Gutierrez Segura y Perez Barrientos

7/23/2019 Gutierrez Segura y Perez Barrientos

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ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

1

FACULTAD DE INGENIERÍA

MECÁNICA ELÉCTRICA

“ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES CONTRA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS”

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

PRESENTAN:GUTIÉRREZ SEGURA AUDOMAR.

PÉREZ BARRIENTOS BARTOLO.

POZA RICA DE HIDALGO, VERACRUZ. A 30 DE ABRIL DEL 2002.




2

AGRADECIMIENTOS




3

A DIOS

Quién permitió que nuestros padres nos trajeran al

mundo, que fue su voluntad el permitirnos vivir y darnos su

esfuerzo, para poder lograr cursar nuestros estudios y culminar

la carrera profesional.

A LA FACULTAD

Por ser la institución donde se nos formó durante todo eltiempo que permanecimos en sus instalaciones.

A NUESTRO DIRECTOR DE TESINA:

ING. RAMÓN CHAZARO APARICIO

Por su valioso apoyo y dedicación en esta tesina. Por sus

recomendaciones alentadoras. Gracias.

A EL ING.: JUSTINO BAUTISTA ESPINOZA

Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional.

A EL INGENIERO. CARLOS ALARCÓN ROSAS:

Por el apoyo en la revisión de éste trabajo recepcional.

A FAMILIARES Y AMIGOS

A todos aquellos que de alguna u otra forma pasaron a

formar parte en la elaboración de esta tesina.




4

DEDICATORIAS




5

A mis padres:IRMA y ANGEL

Porque gracias a sus consejos y gran ayuda tantoeconómica como moral, he logrado cumplir satisfactoriamenteuno de mis objetivos que me había trazado en la vida, por estarazón estaré eternamente agradecido.

A mis hermanos:Alfonso Angel Sadi Martha Alberto Juan Alejandro y Bety.

Con respeto y cariño, porque con la fuerza que nos unehemos podido librar los obstáculos de la vida.

A mi amiga:LILIAN

Por formar parte de mi vida, por su amistad, pero sobretodo por su forma de ser conmigo. Por todo esto y mucho más,¡GRACIAS!.

A mis amigos:ING. BENIGNO CLEMENTE CAMACHO

SR. SAMUEL SOLIS ZACARIAS

Por brindarme su apoyo y confianza incondicional,amistad como la tuya es encontrar un tesoro, GRACIAS.

AUDOMAR




6

A MIS PADRES:

Quienes han sabido guiarme por el camino de la honradez y la integridad sin ningun otro interes que el de ayudarme asalir adelante, por que han dejado de pensar en ellos pordedicarse a sus hijos y por que han sabido ser los mejorespadres del mundo.

A MI ESPOSA:

Por regalarme su tiempo, su compresión y la paciencia enla realización de éste trabajo profesional.

A MÍ BEBE:

Que con la gracia divina de Jehová pronto estará con

nosotros.

A MIS HERMANOS:

Bernardo Ofelia Erica y Ariadna Karina.

Por quererme mucho y por ese apoyo tan grande quesiempre me han brindado.

Y MUY EN ESPECIAL

A MI PADRINO INGENIERO RAYMUDO CHÁVEZ MARCANO:

Por ser como un segundo padre para mi, además de ser unguía, señalándome hacia donde debo ir, por todo eso y muchomás gracias.

A EL SEÑOR RAUL GIBB GUERRERO:

Por todo el apoyo brindado durante la elaboración dedicho trabajo.




7

A MIS AMIGOS

Maribel Silva Vázquez

Juan Kattas NaderJorge Kattas Nader Audomar Gutiérrez SeguraMarciano Antonio ReyesBernardo Cruz GarcíaJosé Luis Nava Benítez

Y EN GENERAL

A todas aquellas personas que hicieron posible la realizacionde éste trabajo recepcional, a todos ellos mil gracias.

BARTOLO




8

INDICE PAGINA

INTRODUCCIÓN ........ 5

CAPITULO I ........ 7

1.1 JUSTIFICACIÓN ........ 8

1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ........ 9

1.3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA ........ 10

1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........ 11

CAPITULO II ........ 12

2.1 DESARROLLO DEL TEMA ........ 13

2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION ........ 14

2.3 MARCO CONTEXTUAL ........ 15

2.4 MARCO TEORICO ........ 16

2.4.1 CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ........ 16

2.4.1.1 DEFINICION Y ANÁLISIS ........ 16

2.4.1.2 TEORIAS SOBRE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 18

2.4.1.3 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN UNA DESCARGA ........ 21

2.4.1.4 FACTORES QUE GOBIERNAN LA DECISIÓN DE SU

INSTALACIÓN. ........ 27

2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO. ........ 33

2.4.1.6 ONDAS DE FRENTE ESCARPADO. ........ 34

2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LINEAS

AEREAS

........ 36

2.4.2.1 RAYOS INDIRECTOS ........ 38

2.4.2.2 RAYOS DIRECTOS ........ 40




9

2.4.2.3 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS ........ 41

2.4.2.4 TIPOS DE SOBRETENSIONES ........ 42

2.4.2.5 PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES ........ 43

2.4.3 PROTECCIÓN CON CABLES O HILOS DE GUARDA ........ 44

2.4.3.1CONDICIONES FÍSICAS ........ 47

2.4.3.2 PROBLEMA SIN UTILIZAR HILO DE GUARDA ........ 48

2.4.3.3 PROBLEMA UTILIZANDO HILO DE GUARDA ........ 50

2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS ........ 54

2.4.4.1 ESTUDIO DEL PARARRAYOS ........ 54

2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999 ........ 54

2.4.4.1.2 TIPOS DE PARARRAYOS ....... 56

2.4.4.1.3 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PARARRAYOS ........ 59

2.4.4.1.4 MATERIALES NECESARIOS PARA LA INSTALACIÓN DE UN

SISTEMA DE PARARRAYOS EN EDIFICIOS ........ 62

2.4.4.1.5 CONEXIÓN A TIERRA. INTERCONEXIÓN DE METALES,

TUBERÍAS Y EQUIPOS

2.4.4.1.6 SELECCIÓN DEL PARARRAYOS

........

........

68

71

2.4.4.1.7 INSTALACIÓN DEL PARARRAYOS ........ 71

2.4.4.2 ESTUDIO DEL APARTARRAYOS ........ 75

2.4.4.2.1 NORMA 001-SEDE-1999 ........ 75

2.4.4.2.2 PROTECCIÓN DE LA SUBESTACIÓN ........ 81

2.4.4.2.3 SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 81

2.4.4.2.4 TENSIÓN NOMINAL DEL APARTARRAYOS ........ 82

2.4.4.2.5 ACCIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 83

2.4.4.2.6 TIPOS DE APARTARRAYOS ........ 84

2.4.4.2.7 INSTALACIÓN DEL APARTARRAYOS ........ 91

2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ........ 94




10

2.4.5.1 COORDINACIÓN ENTRE LÍNEAS Y ESTACIONES

........

98

2.4.5.2 DISEÑO DE AISLAMIENTO DE LAS LÍNEAS POR

SOBRETENSIÓN DE ORIGEN ATMOSFÉRICO ........ 100

CAPITULO III ........ 101

3.1 CONCLUSIONES ........ 102

3.2 BIBLIOGRAFIA ........ 103




11

INTRODUCCIÓN

Los sobrevoltajes ocurridos en los sistemas de energía, son producidos por

una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y rayos. Nohay duda alguna, los sobrevoltajes más severos son los producidos por descargas

atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes

puedan ser muy altos y den lugar a fallas de aislamiento del aparato de energía con

resultados destructivos. Por eso es de importancia que se diseñen los sistemas de

energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la

capacidad de soporte de aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, éste

requisito básico se traduce en un costo muy elevado. Por ésta razón, se busca unasolución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen de tal forma

que se pueda hacer mínima, la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía

debida a sobrevoltajes.

Para realizar éste procedimiento intervienen dos pasos:

1. El diseño apropiado del sistema de energía para controlar y llevar al

mínimo los posibles sobrevoltajes.

2. La aplicación de dispositivos de protección por sobrevoltajes.

En forma conjunta, a los dos pasos se les llama protección por sobrevoltaje y

coordinación de aislamiento.

No se ha puesto mucha importancia a la protección contra sobrevoltajes; en

primer lugar, afecta la confiabilidad del sistema, la cual se traduce en problemas

económicos. Casi siempre los métodos de protección por sobrevoltaje se guían

como el objetivo de hacer máxima la confiabilidad del sistema con un costo

razonable. En este sentido, son aceptables los sobrevoltajes transitorios que no

conducen a interrupciones y son tolerables las interrupciones de corta duración.




12

El asunto de la calidad de la energía es importante y está transformando los

métodos de protección por sobrevoltaje.

Si bien es necesario la aplicación de dispositivos de protección contrasobrevoltajes, se da más y más importancia a los procedimientos de diseño para

hacer mínimos los posibles sobrevoltajes y controlar las fuentes de perturbación en

los sistemas de energía.

El tema de protección contra rayos y sobrevoltajes es muy complejo. Su

análisis requiere de una buena comprensión de muchos temas relacionados.

Primero, deben entenderse bien los mecanismos por los que se genera el rayo y lascaracterísticas de éste tienen relación con los sistemas de energía. En segundo

lugar, debe estudiarse la respuesta de los sistemas de energía a los rayos y a las

otras causas de sobrevoltajes. Los métodos de análisis para estudiar los fenómenos

son herramientas indispensables que proporcionan la base para la selección

correcta de las opciones de diseño. Invariablemente, pueden llevarse al mínimo los

sobrevoltajes, pero no pueden eliminarse. En consecuencia, los sistemas de energía

tienen que protegerse contra sobrevoltajes utilizando dispositivos construidos para

tal objeto ( apartarrayos y pararrayos).




13

CAPITULO I




14

1.1 JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo se desarrolla con la finalidad de presentar información

relevante para la protección de sistemas eléctricos contra descargas de origen

atmosférico, la cual como es sabido, deja como consecuencias perdidas tanto

económicas como humanas.

La descarga atmosférica no es más que un fenómeno natural que se presenta

entre las nubes y tierra, cuando la diferencia de potencial es tan grande, ésta rompe

el aislante(aire) yéndose a tierra y nosotros lo podemos observar como una luz.

De acuerdo a estudios realizados nosotros podemos saber ,que es un

fenómeno que no podemos evitar, sin embargo, lo que si podemos hacer es proteger

nuestros sistemas eléctricos contra este tipo de descargas

Este estudio es para facilitar a todo aquel usuario que desee información para

proteger un sistema eléctrico contra sobrevoltajes; y así, alargar la vida útil de los

equipos. Es por esto, que la protección contra descargas atmosféricas es de muchaimportancia en el campo eléctrico.




15

1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

Hoy en día es importante cuidar los sistemas de distribución de energía contra

posibles descargas eléctricas, es por ello que surge la necesidad de conocer cualesson los dispositivos más utilizados para la protección de los sistemas eléctricos

contra descargas atmosféricas; ya que todo sistema eléctrico debe contar con un

dispositivo de protección, por que sin él , podría haber pérdidas tanto humanas,

como materiales.

Debido a que la información, que proporcionan los diferentes autores acerca

de la protección de sistemas eléctricos contra descargas atmosféricas es bastanteextensa, se opta por investigar la correcta selección de dispositivos contra

sobretensiones, para que todo aquel usuario que deseé información sobre este

tema, pueda tener una idea de que dispositivos seleccionar.




16

1.3 ENUNCIACIÓN DELTEMA

Es bastante importante para cualquier sistema eléctrico, contar con una

protección contra posibles descargas atmosféricas por lo que ésta obra nos daráuna idea de cómo se presenta el fenómeno “rayo” , cual es su intensidad, su efecto

y de que manera podemos proteger nuestros equipos eléctricos.

En la actualidad las descargas atmosféricas pueden ser canalizadas a tierra

por medio de las protecciones contra sobrevoltajes (pararrayos), por lo que

estudiaremos su funcionamiento, aplicación, diseño, tipos y materiales utilizados

para los pararrayos, cuyas características son:

La conexión a tierra.

La tensión nominal.

Y la capacidad de absorción de la sobtretensión.




17

1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

Para el logro de las metas planteadas, el presente trabajo se estructura de la

manera siguiente:

Un primer capitulo en donde se aborda la:

Justificación del trabajo.

Naturaleza, Sentido y Alcance de Trabajo.

Enunciación del Tema y

Explicación de la estructura del trabajo.

Un segundo capítulo donde se trata:

Desarrollo del tema.

Planteamiento del tema de investigación.

Marco Contextual.

Marco Teórico que contiene:1. Características de las descargas atmosféricas

2. Descargas atmosféricas entre nubes y líneas aéreas.

3. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas

4. Coordinación de aislamiento.

Y un tercer capítulo donde se hacen:

Conclusiones.

Al final se anotan las referencias bibliográficas utilizadas y se proporcionan los

anexos utilizados.




18

CAPITULO II




19

2.1 DESARROLLO DEL TEMA

En el año de 1752 Benjamín Franklin demostró la naturaleza eléctrica de los

rayos, desarrolló la teoría de que la electricidad es un fluido que existe en la materia

y su flujo se debe al exceso o defecto del mismo en ella, inventando así el

pararrayos.

Este dispositivo es de gran utilidad para la protección de líneas de transmisión

de sistemas de energía contra descargas atmosféricas (rayos), éste actúa

canalizando la energía eléctrica del rayo a tierra, protegiendo así los sistemas

eléctricos.

Las sobretensiones producidas por descargas atmosféricas pueden verse

como rayos directos o rayos indirectos; los primeros son los que caen directamente

en líneas y sistemas de energía eléctricos y los segundos son producidos cuando el

rayo se produce entre nube y tierra provocando así un campo magnético.

Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica existen algunas teoríasentre las que se pueden contar como las más destacadas las siguientes: Teoría de

Simpson, Teoría de Elster y Geitel, Teoría de Wilson y Teoría de los cristales de

hielo.

