a la acción directa sobre ellas de las radiaciones de la tierra (radiactividad

natural), el sol y los rayos cósmicos. El balance de esta carga eléctrica tiene signo

positivo. Sobre la carga eléctrica de la corteza de la tierra, de una densidad de carga

negativa , no existe una teoría única para su explicación, ya que unos

la atribuyen a la inducción, otros a la alta temperatura del centro de la tierra, a las



tormentas eléctricas, etc.

1.2.2.- FORMACION Y DESARROLLO DE LOS RAYOS.

Los iones de la atmósfera atrapados por las partículas de las nubes, o formados

directamente en ellos se mueven con ésta y al producirse grandes acumulaciones de

nubes, debido a diferentes fenómenos, se produce una separación de cargas en su

interior, que dan lugar a los centros de carga a partir de los cuales se han de desarrollar

los rayos. Uno de los fenómenos que provoca la separación de las cargas eléctricas en

el interior de una nubes el debido a la electrización de las gotas de agua por la acción

del campo eléctrico que rodea a la tierra y que polariza las gotas de agua que van

cayendo tal como se indica en al Fig. 1.2.1. Esta polarización hace que la gota de agua al

caer atraiga a los iones negativos y repela a los positivos, con lo cual la gota se va

cargando negativamente según avanza en su caída, en tanto que en las restante

partículas de la nube predominen las cargas positivas. Este proceso de distribución de

cargas da lugar a que la parte superior de la nube sea positiva y la inferior negativa.



Otra de las causas que se plantean como responsables de la separación de las cargas en

el interior de la nube es a la electrización de las gotas de agua producto de su

fragmentación. La fragmentación de las gotas de agua se debe a la acción de las

corrientes de aire ascendentes que existen en la cabeza de la nube, tal como se indica en

al Fig. 1.2.2. Para una velocidad de la corriente de aire ascendente igual o superior a los

8 m/s ninguna gota de agua de diámetro superior a 0,25 cm podrá caer a través de ella,

ya que para gota de ese tamaño o superior la velocidad límite es de 8 m/s, pues debido a

la acción del viento será aplanada hasta su desintegración, proceso mediante el cual,

como se ha podido comprobar experimentalmente las gotas pequeñas adquieren cargas

positivas y el resto de las partículas adquieren cargas negativas.

Este proceso de desintegración se ve ayudado por el hecho de que una gota de agua al

caer en un campo eléctrico es elongada, llegándose hasta su desintegración para

campos de alta intensidad, del orden de los 10000 V/cm.

Las gotas pequeñas, producto de la desintegración descrita, son arrastradas por la

corriente de aire ascendente, pero como al ascender su velocidad disminuye, las

pequeñas gotas se recombinan formándose gotas grandes cargadas positivamente, las

que al caer repiten el mismo proceso intensificándose la separación de cargas. El

fenómeno antes descrito da lugar a la distribución de cargas mostrado en las zonas A y

B de la Fig. 1.2.2. Para la zona C se plantea que, como en ella la temperatura está por

debajo de la temperatura de congelación del agua, en ella sólo pueden existir cristales

de hielo, los que debido al roce con el aire se cargan negativamente mientras que las

partículas restantes se cargan positivamente. Como se puede apreciar este proceso da

lugar a que la parte superior de la nube se cargue positivamente y al mismo se le

denomina comúnmente electrización de la nube debido al gradiente de temperatura en

su interior.



Las mediciones efectuadas usando globos y aviones corrobora que la distribución de

cargas es similar a la mostrada en la Fig. 1.2.2, pero que los bolsones de carga positiva

en la base de la nube no sólo se presentan en la parte frontal de la misma sino en

algunas otras regiones.

El fenómeno de separación de las cargas eléctricas no se presenta en todos los tipos de

nube ni en todos los tipos de nubes es posible el desarrollo de los rayos. Desde el punto

de vista de su comportamiento eléctrico las nubes se clasifican en:

1. Nubes cúmulos. Son nubes de buen tiempo. No hay separación de cargas. Son

eléctricamente inactivas. Están conformadas por pequeñas gotas de agua que al cruzar

en su caída el nivel de condensación, se evaporan.