Elementos que intervienen en una descarga: El Aire, La Nube, La Tierra, El

Rayo.

Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en eldiseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los

parámetros más importantes son: Voltaje, Corriente eléctrica, Forma de onda,

Frecuencia de ocurrencia.

De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se

conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos: Pararrayos de Franklin,

Jaula de Faraday, Pararrayos Radioactivos.




20

2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN

Generalmente al tema de la protección contra descargas atmosféricas, no se

le da mucha importancia, aun cuando sabemos que todo sistema puede estar

expuesto a ello. Un equipo protegido contra sobretensiones producidas por rayos

puede tener un periodo de vida mucho más largo y seguro para nuestros

trabajadores; evitándonos así pérdidas humanas y económicas, ambas de vital

importancia.

La principal forma de proteger contra una descarga atmosférica a un sistema

de energía, es utilizando un pararrayos, por lo cual debemos conocer suscaracterísticas, la forma de selección, los principales parámetros utilizados, su

instalación, el tipo de aislamiento que debe utilizar, etc.

Razón por la cual éste trabajo tiene como meta el proporcionar información al

alcance de la mano de cualquier lector interesado sobre dicho tema.




21

2.3 MARCO CONTEXTUAL

Siendo el marco contextual de un trabajo la descripción del sitio físico o lugar

donde se realiza una investigación; y debido a que el estudio sobre protección contra

descargas atmosféricas, no tiene una ubicación geográfica precisa. Las descargas

atmosféricas se presentan en cualquier parte del mundo, ocasionadas por una

tormenta, la cual se forma por las nubes cargadas electrostáticamente, cuando éstas

cargas son tan grandes con respecto a tierra, se rompe el aislante entre ellas (aire),

produciéndose un rayo; el cual comúnmente cae en las partes mas altas: sobre un

edificio, la copa de un árbol, la estructura de antenas de teléfono, sobre una línea de

distribución, etc., por lo anterior el presente trabajo carece de marco contextual.




22

2.4 MARCO TEORICO

2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

2.4.1.1 Definición Y Análisis

Se define Descarga Eléctrica Atmosférica como la transferencia de carga

eléctrica positiva o negativa, entre la nube, nube-nube, nube a tierra y según

investigaciones recientes entre nube y ionosfera.

Se llama sistema de protección contra descargas atmosféricas, al conjunto de

elementos que proporcionan el medio para que una descarga pueda incidir con

seguridad sobre una construcción y sea conducida en forma inofensiva hasta tierra,

de manera que no origine daños durante su recorrido.

La protección contra descargas atmosféricas de una estructura, no se logra

contra lo que normalmente se cree, con la instalación de una varilla y una conexión

a tierra (pararrayos de Franklin), ya que la acción de este dispositivo es limitada; en

vista de esto , la técnica moderna de protección ha desarrollado el uso de la barra de

Franklin y establece la colocación de conductores y puntas en los sitios en los que

pueden iniciarse pilotos secundarios, tales como esquinas y aristas de las azoteas

(figura 1), es necesario pues, no hablar de un pararrayos, sino de la instalación de

un sistema de pararrayos convenientemente estudiado para proporcionar protección

a cada estructura en particular.

El estudio de las descargas atmosféricas fue iniciado en forma rudimentaria

por Franklin en 1740 a partir de las teorías sobre electricidad estática.




23

Figura 1. Sitios en donde puede iniciarse una descarga atmosférica.

Experimentalmente se ha comprobado que la tierra representa un electrodo

negativo y a una distancia de 100 a 150 km sobre su superficie se encuentra una

capa de aire que representa el electrodo positivo. Cuando las corrientes de aireentre la tierra y esta capa producen una ionización alta, se establece una descarga

de iones (átomo que pierde o gana electrones), que si su valor es elevado puede

generar una descarga eléctrica.

Para explicar el fenómeno de la descarga eléctrica, existen algunas teorías,

como ya se mencionó, entre las que se pueden contar como las más destacadas,

las siguientes.

Teoría de Simpson.

Teoría de Elster y Geitel.

Teoría de Wilson.

Teoría de los cristales de hielo.




24

2.4.1.2 Teorías Sobre Las Descargas Atmosféricas

A) Teoría de Simpson.

Manifiesta que las cargas eléctricas en las nubes se debe a corrientes de aire

que se encuentran en actividad en su interior. Las corrientes ascendentes de aire

transportan vapor húmedo del mar o de la superficie de la tierra, este vapor al

encontrarse a determinada altura y bajo condiciones atmosféricas propicias se

condensa transformándose en gotas de agua.

Cuando las gotas de agua adquieren una dimensión y peso considerable caensobre la superficie de la tierra por gravedad en forma de lluvia. En su caída se

encuentran con corrientes de aire ascendentes que provocan rompimiento de las

gotas formándose otras más pequeñas, estas gotas por un proceso semejante al

anterior encuentran corrientes ascendentes volviéndose a fraccionar en tamaños

menores, formándose de esta manera las cargas eléctricas de las nubes que se

originan precisamente al ocurrir rompimiento de las gotas de lluvia desprendiéndose

iones negativos que se dispersan en la atmósfera y al mismo tiempo son

transportados por las corrientes de aire hacia la parte superior de la tormenta o sea

a la parte inferior de la nube y en tanto la parte superior de la nube se carga en

forma inductiva.

Las nuevas gotas establecidas quedan cargadas positivamente continuando

su descenso hacia la parte inferior de la tormenta, en este caso, la tierra.

B) Teoría de Elster y Geitel

Esta teoría se fundamenta sobre estudios realizados sobre una gota grande

de lluvia a través del campo eléctrico de la misma cuyo gradiente en la superficie es

de 100 V/m; debido a la acción de éste campo, la gota se polariza en la parte

superior por una carga negativa y en la inferior por una positiva.




25

La gota cargada, en su caída se encuentra con corrientes ascendentes de

aire que le producen una reducción de tamaño y la gota de tamaño reducido

continua su caída hacia la tierra pudiéndose encontrar con otra gota de tamaño

mayor haciendo contacto, con lo que la primera gota aumenta su carga positiva en laparte inferior y la segunda gota sufre el mismo aumento de carga pero negativa en la

parte superior.

Por lo tanto la nube se carga positivamente en la parte inferior. El contacto

entre las gotas de diferente tamaño se repetirá frecuentemente organizándose un

intercambio de signo de carga en las gotas, las nubes aumentan de esta manera su

carga hasta llegar a un valor crítico que produce la descarga eléctrica

C) Teoría de Wilson

Wilson hizo un nuevo desarrollo científico respecto a la electrificación de las

nubes, su teoría está basada en que las gotas de lluvia al caer adquieren carga

producida por iones eléctricos que se encuentran presentes en las corrientes de aire

ascendentes.

En la atmósfera normalmente existe una gran cantidad de pequeños iones

negativos y positivos que se mueven en diversas direcciones con una velocidad de 1

cm/seg. Bajo la acción de un campo eléctrico de 1 v/m.

La existencia de iones en el aire se estima en el orden de 1000 positivos y

800 negativos por centímetro cúbico.

La gama de iones aumenta y al mismo tiempo las nubes se cargan

eléctricamente por el efecto de la ionización.

Los iones negativos viajan hacia la parte inferior de la nube, cargándola

negativamente y los iones positivos se dirigen hacia la tierra para cargarla

positivamente.




26

La teoría de Wilson específica también que para estudiar el origen de las

descargas eléctricas en las nubes, es necesario considerar el rompimiento de las

gotas de agua en una tormenta y, por consiguiente la separación de su carga

eléctrica respectiva debida a la acción de la gravedad terrestre y a las corrientes deaire ascendentes.

En el proceso de la lluvia, las gotas hacen contacto con los iones eléctricos

presentes en el aire dando origen a que aumente la ionización de la atmósfera que

facilita la trayectoria del canal del rayo hacia tierra o hacia nube.

D) Teoría de los cristales de hielo

Esta teoría trata de explicar la importancia que representan los cristales de

hielo comúnmente conocidos como granizos especialmente en las partes superiores

de las nubes y también en las regiones antárticas; así se trata de dar algunas

explicaciones a este fenómeno.

Simpson y Robinson describen la formación de cargas eléctricas al

chocar un granizo con otro, permitiendo así que el aire adquiera carga positiva y el

hielo quede cargado negativamente.

Elster y Geitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la

fricción entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua.

Así se trata de explicar que en las tormentas recién formadas con un gran

cúmulo de nubes y en las que no existen precipitaciones pluviales ocurran

descargas eléctricas en el interior de la nube.




27

2.4.1.3 Elementos que intervienen en una descarga.

En el proceso de una descarga intervienen varios factores que conviene

estudiar uno a uno:

A) El aire.

En estado seco se considera como un elemento aislante pero en la práctica

se ioniza, convirtiéndose en conductor, por la acción de radiaciones de material

radiactivo terrestre, radiaciones de los elementos de la misma atmósfera (caso del

aire sobre masas terrestres) o radiación cósmica (aire sobre masas terrestres omarinas).

De esta forma la conductividad depende de la ionización según las relaciones:

= i / E ( = conductividad)

siendo i la densidad de corriente y E la tensión de campo en V/m, dependiendo i

según la expresión: i = n. E. K.

Siendo n el número de iones / cm3 , K el coeficiente de movilidad de los iones

y E la carga del ión.

Luego resulta : = n. E. K

Con lo que la conductividad varía fundamentalmente en función de n, valor

éste de iones / cm3 , que varía sensiblemente entre diferentes puntos de la

superficie terrestre.

Oscila normalmente entre 300 y 1000 / cm3 , pero sobre masas terrestres

puede llegar a alcanzar valores de hasta 80, 000 iones / cm3 .




28

Tierra

Se han efectuado amplios estudios sobre las variaciones de campo sobre la

tierra, observándose incluso relaciones entre éstas variaciones y la contaminación

atmosférica.

En la práctica podemos considerar que existe un campo eléctrico terrestre,con la tierra cargada en forma negativa respecto a la atmósfera superior que lo esta

en forma positiva, este campo se comporta en forma distinta según los casos:

En condiciones normales teniendo buen tiempo, la existencia de iones libres y

de un gradiente de potencial en la atmósfera genera una corriente, pudiendo

considerar el circuito equivalente de la figura 2, donde se cumple:

R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ).

Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica.

Rv = Resistencia variable

Figura 2. Representación de una descarga atmosférica mediante un circuito

eléctrico.

Rc

Rv

h > 30 Km

ATMÓSFERA SUPERIOR




29

nube

descargasatmosféricas(rayos)

En condiciones de mal tiempo, la niebla, nieve, lluvia, etc., modifican la

conductividad y la densidad de corriente i varía.

En caso de existir prominencias en el terreno, éstas se cargan eléctricamentey se produce el fenómeno de descarga por las puntas, incrementándose el gradiente

de potencial a su alrededor y generándose un paso continuo de corriente; este

fenómeno fue observado por Franklin, Dalibard, Lemonier y especialmente por

Wilson.

En conjunto, se establece un intercambio tierra-atmósfera que equivale a un

condensador cargado a 4 x 10

5

voltios y con corriente de intercambio según elesquema de la figura 3, donde:

R = Rc + Rv ≈ 1x 1021 Ω ( para columna de aire de 1cm2 de sección ).

Rc = Resistencia constante debida únicamente a ionización cósmica.

Rv = Resistencia variable

Figura 3. Representación de un intercambio de energía tierra-atmósfera

mediante un circuito eléctrico.

A

B

Descarga porlas puntas

Rc corrienteDe buentiem o

Rv

CondensadorCargado a4 x 105 voltios

+

ATMÓSFERA

TIERRA




30

B) La nube

Normalmente nos interesa considerar las nubes de tormenta. Son nubes de

desarrollo vertical con una masa de agua considerable. La formación de lasdescargas eléctricas en el interior de estas nubes sigue un mecanismo complejo que

se explica actualmente con las diversas teorías descritas en el apartado anterior.

En general se acepta la de que hay en la masa de nubes, gotas que

descienden polarizadas con la parte positiva en la parte inferior, estas gotas

capturan iones negativos y ceden los positivos. Congeladas las gotas de agua, el

centro se conserva líquido y los iones positivos quedan en el centro. Al partirse lagota se separan los iones positivos y negativos y aunque éstos quedan en la parte

inferior se forman bolsas positivas en la parte baja de las nubes, que generan la

formación del rayo.

C) La tierra

La tierra, cargada negativamente, transfiere continuamente iones a la

atmósfera, dependiendo esta transferencia de diversos factores, grados de acidez

de los suelos (existencia de iones libres), humedad y conductividad en las puntas.

D) El rayo

El conjunto de los tres factores estudiados, el aire, la nube y la tierra, es el

origen de la generación del rayo.




31

Existen distintos tipos posibles de descarga: entre dos nubes, en el interior de

una nube o entre nube y tierra (que es el que nos interesa). El proceso de un rayo de

este tipo presenta varias fases sucesivas (figuras 4 y 5):

Figura 4. Fases de descarga de un rayo.

Figura 5. Formación campos eléctricos de las descargas Atmosféricas.




32

1.-Se establece el llamado “leader ” en forma de dardo. El mecanismo inicial de

encendido se establece entre una bolsa positiva y una prominencia del terreno. El

diélectrico (aire) comienza a romperse y el “leader” avanza a saltos de 50 m.

aproximadamente cada uno y a 1/3 de la velocidad de la luz. De esta forma se vaionizando un camino irregular en diversas direcciones hasta unos 15 o 20 m de la

punta.

2.-Se dispara la corriente de retorno, mucho más brillante desde la prominencia

hacia el camino ionizado y a una velocidad próxima a la de la luz.

3.-Se efectúan repetidas descargas sucesivas de 3 a 5 usualmente, aunque hanllegado a contarse hasta 42. Estas descargas van en las dos direcciones (nube-tierra

y tierra-nube).

El conjunto del fenómeno se efectúa en un lapso corto de tiempo y para el

observador normal, la sensación es de un fenómeno único.