2. Nubes cumulonimbus. Conformadas por cristales de hielo y nieve que facilitan la

formación de grandes gotas de agua constituyendo lo que se llama la tormenta

incipiente. En ellas hay iones positivos e iones negativos pero aún sus concentraciones

y separaciones no la hacen eléctricamente activa.



3. Nubes cumulonimbus eléctricamente activas: Son las denominadas nubes de

tormenta, eléctricamente activas. En ellas la concentración y separación de iones de

signos contrarios, es tal que dentro de la misma nube y también entre ella y la tierra

(por efecto electrostático se inducen en la superficie de la tierra cargas de polaridad

contraria a las de la base de la nube de tormenta), se forman fuertes campos eléctricos.

Producto del proceso de acumulación de cargas, en los puntos de más alta concentración

de cargas en el interior de la nube, el potencial va aumentando hasta que alcanza un

valor aproximado de unos 10 kV/cm, campo eléctrico suficiente, dadas las condiciones

de presión y temperatura existentes en la nube, para iniciar un proceso de ionización y

con ello el desarrollo de un rayo.

Existen dos tipos de rayos:

Rayos en bola o esferoidales.

Rayos lineales.

El rayo esferoidal es un fenómeno poco frecuente y su estudio en nuestros tiempos es

insuficiente. En general se plantea que este tipo de rayo surge en un lugar de curvatura o

flexión del rayo lineal debido a la acción de fuerzas electrodinámicas. Su tiempo de

duración autónoma es breve y su desaparición se acompaña con frecuencia de un fuerte

estallido. Su caída sobre los sistemas eléctricos es poco común por lo que no constituye

una fuente considerable de sobretensiones.

Los rayos lineales se desarrollan entre dos centros de carga en el interior de la nube o

entre ésta y la tierra.

Las investigaciones demuestran que el mayor porciento de rayos lineales ocurre entre

regiones cargadas de una misma nube o entre nubes y que aproximadamente solo del

30-40 % ocurren entre nube y tierra. El rayo lineal más frecuente entre nube y tierra es

el de líder escalonado descendente negativo, porque las cargas negativas se depositan

usualmente en la base de la nube, pero también hay rayos con lideres descendentes

positivo y rayos con lideres ascendentes.



Rayos de líder escalonado descendente negativo.- La fase de desarrollo de la descarga

en los rayos escalonado descendente negativo comienza cuando la concentración de

carga local en una región de la nube hace que el gradiente de potencial alcance la

tensión de rompimiento del aire. Cuando esto ocurre surgen las condiciones para el

desarrollo de avalanchas de electrones que se aceleran por este campo intenso y dan

origen a una zona de ionización que se propaga en una dirección preponderante que se

le denomina descarga guía o líder del rayo (líderes descendentes escalonados

negativos). El líder normalmente avanza a una velocidad de 1/6 de la velocidad de la

luz por espacio de unos 50- 60 m, haciendo un alto y emitiendo en su cabeza un haz de

luz de gran brillantez. El alto es debido a que el régimen de acumulación de cargas en

la cabeza de la descarga guía o líder no es suficiente para mantener el gradiente de

tensión necesario para el desarrollo continúo de la descarga. Transcurridos unos

ya de nuevo el gradiente de tensión es suficiente, desarrollándose un nuevo proceso de

descarga con características similares al anterior, pero con una dirección por lo general

diferente ya que la dirección de avance de la cabeza del líder depende de las regiones

heterogéneas del campo y la estructura de la masa del aire y por ello no es estable. A

partir de un punto determinado es común que comiencen a desarrollarse dos o más

lideres.

A medida que el extremo de la descarga se aproxima a la tierra aumenta el número de

cargas positivas inducidas en la superficie y en los objetos en tierra sin embargo el

punto de impacto permanece indeterminado hasta que el líder se sitúa a determinada

altura. A esta distancia la carga inducida por el líder sobre la tierra u objetos en tierra

crea un gradiente suficiente para causar el rompimiento del aire, comenzando a

desarrollarse otro líder, de carga contraria, que avanza en busca del líder descendente.

En el instante en que se establece el contacto entre ellos ha finalizado la etapa de

desarrollo inicial comenzando la etapa de la descarga principal.

Al establecerse el contacto se ha formado ya un paso altamente ionizado entre los dos

centros de carga a través del cual fluye una alta corriente. En el momento de contacto

las cargas positivas escapan de la tierra y de los objetos en tierra a través del camino

altamente ionizado de la descarga guía neutralizando la carga volumétrica negativa



depositada alrededor del canal y la de la propia nube. Tal suceso caracteriza una

propagación que se mueve de la tierra a la nube a una velocidad de aproximadamente

1/10 de la velocidad de la luz denominada descarga principal o descarga de retorno. La

viva luminiscencia de la descarga principal se percibe a simple vista como una

llamarada; el rápido desplazamiento del gas por el calentamiento debido a la corriente

del estadio principal y su posterior enfriamiento y comprensión da lugar a una onda

acústica: el trueno.

Por el camino altamente ionizado de la descarga principal, y después que se puede

considerar que sus efectos fundamentales han cesado, se mantiene circulando una

corriente del orden de los 100-1000 A por espacio de unos , la que mantiene

el paso con un alto grado de ionización; esto permite que de otro centro de carga de la

nube se desarrolle otro líder que dará lugar a un nuevo rayo. El desarrollo del líder de

esta nueva descarga es de la misma naturaleza que el original, pero se desarrolla en

forma continúa debido a la ionización existente en el canal de descarga formado por el

primer rayo por lo que se le denomina líder flecha. En la Fig. 1.2.3 se puede apreciar la

representación esquemática del proceso antes descrito.

El proceso de desarrollo del guía de la primera descarga es de unos , en tanto

que el desarrollo de la descarga principal es del orden de los proceso durante el

cual es neutralizada la carga del paso ionizado y la carga restante en la nube. La

corriente en el guía es del orden de los 100 A, en tanto que para la descarga principal

dicha magnitud fluctúa entre los 1000 y los 200000 A, la que disminuye para las

descargas consecutivas. El intervalo de tiempo entre descargas fluctúa entre 0,0006 y

0,5 segundos, siendo el tiempo más usual del orden de los 0,3 segundos.

Se estima que alrededor del 90 % de las descargas atmosféricas son rayos con líderes

descendentes de polaridad negativa por lo cual constituyen la fuente fundamental de las

sobretensiones externas en los sistemas eléctricos.



Rayos de líder escalonado descendente positivo.- Los rayos lineales con lideres

descendentes escalonados positivos se desarrollan de igual forma que los negativos

pero a partir de la parte de la nube cargada positivamente. Se caracterizan por una

mayor amplitud y duración de la corriente respecto a rayos de líderes descendentes

escalonados negativos y por ausencia de descargas consecutivas.

Las investigaciones demuestran que las descargas positivas están relacionadas

principalmente a rayos lineales con líderes ascendentes y que estos ocurren

principalmente para estructuras muy altas o estructuras ubicadas en regiones muy altas.

Rayos de líder escalonado ascendente.- Un efecto importante de los objetos sobre la

superficie de la tierra es la posibilidad del desarrollo de lideres escalonados ascendentes

a partir de objetos de gran altura. Los rayos lineales con lideres escalonados

ascendentes ocurren en regiones elevadas y en objetos de gran altura,

fundamentalmente de altitud de 100 m o más. En este caso la descarga guía comienza

desde altas concentraciones de cargas en la tierra u objetos en tierra, hacia arriba,

en la dirección de los centros de carga en las nubes.