Los valores de la corriente de descarga son excepcionalmente altos

(centenares de miles de amperes), pero la duración de estas corrientes es

afortunadamente pequeñísima, ya que en general, la corriente de descarga sube

hasta su máximo en 1 a 10 microsegundos.

La trayectoria que presenta la formación de una descarga atmosférica,

demuestra por que los lugares elevados son alcanzados por los rayos con más

frecuencia, ya que de acuerdo con las leyes elementales de la Física, es evidente

que en los lugares elevados la concentración de carga es mayor que en los lugares

bajos Figura 6.




33

Figura 6. Formación de una descarga atmosférica.

2.4.1.4 Factores que gobiernan la decisión de su instalación

La protección contra descargas atmosféricas constituye un tema de especial

interés.

Es del conocimiento de todos, la capacidad destructiva que posee esta

manifestación atmosférica que conocemos con el nombre de rayo. Sus efectos

externos han sido siempre conocidos por la humanidad, así como sus efectos

directos e indirectos.




34

Las consecuencias de las descargas directas pueden ser graves como son:

daños a personas, objetos, equipos, incendios y destrucción, interrupciones en los

servicios de energía eléctrica, que puede originar grandes pérdidas económicas.

De acuerdo con el código de National Fire Protection Association (Asociación

Nacional de Protección Contra Incendios), los factores que gobiernan la decisión de

instalar un sistema de pararrayos son los siguientes:

1. Frecuencia de las tormentas en la zona.

2. Valor y naturaleza del edificio y su contenido.

3. Riesgos a las personas que lo ocupan.4. Exposición relativa.

5. Pérdidas indirectas.

En relación con la frecuencia de tormentas eléctricas, se consideran como

valores reales entre 25,000 y 40,000 descargas diarias sobre toda la superficie de la

tierra. En algunos países existen estudios estadísticos que permiten conocer la

cantidad de tormentas eléctricas que son de esperarse en una determinada zona.

En relación con el valor que pueden representar las pérdidas materiales

originadas por rayo, recientemente la “Sociedad Geográfica Nacional de

Washington”, publicó lo siguiente:

Se esperaban para la Unión Americana de 17,000 a 20,000 construcciones

dañadas por descargas en un año, y en total, una pérdida mínima de 10,000,000 de

dólares.




35

H. M. Towne de General Electric Co; nos proporciona datos de la variación de

la probabilidad de incidencia con relación a la altura, con la cual se puede construir

una gráfica (Gráfica 1) que a continuación se presenta:

12 --

11 --

10 --

9 --

8 --

7 --

6 --5 --

4 --

3 --

2 --

1 –

0

50 100 150 180

Gráfica 1. Representación de la variación de la probabilidad de incidencia del rayo.

Los parámetros de las descargas de rayos a tierra son muy importantes en el

diseño de esquemas de protección contra rayos o descargas atmosféricas. Los

parámetros más importantes son:

Voltaje

Corriente eléctrica

Forma de onda

Frecuencia de ocurrencia

Altura en metros

Probabilidad




36

El voltaje entre una nube de tormenta y la tierra, Figura 7 antes de una

descarga a tierra se ha estimado de 10 MV a 1000 MV. Sin embargo, para trabajo de

diseño, al ingeniero de protección le interesa el sobrevoltaje que aparece en el

aparato de energía en que ocurre la incidencia. Este voltaje será igual al producto dela impedancia por la corriente de la descarga.

La corriente de descarga al terreno es independiente de la impedancia de

terminación. La razón es que la impedancia de terminación es mucho más baja que

la resistencia del canal de descarga del rayo, la cual es del orden de unos miles de

ohms. En consecuencia, una descarga a tierra se considera normalmente como una

fuente ideal de corriente en el punto de incidencia. La cresta de la corriente eléctricade la descarga puede variar sobre un amplio intervalo: desde 1 a 200 kA. Muchos

investigadores han reunido datos sobre las magnitudes de la corriente de descarga a

tierra. Entre éstos, ha tenido mucha aceptación el trabajo de Berger realizado en

Suiza.

Figura 7. Ilustración del desarrollo de una descarga eléctrica.

+ + + + + + + + +++ +++ + +++ + + +++ + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _




37

La forma de onda de la corriente de descarga de un rayo a tierra , y

especialmente el tiempo de elevación de la misma, es muy importante. Una vez más,

la representación estadística de los datos de los tiempos de elevación de la corriente

de descarga reunidos por Berger aparece en la Gráfica 2 y 3.

La frecuencia de ocurrencia es también una característica muy importante.

Para poder cuantificar la actividad del rayo, se ha introducido la medida tosca del día

de tormenta.

Gráfica 2. Distribución de las magnitudes de la corriente de rayo

(registrada por Berger).

Amplitudes de cresta de los kiloamperes de corriente de la descarga

0 20 40 60 80 100 120 140

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

P r o b a b i l i d a d

d e s

o b r e

a s a r l a

a b s c i s a




38

0 1 2 3 4 5 6

Gráfica 3. Distribución de los tiempos de elevación de la corriente del rayo

(registrada por Berger).

Un día de tormenta se define como un periodo de 24 hrs, en el cual se ha

oído por lo menos un trueno. Específicamente por definición, un día de tormenta no

proporciona información alguna acerca de la frecuencia y la actividad total de las

descargas. A manera de ejemplo, Anderson ha sugerido el siguiente:

N1 = 0.12 T

En donde N1 es la densidad de los relámpagos a Tierra por km2 por año y T

es el número de días de tormenta por año.

0.1

0.8

0.6

0.4

0.2

Tiem o a la corriente de cresta de la descar a s

P r o b a b i l

i d a d

d e

s o b r e

a s a r l a

a b s c i s a




39

2.4.1.5 SOBREVOLTAJES POR RAYO

Los sistemas de energía eléctrica expuestos a la intemperie, están sujetos a

descargas atmosféricas que originan los sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes segeneran por descargas directas sobre un aparato o sistema de energía, o por

descargas indirectas a objetos cercanos, de los cuales se transfieren sobrevoltajes

subsecuentes al sistema.

A diferencia de los sobrevoltajes por operación de interruptores, que son

proporcionales al voltaje del sistema, los sobrevoltajes por rayo, son independientes

del voltaje del sistema, pero dependen de las impedancias del mismo. Por ejemplo,una descarga directa de rayo en un conductor de fase de una línea aérea de

transmisión, generará un sobrevoltaje proporcional a la impedancia característica de

la línea y proporcional a la magnitud de la corriente de la descarga del rayo.




40

t en s

l en metros

t

l

FRE NTE

DE

L

A

O NDA

E

2.4.1.6. ONDAS DE FRENTE ESCARPADO

Son producidas por diferentes causas, de las que más adelante se hará

mención, y se caracterizan por la gran inclinación de su frente. La onda que presentala figura 8, tiene una amplitud de cresta E y el escarpado esta comprendido en el

tiempo t, en microsegundos. Las abscisas, en la escala correspondiente,

representan los segundos o las longitudes.

Suponiendo, que t = 6 microsegundos, teniendo en cuenta que la velocidad

de la onda es de 300,000 kms/seg , le corresponderá una longitud de:

l = v t =(300000)(6X10-6 ) = 1.800km= 1800mts.

Por ejemplo si la amplitud E fuese de 1.7x103 kv, correspondería un gradiente

de potencial de:

mvoltios E /44.9441800

000,700,1

Figura 8. Representación de una onda de frente escarpado.




41

Según experiencias realizadas, una onda cuyo frente escarpado tenga una

duración de 1 a 1.5 s, y en la que la cola presente una inclinación tal que conserve

el valor de la semiamplitud de la cresta durante 30 a 50 s, reproduce con

bastante aproximación el fenómeno a la realidad, y por ello éstas ondas,

normalizadas, se utilizan en los ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las

líneas, debiendo variar únicamente, según los casos considerados el valor de la

amplitud de la cresta.

En América, los valores tipo de esta clase de onda son: frente 1.5 s;

semiamplitud del valor de la cresta durante 40 s.

El valor del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y viene

expresada en amperios. Las amplitudes de la cresta pueden alcanzar a muchos

miles de amperios, pero generalmente no suelen pasar de 100,000 amperios.




42

2.4.2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ENTRE NUBES Y LÍNEAS AÉREAS

La formación de tormentas se origina debido a las cargas estáticas de las

nubes, consideradas como cuerpos conductores. Cuando una nube cargada

estáticamente a un cierto potencial se aproxima a la tierra o a otra nube, llega un

momento en que la diferencia de potencial entre las dos nubes o entre la nube y la

tierra, sea superior a la tensión crítica de descarga. Entonces saltará la chispa, a la

que se designa con el nombre de <<rayo>>. La figura 9 muestra la fotografía de un

rayo que está formado por un canal principal, y las derivaciones o efluvios que se

esparcen lateralmente en la atmósfera. En consecuencia, los rayos no son más que

grandes arcos entre dos cuerpos cargados electrostáticamente.

Figura 9. Representación de una descarga eléctrica entre nube y tierra.




43

3

21

12

3

4

Esta teoría ha sido confirmada en principio por los ensayos realizados en

Upsala por Norinder, relativos al modo de repartirse la tensión inducida por las

nubes cargadas en el aire. Se encontró, para una altura de poste de 10 metros

sobre el nivel del suelo, una diferencia de potencial por metro de poste, de 140 kv.

Como la resistencia del camino de la descarga es muy variable, ésta debe ser

fuertemente oscilante y de una frecuencia irregular. Por experiencias realizadas,

Norinder llegó a la conclusión de que la frecuencia de la corriente debida al rayo,

puede alcanzar hasta 10,000 hz., lo que parece comprobar que el campo eléctrico

creado en el aire en el momento del rayo, varía a su vez muy rápidamente.

Los dos fenómenos señalados, es decir la diferencia de potencial sobre el

suelo y la variación rápida de esta diferencia en función del tiempo, concuerdan bien

con la hipótesis expuesta sobre las nubes cargadas de electricidad estática Como

se verá más adelante, estos fenómenos bastan para explicar las perturbaciones

provocadas por las tormentas en las instalaciones eléctricas

Se comenzará admitiendo que el cuerpo conductor 1 cargado de electricidad

positiva (figura 10a y 10b), esté en presencia de otro cuerpo conductor 2

+ - +

C

C

C

C

Figura 10 a. Cargas electrostáticas encuerpos conductores aislados de tierra.

Figura 10 b. Variación de la capilaridadCw entre una línea aérea y una nubemóvil.




44

De la carga de conductor 1 aparecerá sobre el conductor 2 una carga

negativa y al mismo tiempo una carga libre positiva que hace que el conductor 2

adquiera un cierto potencial con respecto a la tierra, por lo que, si se une a ésta,

dicha carga positiva derivará a tierra y su potencial será entonces cero; pero si esteenlace entre 2 y la tierra se suprime y además desaparece la carga en 1 (por

ejemplo por una puesta a tierra), la carga negativa en 2 quedará en libertad y volverá

a existir una diferencia de potencial respecto a tierra.

2.4.2.1 Rayos Indirectos

En la figura 11, se muestra en efecto, que la línea se encuentra a un ciertopotencial con respecto a tierra, y de acuerdo a experiencias, podría decirse que aquí

se producirá una sobretensión. Aquí también se observa que el potencial es máximo

en el medio de la porción de la línea influenciada, y por esto es posible que en este

lugar se produzca el arco a tierra comúnmente llamado rayo.

Figura 11. Efecto electrostático de una nube cargada de electricidad sobre una

línea.




45

Además para que un rayo se produzca no nada más es necesario que la

descarga sea mucho muy grande sino que además esté aplicada durante un cierto

tiempo. Estas dos condiciones pueden cumplirse en el caso de la puesta en libertad

de las cargas inducidas, porque de una parte el potencial puede ser superior a latensión del contorneamiento de los aisladores, y de la otra es posible que subsista

durante algún tiempo, al menos en el medio de la porción de línea considerada.

Cuando una descarga por contorneamiento se produce en un aislador, el potencial

cae bruscamente a cero, cuyo resultado es la formación de dos sistemas de onda de

descarga que se propagan, una hacia la derecha y otra hacia la izquierda, lo cual se

podrá observar en la figura 12. Por otra parte , las variaciones de potencial se

producen bruscamente, las ondas móviles de descarga avanzarán con un frente muyescarpado. Su amplitud será, desde luego, igual a la tensión de contorneamiento del

aislador, referido entonces a un gradiente de potencial de corta duración. Hay que

observar que la tensión de descarga es diferente según que el gradiente esté

aplicado momentáneamente o de un modo permanente, a causa del efecto

retardado que se manifiesta en el primer caso.

Figura 12. Descarga a tierra de la onda inducida en una línea, creada por la

influencia de una nube.

b a




46

2.4.2.2 Rayos Directos

Éstos no se dan muy frecuentemente, pero su efecto es muy alto en cuanto a

daño se refiere, comparados con los rayos de incidencia indirecta, debido a queinciden directamente sobre la línea con valores de unos cientos de kilovoltios (valor

de cresta).

El resultado de la incidencia del rayo sobre la líneas se traduce en una onda

de frente muy escarpado y cuya cola tiene una inclinación que depende de las

condiciones en que se desarrolla el fenómeno. De acuerdo a experiencias realizadas

una onda cuyo frente escarpado tenga una duración de 1 a 1.5 microsegundos, y enla que la cola presente una inclinación tal que conserve el valor de la semiamplitud

de la cresta durante 30 a 50 microsegundos, se produce con bastante aproximación

al fenómeno en la realidad, y por ello estas ondas normalizadas, se utilizan en los

ensayos relativos a la acción de los rayos sobre las líneas, debiendo variar

únicamente, según los casos considerados, el valor de la amplitud de la cresta .

El tamaño del rayo se mide por la amplitud máxima de la onda y se expresa

en amperios o en kv, su amplitud de la cresta puede alcanzar a muchos miles de

amperios pero generalmente no sobrepasan de 100,000.

De acuerdo a estudios realizados y estadísticas proporcionadas, el 7% de los

rayos es superior a 40,000 amperios




47

2.4.2.3 Efectos de las descargas atmosféricas.

Los fenómenos de sobrevoltaje en instalaciones eléctricas, abordaremos los

originados por fenómenos externos como son las cargas atmosféricas. Este tipo desituación, ocasiona salidas frecuentes en las instalaciones que provocan

interrupciones en el servicio, por lo que es importante el conocimiento de los efectos

de las descargas atmosféricas, a fin de proporcionar la protección mas adecuada a

la instalación.

Basta con que se tengan nubes sobre la línea de transmisión para que se

presente la posibilidad de un sobrevoltaje.

Las nubes en un medio seco, con viento y con una velocidad aproximada de

40 Km. / hr. originan sobrevoltajes en la instalación.

Por lo general una descarga sobre una línea de transmisión provoca una

onda de sobrevoltajes inicial que se divide en dos ondas viajeras que van hacia la

izquierda y hacia la derecha del punto que se produce la descarga con una

velocidad igual a la de la luz en el caso de conductores aéreos.

Como se ha visto en cualquiera de los tipos de acción externa se produce

sobrevoltajes que son mayores o menores dependiendo de sí la descarga es directa

o indirecta, este tipo de sobrevoltajes somete a los aislamientos de la instalación y

en particular a los de las maquinas a esfuerzos dieléctricos que pueden superar a

los niveles básicos de aislamiento; para cada elemento en que intervienen

aislamientos sé propician los perforamientos dieléctricos que traen consigo otro tipo

de fallas.

Otros efectos que ocasionan las descargas atmosféricas sobre las

instalaciones son las siguientes:




48

I) La corriente del rayo alcanza valores instantáneos extremadamente altos que se

someten a los elementos de la instalación a esfuerzos dinámicos y térmicos y que

requieren para su disminución de un diseño adecuado de la red de tierras.

II) Los esfuerzos dinámicos debidos a la corriente del rayo someten a conductores

(barras) a fuerzas de atracción y repulsión que pueden llegar a romper los aisladores

soporte o deformar los tableros.

III) La corriente del rayo trae consigo una gran cantidad de energía calorífica

teniéndose temperaturas hasta de 8350 grados centígrados que pueden provocar la

falla de aislamientos de los pararrayos llegando a destruirse por explosión al nopoder descargar la energía recibida.

2.4.2.4 Tipos De Sobretensiones.

Las sobretensiones se clasifican en dos tipos que son:

Sobretensiones de origen interno.

Sobretensiones de origen externo.

Las sobretensiones de origen interno se deben principalmente a la operación

de dispositivos de desconexión (2 a 3 ciclos ) (dos veces la tensión de operación).

Las sobretensiones de origen externo se deben al contacto directo o indirecto

ocasionado por descargas atmosféricas, las cuales son de menor duración, pero las

más severas; para proteger los cables y equipos contra descargas atmosféricas se

deben instalar pararrayos.




49

2.4.2.5 Protección contra sobretensiones

Estas se pueden dividir en tres grupos, los cuales son los siguientes:

La protección que previene la ocurrencia de una onda o reduce su magnitud

(hilos de guarda).

La protección con dispositivos que desvían la onda de línea a tierra (cuernos

de arqueo).

La protección con dispositivos que modifican la forma de onda de

sobretensión y/o absorben parte de su energía (pararrayos)




50

2.4.3 Protección con Cables o Hilos de Guarda

En las líneas de transmisión que tienen una alta incidencia de descargas

atmosféricas, es importante prevenirlas contra éstas, mediante el blindaje con hilos

de guarda, que tienen como objetivo principal interceptar la descarga por rayo y

conducirlas a tierra.

Cuando se presenta una sobretensión, los cuernos de arqueo provocan

una ruptura dieléctrica del aire circulante a ellos, en ese preciso momento el

dispositivo actúa, llevando la sobretensión a tierra, para lo cual se requiere que la

separación y alineamiento entre ellos esté bien calibrada. En un trasformador los

cuernos de arqueo se encuentran colocados en las boquillas de los trasformadores

en el lado de la más alta tensión, y actualmente su uso ha desminuido debido a que

aumentó la popularidad del pararrayos.

En los cuernos de arqueo, cuando su nivel isoceráunico (nivel de descargas

en un área) es por debajo de 15, es más recomendable usar éstos ya que son

económicos, comparado con el pararrayos.

El nivel de protección de un sistema eléctrico de potencia contra las

descargas atmosféricas cuando se establecen hilos de guarda cobra gran interés

para el servicio que preste. Estos cables pueden ser de acero, o pueden ser hilos de

acero con película de cobre (COPPERWELD) o hilos de acero con película de

aluminio ( ALUMOWELD). Unos y otros, se conectan a las puntas más altas de las

torres de las líneas de transmisión o subtransmisión, sobre los conductores activos

o fases de la línea, es decir con hilos soportados paralelamente a los conductores dela línea, con una colocación a un nivel superior, que sirve como pantalla protectora

impidiendo que los rayos caigan directamente sobre los conductores activos.

Además en la parte alta de las torres se conecta a los hilos de guarda, un cable

conectado a tierra, que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensión

producidas por la descarga y que viajan por los hilos de protección.




51

La protección de las líneas de transmisión persigue dos objetivos:

1. Evitar que la descarga alcance conductores.

2. Permite la descarga del rayo en la línea.

El primer método usa conductores conectados a tierra (cables de tierra)

suspendidos por encima de las líneas de transmisión, mientras que en el segundo

emplea dispositivos tales como tubos de protección, compensadores de defectos a

tierra (bobinas Petersen), o interruptores de reconexión automática.

Desde hace mucho tiempo, para la protección de líneas contra los rayosdirectos, se vienen utilizando cables de acero, o hilos de acero cubiertos con una

película de cobre o de aluminio, colocados por arriba de los conductores en la punta

de la torre, que actúan como pantalla y que se ponen a tierra en cada una de las

estructuras de la línea. En esta forma el impacto del rayo es recibido por el cable o

los cables de tierra y solamente un porcentaje muy reducido podría alcanzar a

algún conductor. Según el reglamento vigente, la altura a que debe colocarse el

cable de tierra se fijará teniendo en cuenta que el ángulo protector, es decir, el

formado por la vertical con la recta que une al cable de tierra y el conductor exterior

debe ser igual ó menor de 30°.

Es necesario además, que la distancia entre el cable de tierra y el conductor

sea por lo menos igual a la separación que resulte entre conductores según las

características de la línea e impuesta por el reglamento.

La rigidez dieléctrica juega un papel importante en los aisladores de la línea,

según el tipo de los elementos y número de éstos que constituyen la cadena. A este

respecto es necesario consignar que las ondas de choque producen el

contorneamiento de los aisladores no solamente por la amplitud de la cresta de

tensión; la tensión de contorneamiento puede ser superada cuando está aplicada en

tiempo corto. A continuación se presenta una torre utilizando hilos de guarda para su

protección (figura 13).




52

Figura 13. Representación física de los hilos de guarda y su conexión a tierra.

Hilos de guarda

Conductores de faseConductores de fase




53

La función encomendada al cable de tierra es interceptar el rayo y conducir su

corriente al suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes

para cebar el arco entre el hilo de tierra o la torre y los conductores. Para obtener

este resultado, es necesario que, en la parte central del vano, la separación entre elcable de tierra y los conductores sea suficiente para que la descarga del rayo no

pueda dar origen a una tensión superior a la de arco antes de dar tiempo a que las

ondas reflejadas en las torres más próximas lleguen de nuevo al punto de partida y

disminuyan el valor de la tensión existente. Las torres deben estar suficientemente

aisladas de los conductores de transmisión, para que las tensiones que aparezcan

como resultado de la caída de resistencia en su base no puedan ser causa de arco

alguno. Por tanto, para un rayo de intensidad dada, cuanto más alta sea laresistencia en el pie de la torre, más aislamiento se requiere entre torre y línea.

2.4.3.1 Condiciones físicas.

Los cables de tierra deben colocarse encima de los conductores de línea, en

forma de que el rayo descargue sobre aquellos antes de poder alcanzar a éstos.

Desde el punto de vista del rayo los conductores de tierra pueden ser de cualquier

material, tales como acero, cobre, aluminio o acero cobreado. La sección del

conductor viene, en general, definida por consideraciones mecánicas, pero si su

sección es insuficiente, la corriente del rayo puede dañarlo seriamente. Según los

datos obtenidos de acuerdo con investigaciones ya realizadas, el conductor mas

grueso fundido por la corriente del rayo fue uno del numero 4, ósea de 21 mm 2, de

cobre macizo. Probablemente, en la mayoría de los casos baste un conductor de

tierra de diámetro no inferior al número 1/0 ( 53 mm2 ). Una protección de éste tipo,

debe tenerse presente que la separación de tierra y los conductores de línea debe

ser mayor en el centro del vano que en los apoyos.




54

Δh = 25.3 m

2.4.3.2 Problema sin utilizar Hilo de Guarda

A continuación presentaremos la diferencia que existe en la utilización o no

del hilo de guarda en dos ejemplos que muestran la importancia del mismo:

Ejemplo1. Estimar el índice de flameo de una línea de 220 KV que se opera sin hilo

de guarda. Los datos de la línea son:

Longitud del claro: 366 M (1200 pies).

Aisladores: de cadena con 15 discos de 254 x 127 (10x5 pulg. ).

Nivel isoceraunico: 27

Altura de los conductores superiores 25.3 M.Conductores de ACSR con una flecha de 9.15 M.

Impedancia característica: 480 Ohms.

Solución:

5.2 m

5.2 m

9.46 m




55

La altura promedio de los conductores superiores considerando la flecha es:

h promedio = 25.3 - )15.9(3

2 19.2 M

El número de descargas por año en una línea ( F1) es:

F1 = 6230

DT

Km

asdesc

100

arg al año.

O bien considerando la altura promedio de los conductores (al no existir hilo de

guarda) y estar las torres con una altura promedio entre 25 y 30 M.

F1 =30

7.2 DT h

Km

asdesc

100

arg al año.

F1 =30

272.197.2 47

En curvas para una cadena de 15 discos la tensión crítica de flameo (VCF) es

1200 KV.

La tensión de flameo del aislamiento de fase a fase, es decir a 5.2 M, de

entre hierro para las dos cadenas de aisladores en serie es mucho mayor que 1200

KV y en este caso I1 es menor que I2 , por lo que:

I1 = 2O Z

VCF = 2

480

1200x 103 =5000 A

I1 = = 5 KA




56

Considerando que la proporción de descargas que producirán flameo es p1 = 0.9,

la frecuencia de descargas en la línea por año, dará un índice de flameo:

FA = F1 p1 = 9.047 42 Km

flameos100

al año

2.4.3.3 Problema utilizando Hilo de Guarda

Ejemplo 2. Para el problema anterior no se utilizó el hilo de guarda, utilizando los

mismos datos para una línea de 220 KV, estimar el índice de flameo para línea con

hilo de guarda.

9.46 m

5.2 m

5.2 m

5.2 m

θs




57

Θs = Arc tan2.5

73.4 = 3.42

La probabilidad P Θ de fallas por acorazado en por ciento es entonces:

Log P Θ =90

h s - 2.0 h = altura del hilo de guarda

Log P Θ =90

5.303.42 - 2.0

De donde : P Θ = 3.94 %

Para torres con altura del orden de 30 M en promedio, el número de

descargas por año en una línea es:

F1 = 2.7 ( Δh)30

DT = 2.7 (25.3)

30

27

F1 = 61.479

El índice de flameo con acorazado es entonces:

TF = F1 PΘ x 10-2

TF = (61.479) (3.94) x 10-2

TF = 2.422 Km

flameos

100 al año.




58

De este valor solo una parte se debe a la corriente de descarga, pero de

suficiente magnitud para producir flameo en el aislamiento en la línea.

La tensión crítica de flameo para una cadena con 15 aisladores de

254 x 146 mm (10 x 54

3 pulg.) es 1200 KV, si la impedancia característica de la línea

es Zo = 480 Ohms, la corriente del rayo es:

I1 = 2 Zo

VCF x 103 = 2

480

1200 x 103 = 5000 A

I1 = 5 KA

La probabilidad p1 de que se excede este valor en la corriente, se obtiene de :

Log p1 = 2.0 -60

I 1 I I = Corriente del rayo en KA

Log p1 = 2.0 -60

5 = 1.9166

p1 = 82.54 %

Y entonces el índice de flameo en línea acorazada es:

TF = F1 p1 PΘ x 410

TF = 41094.354.82479.61 x

TF = 1.99 Km

flameos

100 al año.




59

Por lo anterior podemos concluir que la utilización del hilo de guarda en los

sistemas de distribución que no utilizan éste dispositivo tienen 42 flameos/100 km al

año , por otro lado, utilizando el hilo de guarda en nuestros sistemas tienen 1.99

flameos/100 km al año ; en base a lo anterior observamos que hay una diferenciamuy elevada de 40.01 flameos/100 km al año; este estudio nos da una idea mas

clara para una toma de decisión a la hora de utilizar o no el hilo de guarda,

quedando a criterio de cada uno este sistema de protección.




60

2.4.4 ESTUDIO GENERAL DE LOS PARARRAYOS

Anteriormente se conocía únicamente como pararrayos a los sistemas de

protección contra descargas atmosféricas; pero en la actualidad en México, se

utilizan también los apartarrayos, por lo cual se hará un estudio sobre estos dos

tipos de sistemas de protección contra descargas atmosféricas, que son:

1. PARARRAYOS

2. APARTARRAYOS

2.4.4.1 Estudio del Pararrayos

2.4.4.1.1 NORMA 022-STPS-1999

Pararrayos: es un dispositivo para recibir, colectar o desviar las descargas

eléctricas atmosféricas a tierra.

Selección de pararrayos

Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionen a base de materiales

radiactivos.

Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación de

instalar pararrayos y, en su caso, el tipo de pararrayos a utilizar para drenar a

tierra la descarga eléctrica atmosférica, son:

a) el nivel isoceráunico de la región;

b) las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o explosivasque se almacenen, manejen o transporten en el centro de trabajo;

c) la altura del edificio en relación con las elevaciones adyacentes;

d) las características y resistividad del terreno;

e) las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias químicas,

inflamables o explosivas;

f) el ángulo de protección del pararrayos;




61

g) la altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierra las

corrientes generadas por la descarga eléctrica atmosférica.

Pararrayos es el dispositivo más usado para la protección contra descargasatmosféricas y son utilizados en los edificios, transformadores y equipo eléctrico;

colocados en la parte mas alta, para poder recibir la descarga atmosférica y drenarla

a tierra; comúnmente son conocidos como puntas pararrayos y es el elemento

primario para la coordinación de aislamiento, en base a las siguientes funciones:

Opera con sobretensiones en el sistema permitiendo el paso de las

corrientes del rayo y sin sufrir daño. Reduce las sobretensiones peligrosas a valores que no dañen el aislamiento

del equipo.

Las características principales para la selección correcta de un pararrayos en un

sistema de distribución son las siguientes:

1. La tensión nominal

2. La corriente de descarga

Estas se pueden calcular por promedio de la fórmala siguiente vn=ke.vf --f

Donde:

Vn = tensión nominal de pararrayos en kv

Ke = factor de corrección a tierra

Vf-f = tensión de línea a línea

El factor ke se refiere a la forma en que se encuentra conectado a tierra de la

instalación eléctrica al sistema, considerando que una falla de línea a tierra es lo que

produce una sobretensión en las fases no falladas.




62

2.4.4.1.2 Tipos De Pararrayos

Antes de comenzar la descripción de los diferentes tipos de pararrayos,

mencionaremos los 3 elementos fundamentales por los cuales está integrado un

sistema de pararrayos para un edificio ( ver figura 14).

Figura 14. Elementos fundamentales de un pararrayos.

1. Un elemento receptor de la descarga que los constituyen las puntas de

protección y los cables colocados estratégicamente en las partes de la estructura

que pueden recibir una descarga ( “A” figura 13).




63

2. Circuito a tierra, formado por los conductores que tienen como misión

transportar a tierra la corriente de la descarga, según el recorrido perfectamente

determinado y de baja resistencia eléctrica, pasando normalmente por la parte

exterior del edificio. La realización práctica de estos elementos debe de efectuarseteniendo en cuenta que por ser la corriente del rayo a impulsos, adquiere una

importancia notable la reactancia del circuito, cuya influencia puede originar grandes

caídas de tensión en el circuito ( “B” , Figura 14).

3. Electrodos a tierra llamados también dispersores de tierra los que proveen de

un contacto íntimo del sistema con el terreno, facilitando la dispersión de la corriente,

en el terreno propiamente dicho (“C”, Figura 14). Existen en la actualidad para elcálculo y diseño de estos electrodos a tierra, así como procedimientos de medición

de la resistencia, lograda. Se ha desarrollado también alguno productos que pueden

usarse como aditivos en los electrodos y de esta manera lograr abatir la resistencia

a tierra.

De acuerdo a la diferente organización de los elementos anteriores se

conocen actualmente los siguientes tipos de pararrayos:

Pararrayos de Franklin .- Descubierto por Benjamín Franklin en el año de

1750, consta de una punta y de una conexión a tierra, su interés actualmente es solo

histórico, ya que se han comprobado las limitaciones de superficie protegida que

provee, otro efecto estriba en el hecho de cada vez que es alcanzado directamente

por un rayo, la descarga se recibe en un solo lugar, lo cual origina que la punta de la

barra falle debido a la intensa corriente que transporta.

Pararrayos tipo de Jaula de Faraday.- La jaula de Faraday se basa en el

experimento del físico del mismo nombre, según el cual disponiendo una envoltura

metálica cerrada y conectada a tierra, cualquier fenómeno eléctrico, por intenso que

sea no causa ningún efecto en el interior de la envoltura, o sea, que la envoltura

mencionada sirve como “pantalla “ ó blindaje del interior.




64

Actualmente este tipo de sistemas se construyen de una red o malla de

conductores que se coloca en la parte superior de la estructura que se protege, con

suficientes conexiones a tierra para lograr en dicha malla una distribución uniforme

del potencia de la tierra. La protección de las superficies intermedias entre los cablesque forman la red, se logra mediante pequeñas puntas ionizadoras de la atmósfera

que originan concentraciones de carga en ellas, las que en condiciones de tormenta

pr oveen múltiples “pilotos secundarios”, lo que además proporciona muchas vías de

entrada a la descarga principal, cada una de ellas con una intensidad de corriente

menor.

Este sistema es el que ha tenido hasta la fecha un desarrollo mayor, ya quedesde 1904 se dispone de reglamentos oficiales de institutos y organismo

especializados, los cuales recopilan normas de diseño experimentadas ampliamente

y revisadas periódicamente, lo cual proporciona una garantía de su funcionamiento.

Pararrayos Radioactivos.- A principios del siglo pasado comenzaron las

investigaciones sobre el pararrayos radioactivo, partiendo de la colocación de sales

radioactivas en una punta con lo que se ioniza el aire circundante y se favorece una

descarga paulatina sin que llegue a caer el rayo. Ese sistema que desarrollaron los

Capart (Padre e Hijo) de 1931 a 1953, tuvo una gran difusión posterior a causa de la

elevada superficie protegida (semiesfera de radio variable según la carga radioactiva

y cilindro tangente a la misma hasta el suelo).

En todas formas, pese a que la emisión radioactiva es muy limitada y no se

consideraba nociva, actualmente en ciertos países se genera una especial

resistencia al empleo de estos dispositivos, su uso no está reglamentado en nuestro

país.

Hilos de guarda.- el primer método usa conductores conectados a tierra

(hilos de guarda), suspendidos por encima de las líneas de transmisión. La función

encomendada al hilo de guarda es interceptar el el rayos y conducir la corriente al

suelo sin que alcancen en la torre ni en el vano potenciales suficientes para cebar el

arco entre el hilo de guarda o la torre central y los conductores




65

2.4.4.1.3 Proceso de Funcionamiento de un Pararrayo

de toda instalación de protección contr

en primer lugar se debe realizar un es

que determinará el nivel de protección

emplazamiento del PDC, el trazado de

la ubicación y tipo de la toma de tierra

partes fundamentales del estudio previ

cálculo del riesgo de impacto directo.

alto sea el riesgo, mayores serán las

protección requeridas (para un riesgo

NIVEL DE III, para un riesgo normal).

Para la máxima seguridad, la norma U

APLICACIONES

El anexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-1

GUÍA PARA LA EVALUACIÓN DEL RIESGO DE IMPA

SELECCIÓN DEL NIVEL DE PROTECCIÓN

Figura 15. Pararrayos electropropulsante Dat Controler.




66

nexo B de las normas UNE 21 186 y NF C 17-102 constituye ARA LA EVALUACIÓ

Las figuras 15 y 16 muestran al pararrayos y su estudio respectivamente; la

formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico ambiental

por encima de los 10kv/m. Esta energía natural es acumulada por el dispositivo de

cebado del pararrayos electropulsante DAT CONTROLER que de esta forma queda

en situación de precontrol.

A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco

incremento del campo eléctrico, originándose una zona de riesgo de impacto. Si esta

zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la brusca

variación del campo eléctrico acciona simultáneamente el sistema de protección

DAT CONTROLER que, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una

vía de descarga a tierra controlada y segura.

Figura 16. Representación del funcionamiento de un pararrayoselectropropulsante Dat Controler .




67

Características:

Pararrayos electropulsante DAT CONTROLER caracterizado por:

1. Cumple Normas UNE 21 186* y NF C 17-102.

2. Tiempos de avance en el cebado específicos de cada modelo.

3. Radios de protección certificados para cada modelo y nivel.

4. Funcionamiento efectivo en condiciones de lluvia. Aislamiento superior al

95%.

5. Funcionamiento efectivo tras soportar corrientes de rayo repetitivas.

Efectividad

Pruebas de funcionamiento y efectividad:

LCOE Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia- Ministerio de Industria y

Energía (Madrid).

SEDIVE Laboratorio de Alta Tensión de Bazet (Francia).

Facultad de Física de la Universidad de Valencia.

Instituto de Tecnología Eléctrica. Universidad Politécnica de Valencia.

AIMNE Instituto Tecnológico Metal Mecánico (Valencia).

EDF Eléctrica de Francia. Laboratorio de Les Renardieres (Francia).

BET Laboratorio de Alta Tensión de Blitzschutz & EMV (Alemania).




68

2.4.4.1.4 Materiales necesarios para la instalación de un sistema de pararrayos

en edificios.

Los materiales necesarios para la instalación de un sistema son lossiguientes:

A) Puntas

Las puntas pueden ser de cobre cromado, con una altura mínima de 25 cm.,

quedando más altas del contorno que protegen, tendrán sus bases adecuadas a la

superficie donde se coloquen e irán fuertemente fijadas a la misma (ver la figura 17).

B) Conductores

Estos pueden ser de dos tipos, pudiendo ser:

I.- Cable de cobre desnudo de 11.9 mm. de diámetro, para edificios con altura

menor o igual a 23 m, (ver figura 18).

II.- Cable de cobre desnudo de 13mm. de diámetro, para edificios con altura

mayor de 23m. (ver la figura 19).

En cualquiera de los casos, se colocará el conductor de manera a proveer un

doble paso a tierra desde cada punta.

C) Conductores de baja

Cualquier tipo de estructura, salvo asta-banderas, mástiles o estructuras

similares, debe tener por lo menos dos conductores de bajada.

Su colocación estará tan separada como sea posible, preferentemente en diagonal,

en esquinas opuestas en estructuras cuadradas o rectangulares y diametralmente

opuestas en estructuras cilíndricas.




69

Cuando una estructura tenga un perímetro que exceda de 75 m., debe tener

una bajada adicional por cada 30 metros de perímetro. Para el cálculo del perímetro

se deben considerar las dimensiones exteriores al nivel del terreno, excluyendo

cobertizos, marquesinas y salientes que no requieran de protección. El número totalde conductores de bajada en estructuras con azoteas planas o ligeramente

inclinadas y en las de forma irregular se calcularán de tal manera que la distancia

promedio entre ellos no sea mayor de 30 m.

D) Fijaciones.

Los elementos que se utilizan para fijar los cables son las abrazaderas yserán del mismo metal que estos, deberán quedar lo suficientemente fuertes para

sujetar a los conductores. Se instalaran a una distancia de 90 cm. unas de otras (ver

figuras 17,18 y 20).




70

Figura 17. Conectores para fijaciones de puntas pararrayos.

Abrazadera para cable. Conector detuberías.

Base de pretil parapunta.

Desconectador detierra.

Conector detuberías. Conector “T” mecánico.




71

Figura 18. Materiales utilizados para la instalación del pararrayos.

Cable de cobre de 24hilos de 1.7 mm dediámetro.

Punta triple galvanizadamaciza de cobre.

Boquilla niveladora

para punta.

Conector de

contacto.

Conector detuberías.

Conector “Pasa

Losa”.




72

Figura 19. Tipos de materiales para la fijación e instalación del pararrayos.

Varilla Coperweldpara tierra.

Rehilete para tierra.

Conector “T”. Abrazaderaspara tierra.

Ajusrtador para cable y bases. Conector cruz.




73

Figura 20. Representación esquemática de la fijación del pararrayos.

Base planapara punta.

Nivelador para

puntas.

Punta maciza de

cobre, cromadade 25 o 32 cm.

Cable de cobre de 28 o

32 hilos.

Abrazadera para cable.




74

2.4.4.1.5 Conexión a Tierra. Interconexión de Metales, Tuberías y Equipos

Todos los objetos metálicos de ciertas dimensiones, no conectados a tierra,

que se encuentran dentro de 1.80 m. Del sistema, o de metales conectados almismo, deberán ir ligados a estas instalaciones por medio de abrazaderas y

conectores especiales (ver la figura 21).

Figura 21. Instalación del pararrayos por medio de abrazaderas y conectores

especiales

Conector “T”.

Cable de cobrede 28 o 32 hilos.

Conector zapata paraaterrizar elementosmetálicos.

Ducto deextrucción deaire.




75

Las conexiones a tierra se harán por medio de bayonetas y/o rehiletes, para

conseguir, en condiciones normales, un valor de la resistencia a tierra dentro de las

normas referidas.

En caso de que las condiciones del terreno originen valores superiores a los

recomendados (máximo 25 ) , serán necesarios trabajos adicionales para mejorar

las condiciones del terreno.

Es importante, también, considerar lo siguiente:

A) Ubicación

Las conexiones a tierra se harán en aquellos lugares donde se logre una fácil

dispersión de la descarga en el terreno, preferentemente fuera de la cimentación y

en un área de jardines.

B) Medio de conexión

Varilla cobre-acero de 3.05 m. de longitud y 13 mm. de diámetro (véase la

figura 22).

Rehilete instalado de 1.5 a 2 m. de profundidad.

Cable de cobre de 3.6 m. de longitud, enterrado entre 30 y 60 cm. de

profundidad.

Varilla de cobre-acero, en registro de mampostería (en el caso de suelos

rocosos) con dimensiones de 80*80*80 cm., conteniendo capas alternadas de

10 cm. de carbón de piedra en polvo, cloruro de sodio en grano, cloruro de

calcio y sulfato de cobre o sulfato de magnesio.

C) Tierras comunes

Se deberán realizar las interconexiones necesarias entre las tierras del

sistema de pararrayos y las de otros servicios como eléctrico, antenas de radio y

televisión, etc.




76

Figura 22. Medios de conexión del pararrayos.

D) Instalación

La instalación se hará de manera poco visible. El conductor se colocara a menos de

60 cm. de la orilla exterior de los techos planos o azoteas, sobre o atrás de los

pretiles, a lado de las cumbreras, sobre las cornisas, atrás de las bajadas de agua y

en general, procurando esconder el equipo lo más posible. Todos los materiales se

fijaran fuertemente a la construcción para evitar cualquier posibilidad de

desplazamiento y para facilitar el mantenimiento subsiguiente.