Se caracterizan en la fase de descarga principal, por una mayor duración y una menor

amplitud de la corriente (en el orden de algunos kA) respecto a rayos con líderes

descendentes escalonados negativos. En las descargas consecutivas el líder se desarrolla

de la nube a la tierra tal y como un rayo de líder descendente.

Para los objetos de altura de alrededor de 100 m ubicados en regiones llanas, el 7 % de

los impactos son de este tipo, para alturas de los objetos de alrededor de los 200 m

aumenta hasta el 25 %, para alturas de los objetos mayores de 380 m alcanza el 96 %.

En regiones elevadas, el número de rayos de este tipo que impactan, incluso objetos no

altos, es cercana al 15 % del número total de impactos.

Las investigaciones demuestran que las descargas positivas están relacionadas

principalmente a rayos lineales con líderes ascendentes.

Como se planteó anteriormente un rayo a tierra, tanto de líder ascendente como de líder

descendente, frecuentemente incluye un proceso de descargas múltiples. Estas pueden

desarrollarse de dos formas:

Después de la descarga de retorno (descarga principal), por el camino aún

ionizado se suceden desde otra regiones cargadas de la misma nube, una o más

descargas a tierra que en cualquier caso (líder inicial ascendente o descendente)

se desarrollan con líder ininterrumpido de la nube a la tierra para golpear el

mismo punto en que incide la descarga principal.

Aquellas que tienen diferentes puntos de terminación en la tierra. Estas pueden

ser originadas por ramificaciones al final del camino ionizado que conducen a

que la descarga principal ocurra en varios puntos (rayos de raíces ramificadas) o

pueden involucrar una sucesión de descargas espacialmente separadas (rayos

complejos) que aunque ocurren a intervalos comparables a los de las descargas

descritas en el punto anterior, tienen aparentemente, líderes guías

independientes y pueden terminar a varios kilómetros del punto de incidencia de



la descarga principal.

La primera forma agrupa alrededor del 90 % de las descargas múltiples que en lo

adelante se designan como descargas sucesivas y el resto, el 10 % corresponde al

segundo grupo.

El conocimiento de las características de las descargas sucesivas es importante para la

operación adecuada de los sistemas eléctricos de potencia porque ellos pueden

someterse a un grupo de descargas dentro de un intervalo muy corto y por tanto sus

dispositivos de protección deben estar diseñados para estas contingencias. Por ejemplo,

los pararrayos deben ser capaces de operar sucesivamente de forma exitosa con

intervalos de tiempo muy cortos.

Los estudios realizados indican que el 55 % de los rayos negativos a tierra tienen

descargas sucesivas. En el 90 % de los casos el número de descargas sucesivas no

excede el valor de 8 aunque se han registrado valores de hasta 30. Su valor medio es 3,

sin excluir la posibilidad de que este valor sea superior en regiones cercanas al

Ecuador.

Los rayos positivos agrupan alrededor del 10 % de los rayos a tierra y su número de

descargas sucesivas rara vez excede el valor de 6. Su valor medio es 1 por lo que para

los propósitos de ingeniería se asumen como rayos de un sólo golpe.

1.2.3.- INTENSIDAD DE LAS TORMENTAS ELECTRICAS.

En general la actividad de la tormenta crece del Polo al Ecuador, existiendo

dependencia de la actividad del sol y el relieve del terreno y es mayor en tiempo de

huracanes. Coexisten en el mundo dos indicadores para evaluar este parámetro: el nivel

ceráunico y la densidad de rayos a tierra.

El nivel ceráunico, primer indicador establecido, y ampliamente utilizado todavía, es un

indicador indirecto que expresa la cantidad de días tormenta al año (Td) de la región y



acostumbra a darse para un país según el Mapa de Niveles Isoceráunicos (curvas de

nivel de igual cantidad de días tormentas al año).

Sus principales imprecisiones se deben a su forma de obtención y al necesario

establecimiento de una relación empírica entre los días tormentas y el número total de

rayos a tierra. Para obtener el número de días tormentas al año se utilizan las

observaciones que se realizan desde las estaciones meteorológicas donde se toma como

día de tormenta, aquel en que el observador note aunque solo sea un relámpago o

trueno. De esta manera no se discrimina entre los rayos nube a nube y los rayos nube a

tierra.

La densidad de rayos a tierra (Ng) es un indicador directo, actualmente el más preciso

para caracterizar la actividad de tormenta en una región. Expresa la cantidad de rayos

en una superficie de tierra de un km2 en el tiempo de un año. Su obtención ha sido

posible por el desarrollo de los contadores de rayo que, como pueden discriminar las

descargas nube a nube de las descargas nube a tierra, permiten obtener, directamente

por medición, la cantidad de rayos a tierra en la región que abarca su radio de

cubrimiento (20 a 40 km.).

La información que se obtiene en una región del uso de estos contadores en un ciclo

solar permite definir las curvas de isodensidad de rayos a tierra que se utilizan en

sustitución de las curvas de niveles isoceraúnicos.

La expresión que relaciona la densidad de rayos a tierra con el números de días

tormentas en terrenos planos es la siguiente:

1.2.1

Donde:

Ng - Números de rayos a tierra /km2/año.

Td - Días tormenta al año.

1.2.4.- CARACTERISTICAS DE LA CORRIENTE DE LOS RAYOS.



La magnitud de la corriente en los rayos es uno de los factores más importantes a la

hora de analizar las características de los equipos y sistemas de protección contra los

mismos. Tal como se muestra en la Tabla 1.2.1, sólo un 20 % aproximadamente de los

rayos exceden los 40 kA.

Las amplitudes de las corrientes asociadas a las descargas atmosféricas se expresan

según la función de distribución de probabilidades de ocurrencia de sus valores. La ley

que rige la función de distribución se obtiene de un grupo de mediciones

estadísticamente validadas de este parámetro.

Las tres distribuciones más importantes que aparecen en la literatura son:

La Distribución de la AIEE, 1950.

La Distribución de F. Popolansky, 1972.

La Distribución de R.B. Anderson y A.J. Eriksson, 1978.

La Distribución de la AIEE es una de las primeras distribuciones de probabilidad

utilizada para reproducir estadísticamente las magnitudes de corriente de las descargas

atmosféricas. Su forma se muestra en la Fig. 1.2.4.

La Distribución de F. Popolansky es el producto de un estudio detallado de mediciones

de corrientes de rayos realizadas en Checoslovaquia, Polonia, Suecia, Gran Bretaña,

Australia, Estados Unidos y otros países. Se corresponde con una distribución log-

normal que se describe según la expresión 1.2.2.

Donde:

P(Ir)-Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.

Ir - Magnitud de la corriente del rayo en kA.

Im = 25 kA: (Mediana de la distribución).



- Desviación media cuadrática del logaritmo de la corriente del rayo.

La Distribución de R.B. Anderson y A.J. Eriksson es una versión de la distribución de

F. Popolansky derivada de considerar, solo aquellas mediciones de corriente del rayo

obtenidas en estructuras de alturas menores a 60 m. Tal restricción permite obtener una

distribución que se ajusta más a los datos necesarios para los estudios del diseño y

comportamiento ante rayos de las líneas aéreas eléctricas de transporte de energía

(tienen alturas de estructuras promedios inferiores a 60 m).

Esta versión es también una distribución log-normal. En este caso los parámetros de la

ecuación son: Im = 30 kA y = 0.32.

Para fines prácticos esta distribución puede estimarse aproximadamente mediante la

ecuación 1.2.3.

Donde:

P(Ir)- Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.

Ir- Magnitud de la corriente del rayo en kA.



Im = 30 kA (Mediana de la distribución). b = 2.6

Esta ecuación es bastante aproximada en la gama de 5 a 200 kA que constituye el rango

hasta el máximo valor de corriente del rayo obtenido por medición. Se reportan en la

literatura valores de hasta 350 kA pero son obtenidos indirectamente por el análisis de

las características de deformación de los conductores de cobre en las antenas de

televisión.