Varilla Coperweldpara tierra, de cobrecon alma de acero de13 mm. y 3.05 m.

Cable de cobre de 28o 32 hilos.

Abrazadera paratierra.

Tubo rígido de PVC de19mm. de diámetro y

3 m. de longitud.

Abrazadera galvanizadade 19 mm. de diámetro.

Desconectadorpara prueba.




77

2.4.4.1. Selección del Pararrayos

1. Queda prohibido utilizar pararrayos que funcionan a base de material

radioactivo.

2. Los factores que se deben considerar para la determinación de la obligación

de instalar pararrayos y en su caso el tipo de pararrayos a utilizar para drenar

a tierra la descarga eléctrica son:

a) El nivel isoceráunico de la región.

b) Las características fisicoquímicas de las sustancias inflamables o

explosivas que se almacenen, manejen o transporten en el centro detrabajo.

c) La altura del edificio con elación con las elevaciones adyacentes.

d) Las características y resistividad del terreno.

e) Las zonas del centro de trabajo donde se encuentren sustancias

químicas, inflamables o explosivas.

f) El ángulo de protección del pararrayos.

g) La altura de instalación del pararrayos y el sistema para drenar a tierralas corrientes generadas por la descarga eléctrica.

2.4.4.1. Instalación del Pararrayos

Para el desarrollo de la correcta instalación de un sistema de pararrayos se

deben considerar los siguientes aspectos básicos:

Debe respetar absolutamente las normas existentes.

Realizar la correcta ubicación y distribución de todos los elementos.

Utilizar estrictamente los materiales especificados.

Es de especial interés al análisis de las siguientes observaciones generales

relativas a los eventos principales a desarrollarse en una instalación de este tipo,

que son:




78

1. Localización de la posición de las puntas.

2. Fijación de las bases para la localización de las puntas.

3. Determinación del recorrido de conductores.4. Fijación de conductores.

5. Conexiones.

6. Determinación de la posición de los electrodos a tierra.

7. Instalación de los electrodos.

8. Pruebas.

1. Localización de la posición de las puntasLa parte más alta de las puntas debe quedar por lo menos 25 cm. más alta que el

contorno protegido. La separación máxima de la orilla del contorno protegido es de

60 cm. El espaciamiento máximo entre puntas debe ser de 7.20 m. +- 10%.

2. Fijación de las bases para la colocación de las puntas

Se debe usar algún elemento rígido adecuado al ambiente en el que se instale, por

ejemplo, si el ambiente es corrosivo, se puede usar un taquete de plástico con

tornillo de latón, considerando que además de corrosivo es húmedo.

3. Determinación de recorrido de conductores

Horizontales:

De cada punta deberán existir 2 trayectorias a tierra, sin curvas ascendentes.

Los cambios de dirección no deben tener un radio menor de 20 cm.

Verticales:

Deben ser lo más directo posible.

No deben tener curvas inversas.

Procurar de ser posible, alejarlos de ventanas metálicas.

Procurar que el espaciamiento entre bajadas sea uniforme.

En la parte inferior del cable vertical aparente (3.00 m. Sobre el nivel del

terreno), deberá instalarse una guarda de protección, con la finalidad de

proteger al conductor de daño mecánico, se sugieren tuberías no metálicas.




79

4. Fijación de conductores

Antes de sujetarse el cable, deberá ser tomado para garantizar trayectorias lo

más rectas posible.

El espaciamiento máximo entre puntos de sujeción (abrazaderas), será de 90cm.

Para fijar las abrazaderas se usaran elementos apropiados al medio ambiente

en el que se instale.

5. Conexiones

Las conexiones deberán ser las mínimas necesarias y de la máxima rigidez

mecánica. Siempre se deberán usar conectores mecánicos especiales para este uso.

Las conexiones soldadas deberán evitarse.

6. Determinación de la posición de los electrodos de tierra

Deben localizarse cercanos a los conductores de bajada a tierra.

Preferentemente fuera de cimentaciones.

Separados por lo menos 60 cm. de la construcción.

De preferencia se deben colocar donde el terreno sea lo más húmedo posible

o este en el máximo contacto con humedad.

7. Instalación de los electrodos

Varillas o bayonetas:

Deben clavarse totalmente (3.05 m.) y asegurarse que el terreno es bueno, o

sea, que a través de la superficie de la varilla se establezca un buen contacto

con el terreno, por lo tanto, deberá evitarse el hacer una excavación para

colocar en ella la varilla.

La conexión entre el cable y la varilla se hará con un conector especial para

este fin, que garantice la superficie de contacto adecuada.

Preferentemente, pero no indispensable, se construirá un registro para tener

acceso al conector mencionado anteriormente y colocado en el extremo

superior de la varilla.




80

Rehiletes:

Se usaran en terrenos donde no sea posible clavar la varilla, en excavaciones

especiales para ellos, de la máxima profundidad posible.

El rehilete se colocará en el fondo de la excavación en una mezcla de ciscode carbón (carbón menudo) y sal en proporción de 5 a 1.

Es muy importante que la excavación sea tapada con tierra de las mejores

condiciones de conductividad, al máximo grado de compactación que sea

posible.

Desconectadores de tierras:

Cada electrodo de tierra deberá proveerse de un medio que permita sudesconexión del sistema para poder llevar a cabo lecturas del valor de su

resistencia a tierra.

Normalmente es recomendable la instalación del desconectador en el

extremo inferior de cada conductor de bajada, pero debe de tenerse en

cuenta que es importante que entre el mismo y el electrodo no debe haber

ninguna otra conexión.

8. Pruebas

Para considerar satisfactoria una instalación, deberá tener:

Continuidad total en sus circuitos, que puede comprobarse haciendo pasar

una corriente a través de ellos.

Una resistencia a tierra adecuada en sus electrodos (máximo 25 ohms).

Rigidez mecánica en sus elementos de soporte.




81

2.4.4.2 Estudio del Apartarrayos

2.4.4.2.1 Norma 001-SEDE-1999

ARTÍCULO 280 – APARTARRAYOS

A. Disposiciones generales

280-1. Alcance. Este Artículo cubre los requisitos generales, de instalación y de

conexión de apartarrayos conectados a sistemas de alambrados de usuarios.

280-2. Definición. Un apartarrayos es un dispositivo protector que limita las

sobretensiones transitorias descargando o desviando la sobrecorriente así

producida, y evitando que continúe el paso de la corriente eléctrica, capaz de repetir

esta función.

280-3. Número necesario. Cuando se utilice como un elemento en un punto del

circuito, el apartarrayos se debe conectar a cada conductor de fase. Se permite que

una misma instalación de apartarrayos proteja a varios circuitos interconectados,

siempre que ningún circuito quede expuesto a sobretensiones cuando esté

desconectado de los apartarrayos.

280-4. Elección del apartarrayos

a) Para circuitos de menos de 1000 V. La capacidad nominal de los apartarrayos

debe ser igual o mayor que la tensión eléctrica continua de fase a tierra a la

frecuencia de suministro que se pueda producir en el punto de aplicación. Los

apartarrayos instalados en circuitos de menos de 1000 V deben estar aprobados y

listados para ese fin.

b) En circuitos de 1 kV y más, tipo carburo de silicio. La capacidad nominal de

los apartarrayos tipo carburo de silicio no debe ser inferior a 125% de la tensión

eléctrica máxima continua de fase a tierra disponible en el punto de aplicación.




82

NOTA: La elección adecuada de apartarrayos de óxido metálico se debe basar en

consideraciones de la tensión eléctrica máxima continua y del valor y duración de las

sobretensiones en el lugar donde se vaya a instalar, y de cómo puedan afectar al

apartarrayos las fallas de fase a tierra, los métodos de puesta a tierra del sistema,las sobretensiones por operación de interruptores y otras causas. Es conveniente

consultar las instrucciones de los fabricantes para la aplicación y selección de

apartarrayos en cada caso particular.

B. Instalación de los apartarrayos

280-11. Localización. Está permitido instalar apartarrayos en interiores o exteriores,

pero deben ser inaccesibles a personas no-calificadas, y lo más cerca posible delequipo. Véase 280-27

Excepción: Los apartarrayos aprobados y listados para su instalación en lugares

accesibles. En instalaciones en vía pública, deben instalarse apartarrayos en los

puntos normalmente abiertos. Cuando se trate de sistemas subterráneos, el

apartarrayos debe ser de frente muerto.

280-12. Tendido de los cables de los apartarrayos. El conductor utilizado para

conectar el apartarrayos a la red o cables y a tierra no debe ser más largo de lo

necesario, y se deben evitar curvas innecesarias.

C. Conexión de los apartarrayos

280-21. Instalados en acometidas de menos de 1000 V. Los conductores de

conexión a la red y a tierra no deben ser de tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2

(14 AWG) en cobre ni menor a 13,3 mm 2 (6 AWG) en aluminio. El conductor de

puesta a tierra de apartarrayos se debe conectar a uno de los siguientes elementos:

(1) al conductor puesto a tierra de la acometida; (2) al conductor del electrodo de

puesta a tierra; (3) al electrodo de puesta a tierra de la acometida o (4) a la terminal

de puesta a tierra de equipo de acometida. En los elementos (2) y (3) anteriores, el

conductor de puesta a tierra debe ser de cobre.




83

280-22. Instalados en el lado de la carga en instalaciones de menos de 1000 V.

Los conductores de conexión de apartarrayos a la red y a tierra no deben ser de

tamaño nominal inferior a 2,082 mm 2 (14 AWG) en cobre ni menores a 13,3 mm 2

(6 AWG) en aluminio. Se permite conectar un apartarrayos entre dos conductorescualesquiera (de fase, puesto a tierra o conductor de puesta a tierra). El conductor

de puesta a tierra y el puesto a tierra sólo se deben conectar entre sí cuando

funcione el apartarrayos normalmente durante una sobretensión.

280-23. Circuitos de 1 kV en adelante: conductores de los apartarrayos. Los

conductores entre apartarrayos y la red y entre aquéllos y la conexión de puesta a

tierra, no deben ser inferiores a 13,3 mm 2 (6 AWG) de cobre o aluminio.

280-24. Circuitos de 1 kV en adelante: conexiones. Los conductores de puesta a

tierra de apartarrayos que protegen a un transformador cuyo secundario suministre

energía a un sistema de distribución, se deben conectar como se indica en los

siguientes incisos.

a) Conexiones metálicas. Se debe hacer una conexión metálica con el conductor

puesto a tierra en el secundario o al conductor de puesta a tierra del equipo en el

secundario, considerando que además de la conexión directa puesta a tierra del

apartarrayos:

1) El conductor puesto a tierra en el secundario tenga además una conexión de

puesta a tierra con una tubería metálica continua enterrada para agua. No obstante,

en zonas urbanas donde haya por lo menos cuatro conexiones con tubería de agua

al neutro y no-menos de cuatro de dichas conexiones por cada 1,6 km de longitud

del neutro, se permite hacer la conexión metálica con el neutro del secundario, sin

tener que hacer la conexión directa a tierra del apartarrayos.

2) El conductor puesto a tierra en el secundario del sistema forme parte de un

sistema con múltiples puestas a tierra del neutro en el cual el neutro del primario

tiene al menos cuatro conexiones a tierra por cada 1,6 km, adicionalmente a la

puesta a tierra en cada acometida.




84

b) A través de un entrehierro o dispositivo. Cuando el conductor de puesta a

tierra del apartarrayos no esté conectado como se indica anteriormente en (a) o

cuando el secundario no esté puesto a tierra como se indica anteriormente en (a),

pero sí como se indica en 250-81 y 250-83, se debe hacer una conexión a través deun entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado, como sigue:

1) En sistemas con primario no-puesto a tierra o con un solo punto de puesta a

tierra, el entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión

eléctrica de ruptura a 60 Hz como mínimo del doble de la tensión eléctrica del

circuito primario, pero no necesariamente más de 10 kV, y debe haber como mínimo

otro punto de puesta a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario, a una

distancia no-menor de 6 m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos.2) En sistemas cuyo neutro del primario tenga varios puntos de puesta a tierra, el

entrehierro u otro dispositivo aprobado y listado debe tener una tensión eléctrica de

ruptura a 60 Hz no-superior a 3 kV y debe haber como mínimo otro punto de puesta

a tierra del conductor de puesta a tierra del secundario a una distancia no-inferior a 6

m del electrodo de puesta a tierra del apartarrayos.

c) Con permiso especial. Sólo se puede hacer una conexión del conductor de

puesta a tierra del apartarrayos y del neutro del secundario, que no sea como las

indicadas en los anteriores (a) y (b), mediante permiso especial de la empresa

suministradora.

280-25. Toma de tierra. Excepto lo indicado en este Artículo, las conexiones de

puesta a tierra de los apartarrayos se deben hacer como se indica en el Artículo 250.

Los conductores de puesta a tierra no deben ir en una envolvente metálica a no ser

que estén conectados equipotencialmente a ambos extremos de dicha envolvente.

280-26. Sistemas aéreos en anillo y en transiciones. Deben instalarse

apartarrayos en el punto abierto de sistemas aéreos en anillo y en transiciones de

línea aérea a subterránea.




85

280-27. Instalación en interiores. Cuando se instalen apartarrayos en el interior de

edificios, deben ubicarse fuera de pasillos y alejados de otros equipos, así como de

materiales inflamables.

280-28. Resguardo. Los apartarrayos y sus accesorios deben resguardarse, ya sea

por su elevación o por su localización en sitios inaccesibles a personas no-

calificadas; o bien, protegidos por defensas o barandales, similares a los que se

mencionan en 710-35.

280-29. Conexión de puesta a tierra

a) Conductores de puesta a tierra. Los apartarrayos deben ser puestos a tierra lomás directamente posible y deben cumplir con el tamaño nominal mínimo señalado

en 280-23.

b) Conexión de puesta a tierra de partes metálicas de apartarrayos. Cuando no

sea factible el resguardo de los apartarrayos como se indica en 280-28, su

estructura y partes metálicas que no conducen corriente eléctrica, deben ser puestos

a tierra.

c) Apartarrayos instalados en terminales de cables subterráneos. Cuando se

instalen en terminales de cables subterráneos con cubiertas metálicas, éstas deben

conectarse al mismo sistema de tierra de los apartarrayos.




86

Los apartarrayos actúan como válvulas de seguridad destinadas a descargar

las sobretensiones causadas por descargas atmosféricas, maniobras u otras

perturbaciones, que en caso contrario se descargarían por los aisladores o

perforando el aislamiento, ocasionando una interrupción en una línea yeventualmente desperfectos en las máquinas. Están proyectados de modo que

absorban suficiente energía transitoria para evitar reflexiones peligrosas y para

cortar la corriente en su primer paso por cero, después de la descarga de la

sobretensión. El aparato incluye uno o más juegos de distancias explosivas que

determinan la tensión de descarga y ayudan a la extinción del arco, evitando el paso

de corriente en servicio normal. La resistencia del material del apartarrayos es,

aproximadamente inversamente proporcional a la tensión que soporta, de maneraque la caída de potencial a través del apartarrayos aumenta muy poco al aumentar

la intensidad que lo atraviesa.

El apartarrayos es utilizado para la protección contra descargas indirectas

cuyas ondas viajan a través de las líneas de entrada a la subestación y contra las

descargas directas; también protegen el equipó contra algunas ondas que se

presentan por operaciones de maniobra.

Algunos de los apartarrayos actuales son capaces de drenar cualquier

descarga eléctrica como retraso en la descarga, ya que no es práctico diseñar

apartarrayos con un intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a

tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga del

apartarrayos puede ser de varios cientos de amperes su duración es muy corta en

comparación con la energía total absorbida por el apartarrayos, la primera

consideración en la aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje

de línea a tierra a que el apartarrayos puede estar sujeto para cualquier operación

del sistema o falla.




87

2.4.4.2.2 Protección de la Subestación

La protección de las subestaciones contra sobretensiones de origen externo o

contra sobretensiones por operaciones de maniobra (switcheo), consistebásicamente en varillas coperweld en las estructuras, hilos de guarda, pararrayos y

apartarrayos. Cómo protección adicional al equipo y el personal de operación se

tienen la red de tierra cuyo diseño está en función de la corriente de falla a tierra, la

corriente de rayo y la forma en que se encuentra el equipo conectado a tierra. Él

número de varillas coperweld que se instalan en una subestación tipo intemperie no

esta sujeto a un cálculo ya que se pueden localizar tantas varillas coperweld como

columnas de los marcos de la estructura de la subestación.

2.4.4.2.3 Selección del Apartarrayos

El apartarrayos protege contra las descargas indirectas, cuyas ondas viajan a

través de las líneas de entrada a la subestación y contra las descargas directas,

también protegen el equipo contra algunas ondas que se presentan por operaciones

de maniobra.

Algunos de los modernos apartarrayos son capaces de descargar cualquier

descarga eléctrica como algún retraso en la descarga ya que no es practico diseñar

apartarrayos con el intervalo de tiempo apreciable en las descargas de corriente a

tierra debido a la cantidad de energía almacenada. Aunque una descarga eléctrica

puede ser de varios cientos de amperes su duración, es muy corta en comparación

con la energía total absorbida por el apartarrayos. La primera consideración en la

aplicación de un apartarrayos es determinar el máximo voltaje de línea a tierra a

que puede estar sujeto para cualquier operación del sistema o falla.




88

2.4.4.2.4 Tensiones nominales del Apartarrayos

Los sobrevoltajes de falla a tierra pueden ser causadas por la pérdida súbita

de carga en generadores de plantas hidroeléctricas, por energización de líneas envació, por fenómenos de resonancia o por fallas en el sistema dentro del tipo de

fallas internas, en este grupo lo más importante a considerar son los sobrevoltajes

por fallas en el sistema, los otros casos se consideran como casos especiales.

El máximo sobrevoltaje por condiciones de fallas se obtiene por la corrección

de línea a tierra considerando el efecto de la aterrización. De acuerdo con las

normas ASA las relaciones de X0/X1 y R0/X1 dan una clasificación de los sistemasdebido a la forma en que se encuentran aterrizados sus neutros para la

determinación de sus sobrevoltajes, como se muestra en la tabla 1, mostrándose la

clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra utilizando las normas

ASA para la determinación de sobrevoltajes por falla:

DESCRIPCION CLASE RELACIONES DE LIMITE COEFICIENTE DE

ATERRIZACION ENX0/X1 R0/X1

ATERRIZADO A * * 75

ATERRIZADO B 0 – 3 0 a 1 80

ATERRIZADO C 3 a +∞ 1 a +∞ 100

NO

ATERRIZADO D -40 a -∞ - 100

NO

ATERRIZADO

E 0 a -40 - -

*Relación no establecida.

Tabla 1. Clasificación de sistemas por el método de conexión a tierra.




89

Los apartarrayos suelen localizarse en las subestaciones eléctricas lo más

cercano al equipo por proteger, sin embargo algunas veces pueden encontrarse

localizados a una distancia del equipo que aunque es relativamente corta se le

conoce como localización remota de apartarrayos.

2.4.4.2.5 Acción del Apartarrayos

La acción de un apartarrayos va dirigido fundamentalmente hacia la operación

con ondas de sobrevoltaje debido a descargas atmosféricas y la interrupción de la

onda de corriente que se presenta simultáneamente. Aunque en la actualidad se

tiene apartarrayos de diseño especial que operan con ondas de voltaje que sepresentan con operaciones de maniobra (switcheo). En esta parte solo se estudiará

el caso de ondas debidas a descargas atmosféricas .Como se ha estudiado, la

propagación de las ondas en la línea de transmisión que llegan al equipo en las

subestaciones o plantas tiene lugar a través de la impedancia característica de la

líneaC

L Z

0 , dependiendo de la flexión y transmisión (refracción) de estas

ondas (Figura 20), de los puntos de transición (cambio de medio de propagación) enla línea.

f e

f e Onda incidente

Figura 20. Representación de la propagación de una onda de una línea de

transmisión.




90

Como se mencionó anteriormente las funciones básicas del apartarrayos son:

limitar la magnitud del voltaje que se presenta en sus terminales, presentar una baja

impedancia a tierra para facilitar el paso de la corriente del rayo para recuperar su

rigidez dieléctrica después de que ha sido operado el apartarrayos

Un apartarrayos es por lo tanto un aislador en presencia de ondas de voltaje

debajo de su valor de operación en sus terminales. Arriba de este valor se presenta

un arqueo cuando una onda de voltaje pase a través del apartarrayos.

Pudiera ser que la línea a la que se encuentra conectado un apartarrayos en

un punto, no estuviera adecuadamente protegida y que el apartarrayos tuviera unvalor de operación superior al cual debiera de operar, en estas condiciones se

presenta el fenómeno de reflexiones sucesivas ya que el apartarrayos puede tener

un intento de operación y originar reflexiones de ondas negativas.

2.4.4.2.6 Tipos de Apartarrayos

Apartarrayos tipo línea.- Son algo más pequeño y mas baratos, y poseen

una capacidad de descarga más reducida y una caída RI. Estos pararrayos se usan

en líneas con trasformadores de distribución y en los extremos de las zonas

protegidas de centrales o estaciones

Apartarrayos tipo Thyrite.- Construido por la General Electric Company .-

emplean discos de una composición de cerámica homogénea, no porosa e

inorgánica, que se convierten, de aislantes, en excelentes conductores, cuando la

tensión se eleva a un valor determinado. En serie con los discos de thyrite se hallaun conjunto de varias distancias disruptivas en serie, formando unidad, cada una de

las cuales está shuntada por una resistencia thyrite en derivación, que asegura una

distribución de la tensión regulada y uniforme. Los discos y los espacios disruptivos

están encerrados dentro de un cuerpo de porcelana con tapa y fondo metálicos. Se

forman columnas de una o más unidades para obtener la tensión nominal

adecuada. Estos pararrayos pueden conseguirse para una serie de tensiones desde

2.3 hasta 287 Kv.




91

Apartarrayos de Película de Oxido.- Se componen de cierto número de

celdas que contienen peróxido de plomo, en serie con una distancia disructiva entre

línea y tierra. Este tipo de apartarrayos ha sido suplantado en gran escala por otros

tipos.

Apartarrayos tipo de Bolitas o Píldoras (Pellet).- Es una modificación del

de película de óxido. El peróxido de plomo recibe la forma de bolitas del tamaño de

una píldora común, recubiertas de un polvo aislante o barnizadas y colocadas en un

tubo convenientemente aislado según la tensión a que ha de aislarse. Completan el

conjunto un explosor o distancia explosiva en serie y los conductores terminales. La

descarga, después de salvar el explosor perfora la capa aislante de las bolitas yseguidamente dicha capa se regenera, cortando el paso de la corriente dinámica.

Este apartarrayos esta clasificado como propio para distribución y líneas; su

capacidad de descarga es inferior a los de los tipos para estaciones o centrales.

Estos apartarrayos se construyen para tensiones de 1 hasta 73 kvolts

Apartarrayos de elementos de aluminio.- Basan su funcionamiento en una

película aislante formada aplicando una fuerza electromotriz entre dos electrodos de

aluminio en un electrolito apropiado. La película se perfora con una sobretensión,

pero se vuelve a formar cuando la tensión baja a su tensión normal. Antes se

usaban mucho, pero debido a sus elevados gastos de conservación, este tipo ha

sido sustituido por otros más modernos.

Apartarrayos Autovalvulares.- Tal como los construye la Westinghouse

Electric Corporation, se fabrican tanto para centrales como para líneas. Los primeros

se hacen para una capacidad descarga de 100,000 amperes, y los segundos para

50,000 amperes y para tensiones de 1 hasta 287 kv. El apartarrayos autovalvular se

compone de bloques cilíndricos porosos y elementos explosores; el conjunto es

comprimido por medio de resortes. Las unidades así formadas están encerradas en

una cámara de porcelana, provista de una pieza de base y otra de tapa, donde se

fijan las terminales de puesta a tierra y de línea respectivamente ( ver figura 24).




92

Figura 24. Tipo de apartarrayos autovalvular.




93

Apartarrayos de Distribución con Sello Rolado.- (para altitudes de 0 a 3 km. Uso

exterior e interior de 3 a 24 kv, a una fase.). El apartarrayos IUSA de distribución, es

ahora el más pequeño y ligero disponible en el mercado. Este apartarrayos ha

mantenido las distancias de fuga de campanas más profundas y mejorado suscaracterísticas eléctricas de excelente protección al mismo tiempo que las

reducciones en tamaño y peso proporcionan al usuario numerosa ventajas: facil

manejo durante la instalación, reducción de peso en las crucetas, mejor apariencia

de las instalaciones eléctricas de distribución, reducción de espacios de aislamiento

y mayor facilidad para almacenamiento (figura 23).

Figura 23. Representación del apartarrayos de distribución con sello rolado.




94

Los apartarrayos de distribución tipo rolado marca IUSA, han sido

manufacturados y probados, de acuerdo con las normas ANSI, NEMA e IEC para

apartarrayos clase distribución.

Funcionamiento :

La función básica del apartarrayos es proteger las instalaciones eléctricas de

alta tensión y equipo de sub-estaciones, principalmente los transformadores

eléctricos, cuando en la línea se produce una sobre tensión que puede ser debida a

una caída de rayos o efectos transitorios tales como operación de interruptores,

cortos circuitos, etc; todos ellos cercanos a las instalaciones. Dicha sobretensión se

deriva a tierra en forma de corrientes muy elevadas que pasan a través de lasdistancias de arqueo a los cilindros autovalvulares hasta la terminal a tierra, pasando

por el indicador de fallas.

Cuando se presenta el fenómeno , el apartarrayos debe descargas las

sobretensiones y ser capaz de interrumpir la corriente remanente cuando termine el

primer medio ciclo a frecuencia normal de la línea.

Para dar una idea de lo anterior, esto significa la extinción del fenómeno en

forma completa en 1/120 de segundo para frecuencia de 60 hz.




95

Figura 24. Partes de un apartarrayos de distribución con sello rolado.

Partes constitutivas de un Apartarrayos de distribución con sello rolado (figura 24):

1. Capuchón aislante

2. Terminal superior , conector y tapa inferior.

3. Conjunto de cámaras de arqueo.

4. Resorte de contacto con derivador.

5. Cilindros autovalvulares.

6. Porcelanas fabricada bajo proceso húmedo.

7. Abrazadera galvanizada.

8. Indicador de fallas.

9. Sello rolado.




96

Factores de selección e instalación:

El principio de selección de un apartarrayos es que su tensión nominal

corresponda a la tensión que normalmente existe en una línea determinada entrecada fase y tierra o sea que corresponda con el valor real que en forma sostenida

va a tener verdaderamente aplicado entre terminales el apartarrayos. En todos los

casos se instala un apartarrayos por fase instalada de fase a tierra y debe

conectarse dicha tierra al neutro aterrizado del equipo cuando éste exista.

Con el propósito de seleccionar el valor adecuado de tensión nominal para un

apartarrayos dado, en sistemas trifásicos, existen los siguientes tipos o sistemas deaterrizaje :

Tipo A: Sistemas con neutro a tierra: Sistemas con neutro a tierra cuyas relaciones

reactancia a resistencia son menores que las de los sistemas tipo B. Los sistemas

tipo A llevan 4 hilos con neutro múltiple en conexiones de distribución: este sistema

es llamado usualmente “multiaterrizado”.

Tipo B: Para sistemas con tierra múltiple con relación de reactancia (X0/X1)positiva y

menor de 3 y aquellos cuya relación de resistencia (R0/X1)sea positiva y menor de 1

en cualquier punto del sistema.

Este sistema es usualmente definido como”efectivamente aterrizado o firmemente

aterrizado”.