Las formas de onda de las descargas atmosféricas, al igual que las amplitudes de la

corriente, se describen según la función de distribución de probabilidades de

ocurrencia. La distribución de R.B. Anderson y A.J. Eriksson es la más representativa

hasta el momento y la misma está dada por:



Donde:

P ( Ir ) - Probabilidad de que cualquier rayo exceda el valor

- Valor máximo especificado en

8.2.5.- EFECTO SOBRE LOS RAYOS DE LOS OBJETOS SOBRE LA SUPERFICIE

DEL TERRENO.

Cuando el de líder un rayo comienza a descender de la nube no se sabe exactamente

donde va a caer, y la mayor parte de la trayectoria está determinada por circunstancias

más o menos accidentales como es el estado de ionización del aire a lo largo de su ruta.

Cuando el guía se acerca a la tierra el campo entre él y la tierra se hace más y más

intenso, sin embargo, el punto de impacto permanece indeterminado. Según los

estudios realizados se ha determinado que el líder comienza a cambiar su dirección, en

busca de un objeto dado, desde un punto definido por encima de la superficie de la

tierra, decidiéndose entonces donde va a caer. La altura a la que se encuentra dicho

punto se le denomina radio de atracción de los objetos en tierra o altura de orientación

del rayo y la misma, en función de la altura del objeto, está dada por la ecuación de

Eriksson:



Por lo antes expuesto queda claro que un objeto de una altura determinada sobre el nivel

de la tierra atraerá hacia sí el líder y con ello, en una región y con una probabilidad

dada determinará el lugar donde impactará el rayo.

Otros autores relacionan el radio de atracción de los objetos en tierra o altura de

orientación del rayo con la corriente del mismo tal como se indica en las expresiones

1.2.6 (expresión de Whitenhead) y en la expresión 8.2.7 (expresión de Anderson).

En estas expresiones la corriente del rayo se expresa en kA y el radio en metro. Es a

partir de este radio que el punto de impacto puede determinarse por consideraciones

geométrica usando el modelo electrogeométrico. En sus fundamentos básicos este

modelo supone que la intensidad media de ruptura en el espacio de aire es constante,

por la cual la descarga ocurre siempre por la distancia más corta, lo que conduce al rayo

a golpear el objeto en tierra más próximo a él. Para evaluar con este modelo de

desarrollo de la descarga, y determinar el grado de protección que brida, por ejemplo,

un pararrayos de Franklin a un objeto dado cercano es suficiente dibujar desde la

cúspide de ambos, superficies esféricas de radios rS y trazar una paralela a tierra a esta

misma distancia en el plano horizontal como se indica en la Fig. 1.2.5.

En el gráfico se observa que existe determinado arco AB de la superficie esférica

trazada a partir del objeto que delimita su intersección con la superficie esférica trazada

desde el pararrayos y la paralela a la tierra, de manera que queda por encima de ambos.

A esta región se le denomina zona de cubrimiento o cierre del objeto, y es aquella en la

cual la descarga del rayo ocurre siempre sobre él sin que sea interceptado por otro

objeto, el pararrayos o la tierra en este caso.



2. SOBRETENSIONES

Una sobretensión es una onda o impulso de tensión que se superpone a la tensión

nominal de la red, y que es capaz de poner en peligro el material o el buen servicio de

una instalación eléctrica.

Las sobretensiones pueden producir descargas que, además de destruir o averiar

seriamente el material, también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones. Muchas

veces, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su magnitud, sino

también a la forma de onda. Si se realizan correctamente la instalación y las líneas de

conexión están en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones. Si, a pesar de todas las precauciones, en una instalación se producen

sobretensiones debe procurarse que descarguen a tierra lo más rápidamente posible, por

medio de los correspondientes dispositivos de protección denominados, en general,

descargadores de sobretensión. Estas protecciones deben regularse a un factor de

sobretensión que sea menor que el grado de seguridad de la instalación pero que, por

otra parte, no se aproxime demasiado al valor de la tensión de servicio ya que de lo

contrario entraría muchas veces en funcionamiento haciendo inestables las condiciones

de la instalación. Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de

alta tensión aunque, generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las

últimas, debido a que en las instalaciones de alta tensión las propias condiciones de

funcionamiento y de aislamiento favorecen la aparición de sobretensiones.