Tipo C: Este sistema con todo y tener el neutro aterrizado, no llena los

requerimientos del sistema tipo B porque la relación de reactancia es mayor de 3

con valor positivo;




97

2.4.4.2.7 Instalación del Apartarrayos

La instalación del apartarrayos constituye una seguridad contra las

interrupciones de servicio de las líneas y de los desperfecto en equipos. La magnitudy el tipo de protección depende de la frecuencia de intensidad de las tormentas que

se producen en la región, del valor que se asigne a la reducción de las

interrupciones de la línea ocasionadas por descargas atmosféricas y de

desperfectos a los equipos. En general, el grado de aislamiento de la línea en la

proximidad en la central y el de los equipos de la misma debería estar coordinado de

tal manera que el aislamiento de los equipos no se perfore ni pudiese saltar el arco

en los aisladores de los transformadores e interruptores. Las centrales conectadas alíneas aéreas tienen que estar dotadas de protecciones contra descargas

atmosféricas proporcionadas al riesgo que éstas implica. La figura 25 indica la

disposición adoptada para dos grupos de apartarrayos colocados exteriormente en

una estación transformadora.

Figura 25. Instalación de apartarrayos en el exterior de una estación

transformadora.




98

La figura 26 se refiere a una instalación de interior en la que se hace llegar en

curva suave al apartarrayos su conexión a la línea, efectuada por un conductor

apropiado, y derivando del punto de entrada del apartarrayos la alimentación de la

estación transformadora, cuyos conductores no hay inconveniente en que presenten

trazados más o menos sinuosos.

La figura 27 muestra las medidas de montaje para apartarrayos hasta

37,000 voltios de tensión de trabajo, señalando las cotas mínimas necesarias cuyos

valores se aprecian en la tabla 2.

Figura 26. instalación de unapartarrayos en el interior deuna estación transformadora.

Figura 27. Medidas de montajepara apartarrayos autovalvularesde 3 a 37 kilovoltios de tensiónnominal.




99

MONTAJE

Tensión Interior Exteriornormal

en kv P mm P1 P mm P1 3.7 200 130 300 1606.4 210 155 315 18511 230 180 340 21015 285 235 375 28524 285 235 405 28537 365 315 480 385

Tabla 2. Medidas de montaje para los apartarrayos.

Los criterios para la instalación del sistema de apartarrayos se obtienen de

acuerdo a las normas vigentes, a continuación se describe los puntos que se deben

tomar en cuenta para la instalación de un sistema de apartarrayos:

1) Cuando la construcción que se desea proteger alcance una altura igual o mayor a

15m. y no se encuentren construcciones más elevadas en un radio de 500m.

2) Cuando la construcción sea la más alta de la población en donde está localizada,

aún cuando dicha altura sea menor a los 15m.

3) Cuando la construcción se localice en terreno con altura sobresaliente respecto a

la población en donde se ubique .

4) Cuando la construcción se encuentre aislada o alejada una distancia radial a

500m. de cualquier otra construcción.

5) Cuando el objetivo de la construcción sea almacenar alcohol, acetona o productos

altamente inflamables o explosivos




100

2.4.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

La tensión dinámica máxima posible en un dispositivo de tensión tiene que

estar por debajo de la tensión disruptiva a que se ha ajustado el explosor o de latensión máxima admisible entre la línea y la tierra del apartarrayos. La tensión

disruptiva y las características de descarga de los dispositivos de protección, bajo

las peores condiciones posibles, con un determinado margen de seguridad

determinan el grado de protección provisto. El nivel básico de aislamiento de los

aparatos, aisladores, etc; es el valor de cresta del impulso de tensión que pueden

resistir, debe hallarse con un margen adecuado, por encima del grado de protección.

Los márgenes de protección elegidos dependen de la distancia de los dispositivosde protección y los equipos a proteger, la importancia del servicio, el costo que

representa y la frecuencia probable de sobretensiones peligrosas.

El caso más interesante de este aislamiento es el del contorneamiento de los

aisladores por efecto de una onda de choque. El valor de la tensión necesaria para

producirlo depende de la polaridad de la onda (+) ó (-), dicha tensión tienen en

general mayor amplitud que la que correspondería a la corriente de frecuencia

industrial.

Es sabido que el valor de la tensión de contorneamiento por ondas de cresta

elevada y de frente muy escarpado, no depende solo del tiempo que dure su

aplicación sino que también muy especialmente de la forma de la onda. Dicha

tensión de contorneamiento depende, así mismo y de modo apreciable, del estado

de las superficies de los aisladores

Un aislante en aceite que esté en paralelo con otro aislante en el aire,

representa ventaja por lo que a la tensión de choque se refiere, y lo confirman los

excelentes resultados obtenidos a este con respecto con los aparatos en aceite y en

especialmente con los transformadores.




101

Los aisladores impregnados en aceite tienen cualidades parecidas a la de

este por lo que se refiere a la rigidez dieléctrica con las ondas de choque; por el

contrario en los aislantes sólidos secos, sobre todo en la porcelana, la relación de

impulsión no es muy grande. En los pasamuros de dicho material, la tensióndisruptiva aplicando ésta durante un periodo muy corto por debajo de I μs, es

sensiblemente del mismo valor que con la frecuencia industrial.

No existe explicación clara de por qué en los aisladores, y por lo que se

refiere a la rigidez dieléctrica la sobretensión que soportan con las ondas de choque

es mayor que la frecuencia de servicio, sobre todo si se trata de ondas cuya

amplitud de cresta es elevada y de frente muy escarpado. La figura 27 muestra loscontorneamientos tan distintos que producen las dos clases de ondas de choque: la

de la izquierda, con onda normalizada definida, como se dice luego, y la de la

derecha, con una alternancia a la frecuencia de 50 Hz. ambas ondas son negativas.

Como la tensión de contorneamiento aumenta a medida que disminuye el

tiempo en el cual esta aplicada dicha tensión puede ocurrir que la porcelana sufra

una perforación antes de que se haya provocado el contorneamiento, especialmente

si se trata de ondas de muy pequeña duración.




102

Figura 27. Contorneamientos producidos con ondas negativas. A la izquierda con

ondas de choque, y a la derecha con una alternancia a la frecuencia de

50 hertz.

La proporción de las descargas capaces de producir flameos en el

aislamiento de las líneas, decrece a medida que la tensión en el sistema aumenta. A

esta conclusión se ha llegado en estudios hechos en otros países para redes de 132

KV, 66 KV, y 33 KV, en sistema de transmisión y distribución.

Actualmente con los niveles de tensión que se usan en transmisión y la

tendencia a incrementarlos arriba de 400 KV, las ondas de sobretensión por

maniobra en los interruptores representan la causa principal de fallas en el

aislamiento.

El primer problema que se presenta en los niveles de alta tensión para la

transmisión, es que el aislamiento de las cadenas y claro en el aire ( distancias de

conductor a estructura y conductor ), no se incrementan linealmente con la tensión,

se incrementan en forma aproximada como V1.6.




103

Es necesario considerar la frecuencia con la cual bajo condiciones normales

de operación, las operaciones de maniobra de interruptores causan sobretensiones.

Por lo general, esto conduce a estudios estadísticos en los que se grafican enforma de histograma en el eje de la abscisas las sobretensiones en P. U. y en el de

las ordenadas, la frecuencia, de estos estudios se ha llegado también a las

siguientes conclusiones de tipo general:

a) Si el nivel de aislamiento se selecciona arriba del máximo nivel de

sobretensión producido por maniobra de interruptores, la probabilidad de falla

en el aislamiento es muy baja.

b) Si se emplea un nivel de aislamiento reducido, la probabilidad de fallas en el

aislamiento aumenta con relación al caso anterior.

c) Si se emplea aislamiento reducido, pero la característica de distribución de

sobretensión se modifica por el uso de apartarrayos o amortiguamiento por

resistencia en los interruptores, la probabilidad de falla en aislamiento es baja.




104

2.4.5.1 Coordinación entre líneas y estaciones.

En lo que concierne a la coordinación entre líneas y estaciones

transformadoras, en principio existen dos soluciones posibles: La primera consisteen aislar la línea débilmente con aquellas estaciones; con ello, éstas no estarán

sometidas a tensiones peligrosas. La segunda solución, consiste en aislar las líneas

fuertemente para tener en las mismas pocas perturbaciones y dejar que se

produzcan los contorneamientos inevitables en lugares determinados de las

estaciones transformadoras o antes de aquéllas. La práctica ha seleccionado esta

segunda solución por que las condiciones en las líneas y estaciones son tan

diferentes que no parece acertado recurrir a la primera solución. Además, lassobretensiones se amortiguan rápidamente en el recorrido de las líneas, de forma,

que en las estaciones transformadoras son aquéllas menos elevadas que en el lugar

donde se producen. Si existe mayor grado de aislamiento en las líneas que en las

estaciones transformadoras, se puede dar el caso de que una sobretensión dada no

produzca contorneamiento ni en las líneas, ni en las estaciones.

De lo expuesto se deduce la conveniencia de que las sobretensiones lleguen

a las estaciones transformadoras, donde encontrarán el correspondiente nivel de

protección: apartarrayos o explosores.

Si no se quiere instalar en la misma estación transformadora, en los puestos o

puntos destinados a las descargas, pueden colocarse los apartarrayos o los

explosores inmediatamente antes de dicha estación. Esto es sobre todo ventajoso

cuando los explosores se instalan en combinación con el dispositivo de reenganche

rápido; más es preciso que los explosores que se encuentran al exterior de la

subestación reemplacen el nivel más bajo de ella y no constituyan otro nivel más.




105

El hecho de que las ondas móviles se amortiguan, sugiere la idea de proteger

mejor las líneas en la proximidad de las estaciones transformadoras, por ejemplo, en

un radio de 1 kilómetro. Esta medida es aconsejable cuando no se justifica

económicamente el tendido a lo largo de toda la línea del cable de tierra. Empleandoéste en los trozos de líneas antes de la estación transformadora, se evita lo mejor

posible la producción de sobretensiones en la porción contenida en el radio

protegido, por las que se origina más allá, llegan a la estación suficientemente

amortiguadas. Ciertamente que ésta precaución no debe tomarse sin proteger la

estación transformadora contra los rayos directos; si se trata de una estación

transformadora del tipo intemperie, será necesario tender cables de tierra por

encima de la instalación.

Por lo que se refiere a los intervalos entre los distintos niveles, se considera

necesario que la diferencia entre el nivel intermedio y el superior, sea al menos del

25%, si las pruebas de coordinación son independientes para cada uno de ellos. Sin

embargo, el comité Suizo de coordinación prescribe que el ensayo ha de ser

simultáneo y entonces el escalón puede ser únicamente de un 15% sin que se

aumente por ello la probabilidad de funcionamiento intempestivo.

Entre la tensión de encebamiento del nivel intermedio y el de los apartarrayos,

un intervalo del 15% parece bastar, aunque las pruebas de coordinación no sean

simultáneas. Sin embargo, como los pararrayos deben también cumplir su misión,

cuando los aparatos de alta tensión que deben protegerse están situados a alguna

distancia, es posible admitir que las tensiones que llegarán a la estación

transformadora serán un poco mayores que las tensiones de encebamiento de los

apartarrayos. Por ello es lógico prescribir un intervalo al menos de 25% entre los

niveles de aislamiento.




106

2.4.5.2 Diseño del aislamiento de las líneas por sobretensión de origen

atmosférico

Para diseñar líneas de transmisión con un comportamiento aceptable durantedescargas atmosféricas, se debe disponer de métodos confiables para predecir

posible flameos y salidas de operación de la línea. Actualmente los métodos

disponibles son aquellos que emplean curvas generalizadas como las que aparecen

en EHV Transmisión Líneas del Edison Institute y aquellas técnicas basadas en la

aplicación del método de Monte-Carlo, que permite el uso de aspectos

probabilísticos para el análisis detallado de una línea especifica y parámetros

establecidos en la descarga y que dan resultados bastante aproximados.

En realidad, se puede decir que cualquiera de los métodos de cálculo carece

de una base sólida de conocimientos teóricos, ya que tienen que ser

complementados con la experiencia adquirida en el campo; de esto se observa que

en algunos casos los resultados obtenidos coinciden con la experiencia que se tiene

y se establece un procedimiento con cierto grado de confiabilidad; en cambio en

otros casos, es necesario hacer modificaciones y debido a la gran cantidad de

parámetros que se manejan, estos procedimientos no eliminan la posibilidad de

hacer correcciones y compensar errores que pueden mejorar los cálculos en otras

líneas cuando se aplican a otros tipos y condiciones que las encontradas

previamente, por lo que una buena regla es que cuando se aplique el método de

predicción a una nueva línea, se deben verificar que experiencias que se han tenido

previamente con objeto de que en caso de ser necesario, se modifiquen algunos

aspectos basados en la experiencia práctica y experimental.




107

CAPITULO III




108

CONCLUSIONES

La instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas y

sobrevoltajes es una labor delicada tanto en proyecto como en la instalación, y esrecomendable que estos trabajos sean desarrollados por personas que tengan el

conocimiento sobre las consecuencias que trae consigo una descarga eléctrica de

tipo atmosférico. Es conveniente para toda persona dedicada a la construcción,

ingenieros eléctricos, técnicos, estudiantes, etc, conozca sobre el fenómeno natural

llamado “rayo”, para que de esta forma protejan tanto los sistemas eléctricos, líneas

de distribución, centrales eléctricas etc., sobre dicho fenómeno.

Es recomendable darle la importancia a este tema ya que no está por demás

señalar la capacidad destructiva que posee una descarga atmosférica que trae

consigo grandes consecuencias tanto sus efectos directos o indirectos como son,

daños a personas y cosas, incendios y destrucción, etc.

Por todo lo anterior se considera que se han mencionado los puntos básicos

del comportamiento, así como las consecuencias que trae consigo una descarga

eléctrica producida por un “rayo” y así de esta manera, por medio de este estudio

tengan a la mano una información valiosa para su vida.




BIBLIOGRAFÍA

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Sistema Eléctrico y Coordinación de Aislamiento.Volumen II,Ed. Limusa, México D.F.

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Gutierrez Segura y Perez Barrientos

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