3.CLASIFICACION DE LAS SOBRETENSIONES

Estas sobretensiones tienen unas categorías que son transitorios, variaciones de tension

de corta duracion, variaciones de tension de larga duracion.

Transistorios

Variaciones de tension de corta duracion

Variaciones de tension de larga duracion.

4. TRANSITORIOS

Los transitorios son eventos indeseables y de naturaleza momentanea, estos transitorios

tienen 2 categorias los impulsos transitorios y los oscilatorios.

4.1 LOS IMPULSOS TRANSITORIOS

Un transitorio de impulso es un cambio de repentino, no previsto de la frecuencia, de la

condicion de estado estacionario de tension o corriente, o ambas, y que es

unidireccional en polaridad (negativo o positivo.)

Los transitorios de impulso se caracterizan normalmente por sus tiempos de subida o de

frente y de bajada. Por ejemplo una onda de impulso de 1.2 x 50 μs y 2 Kv, es decir

aumenta de cero a 2 Kv en 1.2 μs, y luego decae a la mitad de su valor pico en 50μs. el

origen mas comun de los transitorios de impulsos son los rayos.



4.2 OSCILACIONES TRANSITORIAS.

Un transitorio oscilatorio es un cambio repentino, de frecuencia de las condiciones de

estado estacionario de tension o corriente, o ambos que incluye tanto valores positivos

como negativos.

Consiste de una tension o corriente cuyos valores instantáneos cambian rapidamente en

polaridad, esta descrito po r su contenido espectral duracion y magnitud. El contenido

espectral se divide en frecuencias altas, medias y bajas.

5. VARIACIONES DE TENSION DE CORTA DURACION

Tiene su origen en condiciones de falla, la energizacion de grandes cargas que requieren

grandes corrientes de arranqueo perdidas intermitentes de conexiones de cables de

potencia, esta fallas según su localizacion y las condiciones del sistema son caidas de

tension, aumentos de tension e interrupción, pero el tema en detalle es sobretension

“Swell”.

5.1 AUMENTO DE TENSION (SWELL).

Una subida de tension se define como un incremento entre 1.1 1.8 pu en tension o

corriente R.M.S. para duraciones de 0.5 ciclos a 1 min.

Generalmente son condiciones de falla del sistema, pero ellas no son tan comunes como

las caidas de tension, una subida puede ocurrir por el aumento de una tension temporal

sobre las fases no falladas durante una falla fase-tierra.

5.2 VARIACIONES DE TENSION DE CORTA DURACION

Desviación de la frecuencia para tiempos mayores de 1 Minuto, esta sobretension son el

producto de las variaciones de carga en el sistema y operaciones de maniobras en el

sistema.

6. AUMENTO DE TENSION (SWELL).

Una sobretension es un incremento en la tension R.M.S. mayor de 110%, superior a 1

min. Son generalmente el resultado de maniobras, o energizacion de bancos de



condensadores, las sobretensiones r4sultan porque el sistema es muy debil para la

regulación de tension deseada o por controles de tension inadecuados.

7. BIBLIOGRAFIA

http://sobretensionelectricas.blogspot.com/2012/06/definicion-de-sobretensiones.html

http://sobretensioneselectricas.blogspot.com/2012/06/origen-y-definicion-de-las.html http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/

Informes_Finales_Investigacion/Agosto_2011/MURILLO%20MANRIQUE_FIEE/Sobretensiones%20armonicas.pdf

http://at3w.com/upload/ficheros/causas_de_las_sobretensiones.pdf http://at3w.com/upload/ficheros/que_son_y_danos_de_las_sobretensiones.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Sobretensi%C3%B3n_(electricidad)


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Trabajo Terminado de Sobretension 2014